3.1 数据编码（第1课时）导学案-2026-2027学年教科版高中信息技术必修一

该高中信息技术导学案聚焦数据编码第1课时，核心内容包括模拟与数字信号的特征区分，声音数字化的采样、量化、编码环节及存储量计算。课前通过数制预备知识铺垫和对比手机录音与现场声音的预习思考导入，课堂以概念填空、采样点幅值读取练习、二进制编码转换及小组合作计算等活动为支架，构建从信号认知到数字化过程的知识脉络。 该资料特色在于设计阶梯式实践活动，通过“练一练”读取采样幅值、“做一做”完成编码转换、小组合作计算存储量等环节，结合语音备忘录参数选择的真实问题探究，培养学生的计算思维（抽象建模与算法应用）和数字化学习与创新能力（实践操作与问题解决），落实信息意识中数据价值判断与参数权衡的思想，助力学生深化对数字化过程的理解。

3.1 数据编码导学案（第1课时） 一、学习目标 1. 能够区分模拟信号与数字信号，说出各自的特征。 2. 理解声音数字化的三个环节：采样、量化、编码的含义。 3. 能根据给定的量化值完成二进制编码转换。 4. 能运用公式计算数字音频的存储量，体会参数选择中的“权衡”思想。 二、课前准备 1. 数制预备知识 进制 基 数字符号 示例 十进制 10 0-9 25₁₀ 二进制 2 0,1 11001₂ 提示：二进制中从右向左第n位的“权”为 2ⁿ（n从0开始）。 例如：1011₂ = 1×2³ + 0×2² + 1×2¹ + 1×2⁰ = 8+0+2+1 = 11₁₀ 2. 预习思考 听一段手机录音和现场说话的声音，你觉得它们“听起来”一样吗？有什么区别？ 三、课堂探究 活动一：认识模拟信号与数字信号 概念填空： • 模拟信号：时间和幅值都______变化的信号，如________、________。 • 数字信号：时间和幅值都是______变化的信号，计算机只能处理数字信号。 活动二：声音数字化——采样·量化·编码 1. 采样 把连续的声波波形按固定时间间隔取出若干“点”，记录每个点的高度。 • 采样频率：____________________________________ • 常用CD音质采样频率：______ kHz，表示________________________ 想一想：采样频率越高，记录的声音细节越____（多/少），数据量越____（大/小）。 2. 量化 把每个采样点的高度值取整到最接近的整数等级。 • 量化位数：____________________________________ • 量化位数越多，每个采样点的等级越______（精细/粗糙），数据量越______（大/小）。 练一练：下图为一段声波的部分采样点（纵轴数值已标出），请将各采样点的幅值读入下表“幅值”列。 采样序号 1 2 3 4 5 6 7 8 幅值 3. 编码 将量化后的十进制数值转换为二进制数存储。 做一做：将上表的“幅值”列转换成二进制（至少完成前4个）： 采样序号 1 2 3 4 5 6 7 8 幅值 +3 +5 +7 +6 +2 -2 -5 -4 二进制编码 提示：+3→ 011，+5→ 101，+7→ 111，+6→ 110，+2→ 010 负数编码较复杂，本课时暂不要求，可用符号位表示（如-2记作“负010”或不填） 活动三：存储量计算 公式： 存储量（字节）=采样频率（𝐻𝑧）×量化位数（𝑏𝑖𝑡）×声道数×时间（秒）÷8 注意：1 Byte = 8 bits；1 MB = 1024 KB = 1024×1024 B ≈ 10⁶ B 计算任务（小组合作） ： 第①题：计算1分钟双声道CD音质音频的存储空间。 • 采样频率：44.1 kHz = ______ Hz • 量化位数：16 bit • 声道数：____ • 时间：____ 秒 解:存储量 = ____________ = (bit) ÷ 8 = ________(Byte) ÷ 1024 ÷ 1024 ≈ ________ (MB) 第②题：一个50GB的U盘，能存储多少分钟上述品质的音频？ 解： 50GB = ______ MB 可存储时间 = ______ ÷ ______ ≈ ______（分钟） ≈ ______（小时） 拓展思考 如果要录制一段语音备忘录（仅记录说话内容，不需要高音质），你会选择怎样的采样频率和量化位数？为什么？ 答;__________________________________________________________________ 四、课堂小结 声音数据数字化流程图（填写关键词）： 连续声波 → ①______（时间离散化）→ ②______（幅值离散化）→ ③______（转二进制）→ 数字音频文件 5、 课后拓展实践 用手机录音功能，分别以以下参数录制5秒语音： • 设置A：采样频率 8kHz，单声道，8位量化 • 设置B：采样频率 44.1kHz，双声道，16位量化 对比两个文件的大小和音质，填写下表： 对比项目 设置A 设置B 文件大小 音质感受（清晰/模糊/有杂音等） 适合场景 学科网（北京）股份有限公司 $ 3.1 数据编码导学案 第1课时 答案解析 二、课前准备 2. 