第三章 计算机中的声音世界 第一节 学习指引 教案
文档属性
| 名称 | 第三章 计算机中的声音世界 第一节 学习指引 教案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 356.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 沪教版 | ||
| 科目 | 信息技术（信息科技） | ||
| 更新时间 | 2017-12-29 14:08:27 | ||
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文档简介
基本信息
设计
张新军
章节
第三章 计算机中的声音世界 第一节 学习指引
课题
声音文件的参数
教学目标
1.知识与技能
掌握声音采样的三个基本参数，能根据采样参数计算声音文件的容量大小
2.过程与方法
1.从音量的动态范围与人耳听觉频率范围，理解录音采样参数
2.从小数据推导出数据存储容量公式
3.情感态度价值观
1.从录音的参数设置，理解人们行为的合理性
2.从中国古代乐理到中医五音，感受中国文明的博大精深
重点和难点
重点
理解采样的作用，掌握声音的采样参数
难点
理解采样参数的设置原理
授课策略
学情分析
声音采样是“计算机中的声音世界”中第一节学习指引中的内容，是声音数字化的基本过程。学生刚刚学习了基本的录音软件，知道了录音的基本方法，但还并不清楚“数字录音”的基本原理及录音时的参数设置，作为高中生应该学会多问一个“为什么”。
设计思路
根据授课环境，本课采用讲授与讨论相结合的方式
用模拟信号与数字处理之间的矛盾，引入PCM
用小数据存储来推理并理解声音文件的存储容量公式
用中医理论来调节课堂节奏和气氛
用人类生理的听觉特征来理解采样参数的设置
用练习（常规）巩固本课的知识
用解决“实际问题”来激发学生的创新能力
用拓展（细节）来激发学生的求知欲
授课方式
讲授与讨论
授课时长
40分钟
教学过程
课程环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课引导
1分钟
从物理学中我们知道，声音是由振动产生的，当声音转换为电流时，就可以用随时间振动的波形来表示，传统上，声音以模拟方式储存在录音磁带和唱片上。
我们在上节课用“录音机”录制了声音，现在我有一个疑问需要与大家讨论一下： CPU是计算机的“大脑”，它能处理的信息是由“0”、“1”组成的“二进制”数据，而声波是模拟信号，计算机该如何处理呢？
学生听讲并回忆
学生回答：声卡
由模拟信息与数字处理设备的冲突引入课题
声卡的基本功能
1分钟
1. 因此声卡应该具备的最基本功能有：
（1）输入和输出
（2）模数转换器
（3）数模转换器
（4）音效处理器
2.这是一张录音时的屏幕截图，其中有哪类参数？
3. 基本采样方式PCM（pulse code modulation）
(1)采样频率
(2)量化位数
(3)声道
采样率、声道、采样精度
引入本课主要知识点：PCM的三个基本参数
了解采样频率的概念
2分钟
1.曲线（声波）通过什么方式可以与数字联系起来？
（在声波下呈现方格）
2.采样：是将信号从连续时间域上的模拟信号转换到离散时间域上的离散信号的过程。
在曲线上取了12点
3.采样频率：每秒钟采样的次数
上例中，如果用了1秒钟，则采样频率是……？
学生回答：坐标
学生回答：12Hz
了解并理解采样频率
简单计算，巩固采样频率的概念
了解量化位数
2分钟
1.纵坐标是量化位数，对于这个声波文件，需要多大的量化位数：
2.量化过程会出现误差（以第2个点为例），制定某种规则，保存这些点的二进制幅度值（编码）。
3.动态范围
声音的最大声压级和最小声压级的差值，单位是“分贝”。
它还可以表示录音设备和载体处理信号电压的范围
学生思考：纵坐标的最大值为9，共有10个数（动态范围为10）由于2^4=16，因此，量化位数用4位就可以了
