Конспект урока «Цифровое (дискретное) представление информации»

Тема занятия: «Цифровое (дискретное) представление информации»         

Учебная дисциплина: Информатика                                                             

Курс: I                                                                                                              

Образовательная организация: КГБПОУ «Ребрихинский лицей профессионального образования»                                                                       

ФИО преподавателя: Малышев Игорь Андреевич                                       

Тема занятия: «Цифровое (дискретное) представление информации»

Тип занятия: комбинированный урок

Продолжительность: 45 минут

Цели урока:                               

Содержательная: обобщение, систематизация, углубление и закрепление теоретических знаний по теме «Цифровое (дискретное) представление информации», формирование умений переносить свои знания в новую нестандартную ситуацию.

Деятельностная: формирование умений измерять объем информационных объектов,  заданных  различными  характеристиками и применять полученные знания на практике, формирование умений и навыков работы с интерактивными программными средами.

Основные понятия, используемые на уроке: код, кодирование, дискретизация, байт, бит.

Планируемые результаты:

Предметные	Личностные	Метапредметные
- овладение способами представления, хранения и обработки текстовой, графической и звуковой информации на компьютере.	− умение управлять своей познавательной деятельностью, проводить самооценку уровня собственного интеллектуального развития, в том числе с использованием современных электронных образовательных ресурсов; - умение выстраивать конструктивные взаимоотношения в командной работе по решению общих задач, в том числе с использованием современных средств сетевых коммуникаций.	- умение определять цели, составлять планы деятельности и определять средства, необходимые для их реализации; − умение анализировать и представлять информацию, данную в электронных форматах на компьютере в различных видах.

Формы и виды учебной деятельности, организуемые на учебном занятии, обеспечивающие достижение планируемых результатов: индивидуальная - решение задач, кодирование и декодирование текстовой, графической и звуковой информации, работа с шифрами, азбукой Морзе;  фронтальная – ответы на вопросы, просмотр учебной презентации; групповая – заполнение рабочего листа, прохождение и решение задач квеста.

Информационно-методическое обеспечение занятия:

Учебная презентация «Цифровое (дискретное) представление информации».

Интернет-ресурсы: Образовательный  квест «Найди выход из комнаты»: https://www.learnis.ru/367065/

Учебно-методические раздаточные материалы:

Рабочий лист (Приложение 1), кодировка ANSI (Приложение 2), шифр декодирования азбуки Морзе (Приложение 3).

Структура занятия:

Этапы занятия	Деятельность преподавателя	Деятельность обучающихся	Формируемые УУД
Мотивационный этап, актуализация знаний  (3 мин.)	Приветствует студентов, проводит фронтальный опрос, подводит к теме урока.	Приветствуют педагога, отвечают на вопросы, обсуждают материал, называют тему урока.	Личностные: установление студентами связи между целью учебной деятельности и ее мотивом. Познавательные: структурирование знаний, рефлексия способов и условий действий, контроль и оценка процесса и результатов деятельности. Коммуникативные: умение  с  достаточной  полнотой  и  точностью выражать  свои  мысли  в  соответствии  с задачами и условиями коммуникации; участие в обсуждении вопросов, обмен мнениями, комментирование ответов.
Предъявление практической задачи. (4 мин.)	Предлагает форму урока - квест, создает проблемную ситуацию.	Отвечают на вопросы преподавателя, фиксируют затруднение, определяют причину затруднения.	Познавательные: умение осуществлять постановку и формулирование проблемы. Коммуникативные: участие в обсуждении вопросов, обмен мнениями, комментирование ответов.
Построение проекта выхода из затруднения (2 мин.)	Организует диалог, в ходе которого подводит студентов к самостоятельной постановке цели урока и составлению плана работы.	Студенты самостоятельно определяют цель урока, составляют план работы.	Регулятивные: умение самостоятельно определять цели деятельности и составлять планы по ее осуществлению. Познавательные: самостоятельное выделение и формулирование познавательной цели. Коммуникативные: сотрудничество в выборе способа решения возникшей проблемы.
Реализация построенного проекта (15 мин.)	Предлагает повторить и систематизировать материал, используя учебную презентацию. Задает вопросы, ставит задачи, корректирует ошибки.	Студенты отвечают на вопросы, заполняют рабочий лист,  решают задачи на кодирование и декодирование информации, работают с шифром ANSI, азбукой Морзе.	Регулятивные: планирование своей деятельности для решения поставленной задачи и контроль полученного результата. Познавательные: умение структурировать и обобщать знания, умение извлекать нужную информацию. Коммуникативные: инициативное сотрудничество в поиске и сборе информации. Личностные: формирование готовности к самообразованию.
Решение практической задачи (14 минут)	Организует прохождение квеста, направляет при решении задач, осуществляет контроль выполнения задания, корректирует ошибки. Проверяет полученный код.	Делятся на группы, решают задачи квеста на кодирование и декодирование информации. Получают шифр, переводят число в двоичную систему счисления, получают код.	Регулятивные: планирование своей деятельности для решения поставленной задачи, контроль полученного результата, коррекция полученного результата. Познавательные: выбор наиболее эффективных способов решения задач, рефлексия способов и условий действия, действия со знако-символическими средствами. Коммуникативные: умение работать в группах, сотрудничество в выборе способа решения возникшей проблемы.
Рефлексия  занятия (6 мин.).	Подводит итог урока, предлагает заполнить лист самооценки. Организует совместную рефлексию.	Соотносят цель и результаты учебной деятельности, фиксируют степень их соответствия и намечают дальнейшие цели деятельности. Осуществляют самооценку.	Регулятивные: контроль приобретенных знаний, оценка полученного результата. Познавательные: умение осуществлять рефлексию, самооценку своей деятельности. Коммуникативные: умение с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли в соответствии с задачами и условиями коммуникации.
Домашнее задание (1 мин.)	Инструктирует  по выполнению домашнего задания.	Записывают домашнее задание.

