《音频信号数字化》教学案例
《音频信号数字化》教学案例
作者：范跃群
来源：《中国信息技术教育》2016年第01期
教学内容分析
《音频信号数字化》是浙江教育出版社出版的《多媒体技术应用》第三章第四节“声音素材”的第1课。
本节知识涉及声音数字化的基本概念、声音素材的获取和使用、声音文件的格式转换等内容。
本课要求学生学习音频信号数字化的基本概念，让学生在理解采样频率、量化位数、声道数等概念的基础上，掌握WAVE格式音频文件所占存储容量的计算方法。
学习对象分析
本课的授课对象是浙江省长兴县金陵高级中学高二的学生。
学生来自实验班，目前已学习了“信息技术基础”模块的“算法与程序设计”的部分内容，具备一定的观察、分析和动手实践能力。
但对“多媒体技术应用”的相关知识大部分学生知之甚少，对计算机中的二进制、数字化等内容认知度较低。
因此，在本课教学时，多数学生缺少“音频信号数字化”学习的前导知识，而如何让学生理解数字化过程中“量化”与“量化位数”的概念，则是本课的一个挑战。
教学目标
知识与技能目标：理解音频信号数字化的基本概念；掌握WAVE音频文件存储容量的计算方法。
过程与方法目标：体验声音数字化的过程，发现数字音频参数与文件存储容量的关系，培
养发现问题、分析问题、总结问题的探究式学习方法。
情感态度与价值观目标：借助认知经验和探究能力的体验式任务，进行“观察→发现→总结”，培养递进式的探索发现意识；通过数字化过程的体验和探究，激发探索信息数字化的兴趣。
教学重点、难点
重点：掌握WAVE音频文件存储容量的计算方法。
难点：采样频率和量化位数的理解。
设计思路
本课的内容贴近学生的生活，容易引起他们的学习兴趣，调动其课堂参与度，但在数字化概念欠缺、前导知识不足的情况下，如何深入浅出地引导学生理解相关概念是本课实施的重心。
基于以上分析，教学中我采用“以学生实验探究为主，教师讲解引导为辅，用‘倒序’的方式引导学生进行探究式学习”的思路进行教学设计。
教学过程
1.课题导入
教师让学生观察耳机（计算机教室中不常配备耳机），并与电脑连接；探究认识耳机上按钮的功能。
学生尝试操作，并交流相关按钮的功能。
教师概括本课的学习方法：观察、实践、交流。
（板书）
师：今天我们学习的知识将和耳机有关，这就是《多媒体技术应用》第三章第四节声音素材中的内容。
（PPT投影章节名称，并板书课题——音频信号数字化）
设计意图：开门见山，引出本课时的学习方式，提出课题。
2.实验探究
任务1：记录（老师给大家发了4个音频文件，如图1，同学们可以对它们进行试听和观察，并将结果记录在任务单中）。
学生试听音频文件的音质，观察音频文件的容量，记录数据。
教师巡查，观察学生的记录情况，根据任务的完成度，用问题引导课堂。
问题1：4个文件的容量怎样？（大小不一）
问题2：4个文件中音质最好的是哪个？最差的是哪个？（有1个明显差，音质好的较难分辨）
问题3：猜想一下，这几个音质究竟是怎样的关系？（根据容量来作出判断）
学生根据记录结果，回答问题。
师：造成这种区别的原因是什么呢？下面我们通过一款音频编辑软件Audition，来对它们进行观察和对比，找找原因在哪。
教师演示Audition软件，并让学生观察音频的状态参数。
设计意图：观察已有结果，引导学生发现问题。
其中，问题2中关于哪个音质最好的不同回答将为下一任务的展开埋下伏笔，从而引导学生选择1个音频文件作为参照，用比较的方式来辨别。
任务2：比较（学生记录、比较数据，观察，分析，得出初步结论）。
教师在学生每次比较时巡查引导，及时掌握其完成度，设置探究问题，引导学生归纳探究结果。
①比较文件1和文件2。
初步得出结论：采样频率影响了文件容量。
探究1：采样频率是什么？
教师演示Audition，让学生观察单位时间内的采样点。
学生对比文件1和文件2单位时间内采样点的数量，并归纳：单位时间内采样点的数量越多，波形越光滑（音质越好），需要存储的点越多（容量越大）。
师生共同得出结论1：采样频率越高，容量越大、音质越好。
（板书）
②比较文件1和文件3。
初步得出结论：量化位数影响了文件容量。
探究2：量化位数是什么？
教师演示Audition中量化等级的变化，学生观察、交流后对量化等级进行归纳：量化区间等级划分越细，采样点描述得越精确，音质越好，容量越大。
师：量化等级和量化位数两者有什么关系？