理解并认可“规则”
了解量化位数与纵坐标的关系，知道如何确定量化位数。
模拟信号数字化
与量化位数相关的重要概念
小容量计算
2分钟
1.保存这些数据，需要多大的空间（容量）？
指导学生的学习过程
容量=位数╳采样个数/8
2.如果再增加一个点，需要多少个字节的容量？
（字节是最小容量单位）
每个点需要4位，共12个点，则总位数为48位，一个字节是8位，所以需要6个字节。
7位
为容量计算公式做准备
复习一下最小容量单位
声道数
1分钟
声道（channel）是指一个记录能产生的波形。单声道是记录了一个声波信号，显然，双声道是指记录了两个声道的信号。
1.你知道的声道数最大是多少？
2.增加声道数后的声音文件存储容量有什么变化？
学生回答
可能：双声道（立体声）、4.1、5.1、7.1等
容量再乘以声道数
声道数学生很容易理解，要引导学生合理选择或使用音频器材（理性消费）
加深一下容量公式的计算
中医五音
2分钟
1.形成数字声波，引发失真讨论。
2.为什么不喜欢失真的音乐？
（在黑板上写一个繁体字：樂，然后再写一个“藥”）
3.中医里提到的“五音”(角、徵、宫、商、羽)和身体脏腑(心、肝、脾、肺、肾)是关联的，例如“宫”调入脾，对消化系统作用明显，电影中在皇庭寿宴时就会奏宫（调）乐。
中华文明，博大精深。计算机处理后的音乐如果不能还原美妙的音乐，就会让我们听起来很难受，是“药”三分毒啊。
直观数字声波与原始声波的差异
听与认同
1.体会中华文明的博大精深
2.调节学习节奏与气氛
这里可以播放一段“宫”调音乐
学生探究录音参数的合理性
10分钟
1.如何减少录音的失真度呢？
2.很明显，由前面的容量计算公式可以知道，这样做会增加声音文件的存储容量，如何平衡量化位数、采样频率与存储容量之间的关系呢？
参考素材：
1.常用采样参数
2.人类听力动态范围
3.常见动物发声和听觉频率
4.奈奎斯特（Nyquist）定律：
当采样频率不小于样本信号最高频率的2倍时，就可以不失真地重构原始信号。
5.辅助读物《声音信号的特性》
学生回答：增加量化位数和提高采样频率
学生分组交流讨论
观察常用的参数
了解听力的动态范围
了解人类听觉常识
应用
细读
引入
抛出问题
引导学生的主动学习过程，让学生知道合理确定量化位数是有根据的，从而触动学生对人们行为合理性的思考
教师在这个活动中要注意观察学生的学习过程，正确指导学生的学习
这个定律是确定采样频率的依据
《声音信号的特性》中有关于人声及常见乐器的动态范围表，用于帮助学生对量化位数的确定
如何合理确定量化位数反馈
5分钟
1. 增加采样位数后，对声音文件的存储容量和量化误差有什么影响？
2. 如何确定合理的量化位数
3. 请问：8位和16位各有多少个值？动态范围是多少？
参考：
4. 你们的结论是什么？
(5.用16位采样比8位采样的声音更响一些吗？)
存储容量增加，量化误差减少
从《人的听觉动态范围》和《声音信号的特性》可以看出，动态范围在100分贝左右即可满足录音的大部分需求。
2^8=256
2^16=65536
48分贝
96分贝
采用8位和16位的量化位数是比较合理的。
不是，量化位数决定声音的采样精度（动态范围），与音量无直接关系
人声约50分贝，大型交响乐可能会超过100分贝
验证8位和16位的合理性
产生结论
以免产生量化位数越大声音越响的误区
如何合理确定采样频率的反馈
5分钟
1. 从这张 “常见动物发声和听觉的频率范围”图可以看出：
人的听觉范围为多少？
2. 根据奈奎斯特（Nyquist）定律，采样频率不小于2倍样本的最高频率，因此，采样频率应该定为多少？
3. 老师补充：由于低通滤波器具有频率下滑效应，所以取样频率应该再高出大约百分之十才行。现在，采样频率就达到了44kHz。
4. 常见的采样频率：
11.025KHz（语音效果）
22.05KHz（音乐效果）
44.1KHz（高保真效果）
