1、必修 信息技术数据与计算广东教育出版社Shuju yu Jisuan普 通 高 中 教 科 书必修数据与计算11信息技术广东教育出版社普通高中教科书批准文号：粤发改价格2017434号 举报电话:12315定价：11.40元ook2020信息技术必修1-封面.indd 12020/12/3 下午3:16信息技术广东教育出版社普 通 高 中 教 科 书徐福荫 主编广州必修 数据与计算1Shuju yu Jisuanook2020信息技术-8扉页.indd 12020/5/28 下午2:522图书在版编目(CIP)数据信息技术必修1：数据与计算 / 徐福荫主编广州：广东教育出版社，2019.7（2
2、021. 1重印）普通高中教科书ISBN 978-7-5548-2529-7. 信. 徐. 计算机课高中教材. G634.671中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第091632号 编写单位 广东教育出版社 主 编 徐福荫 副 主 编 朱光明 黄国洪 本册主编 黄国洪 陈明宏 核心编写人员（以姓氏笔画为序） 李秋燕 陈 妤 胡永跃 唐章辉 喻文喜 魏小山责任编辑 李杰静责任技编 杨启承 陈 瑾装帧设计 何 维信息技术 必修1 数据与计算XINXI JISHU BIXIU 1 SHUJU YU JISUAN广 东 教 育 出 版 社 出 版（广州市环市东路472号12-15楼）邮政编码：51
3、0075网址：http:/广东新华发行集团股份有限公司发行广东新华印刷有限公司南海分公司印刷（佛山市南海区盐步河东中心路）890毫米1240毫米16开本9.75印张244 000字2019年7月第1版2021年1月第4次印刷ISBN 978-7-5548-2529-7定价：11.40元批准文号：粤发改价格2017434号 举报电话：12315著作权所有请勿擅用本书制作各类出版物违者必究如有印装质量或内容质量问题，请与我社联系。质量监督电话：020-87613102 邮箱：gjs-购书咨询电话：020-8777243841X1939-前言.indd 22021/3/11 11:05:23前 言信
4、息技术作为当今先进生产力的代表，已经成为我国经济发展的重要支柱和网络强国的战略支撑。信息技术涵盖了获取、表示、传输、存储和加工信息在内的各种技术。自电子计算机问世以来，信息技术沿着以计算机为核心、到以互联网为核心、再到以数据为核心的发展脉络，深刻影响着社会的经济结构和生产方式，加快了全球范围内的知识更新和技术创新，推动了社会信息化、智能化的建设与发展，催生出现实空间与虚拟空间并存的信息社会，并逐步构建出智慧社会。信息技术与社会的交互融合引发了数据量的迅猛增长，数据对社会生产和人们生活的影响日益凸显。本教科书针对数据（包括大数据）在信息社会中的重要价值，分析数据与信息的关系，强调数据处理的基本方
5、法与技能，发展同学们利用信息技术解决问题的能力。本教科书是信息技术课程后续学习的基础。通过对本教科书的学习，同学们能认识到数据在信息社会中的重要价值，合理处理与应用数据，掌握算法与程序设计的基本知识，根据需要运用数字化工具解决生活与学习中的问题，认识到人工智能在信息社会中越来越重要的促进作用，逐步成为信息社会的积极参与者。本教科书按“数据与信息”“数据处理与应用”“算法与程序实现”三部分内容展开，围绕信息技术学科核心素养，设计了“体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理”“运用数字化工具探究数理知识”“设计从A市到B市耗时最少的旅行路线方案”“设计购买纪念品的最佳方案”“网络购物平台客户行为数据
6、分析和可视化表达”“剖析空调企业智能客服机器人”项目范例。教师围绕“情境主题规划探究实施成果评价”的项目范例主线开展教学活动，帮助同学们掌握本教科书的基础知识、方法与技能，增强信息意识，发展计算思维，提高数字化学习与创新能力，培养正确的信息社会价值观和责任感，从而促进同学们的信息素养提升。本教科书要求同学们对现实世界中的真实性问题进行自主、协作、探究141X1939-前言.indd 12021/3/11 11:05:2422学习。同学们围绕“项目选题项目规划方案交流探究活动项目实施成果交流活动评价”的项目学习主线开展学习活动，体验“做中学、学中创、创中乐”的项目学习理念和“从实践入手、先学后教