教师讲解n位和2n的对应关系，初步建立数字化存储的印象，师生共同得出结论2：量化位数越大，容量越大、音质越好。
（板书）
③比较文件1和文件4。
学生自主比较，观察声道数，归纳声道数对音质和容量的影响，得出结论3：声道数越多，容量越大、音质越好。
（板书）
设计意图：对发现的问题寻因，激发学生进一步探究的兴趣，并在对比和交流中突破难点，培养学生发现问题、分析问题的能力。
3.阶段发现
任务3：结果（结合任务单和板书，汇总、分析实验探究的结论，观察影响声音音质和大小的参数，并得出它们的关系——正比例关系）。
教师在板书上用“×”连接三者，并提出问题。
问题4：对于声音容量而言，除这三个参数外，还有哪个参数会影响其大小呢？
学生回答问题。
（时间）
教师板书声音容量大小的计算公式，学生学习音频文件存储容量的计算方法。
设计意图：整理、归纳分析结论，探究其本质原因，突出重点。
4.应用体验
任务4：应用（按要求录制一段声音，PPT展示要求，如图2）。
教师演示麦克风的检查方法和录音的基本操作。
学生录制一段音频，试听录制效果，体验音频数字化的过程。
教师巡查并解决录音过程中出现的问题，掌握任务完成度，提醒学生观察、记录录音参数，并根据参数计算音频文件容量。
同时，根据学生录音过程中发现新问题的情况和课堂剩余时间，设置探究问题，延伸知识。
探究3：录音音量大小对音频文件容量有影响吗？
探究4：计算得到的理论大小和存储时的实际大小为什么会有区别？
设计意图：通过录音体验，对音频数字化过程进行溯源，验证实验探究所得知识，建立理论与实践的对接。
5.分析总结
任务5：小结（师生回顾音频数字化录音的过程，分析音频数字化过程，小结本课学习内容，教师布置课后巩固练习，如图3）。
设计意图：回顾、总结、梳理知识要点；实现知识的巩固和提升。
教学反思
本节课的亮点主要有三个：第一，教学主线的设计脉络清晰，以发现、寻因、究底、溯源和巩固为主线有效地串联课堂各环节，充分体现出生本、生态的特点。
课堂具有较强的迁移性，内容安排便于后续课时的教学。
第二，课堂任务的设计有意义、有梯度，既符合学生的认知规律，又体现了知识的内在规律。
第三，课堂任务完成度极高，圆满完成了教学任务。
本节课的不足之处主要是在教学互动时略有欠缺。
在课前，我未考虑特定环境对师生的影响，造成课前时间的过多消耗，进而影响了课堂上的学习氛围；课堂上个别知识点（如采样频率）的讲解稍显繁琐，不敢放手，错失了发掘学生自主学习的机会。
比赛课源于自身教学的日积月累，精雕细琢，但在教学内容之外，我又不得不重提两个词，那就是预设和心态。
好的课堂有充足的预设，也伴随着生成，但由于学科特性，又往往会有意外产生，如课堂中教学软件的安装故障等。
面对这些意外以及比赛的压力，我们是否有足够强大的内心来容纳和解决呢？
附录：《音频信号数字化》学习任务单
1.记录
试听、观察以下的4个音频文件，并完成下表。
2.比较
通过音频编辑软件Audition打开音频文件，观察状态栏参数，完成以下表格。
（1）文件1和文件2的比较。
结论1：_________________________。
（2）文件1和文件3的比较。
结论2：______________________________。
（3）文件1和文件4的比较。
结论3：_________________________。
3.结果
WAVE格式音频文件的存储容量=______________________________。
4.应用
按要求录制一段音频，根据参数计算该音频文件的存储容量，并通过音频编辑软件观察该音频文件的存储容量，完成下表。
5.小结
声音录制过程分析。
点评
本课由“猜测”和“验证”贯穿始终，用别具一格的探究学习，充分发挥了学生的主体性。
“猜测”体现在让学生通过试听、观察的方法，进行三个音频文件音质和容量的比较，并大胆“猜测”影响声音数字化容量的参数、关系及计算公式，其中教师借助Audition软件的形象化，引导学生观察单位时间内采样点和量化等级，很好地突破了对“采样频率”和“量化位数”这两个抽象概念的理解；“验证”体现在学生通过“自我录音”“计算容量”“比对容量大小”这一过程，来验证公式的准确性。
因此，无论哪个环节，学生都是在教师引导下，动手实践，在实践中发现问题、分析问题，并通过独立思考、讨论交流等方式解决问题，获得知识，体验整个学习过程。