(5.你认为CD唱盘的采样频率应该为多少比较合适？)
2
0Hz~20KHz
40KHz
听与理解
44.1KHz
引导性问题，也是关键问题
Harry Nyquist是美国物理学家，采样研究专家（可以拓展学生的知识面）
了解常识
22.05KHz常用于调频广播
存储容量与练习
2分钟
根据前面的讨论：请总结声音文件数据量的计算公式，并根据标准CD的采样频率（44.1KHz），量化位数（16bit）和声道数（双声道），计算一分钟的声音数据量是多少？一张CD（约600MB）能存储多少分钟的声音？
对照上面的公式：
容量=位数╳采样个数/8
总结并回答：
数据率=（采样频率*量化位数*声道数）（单位：位/秒）
存储量=数据率*时间/8（单位：字节）
10584KB
60分钟
让学生自我归纳，加深理解，比死记公式要好的多。
bps
kbps
1MB=1024KB
思考讨论
5分钟
张老师有一个512MB容量的数码录音笔，明天要去参加一个会议，需要将会议的讲话内容录下来，时间共约7小时，他能做到吗？为什么？
学生讨论交流
1.尝试修改PCM参数，制定录音方案
2.讨论方案对音质的影响
3.充分考虑到语音录音的特点（人声最高频率约为1.1KHz，非泛音）
利用采样频率、量化位数、声道等参数的合理选择，推理事件的过程与结果，培养学生的创新能力
小结
1分钟
1.音频数字化，最常见的方式是脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)，它有三个重要参数是：采样频率、量化位数和声道数。
2.常用量化位数：
8位和16位
3.常用采样频率：
11.025KHz（语音效果）
22.05KHz（音乐效果）
44.1KHz（高保真效果）
4.计算公式
数据率=（采样频率*量化位数*声道数）（单位：位/秒）
存储量=数据率*时间/8
根据老师的小结，认真听讲，巩固知识
指明本课的知识点，提炼重点内容
拓展
1分钟
为什么采样频率是44.1KHz，而不是44KHz？
#世界上TV制式有NTSC－PAL－SECAM三种，它们的帧频分别为30Hz、25Hz、25Hz，为了与电视信号调制在一起，采样频率应该是它们的整倍数，因此，采样频率就定为了44.1kHz。
课后作业
进一步激发学生的求知欲望
课后反思
设计
张新军
章节
第三章 计算机中的声音世界 第一节 学习指引
课题
声音文件的参数
教学目标
1.知识与技能
掌握声音采样的三个基本参数，能根据采样参数计算声音文件的容量大小
2.过程与方法
1.从音量的动态范围与人耳听觉频率范围，理解录音采样参数
2.从小数据推导出数据存储容量公式
3.情感态度价值观
1.从录音的参数设置，理解人们行为的合理性
2.从中国古代乐理到中医五音，感受中国文明的博大精深
重点和难点
重点
理解采样的作用，掌握声音的采样参数
难点
理解采样参数的设置原理
授课策略
学情分析
声音采样是“计算机中的声音世界”中第一节学习指引中的内容，是声音数字化的基本过程。学生刚刚学习了基本的录音软件，知道了录音的基本方法，但还并不清楚“数字录音”的基本原理及录音时的参数设置，作为高中生应该学会多问一个“为什么”。
设计思路
根据授课环境，本课采用讲授与讨论相结合的方式
用模拟信号与数字处理之间的矛盾，引入PCM
用小数据存储来推理并理解声音文件的存储容量公式
用中医理论来调节课堂节奏和气氛
用人类生理的听觉特征来理解采样参数的设置
用练习（常规）巩固本课的知识
用解决“实际问题”来激发学生的创新能力
用拓展（细节）来激发学生的求知欲
授课方式
讲授与讨论
授课时长
40分钟
教学过程
课程环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课引导
1分钟
从物理学中我们知道，声音是由振动产生的，当声音转换为电流时，就可以用随时间振动的波形来表示，传统上，声音以模拟方式储存在录音磁带和唱片上。