7、、先练后讲”的项目学习策略，将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，从而促进信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任的信息技术学科核心素养达成。本教科书设置了“项目范例”“项目选题”“项目规划”“方案交流”“探究活动”“项目实施”“成果交流”“活动评价”等学习栏目，指导同学们开展项目学习活动。其中，“项目范例”是教师通过 “情境”“主题”“规划”“探究”“实施”“成果”“评价”等活动，引导同学们了解开展项目学习活动的全过程；“项目选题”是同学们从真实世界选择自己感兴趣的项目主题；“项目规划”是同学们根据项目选题，制订自己的项目方案；“方案交流”是同
8、学们展示交流自己设计的项目方案，师生共同探究、完善其方案；“探究活动”是同学们通过“问题”“观察”“分析”“阅读”“思考”“交流”“实践”“实验”“体验”“调查”“讨论”“拓展”等活动，获取知识和技能的过程；“项目实施”是同学们运用在项目学习过程中所获得的知识和技能来完成项目方案；“成果交流”是教师组织同学们展示交流项目成果，共享创造、分享快乐；“活动评价”是教师组织同学们开展项目评价活动。本教科书各章首页的导言，叙述了本章的学习目的与方式、学习目标与内容，让同学们对整章有个总体认识。每章设置了“本章扼要回顾”，通过知识结构图把每章的主要内容及它们之间的关系描述出来，这有助于同学们建立自己的知
9、识结构体系。每章结尾的“本章学业评价”设计了基于学业质量水平的测试题，并通过本章的项目活动评价，让同学们综合评价自己在信息技术知识与技能、解决实际问题的过程与方法，以及相关情感态度与价值观的形成等方面，是否达到了本章的学习目标。此外，本教科书为同学们提供了配套学习资源包，里面含有网络商城、购票网站等虚拟网站，智能客服机器人虚拟仿真系统，以及各Python程序设计的源代码等，为同学们提供数据采集、分析和可视化表达所需的实验数据和环境。当然，同学们还可以自己收集素材，让自己的项目学习作品更有特色。前言41X1939-前言.indd 22021/3/11 11:05:251 1目 录目 录CONTE
10、NTS 第一章 数据与信息1项目范例 体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理. .21.1 数据及其特征. .51.1.1 数据. .51.1.2 数据的基本特征. .71.2 数据编码. .71.2.1 模拟信号与数字信号. .71.2.2 编码的基本方式. .101.3 信息及其特征. .161.3.1 信息. .161.3.2 信息的基本特征. .16 第二章 知识与数字化学习21项目范例 运用数字化工具探究数理知识 .222.1 知识与智慧. .252.1.1知识. .252.1.2 智慧. .2741X1939-目录.indd 12021/3/11 11:06:0822目录2.2 数
11、字化学习与创新. .292.2.1数字化工具与资源及其优势. .292.2.2体验数字化创新学习过程. .33 第三章 算法基础39项目范例 设计从A市到B市耗时最少的旅行路线方案 .403.1 体验计算机解决问题的过程. .433.1.1 人工解决问题的过程. .433.1.2 计算机解决问题的过程. .463.2 算法及其描述. .483.2.1 算法. .483.2.2 算法的描述. .493.3 计算机程序与程序设计语言. .533.3.1 计算机程序. .543.3.2 计算机程序设计语言. .55 第四章 程序设计基础63项目范例 设计购买纪念品的最佳方案.644.1 程序设计语言
12、的基础知识. .664.1.1 Python的常量和变量. .674.1.2 Python的数据类型. .684.1.3 Python的运算符与表达式. .694.1.4 Python的函数. .714.2 运用顺序结构描述问题求解过程. .734.2.1 数据的输入与输出.734.2.2 顺序结构的应用. .7441X1939-目录.indd 22021/3/11 11:06:093 34.3 运用选择结构描述问题求解过程. .764.3.1 if语句的应用. .764.3.2 if.elif.else语句的应用. .804.4 运用循环结构描述问题求解过程. .854.4.1 for循环的
13、应用.854.4.2 while循环的应用.884.4.3 循环嵌套的应用.904.4.4 循环控制的应用.93 第五章 数据处理和可视化表达97项目范例 网络购物平台客户行为数据分析和可视化表达.985.1 认识大数据. .1015.1.1 大数据. .1015.1.2 大数据的特征. .1015.1.3 大数据对日常生活的影响. .1035.2 数据的采集. .1045.2.1 数据采集的方法和工具. .1045.2.2 数据的存储和保护.1075.3 数据的分析. .1115.3.1 特征探索. .1125.3.2 关联分析. .1135.3.3 聚类分析. .1155.3.4 数据分类