Ход урока:

I. Мотивационный этап, актуализация знаний

Давайте с вами вспомним: «Что изучает информатика?» (компьютеры, информацию).

«Какая бывает информация?» (звуковая, графическая, текстовая, числовая).

Информацию можно классифицировать разными способами, кроме того в информатике отдельно рассматривается аналоговая информация и цифровая.

Скажите, человек благодаря своим органам чувств воспринимает какую информацию? (аналоговую) То есть непрерывную в некотором допустимом диапазоне (температура, давление и т.д.)

А вычислительная техника,  в основном, работает с какой информацией? (с цифровой).

Т.е. компьютер работает с одним типом информации, а мы с другим. Как же человек и компьютер “понимают” друг друга? Что делает компьютер с аналоговой информацией? (он ее кодирует).

Действительно, стоит аналоговую информацию, будь то текст, фотография или музыка, закодировать, как она становится цифровой.

Что такое кодирование?» (ответы студентов).

Кодирование информации – процесс формирования определенного представления информации, процесс перехода от одной формы представления к другой, более удобной для хранения, передачи и обработки с помощью вычислительной техники.

«Так о чем мы сегодня будем говорить на уроке? (о цифровом представлении информации).

Итак, тема нашего урока «Цифровое (дискретное) представление информации».

II. Предъявление практической задачи

Знакомо ли вам слово квест? (ответы студентов).

Что такое квест? (ответы студентов).

Это в первую очередь решение головоломок и задач для выполнения основного задания. Посмотрим на экран (образовательный  квест «Найди выход из комнаты»: https://www.learnis.ru/366437/). Какое задание здесь? (открыть дверь).

Давайте попробуем ее открыть (не получается). Вам нужен код. Знаете ли вы код? (нет).

Чтобы его получить, нужно выполнить задания. Попробуем? (студенты открывают задачи, но решить не могут).

Можете решить? Почему? (непонятно, сложно, не помним, не умеем решать).

III. Построение проекта выхода из затруднения

Что же нам нужно сделать? (перечисляют).

Какова же цель нашего урока? (нужно повторить материал по теме урока).

Но, наверное, не просто повторить, но и применить потом это знание на практике, т.е. решить задачи квеста.

IV. Реализация построенного проекта

Работа с учебной презентацией, заполнение студентами рабочего листа (Приложение 1).

Итак, мы с вами сказали, что компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме.

 Независимо от вида, вся информация передается, хранится и обрабатывается компьютером в двоичных кодах (1 и 0).

