1.1深入認(rèn)識數(shù)據(jù)教學(xué)設(shè)計人教-中圖版高中信息技術(shù)選擇性必修1

第1章走進(jìn)數(shù)據(jù)世界1.1深入認(rèn)識數(shù)據(jù)教學(xué)設(shè)計教學(xué)背景信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達(dá)的信息及其應(yīng)用中的科學(xué)原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)。當(dāng)代高速發(fā)展的信息科技對全球經(jīng)濟(jì)、社會和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務(wù)教育信息科技課程具有基礎(chǔ)性、實踐性和綜合性，為高中階段信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學(xué)精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容選自人教/地圖出版社選擇性必修1數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第1章走進(jìn)數(shù)據(jù)世界1.1深入認(rèn)識數(shù)據(jù)。舉世聞名的都江堰水利工程，為戰(zhàn)國時期蜀郡郡守李冰率領(lǐng)蜀地各族人民修建而成。此后，成都平原水旱從人，不知饑饉，被譽(yù)為“天府之國”。都江堰水利工程的成功在于，李冰經(jīng)過長期觀察和資料積累，充分掌握了地理、地勢、河流及其泥沙等規(guī)律和情況，即對諸多因素產(chǎn)生的“數(shù)據(jù)”進(jìn)行了采集、分析和處理。由此可見，掌握數(shù)據(jù)并有效利用數(shù)據(jù)對形勢進(jìn)行判斷，是能夠做出正確決策的前提條件，這也是適應(yīng)未來社會的必備能力。近年來，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的快速發(fā)展使得全球數(shù)據(jù)量出現(xiàn)爆炸式增長。對數(shù)據(jù)價值的深度挖掘及應(yīng)用，引發(fā)了以數(shù)據(jù)為核心的“大數(shù)據(jù)”時代的深刻變革，數(shù)據(jù)驅(qū)動發(fā)展已成為大勢所趨。黨的十九大報告提出：加快建設(shè)制造強(qiáng)國，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟(jì)深度融合。大數(shù)據(jù)已被視為21世紀(jì)的石油和金礦。數(shù)據(jù)成為最寶貴的生產(chǎn)要素之一，既是商家爭相研究的秘密寶藏，更是提升國家競爭力的關(guān)鍵資源。本章將通過主題學(xué)習(xí)項目“析說身邊數(shù)據(jù)”走進(jìn)數(shù)據(jù)世界，了解數(shù)據(jù)的作用，分析數(shù)據(jù)與社會各領(lǐng)域的關(guān)系，理解數(shù)字、數(shù)值和數(shù)據(jù)的基本含義。通過剖析實例，認(rèn)識數(shù)據(jù)作為新的原材料、生產(chǎn)資料和基礎(chǔ)設(shè)施的價值與意義，更深入地體會大數(shù)據(jù)對國家、社會和個人的影響。學(xué)情分析此節(jié)課針對的對象是高二年級的學(xué)生。學(xué)生學(xué)習(xí)過信息技術(shù)基礎(chǔ)知識，對計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)有基本了解:已經(jīng)學(xué)習(xí)了Python語言的基本概念，并掌握了基本的結(jié)構(gòu)和算法;對現(xiàn)代生活中的信息系統(tǒng)有所觀察和積累。本章圍繞主題“析說身邊數(shù)據(jù)”開展項目學(xué)習(xí)，從比較感興趣的身邊事例入手，自擬主題，并結(jié)合主題有目的地收集、整理和分析數(shù)據(jù)，認(rèn)識數(shù)據(jù)的價值與意義，感受數(shù)據(jù)對生活的影響，并以多媒體作品的方式進(jìn)行班內(nèi)交流。教學(xué)目標(biāo)1.理解數(shù)據(jù)的概念，能夠分析數(shù)據(jù)與社會各領(lǐng)域的重要關(guān)系。2.了解數(shù)據(jù)安全的重要性，能夠自覺遵守信息社會的倫理道德和法律法規(guī)。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn):理解數(shù)據(jù)的概念，能夠分析數(shù)據(jù)與社會各領(lǐng)域的重要關(guān)系教學(xué)難點(diǎn):了解數(shù)據(jù)安全的重要性，能夠自覺遵守信息社會的倫理道德和法律法規(guī)教學(xué)方法與教學(xué)手段案例分析法、講授法、任務(wù)驅(qū)動法。