14、. .1165.4 数据的可视化表达. .1185.4.1 数据可视化表达的方式. .1195.4.2 数据可视化表达的工具. .120目录41X1939-目录.indd 32021/3/11 11:06:0944目录 第六章 人工智能及其应用125项目范例 剖析空调企业智能客服机器人.1266.1 认识人工智能. .1296.1.1 人工智能. .1296.1.2 剖析领域知识智能问答机器人. .1306.1.3 人工智能的诞生与发展. .1326.2 人工智能的应用. .1346.2.1 智能制造. .1346.2.2 智能家居. .1366.2.3 智能教育. .1376.2.4 智能交
15、通. .1376.2.5 智能安防. .1386.2.6 智能医疗. .1386.2.7 智能物流. .140附录1 部分术语、缩略语中英文对照表.145附录2 项目活动评价表.14641X1939-目录.indd 42021/3/11 11:06:091 1信息技术涵盖了获取、表示、传输、存储和加工信息在内的各种技术。自电子计算机问世以来，信息技术沿着以个人计算机为核心、到以互联网为核心、再到以数据为核心的发展脉络，深刻影响着社会的经济结构和生产方式，加快了全球范围内的知识更新和技术创新。信息技术与社会的交互融合引发了数据量的迅速增长，数据对社会生产和人们生活的影响日益凸显，并具有重要价值。
16、本章将通过“多媒体作品的数据与信息处理”项目，进行自主、协作、探究学习，让同学们在具体感知数据与信息的基础上，描述数据与信息的特征，知道数据编码的基本方式，从而将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，促进信息技术学科核心素养达成，完成项目学习目标。 数据及其特征 数据编码 信息及其特征第一章数据与信息41X1939 第一章.indd 12021/3/11 11:07:1022第一章 数据与信息体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理项目范例情 境自古以来，科学技术就以一种不可逆转、不可抗拒的力量推动着人类社会向前发展。纪录片创新中国集中呈现了党的十八大以来中国
17、的最新科技成就，科技创新让人民生活更为便捷，让企业发展更具活力，让国家实力更加强大。2016年8月16日，世界首颗量子科学试验卫星“墨子号”发射升空；2016年9月25日，500米口径球面射电望远镜“中国天眼”正式落成启用；2017年5月5日，装配超过20个系统、数百万个零件、攻克100多项核心关键技术的国产商用大飞机C919首飞成功；2019年1月3日，我国月球探测器“嫦娥四号”成功在月球背面着陆，这是人类探测器首次造访月球背面一项项成就，都实现了一次次历史性的飞跃，创新科技铸造的中国正成为世界瞩目的国度（图1-1）。党的十九大让全世界都再次聚焦到中国新时代的宏伟蓝图上来。国庆节快到了，学校
18、百灵创意社团通过网络、报纸和书籍进一步了解创新中国中介绍的伟大成就，并对获得成就的数据和信息进行相应的处理，创作庆祝国庆的多媒体作品。主 题体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理图1-1 创新科技铸造的中国正成为世界瞩目的国度41X1939 第一章.indd 22021/3/11 11:07:123 3 体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理规 划根据项目范例的主题，在小组中组织讨论，利用思维导图工具，制订项目范例的学习规划，如图1-2所示。探 究根据项目学习规划的安排，通过调查、案例分析、文献阅读和网上资料搜索，开展“体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处
