普通高中教科书·信息技术必修1 数据与计算.pdf

上海科技教育出版社数据与计算普通高中教科书必修1数据与计算必 修 1普通高中教科书信息技术上海科技教育出版社信息技术信息技术信息技术PUTONG GAOZHONG JIAOKESHUXINXIJISHU此书如有印、装质量问题，请向印厂调换印厂地址：长沙黄花印刷工业园三号 电话：0731-82755298普通高中教科书信息技术必修1数据与计算上海科技教育出版社有限公司出版发行（上海市柳州路218号邮政编码200235）湖南省新华书店经销湖南长沙鸿发印务实业有限公司印刷开本89012401/16印张9.52020年8月第1版2021年8月第2次印刷ISBN 978-7-5428-7320-0/G4292定价：11.75元批准文号：湘发改价费 2017 343号举报电话：12315ISBN 978-7-5428-7320-09 787542 873200此书如有印、装质量问题，请向印厂调换印厂地址：长沙黄花印刷工业园三号电话：0731-82755298ISBN 978-7-5428-7320-09 787542 873200普通高中教科书上海科技教育出版社数据与计算必 修 1信息技术编写人员名单主 编：郑 骏 分册主编：郑 骏主要编写人员（以姓氏笔画为序）：卢 源 朱晴婷 陈 凯房爱莲 胡 杨 郭 骏曹红霞欢迎广大师生来电来函指出教材的差错和不足，提出宝贵意见。上海科技教育出版社地址：上海市闵行区号景路 159 弄 A 座 8 楼 邮政编码：201101 联系电话：021-64702058 邮件地址：亲爱的同学：不知道你是否留意，我们几乎每天都能听到“数据”这个词。数据和每个人的生活都密切相关，它不仅是信息的载体，也是人们提取信息、作出决策的重要依据，并逐步成为社会发展的一项资源。人们合理选用技术工具处理数据，可以提高数据应用效能，发现其中隐含的信息，精准解决生活与学习中的问题。在数据与计算的学习中，我们将带领你理解数据、信息和知识的相互关系，体验利用数字化工具处理数据和发现信息的过程；利用一种程序设计语言编写程序，实现简单算法，经历计算机解决问题的整个过程。你将在运用数字化工具的学习活动中，理解当今数字化世界的运转方式，提高利用信息技术解决问题的能力，发展信息意识和信息社会责任，养成数字化学习与创新的习惯。为了让你在学习数据与计算的过程中获得更大的成功，请浏览本书的栏目介绍。写给学生的话 单元引言、学习目标和单元挑战从生活经验出发引入本单元将要学习的内容，提出本单元学习要达成的学习目标，预告学习完本单元后要接受的单元挑战。项目引言和学习目标描述项目产生的背景和意义，介绍项目学习的主要内容，并提出一些具体问题，引导你带着问题探究。项目学习指引 通过剖析真实的项目实施过程，帮助你了解学科思想方法，理解相关概念，掌握具体技能。解释一些重要概念和术语，或提示相关知识和技术，帮助你抓住重点，扫除认知障碍。核心概念和小贴士提出若干问题引导你对技术背后的原理以及人、信息技术与社会的关系等进行思考和讨论。引导你利用网络、数字化工具和数字资源进行学习。提出活动任务，并引导你运用所学知识，使用信息技术工具进行探究、总结和展示。系统整理和归纳本项目的知识要点，方便你学习。补充更丰富的阅读材料，开阔你的视野。布置面向真实情境的项目任务，希望你综合运用本单元所学的知识与技能去解决问题。用思维导图可视化呈现本单元的知识脉络，提供基于学科核心素养的评价表，为你的学习表现进行自我评价。在学习过程中，希望你勤实践体验、多思考讨论，借助各种数字化工具、资源进行学习与创新，不仅要理解和掌握具体的信息技术知识与技能，还要把握用信息技术解决问题的思想方法，并思考将信息技术应用于社会时所引发的各种挑战，以开放、包容的心态与信息技术、信息社会一起进步。编 者单元挑战拓展阅读知识链接活 动数字化学习单元小结?思考与讨论?目 录第一单元 数据与信息.1项目一 探秘鸟类研究认识数据、信息与知识.21.