我们在上节课用“录音机”录制了声音，现在我有一个疑问需要与大家讨论一下： CPU是计算机的“大脑”，它能处理的信息是由“0”、“1”组成的“二进制”数据，而声波是模拟信号，计算机该如何处理呢？
学生听讲并回忆
学生回答：声卡
由模拟信息与数字处理设备的冲突引入课题
声卡的基本功能
1分钟
1. 因此声卡应该具备的最基本功能有：
（1）输入和输出
（2）模数转换器
（3）数模转换器
（4）音效处理器
2.这是一张录音时的屏幕截图，其中有哪类参数？
3. 基本采样方式PCM（pulse code modulation）
(1)采样频率
(2)量化位数
(3)声道
采样率、声道、采样精度
引入本课主要知识点：PCM的三个基本参数
了解采样频率的概念
2分钟
1.曲线（声波）通过什么方式可以与数字联系起来？
（在声波下呈现方格）
2.采样：是将信号从连续时间域上的模拟信号转换到离散时间域上的离散信号的过程。
在曲线上取了12点
3.采样频率：每秒钟采样的次数
上例中，如果用了1秒钟，则采样频率是……？
学生回答：坐标
学生回答：12Hz
了解并理解采样频率
简单计算，巩固采样频率的概念
了解量化位数
2分钟
1.纵坐标是量化位数，对于这个声波文件，需要多大的量化位数：
2.量化过程会出现误差（以第2个点为例），制定某种规则，保存这些点的二进制幅度值（编码）。
3.动态范围
声音的最大声压级和最小声压级的差值，单位是“分贝”。
它还可以表示录音设备和载体处理信号电压的范围
学生思考：纵坐标的最大值为9，共有10个数（动态范围为10）由于2^4=16，因此，量化位数用4位就可以了
理解并认可“规则”
了解量化位数与纵坐标的关系，知道如何确定量化位数。
模拟信号数字化
与量化位数相关的重要概念
小容量计算
2分钟
1.保存这些数据，需要多大的空间（容量）？
指导学生的学习过程
容量=位数╳采样个数/8
2.如果再增加一个点，需要多少个字节的容量？
（字节是最小容量单位）
每个点需要4位，共12个点，则总位数为48位，一个字节是8位，所以需要6个字节。
7位
为容量计算公式做准备
复习一下最小容量单位
声道数
1分钟
声道（channel）是指一个记录能产生的波形。单声道是记录了一个声波信号，显然，双声道是指记录了两个声道的信号。
1.你知道的声道数最大是多少？
2.增加声道数后的声音文件存储容量有什么变化？
学生回答
可能：双声道（立体声）、4.1、5.1、7.1等
容量再乘以声道数
声道数学生很容易理解，要引导学生合理选择或使用音频器材（理性消费）
加深一下容量公式的计算
中医五音
2分钟
1.形成数字声波，引发失真讨论。
2.为什么不喜欢失真的音乐？
（在黑板上写一个繁体字：樂，然后再写一个“藥”）
3.中医里提到的“五音”(角、徵、宫、商、羽)和身体脏腑(心、肝、脾、肺、肾)是关联的，例如“宫”调入脾，对消化系统作用明显，电影中在皇庭寿宴时就会奏宫（调）乐。
中华文明，博大精深。计算机处理后的音乐如果不能还原美妙的音乐，就会让我们听起来很难受，是“药”三分毒啊。
直观数字声波与原始声波的差异
听与认同
1.体会中华文明的博大精深
2.调节学习节奏与气氛
这里可以播放一段“宫”调音乐
学生探究录音参数的合理性
10分钟
1.如何减少录音的失真度呢？
2.很明显，由前面的容量计算公式可以知道，这样做会增加声音文件的存储容量，如何平衡量化位数、采样频率与存储容量之间的关系呢？
参考素材：
1.常用采样参数
2.人类听力动态范围
3.常见动物发声和听觉频率
4.奈奎斯特（Nyquist）定律：
当采样频率不小于样本信号最高频率的2倍时，就可以不失真地重构原始信号。
5.辅助读物《声音信号的特性》
学生回答：增加量化位数和提高采样频率
学生分组交流讨论
观察常用的参数
了解听力的动态范围
了解人类听觉常识
应用
细读
引入
抛出问题