由于是借班上课，教师对教学环境和学生不是特别熟悉，上课时没有快速找到音频编辑软件的快捷方式，这一点以及教师在引导学生观察“采样点”和“量化等级”时，都浪费了一些宝贵的时间。
初中信息技术：第2课 音频数据导学案
七下导学案编号：202302 学科：信息主备人：使用时间：2023年2月21 日审核人：
课题：第2课音频数据
【学习目标】
知识目标：了解声音的采样、量化、编码及存储的概念，认识各种音频文件。
技能目标：理解音频数字化；学会计算音频文件的大小。
情感目标：通过学习音频数字化，体验学习计算机的乐趣。
【学习重难点】
重点：理解音频数字化；学会计算音频文件的大小。
难点：理解音频数字化。
【助学资料】
微课、拓展课件
【基础知识】
1.声音数字化
2.音频数据量
3.编码
4.压缩课堂任务：
一、声音数字化
1.声音数字化的过程有、和。
2.采样频率是指，以为单位。
3.量化位数是指的样本精度，是每个采样点上可用数据表示的。
二、音频数据量
1.数字音频的质量与和有关。
2.依据不同的方式，分成不同的音频文件类型。
三、音频数据编码与压缩
1.使用2
2.05kHz的采样颇率对模拟音烦信号采样，采样点的量化位数为8，录制了6秒钟的双声道声音，获得的声音文件的字节数是多少？（在下方写出计算过程）
2.音频压缩的常见工具有、、等。
拓展任务：
学习拓展课件。
声音信号的数字化
精品பைடு நூலகம்档
(2). 影响(yǐngxiǎng)数字音频质量的技术参数
对模拟音频信号进行采样量化编码后，得
到数字音频。数字音频的质量(zhìliàng)取决于采样频率、 量化位数和声道数三个因素。 1). 采样(cǎi 频率 yànɡ)
精品文档
数字信号
• 在时间和幅度上都是离散的信号(xìnhào) 称为数字信号(xìnhào)。
精品文档
2．数字音频
• 声波是随时间而连续变化的物理量，通 过 能量转换装置，可用随声波变化而改变 的电压或电流信号来模拟。以模拟电压 的幅度来表示(biǎoshì)声音的强弱。 为使计算机能处理音频，必须对声音信 号数字化。
左图为采样率2000hz量化等级为20的采样量化过程右图为采样率4000hz量化等级为40的采样量化过程当采样率和量化等级提高一倍从图中可以看出当用da转换器重构原来信号时图中的轮廓线信号的失真明显减少信号质量得到了提高
声音 信号的数字 (shēngyīn) 化
精品文档
1、模拟信号
• 在时间和幅度上都是连续(liánxù)的信号称 为模拟信号。
精品文档
点样值的二进制位数。例如，8位量化位数表示每 个采样值可以用28即256个不同的量化值之一来表 示，而16位量化位数表示每个采样值可以用216即
65536个不同的量化值之一来表示。常用的量化位
数为8位、12位、16位。
3). 声道数
声音通道的个数称为声道数，是指一次采 样所记录产生的声音波形个数。记录声音时，如
高中信息技术《数字化音频的采集与简单加工》优质教学课件设计
探究任务三
用 cooledit 软件制作配乐诗朗诵
M ID I
流行的时 尚 作曲家最 爱 天籁之 音 功能强 大 无损的 音乐
2. 数字化音频的
采集
三种采集
① 电脑和网方式络资源
例如：网上下载、从视频中截取
② 模拟设备导入 例如：从磁带转录到电脑中
③ 现场录制 例如：用麦克风录制
3 . 录制数字化音频
• 请准备硬件：声卡、麦克风、扬声器 ( 音箱 或耳机 )
it 软件进行现场录音 • 真正考验动手能力的时刻到了 • 让我们一起揭开 Cooledit 的神秘面纱 • 准备好了吗？
4 . 实践－数字化音频的加工
探究任务二：
用 cooledit 软件对原始录音进行加工 1 、去除多余波形 2 、添加回声、淡入淡出效果
1. 认识数字化 音频• 数字音频的优势
储存介质
储存方式
容量
模拟音频， 60 分钟 以磁信号储 存
储存 , 加工 , 传递 寿命
困难
用久了音质 会失真
数字音频， 1G 的 U盘可 方便
以文件形式 存 1000 分钟
储存
的 MP3
音质永远不 变
U盘
常见的音频文件格式
CD 格 式 WAV
MP3
WMA
Mic 接麦克风
扬麦声克器风
S pea ke
接r耳音机箱或声声卡 卡
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3 . 录制数字化音频