19、理”项目学习探究活动，如表1-1所示。表1-1 “体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理”项目学习探究活动探究活动学习内容知识技能数据采集认识数据，了解各种数据的记录方式。知道数据的概念，了解数据记录方式发展的基本历程，学会数据采集的基本方法和过程。具体感知数据。描述数据的基本特征。分析数据应用实例。描述数据的特征。数据编码比较模拟信号与数字信号。知道模拟信号与数字信号的含义及其相互关系。知 道 数 据 编 码 的 基 本方式。开展模拟信号的数字化实验活动。体验数据编码的基本方法和过程，了解数据编码的作用。列举常见数据的编码方式。了解文本、图像等多种类型数据的编码方式。体验庆祝国庆多媒体作品的
20、数据与信息处理图1-2 “体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理”项目学习规划41X1939 第一章.indd 32021/3/11 11:07:1444第一章 数据与信息探究活动学习内容知识技能信息呈现列举信息的不同定义，分析事例中的信息。知道信息的概念、信息的价值，了解信息呈现的基本方法和过程。具体感知信息。描述信息的特征。分析信息应用实例。描述信息的基本特征，分析现实生活事例的信息特征。实 施实施项目学习各项探究活动，进一步体验庆祝国庆多媒体作品数据与信息的处理。成 果在小组开展项目范例学习过程中，利用思维导图工具梳理小组成员在“头脑风暴”活动中的观点，建立观点结构图，运用多媒体创作工具
21、（如演示文稿、在线编辑工具等），综合加工和表达，形成项目范例可视化学习成果，并通过各种分享平台发布，共享创造、分享快乐。例如，运用在线编辑工具制作的“体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理”可视化报告，可以在教科书的配套学习资源包中查看，其目录截图如图1-3所示。图1-3 “体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理”可视化报告目录截图（续表）41X1939 第一章.indd 42021/3/11 11:07:155 5 1.1 数据及其特征评 价根据教科书附录2的“项目活动评价表”，对项目范例的学习过程和学习成果在小组或班级上进行交流，开展项目学习活动评价。项目选题同学们以36人组成一个小组，选
22、择下面一个参考主题，或者自拟一个感兴趣的主题，开展项目学习。1体验庆祝国庆录音作品的数据与信息处理2体验庆祝国庆摄影作品的数据与信息处理3体验庆祝国庆视频作品的数据与信息处理项目规划各小组根据项目选题，参照项目范例的样式，利用思维导图工具，制订相应的项目方案。方案交流各小组将完成的方案在全班进行展示交流，师生共同探讨、完善相应的项目方案。1.1 数据及其特征互联网、大数据时代，人们可以通过计算机和移动终端，随时随地获取信息、了解社会。例如，创新中国系列纪录片对收集的大量数据包括图形、图像、视频、音频、文本（文字、数字、数值、字符）进行存储、挖掘和分析后，以多媒体记录新闻事件，满足人们对信息直观
23、化、可视化的需求。1.1. 1 数据数据是现实世界客观事物的符号记录，是信息的载体，是计算机加工的对象。在日常生活中，人们常使用符号来表达客观事物。例如，180cm、70kg、36.5可以分别表示人体的身高、体重、体温情况，200m2、600m3、120km/h可以分别表示物体的面积、体积、速度情况。世界任何客观事物在人脑中的反映（意识）离不开符号的表达和基41X1939 第一章.indd 52021/3/11 11:07:1566第一章 数据与信息于符号的逻辑推理。在计算机科学中，数据是对所有输入计算机并被计算机识别、存储和处理的符号的总称，是联系现实世界和计算机世界的途径。即现实世界的各种
24、符号，包括图形、图像、视频、音频、文本（文字、数字、数值、字符）等数值性和非数值性符号，都可以被计算机转化为二进制数（如数字“180”在计算机中表示为10110100，字符“cm”在计算机中表示为0110001101101101），进行各种逻辑运算，处理成有意义的数据；然后将计算机运算的二进制数转换成现实世界的视、听、触等各种感觉的信息，如图1-4所示。图1-4在大数据时代，数据不仅是信息的载体，也是人们提取信息、做出决策的重要依据，成为人们认识和理解现实世界客观事物的重要资源。探究活动体 验请同学们赏析庆祝国庆多媒体作品。图1-5是该作品的截图。（a） 人使用符号表达客观事物（如体育运动符号
25、）（b） 计算机用二进制数表达客观事物（如表情的部分二进制码）图1-5 庆祝国庆多媒体作品的截图41X1939 第一章.indd 62021/3/11 11:07:167 7 1.2 数据编码1.1. 2 数据的基本特征人们在探索现实世界时，用数据记录自然现象与社会的发展。寻找数据的基本特征和规律，就是探索与揭示自然和社会的发展规律。在计算机科学中，数据具有如下基本特征：（1）二进制。在计算机中，数据以二进制的形式存储、加工。（2）语义性。语义是将数据符号解释为客观世界的事物。（3）分散性。数据是分散的记录，分别记录不同客观事物的运动状态。（4）多样性与感知性。数据记录的形式是多样的、可看的、
