聚焦计算思维，探索数据编码——《数据编码》教学案例

张建鹏 吉林省长春市第二实验中学

● 学科核心素养

信息意识：培养信息数字化的敏感性，建立利用计算机处理问题的意识，分享解决问题的方法。

计算思维：分析问题，把问题抽象为二进制编码，通过对二进制的数位分析，形成解决问题的模型，编写程序，实现计算机可处理的问题。

数字化学习与创新：感受社会的数字化特征，体验问题数字化的处理过程，体会数字化处理的意义。

信息社会责任：理解信息社会中二进制编码的重要意义，提升信息社会的参与意识和能力。

● 课程标准要求

（1）通过分析解决实例问题，形成分析、解决问题的一般方法，培养计算思维，提高运用信息科技解决问题的能力。

（2）通过教学活动培养实践探究精神，体验问题数字化的处理过程，激发情感，感受信息时代的特点，形成问题数字化处理的意识，培养创新思维。

● 教材分析

本节课内容出自广东教育出版社出版的《信息技术必修1 数据与计算》第一章第二节，旨在让学生了解信息的二进制编码的作用和意义，理解计算机处理信息的数字化过程，加深对计算机机器语言的认识，进而探究文字的编码方式和不同字符集的差异，为下一步学习图像、声音的编码奠定基础。

● 学情分析

数据编码是计算机处理的关键，信息的二进制编码对于计算机处理和存储信息有着重要的意义。在学生学习了数据及其特征和二进制、八进制、十六进制与十进制等概念及相关知识的基础上，有必要让学生了解计算机处理数据的编码方式和过程，为学生利用计算机科学知识去处理实际问题建立基础认识，帮助学生提升计算思维能力。

● 教学目标

（1）掌握二进制与十进制的转换方法，理解二进制编码的过程，掌握Python的调试过程。

（2）体验数据二进制编码的基本方法和过程，体会计算机处理问题的一般过程。

（3）激发对数据编码的兴趣，体验问题抽象为符号的过程，感受计算机处理问题的自动化。

● 教学重难点

重点：把信息转化为二进制编码，认识文字编码。

难点：理解计算机编码的过程。

● 教学过程

1.导入

师：同学们有没有乘坐高铁的经历？对我国的高铁发展了解多少呢？下面我们观看一下宣传片《新时代的中国高铁》。（学生观看）高铁的快速发展使我们出行更加便捷了，购票、验票、车上订餐、高铁的运行等都离不开计算机对数据的处理，那你们知道各种信息和数据是怎么成为计算机可处理的数据的吗？

设计意图：通过我国高铁的发展，感受祖国的日益昌盛，通过高铁信息的智能化，感受信息社会的高速发展，为学习数据的二进制编码做铺垫。

2.探索新知

师：通过之前的学习，我们知道计算机可处理的数据只有0和1，现实世界中的各类信息需转换为二进制才能被计算机处理，这样就需要对信息进行二进制编码，今天我们来共同探究一下信息的数据编码。下面，先来解决一个问题。

问题一：一个探险小队到沙漠探险，现在剩下六桶水和一桶透明的有毒液体，负责人员不小心把装有有毒液体的桶和装水的桶混到了一起，测试有毒液体的试纸只剩下三份，如何用这三份试纸测出哪桶是有毒液体呢？

任务一：小组活动，把信息转化为二进制编码方式（如表1），利用Python编写程序处理这个问题，分享交流经验。

表1

问题解决步骤：①把七只桶按1～7编号，把数字1～7转换为二进制编码；②取出三个容器编号A、B、C，二进制数位从右侧起，分别把第三位是1的桶取出样本放入A容器，第二位是1的桶取出样本放入B容器，第一位是1的桶取出样本放入C容器；③利用试纸A、B、C分别检测A、B、C三个容器内的液体样品，检测出有毒的标记1，无毒的标记0；④把检测结果按照从高位到低位的顺序组合二进制编码，就是有毒液体的桶的编码。程序如右图所示。