教學(xué)過程問題導(dǎo)入體驗探索體驗共享數(shù)據(jù)如今，人們的出行經(jīng)常需要使用導(dǎo)航定位服務(wù)，共享位置服務(wù)在獲取用戶實時位置信息的基礎(chǔ)上，利用移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的實時傳輸和優(yōu)化顯示，為人們的出行帶來更多的便利。小明和小華約定分別從各自位置出發(fā)去參觀某新建的博物館，但是小明對路線并不熟悉，于是，他和小華利用共享位置服務(wù)，如圖1.1.1（參見教材P3）所示，最終順利到達(dá)目的地。小明和小華在共享位置的過程中，既獲取了數(shù)據(jù)，同時也產(chǎn)生了數(shù)據(jù)。思考：1.共享位置服務(wù)是如何獲取小明和小華的位置數(shù)據(jù)信息的？2.數(shù)據(jù)在共享服務(wù)中的作用是什么？數(shù)據(jù)如果有人問“珠穆朗瑪峰有多高？”若回答“很高”“非常高”“最高”，則只能得到一個模糊的答案，因為每個人對“很”“非?！庇胁煌睦斫?，“最”也是相對的；若回答“海拔高度8844.43m”，就可以通過數(shù)據(jù)比較，確認(rèn)珠穆朗瑪峰是世界最高峰。此處的數(shù)據(jù)起到了對事物進(jìn)行量化、精確化的作用。數(shù)據(jù)可以用于描述事物以及人類的生產(chǎn)活動，特別是以交換為目的的商品生產(chǎn)活動，如貨幣、度量衡等都離不開數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)不僅可以描述世界，其廣泛應(yīng)用還極大地推動了人類文明的進(jìn)步。思考活動竺可楨與氣象數(shù)據(jù)研究竺可楨（1890—1974），中國氣象學(xué)家、地理學(xué)家、科學(xué)史家和教育家，也是中國近代地理學(xué)和氣象學(xué)的奠基者（圖1.1.2）（參見教材P4）。竺可楨在歷史氣候變遷領(lǐng)域的研究蜚聲國際。他重視物候和天氣的觀察記錄。自留學(xué)回國的第二天至1974年逝世的前一天，他堅持每天觀察并記錄物候和天氣，同時廣泛收集歷史物候資料，曾在國內(nèi)建立了擁有四十多個氣象站和一百多個雨量測量站的中國氣象觀測網(wǎng)?；谶@些數(shù)據(jù)資料，竺可楨著有《東南季風(fēng)與中國之雨量》《中國近五千年來氣候變遷的初步研究》等學(xué)術(shù)論著，為建立和發(fā)展中國現(xiàn)代氣象事業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。思考：1.氣候研究需要哪些氣象數(shù)據(jù)？2.如果要研究當(dāng)?shù)氐臍夂颍銜檬裁捶绞绞占瘮?shù)據(jù)？3.竺可楨五十余年如一日記錄數(shù)據(jù)的行為對我們有什么啟發(fā)？數(shù)字與數(shù)值在印度有一個古老的傳說：有個國王打算獎賞他的宰相。國王問他的宰相想要什么，宰相回答說：“陛下，請您在這張棋盤（圖1.1.3）（參見教材P5）的第1個小格里，賞給我1粒麥子，在第2個小格放2粒，在第3個小格放4粒，以后每一個小格都比前一個小格多放一倍的麥粒。請您像這樣擺滿棋盤上所有64個小格，然后把這些麥粒都賞給您的仆人吧！”國王覺得這要求太容易滿足了，就下令給他這些麥粒。很快，國王就發(fā)現(xiàn)：就是把全印度的麥子都拿來，也滿足不了這位宰相的要求。那么，宰相要求得到的麥粒到底有多少呢？假設(shè)麥粒數(shù)為s，根據(jù)已學(xué)習(xí)過的數(shù)學(xué)知識，可以得到這樣一個公式：利用Python語言中的循環(huán)結(jié)構(gòu)可以解決這個數(shù)學(xué)問題，程序如下：程序運(yùn)行結(jié)果：可以看出，大約需要1.8446744073709552×1019粒麥子。每千克麥子按3萬粒計算，國王應(yīng)該賞賜宰相多少千克麥子呢？數(shù)字是用來記數(shù)的符號，如數(shù)字0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。數(shù)值則是把數(shù)字寫在不同的數(shù)位上，用來表示一個量的多少。很多情況下，要在數(shù)值尾部加上單位，才能表示具體的含義。例如，身高175cm、汽油40L等。數(shù)據(jù)及其應(yīng)用計算機(jī)問世前，數(shù)據(jù)多指用于統(tǒng)計的數(shù)字或數(shù)值。計算機(jī)問世初期，數(shù)據(jù)主要用于數(shù)值計算，如科學(xué)計算等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)逐步應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理，如工資、庫存管理等。從此，信息技術(shù)有了數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理的差別。