26、可听的、可感知的，如图形、图像、视频、音频、文本等。讨 论以小组为单位，查阅并分享体现数据基本特征的例子，同时讨论数据还有哪些特征。项目实施各小组根据项目选题及拟订的项目方案，结合本节所学知识，开展以下活动。1. 完成相应作品录音、录像或扫描图像等数据的采集和分析。2. 总结与记录数据采集和分析的方法。1.2 数据编码将现实世界的事物现象符号化、数据化，需要有一个理解、抽象、推理的过程，这个过程由计算机来完成。计算机将它们处理转换成0和1组成的二进制编码，进而采用基于二进制的算术运算和逻辑运算进行处理。1.2. 1 模拟信号与数字信号众所周知，声、光信号是人的感官所能识别和接收的信号，而计算机
27、是一种采用电信号进行运作的机器。要将人的感官所能识别的信号转换为计算机能够识别的信号，实现人41X1939 第一章.indd 72021/3/11 11:07:1688第一章 数据与信息机交互，就必须清楚计算机是如何处理这些信号的。1. 模拟信号模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息。其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化，如声音信号、图形信号等。模拟信号的波形可以是简单的，也可以是复杂的。例如，由单一钢琴定音器产生的声波，就是简单波形，仅仅包括一个单一频率（图1-6）；人类或管风琴的声音产生的声波，就是复杂波形，包含了许多不同频率的组合（图1-7）。模拟信号是传导能量的一种方式。例如，
28、声波通过空气等介质来向远处传送能量，在传播的过程中，能量会不断被损耗而逐渐衰减，如图1-8所示。无论是有线相连的电话，还是无线发送的广播电视，都是通过模拟信号来传递信息的。2. 数字信号数字信号是离散时间信号的数字化表示。其信号的自变量、因变量都是离散的。例如，开关电路中输出电压和电流脉冲就是离散的信号，如图1-9所示。图1-6 单一频率波形示意图图1-7 多频率组合波形示意图图1-8 模拟信号的衰减示意图41X1939 第一章.indd 82021/3/11 11:07:179 9 1.2 数据编码在计算机中，数字信号的大小常用有限位的二进制数表示。例如，字长为2位的二进制数可表示00、01
29、、10和11四种数字信号。尽管基于数字信号的数据通信才出现几十年，但因其抵抗电路本身干扰和环境干扰的能力强，且数字信号有利于存储、加密与纠错，从而具有较强的保密性和可靠性。因此在现代技术的信号处理中，数字信号发挥的作用越来越大，覆盖的范围越来越广。探究活动分 析分析、比较模拟信号与数字信号在通信应用中的优劣，用简洁的文字将结论填入表1-2中。表1-2 模拟信号与数字信号比较名称优点缺点模拟信号数字信号进行远距离传送时用哪种信号比较好？实 验在航海灯语系统中，灯语是一种通信手段，用灯光一明一暗的间歇做出长短不同的信号来传递信息。在古代，灯语对人们之间的交流起到很大的作用。随着科技的发展，灯语已经
30、通过计算机网络实现了灯光信号的自动发送、获取和识别。1. 实验名称：用手电筒传递信息。2. 实验目的：了解灯语的使用场景，理解数据编码的必要性。图1-9 离散的脉冲信号41X1939 第一章.indd 92021/3/11 11:07:171010第一章 数据与信息3. 实验步骤：（1）两人一组，一人控制手电筒开关，按照莫尔斯码发送一组字母，另一人观察手电筒发出的光信号，记录数据，并使用莫尔斯码译出这组字母。（2）双方核对信息，多次重复实验。（3）通过分析实验数据，总结该方法传递信息的利弊，提出改进方法。（4）设计一套自己的灯语，用“密码”传送信息。1 . 2 . 2 编码的基本方式在现代技术
31、的信号处理中，数据基本上是通过编码将模拟信号转换为数字信号进行存储和传输，文字、图像、声音等类型的数据都可经过编码进行存储和传输。1. 文字编码文字（字符）编码是效率相对较低的编码方式，有单字节码和双字节码两种。其中，ASCII码、莫尔斯码属于单字节码，国标码（GBK）、统一码（Unicode）属于双字节码。（1）ASCII码。ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）是美国信息交换标准代码，用8位二进制码为所有的英文字母（大小写52个）、阿拉伯数字（10个）和常用的不可见控制符（33个）以及标点符号、运算符号等（33个）建立了转