• 请准备软件： Windows 录音机、 CoolEdit
简单的录音操作可用 Windows 录音机。
要进行 2 个声部以上的合成，用 专业的多轨录音软件 C o o l E d i t ，它的编辑、合成功能非常强大。
《数字音频初认识》 学历案
《数字音频初认识》学历案在当今的信息时代，数字音频已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
从我们日常聆听的音乐，到影视作品中的音效，再到各种语音通信，数字音频无处不在。
那么，究竟什么是数字音频？它是如何工作的？又有哪些特点和应用呢？让我们一起来初步认识一下数字音频。
一、数字音频的定义数字音频是指将声音信号通过采样、量化和编码等过程，转换为数字形式进行存储、传输和处理的音频技术。
简单来说，就是把我们听到的连续的声音信号变成一系列离散的数字信号。
二、数字音频的工作原理1、采样采样是数字音频处理的第一步。
它就像是在一段时间内对声音进行多次“拍照”，把声音的瞬间状态记录下来。
采样频率越高，所记录的声音细节就越丰富，但同时数据量也会越大。
2、量化量化是将采样得到的声音幅度值进行离散化处理。
它将声音的幅度范围划分成若干个等级，每个采样点的幅度值就用这些等级中的一个来表示。
量化精度越高，声音的还原度就越好，但同样会增加数据量。
3、编码编码是将量化后的数字信号按照一定的格式进行编码，以便于存储和传输。
常见的编码格式有 MP3、WAV、FLAC 等。
三、数字音频的特点1、精确性数字音频可以精确地重现声音，避免了模拟音频中常见的失真和噪声。
2、可编辑性由于数字音频是以数字形式存在的，我们可以使用计算机软件对其进行各种编辑操作，如剪辑、混音、特效处理等。
3、易于存储和传输数字音频文件占用的存储空间相对较小，并且可以通过网络快速传输，方便了音频的分享和传播。
4、高保真度在合适的采样频率和量化精度下，数字音频能够提供非常高的保真度，接近原始声音的质量。
四、数字音频的应用1、音乐制作音乐创作者们可以使用数字音频技术来录制、编辑和制作音乐作品。
从专业的录音棚到个人的音乐工作室，数字音频工具都发挥着重要作用。
2、影视音效在电影、电视剧和动画中，数字音频为观众带来了逼真的音效体验，增强了作品的感染力和吸引力。
3、语音通信如电话、网络语音聊天等，数字音频技术确保了清晰流畅的语音传输。
第三章音频信号及数字化
采样频率fs必须高于被采样信号所含最高频率的两倍。
该定理指出：当对连续变化的信号波形进行采样时，若
采样频率fs高于该信号所含最高频率的两倍，那么可以由采
样值通过插补技术正确地恢复原信号的波形，否则将会引 起频谱混叠（Aliasing）产生混叠噪声（Aliasing Noise）, 而重叠的部分是不能恢复。这一定理不仅适用于模拟音频 信号，也同样适用于模拟视频信号的采样。
2020/3/2
第3章 音视频信号及数字化
3.1 音频信号及数字化
3.1.6 采样定理及音频采样频率标准
如fs低于信号中最高频率的两倍，将出现频谱混叠，
原信号的频谱与下边带无法分开，破坏了原信号的频谱， 原信号将无法恢复。
2020/3/2
亨利.奈奎斯特(Harry Nyquist)采样定理:当对连续变化的信号 波形采样时,若采样频率fs高于该信号所含最高频率的2倍,那么 可以由采样值通过插补技术正确地恢复原信号的波形; 44.1kHz作为CD级音频信号的采样频率;
2020/3/2
8．动态范围 是某个声音的最强音与最弱音的强度差，用分
贝表示。它是衡量声音强度变化的重要参数。
2020/3/2
第3章 音视频信号及数字化
3.1 音频信号及数字化
3.1.1 音频信号及其心理特征 9．音频信号在时域和频域中的表现形式 在时域空间中表现为幅值随时间连续变化的曲线， 在频域中则是将音频信号经傅里叶（Fourier）变换后 在频率空间的分立或连续的谱线。
2020/3/2
第3章 音视频信号及数字化
3.1 音频信号及数字化
3.1.3 为什么要数字化 3. 与计算机的兼容性 多媒体是以计算机控制为基础的，而计算机处理、存 储的都是数字信息，即“0”、 “1”信号，所以在多媒 体中的音频、视频信号必须是数字信号。
第三章+音频信号的数字化及特征分析
3.2 音频信号的时域分析
1. 2. 3.
