探秘教學(xué)戰(zhàn)“疫”的數(shù)字化

吳靜亞

近期，國家向部分省份征集在義教階段開設(shè)信息科技課的意見，引起了中小學(xué)教師的廣泛關(guān)注，他們對(duì)信息科技與信息技術(shù)的區(qū)分產(chǎn)生了濃厚的興趣。本期解碼，我們選擇高中、小學(xué)兩個(gè)不同學(xué)段的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，啟發(fā)大家深入討論“信息科技”的課程價(jià)值意義。

● 項(xiàng)目設(shè)計(jì)依據(jù)

本案例內(nèi)容基于教育科學(xué)出版社出版的《信息技術(shù)必修1：數(shù)據(jù)與計(jì)算》第3單元第1節(jié)數(shù)據(jù)編碼之聲音編碼。通過引出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)比較，讓學(xué)生了解模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的特征，能理解語音信號(hào)的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的方法，從而掌握聲音編碼原理;結(jié)合UltraEdit編輯器了解聲音在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)編碼;能夠采用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)科方法界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)。通過同一錄音不同類型文件的存儲(chǔ)空間的比較，引出壓縮知識(shí)。通過本節(jié)學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了聲音就像文本一樣，也是以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的。針對(duì)這一部分內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求為：“1.1在具體感知數(shù)據(jù)與信息的基礎(chǔ)上，描述數(shù)據(jù)與信息的特征，知道數(shù)據(jù)編碼的基本方式?！?/p>

● 項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和內(nèi)容、學(xué)情的分析，將本項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為：

（1）通過對(duì)聲音的數(shù)字化采集，比較模擬信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)，了解聲音的數(shù)字化過程，理解聲音編碼的方法和原理。

（2）通過編輯器查看聲音在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)方法，并學(xué)會(huì)音頻存儲(chǔ)空間的計(jì)算，了解壓縮的原理。

（3）通過錄音，比較雙聲道、單聲道（其他參數(shù)都一致）文件大小，比較同一錄音文件保存為不同音頻格式時(shí)產(chǎn)生的文件大小。

其中，教學(xué)重點(diǎn)為了解語音信息的模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的特征。教學(xué)難點(diǎn)為了解聲音的數(shù)字化方法。

● 項(xiàng)目教學(xué)準(zhǔn)備

硬件環(huán)境：多媒體網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、電壓傳感器、動(dòng)感式線圈、耳麥。

學(xué)習(xí)工具：GoldWave軟件、UltraEdit編輯器。

項(xiàng)目資源：PPT課件、“模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)1”視頻、“模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)2”視頻、“云端課堂”視頻。

● 項(xiàng)目教學(xué)過程

1.項(xiàng)目引入

突如其來的新冠肺炎疫情，讓云端課堂成了我們學(xué)習(xí)的主陣地，教師成為網(wǎng)絡(luò)主播，請同學(xué)們觀看“云端課堂”視頻，思考一下夏老師的課是怎么傳遞給你的呢？

設(shè)計(jì)意圖：從身邊的事例出發(fā)，讓學(xué)生思考教師的聲音、圖像、視頻是如何存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的，本課以聲音為例，探究聲音編碼。

2.項(xiàng)目分析

活動(dòng)1：電壓傳感器采集動(dòng)圈式話筒的輸出電壓、利用GoldWave軟件錄制聲音文件。

知識(shí)技能：觀看模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)。

活動(dòng)要求：聲音在電腦里面是什么樣子呢？我們來做個(gè)實(shí)驗(yàn)，請一位同學(xué)對(duì)著已連接好的話筒說話，觀察屏幕上輸出的圖形（如圖1）。用GoldWave軟件錄制頻率為44.1KHz、時(shí)長為1秒的雙聲道音頻，觀察呈現(xiàn)出的圖形（如圖2），保存的文件名為“錄音.wav”。

3.項(xiàng)目設(shè)計(jì)

活動(dòng)2：聲音文件在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)。

知識(shí)技能：查看聲音的編碼。

活動(dòng)要求：①將“錄音.wav”文件用UltraEdit編輯器打開，查看其在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)（只截取了最后20行數(shù)據(jù)）。②思考：文件為什么以十六進(jìn)制數(shù)表示？③思考：聲音與這些數(shù)據(jù)有什么直接的關(guān)系呢？

4.項(xiàng)目實(shí)施

活動(dòng)3：聲音的數(shù)字化過程。

知識(shí)技能：了解模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào);了解聲音的數(shù)字化過程。

活動(dòng)要求：①課前觀看關(guān)于“模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)”的兩個(gè)視頻，了解聲音數(shù)字化的過程。②比較語音信號(hào)的模擬數(shù)據(jù)（如圖3）和語音信號(hào)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（如圖4），分析兩個(gè)圖形的特征。③聲音的數(shù)字化。

第一步：采樣。第二步：量化。第三步：編碼。

這個(gè)過程有學(xué)生根據(jù)課前觀看的視頻，把圖5采樣、量化、編碼的過程描述出來，并把得到的數(shù)據(jù)填到表格中。

活動(dòng)4：錄制并計(jì)算文件的存儲(chǔ)空間。

知識(shí)技能：文件存儲(chǔ)空間的計(jì)算。

活動(dòng)要求：①將學(xué)生分成三個(gè)小組。第一小組用GoldWave軟件錄制兩個(gè)wav文件，采樣頻率都為44.1KHz，時(shí)長都為5秒，一個(gè)是雙聲道文件，另一個(gè)是單聲道文件。第二小組相同操作，分別保存為wav格式、mp3格式。第三小組根據(jù)第一小組給出的參數(shù)，分別計(jì)算兩個(gè)音頻的存儲(chǔ)空間（量化位數(shù)為16位，無壓縮）。②觀察第三小組的結(jié)果是否與第一小組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。③討論：為什么同樣的錄音，生成不同的文件后，存儲(chǔ)的容量相差這么大？

5.項(xiàng)目總結(jié)

知識(shí)技能：聲音的數(shù)字化過程、計(jì)算音頻的存儲(chǔ)空間。

活動(dòng)形式：小組學(xué)生代表小結(jié)，教師補(bǔ)充。

云課堂中，教師的聲音只有通過教師端電腦的聲卡采集后，通過聲卡上模數(shù)轉(zhuǎn)換器自動(dòng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，才能在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到學(xué)生端，又經(jīng)過學(xué)生端電腦聲卡上的數(shù)模轉(zhuǎn)換器還原成模擬信號(hào)，通過揚(yáng)聲器傳遞出來的。疫情無情人有情，教師們無法像白衣天使一樣沖到前線治病救人，但他們化身為網(wǎng)絡(luò)主播，通過聲音將知識(shí)傳遞給每一位學(xué)生。