32、换码，将符号转换为“0”和“1”构成的编码。从表1-3可知，英文字母A和a的编码分别为01000001（十进制数65）和01100001（十进制数97）。表1-3 ASCII码表二进制000000010010001101000101011001110000NULDLE空格0Pp0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC22BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB7GWgw41X1939 第一章.indd 102021/3/11 11:07:1711 11 1.2 数据编码
33、1000BSCAN（8HXhx1001HTEM）9IYiy1010LFSUB*：JZjz1011VTESC+；Kk1100FFFS，Nn1111SIUS/?O_oDEL思 考在计算机中，英文字母、数字、符号等都可用ASCII码来表示，如大写字母“C”的编码为8位二进制数01000011，数字“9”的编码为00111001等。可是，中文却难以用ASCII码来表示。如果要设计一套汉字的编码系统，可以如何进行？仿照ASCII编码系统的方法，描述大致的设计思路，并在小组内交流。仿照ASCII码，描述设计思路：（2）国标码。由于ASCII码只包含英文、数字和一些控制符号，并不能表示汉字，因此，我国设计了
34、用于处理汉字的简体中文的GB码和用于繁体中文的BIG5码（大五码）。1980年发布的信息交换用汉字编码字符集（GB 2312）一共收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其他符号。GB 2312主要分为两部分：编号127之前的符号跟ASCII码所表示的意义相同，属于单字节码；编号127之后的符号统一用两个字节表示，包含了几乎所有的简体中文字（中文编码高字节的最高位不为0）。1995年公布的汉字内码扩展规范（GBK 1.0）收录了21886个符号，分为汉字区和图形符号区，汉字区包括21003个字符。（续表）41X1939 第一章.indd 112021/3/11 11:07:17121
35、2第一章 数据与信息2. 图像编码图像编码是指在满足一定保真度的条件下，对图像数据进行变换、编码和压缩，以较少比特数表示图像或图像中所包含的信息的技术。我们以位图（Bitmap）为例来说明图像的编码原理与方法，以及图像文件的大小计算方法。（1）位图图像编码。位图，最小单位为光栅点（或称像素），因而也叫作点阵图（或像素图）。位图采用位映射存储格式，即将每一个像素映射为一个数据，存放在以字节为单位的矩阵中。例如，在如图1-10所示的黑白图像中，共有322个像素，如果将黑、白像素分别映射为1和0，就表示为11111111，00000110，10000110，11111111，10000001，011
36、00011，01111100，10000001，这就是该黑白图像的二进制编码。通常图像编码采用16进制编码，因而图1-10的编码为“FF，06，86，FF，81，63，7C，81”。（2）位图文件大小。在计算机二进制数系统中，每个0或1就是一个位（bit，数据存储的最小单位），8个位就称为一个字节（Byte）。黑白图像，每一个像素有2种可选颜色（黑、白），称为1位图像。因此，图1-10中所包含的图形数据为3228=8个字节。16色图像，每一个像素有16种可选颜色，称为4位图像（24=16）；256色图像称为8位图像（28=256）；24位图像的可选颜色更丰富，为224种。实际上，一个位图文件除
37、了包含图形数据，还包括文件头、位图信息头、颜色信息、图形数据等几部分。文件头：包含文件的类型、大小和位图起始位置等信息，共14个字节。位图信息头：用于说明位图的尺寸等信息，占40个字节。颜色信息：用于说明位图中的颜色，有若干个表项，每一个表项定义一种颜色。当图像量化位数为1、4、8时，分别有2、16、256种颜色，每个颜色表项占4个字节；当图像量化位数为24时，没有颜色表项。图形数据：记录位图的每一个像素值，其记录顺序先从左到右，再从下到上。一般情况下，位图文件所占用的空间可按以下公式计算：文件的大小=文件头+信息头+颜色表项+图像分辨率图像量化位数8其中，图像分辨率=图像x方向的像素数图像y