短时能量分析 短时平均过零率 短时自相关函数和短时平均幅度差函数
3.2.1
短时能量分析
短时能量计算说明
3.2.1
短时能量分析
短时平均能量方框图
3.2.1
短时能量分析
短时能量的主要用途
可以区分清音段和浊音段。 可以区分清音段和浊音段。 浊音的En比清音 大得多 浊音的 比清音En大得多 比清音 可以区分声母和韵母的分界，无声和有声的分界， 可以区分声母和韵母的分界，无声和有声的分界，连 字的分界。 字的分界。 可以用于语音识别
语音技术及其应用
第三章 音频信号的数字化及特征分析
洪青阳 副教授 厦门大学信息学院 Email: qyhong@
本章内容
1. 2. 3. 4. 5.
音频信号的数字化 音频信号的时域分析 音频信号的频域分析 音频信号的时频域分析 音频信号的倒谱分析
3.1 音频信号的数字化
1. 2.
X n (e
jwk
)=
m =−∞
∑
∞
x(m) w(n − m)e− jwk m
0 ≤ k ≤ N −1
3.3.1
傅里叶变换
在短时傅里叶变换的基础上，可以得到短时功率 谱。短时功率谱实际上是短时傅里叶变换幅度的 平方，不难证明，它是信号x(n)的短时自相关函 数的傅里叶变换，即
Pn (e jw ) =| X n (e jw ) |2 =
若两个信号波形完全不同，则互相关函数为零； 若两个信号波形完全不同，则互相关函数为零； 若两个信号波形相同，则在超前、滞后处出现峰值。 若两个信号波形相同，则在超前、滞后处出现峰值。
自相关函数用于研究信号本身。 自相关函数用于研究信号本身。
教案：声音的数字化
教案：声音的数字化
信息的数字化——声波的数字化
一、教学目标：
1、知识与技能
了解声波的数字化原理；
掌握声音存储容量大小的计算；
2、过程与方法
通过自主研究理解声音的数字化过程；
通过实践加深对声音数字化过程的理解以及容量大小的计算。
3、情感、态度与价值观
建立对信息数字化的亲切感、趣味感，由此进一步去了解声音的数字化。
二、教学重点与难点：
重点：声音数字化原理；
难点：声音文件大小的计算。
三、教学资源：
多媒体电脑、大屏幕电子白板、多媒体课件
四、教学过程：
教学步骤
复知识回顾
教师活动
思考。
教案：声音的数字化
教案：声音的数字化把文章中明显有问题的段落删除
信息的数字化——声波的数字化
教学目标：
1.了解声波的数字化原理；
2.掌握声音存储容量大小的计算；
教学重点与难点：
重点：声音数字化原理；
难点：声音文件大小的计算。
教学过程：
步骤一：复知识回顾
1.让学生阅读书上第13页“声波的数字化”相关内容，讨论并说出声音数字化的过程；
2.讲解重点：采样、量化；
3.提问：根据声音的数字化原理，你认为影响声音文件音质的因素有哪些？点评：影响音质的因素：采样频率；位深（量化所用位数）。
步骤二：研究新知识
1.学生自主研究，思考并回答问题；
2.讨论归纳声音存储容量的计算公式；
3.实践使用GoldWave软件，观察采样频率等相关数据并计算容量。
步骤三：小结本课内容
声波数字化过程，采样与量化；声音存储容量的计算。
教学反思：
对于比较简单的实验操作，可以让学生来进行演示，教学效果更好。
对于较难的声音数字化原理，通过图示、实验等方法进行教学，更直观形象，帮助学生理解其采样与量化的实质。