指向计算思维培养的信息科技实验教学——以初中《信息编码与二进制》为例

师文浩 王睿娴 王立生 东北师范大学盘龙实验学校

●设计原则

指向计算思维培养的信息科技实验教学，要从学生的生活场景入手，创设真实问题，引导学生思考问题解决方案，并对问题进行抽象。实验过程应一步一步展开，体现任务的分解。实验结果应指向科学原理的解释，通过实验帮助学生感受原理、理解原理。实验内容的组织要考虑多种场景，引导学生进行归纳和比较，从而帮助学生实现迁移。教师的指导要有针对性，对于学生不易理解的实验现象，要及时给予解释说明，帮助学生透过现象看本质。

●内容梳理与学情分析

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》第四学段（7～9年级）的学习内容由互联网、物联网和人工智能等相关内容构成。此学段的计算思维培养目标之一是“知道网络中的信息编码、传输和呈现的原理”。

在第二学段（3～4年级）考虑到学生的思维发展和知识储备情况，并未涉及“信息编码和处理”的学习，而是让学生直观感受生活中的编码应用。学生在学习第四学段的“编码与二进制”的相关内容时，要进一步理解编码对信息系统的意义，要了解信息系统如何对不同类型的内容进行编码和处理。

在初中阶段，学生的抽象逻辑思维开始占优势，但是还需要感性经验思维的支持。因此，信息科技实验教学设计要多以实际操作中的直观体验为主，尽量以“看得见、摸得着”的案例为抓手，引导学生通过感受实验过程来理解知识的本质。

●教学设计

1.创设情境，提出问题

“在一个漆黑的夜晚，你的爸爸妈妈督促你赶快睡觉，但是你却想跟你的好友畅谈。你没有电话（即使有也会被父母听到），你家的计算机也不在你的房间。好在你的好友和你住在一个小区，并且就在你家对面那栋楼。你可以怎么办？”这是美国知名技术作家Charles Petzold所著的经典科普书籍《编码》中给出的第一个情境。在教学设计中，笔者利用此情境激发学生的好奇心，引导他们进行思考。

学生经过思考和讨论，给出的答案主要分为两类：声音传播和光线传播。教师引导学生理解信息传播可以通过不同载体实现，除了声音和光线，还可以通过气味等来传递。同时，学生提出可以使用摩斯电码来传递信息（这正是《编码》里给出的答案），并采用手电筒来发送摩斯电码。

2.实验探究：肢体语言与文字编码

首先，教师准备一张“左右手电码操”的指示说明，请一位学生上台，两手分别握住一个电筒，根据指示做操，“左”即举起左手，“右”即举起右手。其他学生在下面观察并记录举手的情况，抬起左手就记录下“左”，抬起右手就记录下“右”。这一步模拟的是在夜晚通过抬手动作传递信息的过程。

教师提出，由于记录“左”“右”的时候写字比较费时，可以做一个简化，将“左”记录为“0”，将“右”记录为“1”，由此引出二进制数的表示方法，并对二进制和十六进制进行讲解，讲解内容包括“什么是二进制和十六进制”“二进制、十六进制和十进制之间如何转换”等。需要注意的是，初中阶段不要求学生掌握复杂的数制转换，而要了解原理。学生在教师的指导下，将记录的“二进制左右手操”转换为十六进制，如图1所示。

图1

学生对通过动作传递的“密码”4F60597DFF0C540C5B66进行“解密”。首先，将“密码”写到一个Word文档里，从左至右选中四个字符，接着，按下“Alt＋X”。用同样的方法操作接下来的四个字符，在依次完成后，文档上出现了“你好，同学”（“解密”完成）。“密码”4F60597DFF0C540C5B66实际上是“你好，同学”这些字符的Unicode编码。教师进一步讲解Unicode编码的具体表示方法，并通过Word中的字符编码表来进行探究（如图2）。