引导学生的主动学习过程，让学生知道合理确定量化位数是有根据的，从而触动学生对人们行为合理性的思考
教师在这个活动中要注意观察学生的学习过程，正确指导学生的学习
这个定律是确定采样频率的依据
《声音信号的特性》中有关于人声及常见乐器的动态范围表，用于帮助学生对量化位数的确定
如何合理确定量化位数反馈
5分钟
1. 增加采样位数后，对声音文件的存储容量和量化误差有什么影响？
2. 如何确定合理的量化位数
3. 请问：8位和16位各有多少个值？动态范围是多少？
参考：
4. 你们的结论是什么？
(5.用16位采样比8位采样的声音更响一些吗？)
存储容量增加，量化误差减少
从《人的听觉动态范围》和《声音信号的特性》可以看出，动态范围在100分贝左右即可满足录音的大部分需求。
2^8=256
2^16=65536
48分贝
96分贝
采用8位和16位的量化位数是比较合理的。
不是，量化位数决定声音的采样精度（动态范围），与音量无直接关系
人声约50分贝，大型交响乐可能会超过100分贝
验证8位和16位的合理性
产生结论
以免产生量化位数越大声音越响的误区
如何合理确定采样频率的反馈
5分钟
1. 从这张 “常见动物发声和听觉的频率范围”图可以看出：
人的听觉范围为多少？
2. 根据奈奎斯特（Nyquist）定律，采样频率不小于2倍样本的最高频率，因此，采样频率应该定为多少？
3. 老师补充：由于低通滤波器具有频率下滑效应，所以取样频率应该再高出大约百分之十才行。现在，采样频率就达到了44kHz。
4. 常见的采样频率：
11.025KHz（语音效果）
22.05KHz（音乐效果）
44.1KHz（高保真效果）
(5.你认为CD唱盘的采样频率应该为多少比较合适？)
2
0Hz~20KHz
40KHz
听与理解
44.1KHz
引导性问题，也是关键问题
Harry Nyquist是美国物理学家，采样研究专家（可以拓展学生的知识面）
了解常识
22.05KHz常用于调频广播
存储容量与练习
2分钟
根据前面的讨论：请总结声音文件数据量的计算公式，并根据标准CD的采样频率（44.1KHz），量化位数（16bit）和声道数（双声道），计算一分钟的声音数据量是多少？一张CD（约600MB）能存储多少分钟的声音？
对照上面的公式：
容量=位数╳采样个数/8
总结并回答：
数据率=（采样频率*量化位数*声道数）（单位：位/秒）
存储量=数据率*时间/8（单位：字节）
10584KB
60分钟
让学生自我归纳，加深理解，比死记公式要好的多。
bps
kbps
1MB=1024KB
思考讨论
5分钟
张老师有一个512MB容量的数码录音笔，明天要去参加一个会议，需要将会议的讲话内容录下来，时间共约7小时，他能做到吗？为什么？
学生讨论交流
1.尝试修改PCM参数，制定录音方案
2.讨论方案对音质的影响
3.充分考虑到语音录音的特点（人声最高频率约为1.1KHz，非泛音）
利用采样频率、量化位数、声道等参数的合理选择，推理事件的过程与结果，培养学生的创新能力
小结
1分钟
1.音频数字化，最常见的方式是脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)，它有三个重要参数是：采样频率、量化位数和声道数。
2.常用量化位数：
8位和16位
3.常用采样频率：
11.025KHz（语音效果）
22.05KHz（音乐效果）
44.1KHz（高保真效果）
4.计算公式
数据率=（采样频率*量化位数*声道数）（单位：位/秒）
存储量=数据率*时间/8
根据老师的小结，认真听讲，巩固知识
指明本课的知识点，提炼重点内容
拓展
1分钟
为什么采样频率是44.1KHz，而不是44KHz？
#世界上TV制式有NTSC－PAL－SECAM三种，它们的帧频分别为30Hz、25Hz、25Hz，为了与电视信号调制在一起，采样频率应该是它们的整倍数，因此，采样频率就定为了44.1kHz。
课后作业
进一步激发学生的求知欲望
课后反思