В настоящее время существуют разные способы кодирования и декодирования информации в компьютере. Выбор способа зависит от вида информации, которую необходимо кодировать: текст, число, графическое изображение или звук. Рассмотрим основные принципы кодирования информации в компьютере.

Кодирование текстовой информации

Начнем с текстовой информации. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов. Сейчас, как вы наверняка знаете, в основном используется ОС Microsoft Windows. Она принимает так называемую ANSI-кодировку. Наша задача - не заучить эти многочисленные символы, а понять механизм формирования кодов.

Вы уже знаете, что для кодирования одного символа требуется один байт информации. Учитывая, что каждый бит принимает значение 1 или 0, получаем, что с помощью 1 байта можно закодировать 256 различных символов. (=256) Кодирование заключается в том, что каждому символу ставиться в соответствие уникальный двоичный код от 00000000 до 11111111 (или десятичный код от 0 до 255Если вы внимательно посмотрите на приведенную таблицу русской версии ANSI-кодировки, то увидите, что каждая строка и столбец начинается с 16-ричной цифры и соответствующей битовой комбинации, а на пересечении строк и столбцов в соответствующих клетках находятся кодируемые символы. Возьмем, например, знак "+".  В строке стоит 16-ричная цифра 2  и соответствующая ей кодовая комбинация - 0010, а в столбце - 16-ричная цифра B и соответствующая ей кодовая комбинация - 1011. Следовательно знак "+" в компьютере представлен кодом 00101011, в 16-ричном виде этот код можно записать как 2В. Но в каждой клеточке указано еще какое-то десятичное число, в данном случае 43. Это не что иное, как переведенное в десятичную систему или двоичное число 00101011 или 16-ричное число 2В. Действительно, 00101011=1+2+8+32=43

Задания для самостоятельной работы:

1.Самостоятельно перевести из двоичной системы число 11110011 в десятичную. (243)

2.Используя ANSI-кодировку, определить какая буква имеет десятичный код 243? ("у").

Говоря про цифровую информацию, мы, так или иначе, сталкиваемся с таким понятием, как информационный объем, с тем, сколько будет занимать объект в закодированном виде. Вы знаете, что Бит – наименьшая единица представления информации. Байт – наименьшая единица обработки и передачи информации. 1 байт=8 бит. Для  измерения  больших  объемов  информации  используются  производные  от байта единицы. Давайте вспомним какие. (1 килобайт = 1 Кб = 1024 байта= байта, 1 мегабайт = 1 Мб = 1024 Кб = 1024*1024(1048576) байт= байта, 1 гигабайт = 1 Гб = 1024 Мб =  1024*1024 (1048576 Кб) = 1073741824 байт или  байта).

Итак, компьютерные  текстовые  редакторы  работают  с  системой кодировки из  256 символов. Один символ несет 1 байт информации, чтобы узнать информационный объем текстовой информации в байтах надо просто сосчитать число символов. Но есть кодировки, где код  занимает в памяти другое количество байтов, например,  в кодировке UNICODE символ занимает в памяти 2 байта. Как же вычислить информационный объем сообщения в различных кодировках?

Информационный объём 1 сообщения равен произведению количества K символов в сообщении на информационный вес i символа алфавита: I=К⋅i, в свою очередь информационный вес 1 символа в тексте находиться по формуле N=i (N=), где N- мощность алфавита, т.е. количество символов во всем алфавите.

Задание для самостоятельной работы: Сообщение, записанное буквами из 64 - символьного алфавита, содержит 10 символов. Какой объем информации в битах оно несет? ( Решение: 64 это 2 в 6 степени, значит 6 бит - это информационный вес одного символа в данном алфавите, следовательно на 10 символов нужно 6*10 бит = 60 бит).

Кодирование графической информации

 Графическая  информация  на  экране  дисплея  представляется  в  виде  изображения,  которое формируется из точек (пикселей). Если посмотреть на экран работающего монитора посмотреть через лупу, можно увидеть множество мельчайших точек. Это и есть пиксели. Каждый видеопиксель на цветном экране состоит из трех точек (зерен) базовых цветов: красного, зеленого и синего. Таким образом, соседние разноцветные точки сливаются, формируя другие цвета.