图2

3.阶段小结，梳理编码过程

第一个实验主要是为了让学生体验数据编码的过程，学生初步感受到了编码的意义和过程，但是还需要进行梳理。教师讲解：“刚才的步骤实际上就是编码的过程。一位同学通过他的左右手动作传递了信息，接收人用‘0’和‘1’（也就是二进制数）对动作进行了编码，然后将它转换为十六进制数，接着进行Unicode编码，得到了最终的内容‘你好，同学’。由此可见，编码其实是把信息从一种形式转变为另一种形式的过程，转变的目的是统一格式，方便传播和处理。”

4.实验探究：图像的编码

在计算机中，所有的内容都是用二进制数0和1表示的，下面通过一个实验来说明。

准备两张位图图片，其中pic1.bmp是一张随机图片（如图3）；pic2.bmp是专门绘制的图片（如图4），由红、黄、蓝、绿四种颜色构成，分别占据图片的四分之一。两张图片均设置大小为50*30像素。准备三款软件，一款用于图像编辑（以Windows自带的画图工具为例），一款用于查看文件的二进制内容（以BinaryViewer为例），一款与图像不相关（以GoldWave为例）。

图3

图4

学生通过拖拽的方式分别用三款软件打开图片：将图片拖拽至画图工具，打开图片并可以进行编辑；将图片拖拽至GoldWave，无法打开图片，显示“格式无法识别”；将图片拖拽至BinaryViewer，即显示图片的二进制内容。

同桌两人一组，一人利用BinaryViewer打开pic1.bmp，另一人利用BinaryViewer打开pic2.bmp（如下页图5），两人对打开的图片进行对比，发现两张图片用BinaryViewer打开后，显示的都是十六进制内容，进一步观察发现，两张图片前面部分是相同的（文件一般都采用“文件头＋文件内容”的结构。两张图片前面相同的部分就是“文件头”，用于描述文件的基本信息）。

图5

学生利用BinaryViewer打开pic2.bmp，观察后面的“文件内容”部分发现，“文件内容”是“E8A200”“4CB122”“241CED”“00F2FF”这几个十六进制数的循环。教师指导学生将“E8A200”转换为三个十进制数（可以通过计算器实现），得到“232，162，0”，打开画图中的调色板，将三个数分别输入到“蓝、绿、红”的位置，得到的颜色就是图片左下角的蓝色。用同样的方法可以得到绿色、红色和黄色（对应图片中的四种颜色）。

教师引导学生观察四组十六进制数的出现频率，发现“E8A200”循环出现25次，接着“4CB122”循环出现25次，两组数交替出现，经过15次以后，才出现“241CED”和“00F2FF”，出现的规律与前两组一致。教师讲解：“图片文件是由像素点构成的，实验的图片由30行每行50个像素点构成。bmp图片的内容是每个像素点上的颜色值从下到上、从左到右排列存储的，可以通过示意图进行理解（如图6）。”

图6

5.总结升华

学生经过文字编码和图片编码实验，已经能够理解计算机利用二进制数表示信息的方法。在总结升华阶段，教师可以引导学生思考两个问题。问题1：在信息科技的发展过程中，为什么选择用二进制数来表示信息？问题2：计算机真的认识“0”和“1”吗？

问题1需要回答“二进制数进行信息编码的可行性和优越性”。①可行性方面：只需要有两种状态，就可以表示现实世界中的所有概念，因此，采用二进制数编码信息是可行的。②优越性方面：编码的目的是统一格式和方便处理，任意两种独立的状态都可以表示二进制，因此容易实现。

问题2的答案是否定的，计算机中各个部件采用不同的方法来表示二进制，CPU采用“高”“低”电位来表示二进制，硬盘采用“正”“负”磁极来表示二进制，光纤采用“强”“弱”光来表示二进制等。这些不同的方法最后统一起来，就描述为“0”和“1”。

通过实验和探究，学生从原理和现象上了解了计算机信息编码的方法和过程，促进了计算思维的培养。