隨著計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的普及與發(fā)展，計算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)類型更加豐富，現(xiàn)代意義的“數(shù)據(jù)”已不再局限于數(shù)字或數(shù)值，而是有了更多的內(nèi)涵和更廣的外延，字符、數(shù)字和各種數(shù)學(xué)符號、圖形、圖像、音頻、視頻和動畫等可識別的記號或符號都稱為數(shù)據(jù)。由此可見，數(shù)據(jù)是對客觀事物的符號化表示。在計算機(jī)科學(xué)中，數(shù)據(jù)是所有能輸入到計算機(jī)中并被計算機(jī)程序處理的符號的總稱。現(xiàn)實社會中，人們的生活、工作和學(xué)習(xí)等各方面都蘊(yùn)藏著數(shù)據(jù)。例如，購物時掃描的二維碼；工廠中產(chǎn)品質(zhì)量管控的數(shù)據(jù)記錄；體育賽事的視頻資料及各項成績；健康檢查時心、肺、血液等各項指標(biāo)；智能電子設(shè)備記錄的健康指標(biāo)等?？梢哉f，數(shù)據(jù)及其應(yīng)用已融入我們的生活，成為我們生活的一部分，并隨時隨地伴隨和影響著我們。大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)指在社會生產(chǎn)、生活和管理服務(wù)過程中形成的，依托現(xiàn)代信息技術(shù)采集、傳輸并匯總的，超過傳統(tǒng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理能力的數(shù)據(jù)。通常而言，大數(shù)據(jù)具有巨量性、多樣性、迅變性和價值性的特征，通過整合共享、交叉復(fù)用、提取分析可獲取新的數(shù)據(jù)，創(chuàng)造新的價值。思考活動數(shù)據(jù)解讀生活在互聯(lián)網(wǎng)上常有一些網(wǎng)站以海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對社會某個領(lǐng)域或熱門話題進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并以可視化的形式呈現(xiàn)給用戶。例如，圖1.1.4（參見教材P6）是某網(wǎng)站開展的全民健身調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果之一，圖中數(shù)據(jù)簡潔明了地展示了人們喜歡健身的主要原因。思考：利用互聯(lián)網(wǎng)查找類似的網(wǎng)站，看看它們關(guān)注了哪些社會領(lǐng)域，又是如何用數(shù)據(jù)解讀生活的？生活中的大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的區(qū)別主要有：規(guī)模不同，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)以MB（1MB=1024KB）為基本單位，大數(shù)據(jù)常以GB（1GB=1024MB）甚至是TB（1TB=1024GB）、PB（1PB=1024TB）為基本處理單位；數(shù)據(jù)類型不同，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)指結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)（如二維表中的數(shù)據(jù)），大數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如文檔、圖像、視頻等）和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；采集方法不同，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)多來源于抽樣數(shù)據(jù)，可通過調(diào)查、訪談等方式獲取，大數(shù)據(jù)采集多依靠電子設(shè)備自動獲取，如街頭的攝像頭采集視頻資料；處理方法不同，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理會涉及排序、統(tǒng)計等操作，大數(shù)據(jù)會涉及預(yù)處理、分析與挖掘技術(shù)等，如對圖像和視頻進(jìn)行編輯操作；處理工具不同，處理傳統(tǒng)數(shù)據(jù)僅使用一種或少數(shù)幾種工具即可，處理大數(shù)據(jù)則需要使用多種不同處理工具共同應(yīng)對。如今，智能設(shè)備已成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠郑鼈兠繒r每刻都在創(chuàng)造著數(shù)據(jù)。例如，智能系統(tǒng)可以記錄人們每次點(diǎn)擊屏幕或鼠標(biāo)的操作軌跡；搜索引擎會記錄人們的歷史搜索關(guān)鍵字；智能可以記錄人們的位置和速度；智能家居設(shè)施能記錄人們的生活習(xí)慣；購物平臺能記錄人們的購物歷史......