设计意图：通过活动，让学生参与合作探究学习，通过解决问题，体会把问题抽象为数字化的过程，理解计算机处理数据的编码意义。让学生体会计算机处理问题的自动化过程。

师：同学们通过二进制编码的方式解决了问题一。计算机展示的丰富多彩的信息都是以二进制数据存储和处理的，这就需要有更加复杂和统一的编码，下面我们看一下文字的编码。文字编码是效率相对较低的编码方式，有单字节码和双字节码：①单字节码，如ASCII码；②双字节码，如国标码（GBK）、统一码（Unicode）。

（1）ASCII码属于单字节码，包含33个标点符号、运算符号，10个阿拉伯数字，26个大写字母，26个小写字母和33个常用的不可见控制符。提供ASCII码表。

任务二：利用Python的ord()和chr()输出键盘上字符的十进制对应关系（如表2）。

表2

设计意图：通过任务活动，观察和思考基本字符的编码方式，锻炼学生独立思考的能力，让学生初步理解文字编码的过程。

（2）汉字编码：ASCII码只包含英文、数字和一些控制符号，并不能表示汉字，能处理汉字的编码有我国设计的简体中文的GB（国标码）和世界各国合作开发的Unicode（统一码）。我们常用的汉字编码GB2312是GB码的一种，utf-8是Unicode的一种。

问题二：同学们是否遇到过打开文档出现乱码的现象呢？这是什么原因造成的？

任务三：利用Python交互式编程模式探究汉字的编码。

①以字符串‘中文’为例，如表3所示。

表3

②对应编码转换文字，如表4所示。

表4

③互换编码方式转换对应编码，这里直接转换系统会提示错误，忽略错误直接转换，如表5所示。

表5

师：不同的编码方式去解释对应的文字编码，会出现文字对应错误的现象，这就是打开文档出现乱码的主要原因，解决方法就是安装对应文件编码的字符集。

设计意图：让学生看到编码的不同表达方式，理解计算机抽象信息的形式，通过不同编码的对比和乱码原因的探索，加深学生对文字编码的理解。

3.总结（略）

● 教学反思

1.突出问题设计，激发学生计算思维

笔者通过开篇几个问题的设计，让学生感受祖国的繁荣昌盛，体会计算机信息处理对信息社会的重要意义，同时思考计算机可处理信息的数字化问题，接着通过趣味问题的设计，把问题抽象为符号问题，再处理符号问题的数字化，体验问题的解决过程。

2.突出任务活动，体验利用计算思维处理问题的过程

让学生理解二进制编码是把信息转化为计算机可处理数据的重要方式，笔者通过任务活动，调动学生思考问题、分析问题、解决问题，通过通用字符编码的认识和汉字乱码原因的探索，加深学生对数据编码的认识和理解。

3.突出学生的主体地位，引导学生利用计算思维处理问题

在教学中，笔者适时介入引导，把控教学节奏，帮助学生突破问题的关键点，提升学生思考的深度和广度，引导其从计算机的角度去思考问题处理的方式，进而锻炼学生的计算思维能力。

点 评

自新课程实施以来，我们往往在信息科学原理与信息技术应用上分别下功夫，而两者的结合却不够。本节课打破了知行分离的学习瓶颈，让学生在对编码的探索过程中感觉到编码有用，且有大用处，并引导学生探索编码的处理技术与构造过程。其中最明确的环节就是对有毒液体的辨别，首先是从算法意义上提出解决的办法，然后是通过对桶号进行二进制编码进行实验分组，最后是进行编码解决，这不仅体现了编码，而且进行了计算解决问题的基本过程，真是一举多得的教学设计。当然，这里面的算法难点是二进制编码的分组实验测试的“道理”，即按1分组有毒即桶号包含“1”，这一点成为算法的核心。由此，让传统的二进制编码转换难题成了次要难题，通过编程来进行转换即可。接下来，再通过字符乱码现象，在体验中解释汉字编码的不同字符集，探讨编码的标准，就更自然，且具现实意义了。当然，前面检测有毒液体的问题还要注意引导学生明确现实需要一定的综合验证和谨慎认定，单一依靠分组实验可能影响对实验的准确判断。另外，本节课的引入在后面没有呼应，这主要是由于其例对引入编码的意义体现不够，如果能从简单的列车车次编码引出，最后再提出购票订单、座位动态管理等拓展思考，对引入稍作呼应，则会让教学设计更加丰满。