预习思考 参考回答：现场说话的声音是连续、自然的，而手机录音听起来有轻微的“数码感”，高音部分可能不如现场清晰。这是因为现场声音是模拟信号连续传播到耳朵，而手机录音经过采样和量化，丢失了部分声音细节。 解析：此题为开放性题目，主要考察学生对模拟信号和数字信号的直观感受，不设标准答案，言之成理即可。教师可据此了解学生的前置认知。 三、课堂探究 活动一：认识模拟信号与数字信号 概念填空： · 模拟信号：时间和幅值都连续变化的信号，如声波、温度变化曲线、电压波形。 · 数字信号：时间和幅值都是离散变化的信号，计算机只能处理数字信号。 解析：模拟信号在时间和幅值两个维度上都是连续无间断的，而数字信号是在离散的时间点上取值，且每个取值是有限集合中的一个。这是理解数字化的核心前提。 活动二：声音数字化——采样·量化·编码 1. 采样 · 采样频率：每秒钟采集的样本数量（或：单位时间内对模拟信号采样的次数）。 · 常用CD音质采样频率：44.1 kHz，表示每秒钟采集44100个样本点。 想一想：采样频率越高，记录的声音细节越多（多/少），数据量越大（大/小）。 解析：采样频率的本质是“时间离散化的密度”。根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少为信号最高频率的2倍才能无损还原。CD音质的44.1kHz正是基于人耳听觉上限约20kHz而确定的。 2. 量化 · 量化位数：记录每个采样点幅值所使用的二进制位数（或：将幅值划分为多少个等级）。 · 量化位数越多，每个采样点的等级越精细（精细/粗糙），数据量越大（大/小）。 解析：量化位数决定了幅值离散化的精细程度。8位量化将幅值分为2⁸=256个等级，16位量化则分为65536个等级，后者对声音细节的记录精细得多。 练一练：各采样点幅值已直接给出，填写如下： 采样序号 1 2 3 4 5 6 7 8 幅值 +3 +5 +7 +6 +2 -2 -5 -4 3. 编码 做一做： 采样序号 1 2 3 4 5 6 7 8 幅值 +3 +5 +7 +6 +2 -2 -5 -4 二进制编码 011 101 111 110 010 — — — 解析：+3→011（2²×0+2¹×1+2⁰×1=0+2+1=3） +5→101（1×4+0×2+1×1=5） +7→111（4+2+1=7） +6→110（4+2+0=6） +2→010（0+2+0=2） 负数编码（-2、-5、-4）在第1课时暂不要求。如有学生好奇追问，可简单说明：计算机中负数用补码表示，如-2在4位补码中为1110，需在第2课时或后续章节深入学习。 活动三：存储量计算 公式：存储量（字节）= 采样频率（Hz）× 量化位数（bit）× 声道数 × 时间（秒）÷ 8 第①题： 采样频率：44.1 kHz = 44100 Hz 量化位数：16 bit 声道数：2 时间：60 秒 解：存储量 = 44100 × 16 × 2 × 60= 84,672,000 (bit) 84,672,000 ÷ 8 = 10,584,000 (Byte) 10,584,000 ÷ 1024 ÷ 1024 ≈ 10.1 (MB) 第②题： 50 GB = 50 × 1024 = 51200 MB 可存储时间 = 51200 ÷ 10.1 ≈ 5069（分钟） 5069 ÷ 60 ≈ 84.5（小时） 解析：通过计算让学生直观感受到“高品质音质需要大容量存储”这一事实，从而理解为什么不同场景要选用不同的编码参数——这就是计算思维中的“权衡”思想。 精确计算对照：如按1MB=10⁶B换算，结果略有不同，但教材通常按1024进制计算。若学生用近似值1MB≈10⁶B计算，51200MB×10⁶÷10584000≈4838分钟≈80.6小时，也属合理范围，可借此讨论近似计算的误差来源。 拓展思考 参考回答： 我会选择较低的采样频率（如8kHz或11kHz） 和较低的量化位数（如8位） ，以及单声道。 理由：语音备忘录只需要记录说话内容、保证能听清即可，不需要还原音乐的细腻音质。降低采样频率和量化位数可以大幅减小文件体积，节省手机存储空间，也方便通过微信等方式快速发送给别人。这就是“根据需要选择合适的编码参数”——不盲目追求高参数，够用就好。 解析：本题考查学生能否将课堂知识迁移到实际场景中，做出合理的工程决策，体现了“信息意识”和“计算思维”素养。学生的回答可能有多种合理方案（如11.025kHz/8位或8kHz/8位等），只要理由充分即可。 四、课堂小结 连续声波 → ①采样（时间离散化）→ ②量化（幅值离散化）→ ③编码（转二进制）→ 数字音频文件 五、课后拓展实践 此为操作性实践任务，无标准答案。学生应通过动手操作获得以下体验性结论： 对比项目 设置A （8kHz/单声道/8位） 设置B （44.1kHz/双声道/16位） 文件大小 很小（通常十几KB） 较大（通常几百KB） 音质感受 声音较模糊、高频缺失、 可能有底噪 清晰、饱满、接近原声 适合场景 语音消息、录音笔记、 电话语音 音乐录制、广播级音频、 专业制作 解析：通过亲身实践验证课堂结论，帮助学生将抽象概念转化为具身体验，深化对采样频率和量化位数影响的理解。 学科网（北京）股份有限公司 $