采集鸟类活动的数据.32.处理数据，获取信息.53.利用大数据获取信息.7知识链接.9项目二 探究计算机中的数据表示认识数据编码.121.从树牌号认识编码.132.了解数值数据和文本数据的编码.143.了解声音和图像的数字化.16知识链接.18单元挑战 认识并制作二维码.25单元小结.26第二单元 数据处理与应用.27项目三 调查中学生移动学习现状经历数据处理的一般过程.281.明确数据需求.292.采集数据.303.加工、分析和可视化数据.354.撰写报告，提出数据应用建议.37知识链接.38项目四 认识智能停车场中的数据处理体验数据处理的方法和工具.431.探究停车引导中的数据处理.442.计算停车费.483.分析停车位使用数据.51知识链接.56单元挑战 采集与分析气象数据 .64单元小结.65第三单元 算法和程序设计.67项目五 描述洗衣机的洗衣流程了解算法及其基本控制结构.681.从洗衣流程认识算法.692.描述“洗涤算法”.713.分析洗衣流程的控制结构.72知识链接.74项目六 解决温标转换问题认识程序和程序设计语言.791.体验程序设计的一般过程.802.了解程序的基本控制结构.833.优化程序，判断输入有效性.84知识链接.85项目七 用计算机计算圆周率设计简单数值数据算法 .921.设计算法实现用数学公式计算.932.设计算法实现用随机投点法计算.95知识链接.99项目八 分析历史气温数据设计批量数据算法.1061.用列表表示和计算平均气温.1072.用模块化设计批量计算平均气温.110知识链接.115单元挑战 探究密码安全问题.124单元小结.125第四单元 人工智能初步.127项目九 了解手写数字识别体验人工智能.1281.初识字符识别技术.1292.了解机器学习中的数据采集与预处理.1303.建立手写数字识别模型并进行验证.1334.评估手写数字识别模型并开展应用.135知识链接.137单元挑战 尝试用人工智能绘画.142单元小结.143附录 部分名词术语中英文对照.145第一单元 数据与信息在现实世界中，每个人每天会产生大量数据，如去过哪里、买过什么商品、走了多少路等。这些看似平凡的数据却蕴含了大量的信息，如果善加利用，会给社会创造意想不到的价值。例如，电商平台根据用户的浏览和购买记录，有针对性地向用户推荐商品，以提高商品销量；智能手环告诉佩戴者每天走了多少步、消耗了多少热量、深度睡眠有多长时间等，并提供保健建议，甚至推荐相应的健身产品；无人驾驶汽车使用摄像头、车载雷达、激光测距仪等设备采集数据，识别周围的交通状况，利用实时更新的地图进行自动导航，实现无人驾驶。那么，究竟什么是数据？什么是信息？数据在计算机中是如何表示和处理的？本单元将带领大家揭开数据与信息的神秘面纱。通过具体实例，感知数据与信息，描述数据与信息的特征。理解数据、信息与知识的关系，认识数据对人们日常生活的影响。知道数值、文本、声音、图像等各类型数据的基本编码方式。学习目标认识并制作二维码单元挑战图 1-1 采集鸟类活动的数据项目一为了解决各种问题，各行各业的人们都在做着采集数据、获取信息甚至构建知识的工作。例如，商店采集顾客购买的商品等数据，获取顾客购物喜好、商品畅销程度等信息，甚至构建以顾客为导向的市场营销战略知识，以更好地开展商品营销活动。又如，科学家长期在野外采集鸟类活动的数据（图 1-1），获取鸟类分布、鸟类对栖息地的选择等信息，从而构建鸟类与植物关系的知识，用于开展鸟类保护工作和生物多样性研究工作。项目学习目标在本项目中，我们将探究一群科学家的鸟类研究活动，了解科学家是如何采集数据、获取信息的。完成本项目学习，须回答以下问题：1.什么是数据？什么是信息？数据和信息的特征有哪些？2.数据、信息与知识的关系是什么？3.什么是大数据？大数据的特征有哪些？探秘鸟类研究认识数据、信息与知识第一单元 数据与信息3核心概念数据（data）是对客观事物属性的描述，是记录下来的某种可以识别的符号。