В   процессе   кодирования   изображения   производится   его   пространственная дискретизация.   Пространственную   дискретизацию   изображения   можно   сравнить   с построением изображения из мозаики (большого количества маленьких разноцветных стекол). Изображение  разбивается  на  отдельные маленькие  фрагменты  (точки),  причем  каждому фрагменту присваивается значение его цвета, то есть код цвета (красный, зеленый, синий и так далее). Для  черно-белого  изображения  информационный  объем  одной  точки  равен  одному биту (либо черная, либо белая - либо 1, либо 0).

Для четырех цветного -2 бита.

Для 8 цветов необходимо -3 бита.

Для 16 цветов -4 бита.

Для 256 цветов -8 бит (1 байт).

Итак, информации о состоянии каждого пикселя хранится в закодированном виде в памяти компьютера. Из основной формулы информатики можно подсчитать объем памяти, необходимый для хранения одного пикселя. , а информационный объем можно рассчитать по знакомой нам уже формуле. I=К⋅i, где К- разрешающая способность (количество пикселей в изображении), i-количество бит для кодирования цвета 1 пикселя.

Задание для самостоятельной работы: Вычислить объем растрового изображения размером 100 х 100 и палитрой 256 цветов (Ответ: 9,76 Кбайт).

Кодирование звуковой информации

Звук с точки зрения физики, это что? (Волна).

Есть у нас некая волна (вывести на экран график зависимости уровня громкости сигнала от времени), сколько у нас на ней точек? (Бесконечное множество).

Под кодированием звуковой информации следует понимать преобразование аналогового звукового сигнала в формат, понятный процессору персонального компьютера, то есть в двоичный код. Давайте разберемся, как это происходит.

Основными характеристиками любой волны являются частота и амплитуда. Амплитуда акустического сигнала характеризует громкость звука, а частота – тон.

Акустическая волна является непрерывной, поэтому для обработки на компьютере ее необходимо преобразовать в цифровую форму. В ходе кодирования звуковая информация подвергается временной дискретизации, т.е непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды. Таким образом, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность "ступенек" (на слайд рисунок).

Каждой "ступеньке" присваивается значения уровня громкости звука, его код. Количество бит, отводимых для записи номеров уровней называется глубиной кодирования звука.

Глубина кодирования звука связана с количеством уровней по формуле:
N=, где N – количество уровней разбиения амплитуды сигнала,
i – число бит (глубина кодирования), отводимых для кодирования уровней амплитуды сигнала

Чем выше частота дискретизации и глубина кодирования звука, тем точнее цифровое представление оригинального непрерывного звукового сигнала.

Повышая частоту дискретизации и глубину кодирования звука, можно более точно сохранить, а затем восстановить форму оригинального звукового сигнала. Необходимо заметить, что в этом случае увеличивается объем сохраняемого файла. В различных ситуациях при цифровой записи звука используют разные значения частоты дискретизации и глубины кодирования звука.

Для расчета информационного объема звукового файла используется следующая формула:

I = i * ν* t*k
где i – глубина кодирования
ν – частота дискретизации
t - время звучания файла, k - коэффициент, значение которого зависит от качества звука: моно - 1, стерео - 2, квадро - 4

Задание для самостоятельной работы: какой объем данных имеет моноаудиофайл, длительность звучания которого 1 секунда, при среднем качестве звука (16 бит, 24 кГц)? (16 бит * 24000*1с*1 = 384 000 бит = 48 000 байт = 46 875 Кбайт).

Подводим итог, компьютер кодирует аналоговую информацию и делает ее цифровой, используя двоичный код. Зная формулы, мы можем посчитать занимаемый объем любой информации.

А какие еще коды или шифры вы знаете? (ответы студентов).

Давайте возьмем азбуку Морзе. Умеете расшифровывать? (ответы студентов).

Что нужно чтобы расшифровать? (шифр).

Задание для самостоятельной работы: расшифровать закодированное послание, используя шифр (ответ 239). Давайте посмотрим какая буква соответствует кодировке в ANSI (п). А теперь, используя азбуку Морзе, зашифруйте послание своему соседу по парте.

Все знают что такое QR-код? (ответы студентов).

QR код — это двухмерный штрих-код, предоставляющий информацию для ее быстрого распознавания с помощью сканирования камерой смартфона или планшета. При помощи QR-кода можно закодировать любую информацию, например: текст, номер телефона, ссылку на сайт или визитную карточку. Где нам сегодня понадобится QR код? (при прохождении квеста).