38、方向的像素数。图像量化位数，也叫图像深度，是指图像中每个像素点记录颜色所用二进制数的位数。图1-10 每一个像素只有两种可能性的黑白图像41X1939 第一章.indd 122021/3/11 11:07:171313 1.2 数据编码3. 声音编码对声音进行数据编码，必须经过前期的数据采样和数据量化。（1）采样。采样就是把输入的模拟信号按适当的时间间隔得到各个时刻的样本值，使其转换为时间上离散、幅度上连续的脉冲信号。根据奈奎斯特（HarryNyquist，物理学家，18891976）采样定理，如果以一定时间间隔对某个信号f（t）进行采样，并且采样频率高于该信号最高频率的两倍，则采样值包含了原
39、信号的全部信息，如图1-11所示。对于音频信号，常用的采样频率有三种：44.1kHz、22.05kHz和11.025kHz。（2）量化。量化是把样值信号的无限多个可能的取值，近似地用有限个数的数值来表示。首先是将采样信号幅度划分为若干量化等级（国标声音量化等级分为256个，即28个），然后将采样后的信号幅度与所划分的各个量化等级进行比较，向下取最接近的量化等级的数值，如图1-12所示。（3）编码。编码是将量化后的采样值用二进制数码表示，并转换为由二进制编码0和1组成的数字信号。模拟信号采样后可用8位二进制数表示，最高位表示符号，正数为0，负数为1。例如，采样值48的二进制编码为00110000
40、，-100的二进制编码为11100100，如表1-4所示。图1-11 奈奎斯特采样定理示意图图1-12 脉冲幅度调制信号的量化41X1939 第一章.indd 132021/3/11 11:07:181414第一章 数据与信息表1-4 声音信号的数据编码模拟量2645484014编码00011010001011010011000000101000000010110模拟量-51-100-5044127编码1011001111100100101100100010110001111111模拟量125105907865编码0111110101101001010110100100111001000001
41、编码时采用的二进制位数越多，数据量越大，占用的存储空间也越大。以声音信息为例，其存储空间遵循如下公式：声音存储空间=采样频率量化位数声道数时间8例如，采样频率为44.1kHz、量化位数为16位的立体声，1秒声音所需字节数为44.1100016218=176400（B）。编码后的信号可以实现无差错的数据传输，如图1-13所示。讨 论各小组讨论如何减少声音信号还原时的失真，提高声音的保真度。提出改进方案后，继续实验探索，直到得出结论。实 践1有一幅24位的位图图像，像素为1024800。试确定其数据文件的大小。2若将上述图像另存为256色位图图像，则文件大小为多大？3试上网查询有关视频编码的知识，
42、了解视频是如何被编码的。实际上，不仅文字、图像、声音等类型的数据可以被编码，视频等数据也都可以被编码成数据文件。程序设计，简称编程，也属于编码，是运用程序设计语言，实现人机交互，提高计算机应用效率，为实现操作程序化要求所进行的编码。有关程序设计的内容将在后续章节中学习。总之，编码是数据存储及其表现的基础，也是人们认识世界的基础。图1-13 数字信号的传送41X1939 第一章.indd 142021/3/11 11:07:191515 1.2 数据编码拓 展布尔代数与图灵机现实世界的任何事物，如果用计算系统进行识别、存储和计算，首先需要将其符号化。所谓符号化，是指将现实世界的任何事物用符号表达
43、，进而进行基于符号的计算的一种思维方式。将事物表达为不同的符号，便可采用不同的工具（或数学方法）进行计算；将符号赋予不同事物的意义，则能计算不同的现实世界问题。所谓逻辑，是指事物因果之间所遵循的规律，是现实中普遍的思维方式。布尔在汲取亚里士多德和莱布尼茨形式逻辑符号化思想的基础上，创立了用0和1表达、处理现实中命题判断与推理（1表示真/0表示假）的基于二进制逻辑的代数系统，为电子计算机的开关电路设计提供了重要的数学方法和理论基础。二进制由0和1两个数码组成，逢2进1，借1当2，第i数位的权值为2i-1。之所以青睐二进制，是因为：二进制算术运算规则简单；二进制算术运算可以与逻辑运算实现统一，或者
44、说可以用逻辑运算实现算术运算；能表示两种状态的元器件容易找到，如继电器开关、灯泡、二极管或三极管等。因此，计算机硬件存储和处理的是二进制数。20世纪30年代，图灵提出了图灵机模型，直观且形象地说明了通用计算机器的工作机理，建立了指令、程序及通用机器执行程序的理论模型，奠定了计算理论的基础。图灵认为，所谓计算就是计算者（人或机器）对一条两端可无限延长的纸带上的一串0或1执行指令，一步一步地改变纸带上的0或1，经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程，如图1-14所示。数据被制成一串0和1的纸带送入机器中，作为输入，如0001000001000011机器可对输入纸带执行的基本动作包