在计算机科学中，数据是指所有能输入计算机中并能被计算机程序处理的符号的总称。项目学习指引1.采集鸟类活动的数据空中掠过几只鸟，转瞬消失在树林里，难觅踪迹。这些美丽的精灵栖息在哪里？它们喜欢怎样的林木环境？为回答这些问题，科学家在浙江某国家森林公园的一片实验林地里设立了一个国家野外科学观测研究站，并长期在那里采集各种数据。通过观察、测量等工作，林地里的鸟类活动数据，如鸟的种类、数量、行为等，被定期记录了下来。这些描述鸟类活动的数据，有数值、文本、图形、图像等形式。为了更好地存储、处理这些野外采集来的数据，科学家将它们录入计算机中，如表 1-1、图 1-2 和图 1-3 所示。图 1-2 用数码相机拍摄的灰眶雀鹛表 1-1 林地鸟类活动调查记录表记录人：记录时间：年 月 日鸟的种类数量（只）栖息取食基层行为树牌号灰眶雀鹛5灌丛鸣叫2130198灰眶雀鹛6灌丛鸣叫2130123白头鹎5冠中上鸣叫4080059黄眉柳莺2冠中上觅食3080061黑鹎9冠上飞行5060137黄眉柳莺1冠中下跳跃1090013红头长尾山雀20整个冠层觅食，啄树干2100030图 1-3 用 GIS（地理信息系统）绘制的林地调查路线图（A、B、C 为林地调查线路）第一单元 数据与信息数据与计算4活 动1.1 近年来，随着信息技术的普及，国内外不少民间鸟类爱好者开始积极配合鸟类专业工作者，参与多项鸟类科学调查活动。一些观鸟网站和鸟类 App 都具有采集、整理、分享鸟类活动数据的功能，如图 1-5 和图 1-6 所示。查找并选择一个观鸟网站或鸟类 App，了解它向鸟类爱好者采集哪些鸟类活动数据。图 1-4 用实时监控设备记录鸟类活动图 1-6 某鸟类 App图 1-5 某观鸟网站近年来，人们利用各种信息技术工具，实现了自动采集数据。例如，在鸟类栖息地安装实时监控设备（图 1-4），利用红外摄影机全天候拍摄视频数据，利用录音设备录制声音数据，这些数据可以直接保存到信息系统中，供人们分析、研究。小贴士信息技术的发展使得人们采集和处理数据的手段不断加强，数据的内涵也逐渐丰富。在计算机发明前及发明初期，“数据”更多的是指数值型数据。随着计算机技术的发展，人们利用计算机处理的数据类型越来越丰富，涵盖了文本、声音、图形、图像、视频等非数值型数据。第一单元 数据与信息52.处理数据，获取信息经过长年观测，这个研究站的工作人员采集了大量鸟类活动的数据。这些数据被多名科学家共享，他们对这些数据进行加工、分析，从而得出各种信息，为各自的科研服务。现在人们越来越多地通过计算机来表示、组织和处理数据，从而可以获取并传播有价值的信息。例如，科学家用计算机汇总 2010 年 10 月到 2012 年 10月的数据后得知，在实验林地共观测到鸟类 44 种、4823 只次。其中，留鸟有 23 种，冬候鸟有 9 种，旅鸟有 8 种，夏候鸟有 4 种。进一步处理这些数据，能得出以下鸟类居留型种数的柱状图（图 1-7）及居留型比例的饼图（图 1-8）。核心概念信息（information）是数据中所包含的意义，是对数据进行加工的结果。把数据有组织、有规律地采集在一起就形成了信息。数据一方面承载着信息，另一方面也产生着信息。这些数据包含着怎样的意义？从中能获取哪些信息？这些信息对人们有什么价值？信息是对数据的解释，具有主观性。对同样的客观数据，不同的人会得到不同的信息。对于一般人而言，或许能从以上数据中得到“该林地鸟类众多”的信息，还可以得到“该林地的留鸟种数比候鸟多”的信息。对于鸟类爱好者来说，或许会得到“该林地是适宜的观鸟地点”这一信息。而科学家获得的信息或许是：该地区鸟类物种多样性高，且繁殖鸟（留鸟和夏候鸟）占总种数约六成，这表明“该林地是鸟类繁衍生息的重要场所”。图 1-7 2010 年 10 月到 2012 年 10 月林地内鸟类居留型种数柱状图参见 P9 知识链接“数据和信息”图 1-8 2010 年 10 月到 2012 年 10 月林地内鸟类居留型