同時，各種各樣的傳感器隨時測量和傳遞著有關(guān)對象的位置、運(yùn)動、震動、空氣溫度、濕度乃至化學(xué)物質(zhì)含量變化的數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)。此外，互聯(lián)網(wǎng)更是一個廣袤的數(shù)據(jù)海洋，它既有百科全書、電影、音樂等各種專業(yè)數(shù)據(jù)庫，也有權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的門類廣泛的統(tǒng)計數(shù)據(jù)......各種數(shù)據(jù)像涓涓細(xì)流，匯聚到一起，構(gòu)成大數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)已經(jīng)不僅是計算工具所處理的對象或信息的載體，它也成為人們獲得信息、推動信息社會發(fā)展的一項動力。閱讀拓展大數(shù)據(jù)與無人駕駛汽車無人駕駛汽車（圖1.1.5）（參見教材P7）是大數(shù)據(jù)的典型應(yīng)用，它主要依靠車內(nèi)以計算機(jī)系統(tǒng)為主的智能駕駛儀來實現(xiàn)無人駕駛的目標(biāo)。與普通汽車不同的是，無人駕駛汽車需要借助全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等）來規(guī)劃路徑，以及激光雷達(dá)、攝像頭、紅外相機(jī)和一系列傳感器等感應(yīng)設(shè)備。通過這些設(shè)備，無人駕駛汽車不斷地收集地理位置、路面情況、與前后車輛的精確距離、車流移動速度、道路兩旁出現(xiàn)的交通標(biāo)志和前方交通信號等數(shù)據(jù)。然后與系統(tǒng)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析，快速識別車輛的方位和周邊環(huán)境。根據(jù)分析結(jié)果，系統(tǒng)在極短時間內(nèi)判斷出是否需要加速、減速、換道或拐彎等，并執(zhí)行相應(yīng)動作。數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展使數(shù)據(jù)的獲取、傳輸和共享更加便利，同時，數(shù)據(jù)隱私問題也越來越暴露在公眾面前。2018年，國外某社交網(wǎng)站約5000萬名用戶數(shù)據(jù)遭到泄露，引發(fā)了人們對數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)的關(guān)注。事實上，人們在互聯(lián)網(wǎng)上的各種行為都留有痕跡，例如在線學(xué)習(xí)、網(wǎng)上購物和網(wǎng)絡(luò)社交等。因此，數(shù)據(jù)分析和處理的過程中，對用戶數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)十分重要。數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)并非人們認(rèn)為的那樣僅是技術(shù)問題，它更是社會問題，需要社會各界共同解決。對于國家而言，數(shù)據(jù)安全關(guān)乎國家安全，不容忽視。2017年6月1日，《中華人民共和國網(wǎng)絡(luò)安全法》正式施行。它不僅是打擊計算機(jī)犯罪的法律依據(jù)，更是保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)、數(shù)據(jù)安全、商業(yè)機(jī)密及個人隱私的有效武器。實踐活動移動應(yīng)用與數(shù)據(jù)安全在教師的指導(dǎo)下，從中選擇一款自己經(jīng)常使用的應(yīng)用程序，分析此程序記錄了哪些隱私數(shù)據(jù)，是否存在安全隱患，應(yīng)該如何保護(hù)個人的隱私？項目實施制訂項目方案，獲取數(shù)據(jù)一、項目活動依據(jù)項目目標(biāo)從項目分工、項目內(nèi)容、項目過程和項目檢查等方面制訂項目方案。參考表1.1.1的樣式，繪制并填寫相關(guān)表格，記錄項目實施過程。表1.1.1項目信息表項目主題人員及分工進(jìn)度1時間：進(jìn)度2時間：備注1.圍繞項目主題，分小組討論該主題涉及哪些大數(shù)據(jù)。項目主題可參考：大數(shù)據(jù)與體育；大數(shù)據(jù)與智慧城市；基于大數(shù)據(jù)研究個人職業(yè)規(guī)劃......從某學(xué)科角度出發(fā)，研究數(shù)據(jù)在其中的意義等。2.小組成員分工，收集并整理相關(guān)資料、制作排版和處理圖像等。3.根據(jù)小組項目主題，選擇合適的方法，有針對性地采集數(shù)據(jù)資料。在采用這些數(shù)據(jù)之前，需對數(shù)據(jù)的來源盡可能地進(jìn)行多方查證，然后分門別類地整理、存檔。二、項目檢查各小組以思維導(dǎo)圖的形式繪制完成本項目主題所需的方案，例如，項目涉及的若干分支，以及其中明確的分工和任務(wù)，并備份整理后的數(shù)據(jù)資料。課后作業(yè)練習(xí)提升