Вы готовы пройти квест? (да). 

V. Решение практической задачи

Прохождение образовательного квеста «Найди выход из комнаты» (https://www.learnis.ru/367065/ )

Задача 1. Сколько секунд потребуется модему, передающему сообщение со скоростью 14400 бит/с, чтобы передать 111 страниц текста в 30 строк по 100 символов каждая, при условии, что каждый символ кодируется одним байтом? (185).

Задача 2. Какой объем (в Кб) видеопамяти необходим для хранения восьми страниц изображения при условии, что разрешающая способность дисплея равна 373 * 164 пикселей, а количество используемых цветов – 16? Ответ округлите до целого числа. (239)

Задача 3. Оцените информационный объём цифрового звукового моно файла длительностью 5 секунд при глубине кодирования 8 бит и частоте дискретизации 5681 Гц?  Результат представить в битах (227  240).

Задача 4. Прослушать звуковой файл и расшифровать его, пользуясь азбукой Морзе (251).

Расшифровать полученные числа, используя кодировку ANSI. (185-№, 239 – п, 227- г, 240 –р, 251- ы).

Из получившихся в ходе урока символов составляется № группы.

В качестве кода пробуем ввести номер учебной группы (302). Дверь не открывается.

Получившееся число 302 к какой системе счисления относится? (десятичная)

А какие системы счисления мы использовали в ходе урока? (двоичную)

Давайте попробуем перевести десятичное число 302 в двоичную систему счисления (11110011).

Вводим код – дверь открывается. Квест пройден.

VI. Рефлексия  занятия

О чем мы сегодня говорили на уроке?

Чему вы сегодня научились?

Что вы запомнили из нашего урока?

Что нового вы сегодня узнали?

С какой информацией работает компьютер?

Чем отличается аналоговая информация от цифровой?

Что такое кодирование?

Что такое дискретизация?

Какие системы кодировки существуют?

Как перевести число в двоичную систему счисления?

Можете ли вы расшифровать/зашифровать закодированное сообщение, используя азбуку Морзе?

Систему ANSI?

Достигли ли мы с вами цели урока?

Что было для вас трудным?

Что осталось непонятным?

Что вам нужно еще повторить?

VII. Домашнее задание

Студентам предлагаются задания на выбор:

1.Каково максимальное количество книг (каждая объемом 200 страниц, на каждой странице 60 строк, 80 символов в строке) размещаемых на лазерном диске емкостью 600 Мб?

2.Для хранения растрового изображения размером 1024×512 отвели 256 Кб памяти. Каково максимальное возможное количество цветов в палитре изображения?

3.Производится одноканальная (моно) звукозапись с частотой дискретизации 16 кГц и 32-битным разрешением. Запись длится 4 минуты, ее результаты записываются в файл, сжатие данных не производится. Определить размер файла в Мегабайтах.

Приложение 1

Рабочий лист

1.     Переведите из 2-ой системы счисления в 10-ную
2.           Использую ANSI-кодировку, запишите букву, имеющую десятичный код, который вы получили в предыдущем задании,  в ячейку								Ответ:
3.     Единицы измерения больших объемов информации
1 байт=
1 килобайт (Кб)=
1 мегабайт (Мб)=
1 гигабайт (Гб)=
4.     Нахождение информационного объема информации
Текстовая			Графическая			Звуковая
5.     Для решения задач используйте обратную сторону рабочего листа
6.     Используя азбуку Морзе, расшифруйте код и запишите свой ответ в ячейке
••–––   •••––  ––––•						Ответ:
7.     Используя азбуку Морзе, зашифруйте послание (одно-два слова) своему соседу по парте
Код:
Ответ:
8.     Квест

Обратная сторона рабочего листа

Задача №1 Дано: Найти:	Решение: Ответ:
Задача №2 Дано: Найти:	Решение: Ответ:
Задача №3 Дано: Найти:	Решение: Ответ:
Задача №1 (квест) Дано: Найти:	Решение: Ответ:
Задача №2 (квест) Дано: Найти:	Решение: Ответ:
Задача №3 (квест) Дано: Найти:	Решение: Ответ:

Приложение 2

Кодировка ANSI

Приложение 3