45、括翻转0为1，或翻转1为0，前移一位，停止。机器对基本动作的执行是由指令来控制的，机器是按照指令的控制选择执行哪个动作，指令也可以用0和1来表示：01表示翻转0为1（当输入为1时不变），10表示翻转1为0（当输入0时不变），11表示前移一位，00表示停止。输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序来完成，如011110110111011100。机器能够读取程序，按程序中的指令顺序读取指令，读一条指令执行一条指令，由此实现自动计算。因此可以说，图灵机就是一个最简单的计算机模型，图灵机将控制处理的规则用0和1表达，将待处理的信息及处理结果也用0和1表达，处理即是对0和1的变换，这样可以用机械或电
46、子系统实现。图1-14 图灵机模型41X1939 第一章.indd 152021/3/11 11:07:191616第一章 数据与信息项目实施各小组根据项目选题及拟定的项目方案，结合本节所学知识，掌握数据的编码过程。1. 分析常见编码方式与相应作品数据的编码过程。2. 总结与记录数据编码的方法和步骤。1.3 信息及其特征在互联网时代，数据正以越来越快的速度不断增长。移动电话、社交媒体和用于医疗诊断的影像技术等新业务，每天都会产生大量新数据。从这些数据中分析并提炼出有用的信息，将为人们的日常生活带来便利，并对推进科技、生产和社会的发展有重大意义。1 . 3 . 1 信息信息是经过加工处理的、具有
47、意义的数据。信息是对客观世界中各种事物的运动状态和变化的反映，是客观事物之间相互联系和相互作用的表征。人们通过获得、识别自然界和人类社会的不同信息来区别不同事物，得以认识和改造世界。探究活动交 流结合生活实际中的例子，在小组内交流信息和数据的区别与联系。1 . 3 . 2 信息的基本特征信息在人类社会活动中发挥着重要的作用，因而受到人们高度重视。那么，信息具有哪些特征？对人类活动又产生了什么影响？（1）普遍性。信息不是虚无缥缈的事物，只要有事物运动，有数据存在，就会有信息存在。信息普遍存在于自然界和人类社会发展的始终，可以被人们感知、获取、传递和利用。41X1939 第一章.indd 1620
48、21/3/11 11:07:191717 1.3 信息及其特征（2）传递性。信息的传递打破了时间和空间的限制。例如，我们可以借助计算机、网络、手机等工具了解发生在世界各地的许多事情。（3）共享性。信息作为一种资源，通过交流可以在不同个体或群体间共享。信息交流与实物交流有本质上的不同：实物交流，一方有所得，另一方必有所失。例如，两个人交换手中的一个苹果，每人得到的是对方的那一个苹果。而信息交流则不然，两个人交换则都拥有了两份信息。因此，人们悟出以下道理：分享、沟通与行动是将知识转化为智慧的关键。（4）依附性和可处理性。各种信息必须依附一定的图像、文字、声音等符号才能够表现出来，为人们所接收，并按
49、照某种需要进行处理和存储。信息经过分析和处理，往往会产生新的信息，使信息得到增值。（5）时效性。信息不是一成不变的东西，会随着客观事物的变化而变化。如果信息不能反映事物的最新变化状态，它的效用就会降低，一旦超过其“生命周期”，信息就失去原有的效用，成为历史记录。（6）真伪性。人们接收到的信息，并不都是对事物的真实反映，因此，信息具有真伪性。产生伪信息的原因很多：有些是出于某种目的，被人故意采用窜改、捏造、欺骗、夸大等手段人为制造的；有些是由于人们的认识能力或表达能力不足导致的；有些则是传递过程中的失误造成的。因而，对信息的真伪性需要加以鉴别。（7）价值相对性。信息作为一种特殊的资源，具有相应的
50、使用价值，能够满足人们某些方面的需要。但信息使用价值的大小是相对的，取决于接收信息者的需求及其对信息的理解、认识和利用的能力。拓 展香农与信息论关于文字、数字、图形、声音的知识已有几千年历史了。但是它们的总称是什么，如何统一地计量，直到19世纪末还没有被正确地提出来，更谈不上如何去解决了。20世纪初期，随着电报、电话、照片、电视、无线电、雷达等技术的发展，如何计量信号中信息量的问题被隐约地提上日程。克劳德艾尔伍德香农（ClaudeElwoodShannon，19162001）是美国数学家、信息论的创始人。他先后发表了论文通信的数学原理和噪声下的通信，系统论述了信息的定义、怎样数量化信息、怎样更
