浙教版(2019年)信息技术必修一《数据与计算》知识要点
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1、 必修一数据与计算知识要点必修一数据与计算知识要点 一、数据与信息一、数据与信息 (一)数据与信息概述(一)数据与信息概述 本单元以“数据”为主线,通过感知、体验生活中具体数据的应用,辨析数据、信息、知识的概念及相互关系,由数据的采集、存储与处理了解数字化的概念,进而理解二进制、数制转换以及字符、图像、声音和视频等数据编码的原理,理解数据管理和数据保护的基本方法,了解大数据的概念、特征以及对人类思维方式的影响等大数据相关知识。内容结构如下: (二)数据与信息(二)数据与信息 1. 数据的概念 数据是对客观事物的符号表示数据是对客观事物的符号表示,如图形符号、数字、字母等。在计算机科学中,数据是
2、指所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号总称,是用于输入到计算机中进行处理 ,具有一定意义的数字、字母、符号和模拟量等的通称。其表现形式可以是文字、图形、图像其表现形式可以是文字、图形、图像 、音频、视频等、音频、视频等。数据已经成为生活的一部分,对人们的生活方式产生了影响,为人类的重大决策提供依据。 2. 信息的概念、特征 信息还未有统一的定义,不同的领域往往有自己的定义,但所指向的都是同一含义,并能被人们感受及利用。信息具有各种特征,如载体依附性、时效性、传递共享性、真伪性及可加工处理性等信息具有各种特征,如载体依附性、时效性、传递共享性、真伪性及可加工处理性等,信息往往蕴含价值,同
3、一信息对于不同的人而言,价值可能不同。 3. 数据、信息与知识的关系 单纯的数据往往没有意义。数据经过储存单纯的数据往往没有意义。数据经过储存、分析及解释后所产生的意义,就是信息、分析及解释后所产生的意义,就是信息,信息通常是在某一特定情境脉络下的具体呈现。人们通过归纳、演绎、比较等手段对信息进行挖掘,将万千信息中有价值的人们通过归纳、演绎、比较等手段对信息进行挖掘,将万千信息中有价值的部分沉淀下来,与已存在的人类知识体系相结合,形成知识部分沉淀下来,与已存在的人类知识体系相结合,形成知识。知识的获得,是人利用自身已有的知识对信息进行加工,进而将新的信息纳入自己的知识结构的过程。这不仅仅是对信
4、息的积累,还是对信息进行分析、判断、确认、归纳、演绎或比较等一系列的认知过程。 (三)数据采集与编码(三)数据采集与编码 1. 数据采集 数据可以通过人工方式采集,这种采集方法往往受到数量、地 域 、时间等限制。目前,人们在生活、工作中主要借助传感器、互联网等来采集数据。 2. 数字化 信息可用模拟信号或数字信号表达,模拟信号与数字信号可以相互转换。将模拟信号转换为可用计算将模拟信号转换为可用计算机处理的数字信号的过程,称作数字化机处理的数字信号的过程,称作数字化,一般需要经过采样采样、量化量化与编码编码三个环节。 3. 数制及数制转换 任何进制数都可以用基数与权值来表示,对于 k 进制数,其
5、计数规则为“逢 k 进一”。常见的数制有二进制、八进制、十进制和十六进制。k 进制数转换成十进制数可用按权展开 相加法;十进制整数转换成k 进制整数可用除 k 取余法。其中,二进制数转换成十六进制数,从二进制数的低位开始,每四位二进制数转换成一位十六进制数,反之,每一位十六进制数可转换成四位二进制数。 4. 编码 编码是信息按照某种规则或格式,从一种形式转换为另一种形式的过程。解码是编码的逆过程。常见的编码有 ASCII 码、各种汉字编码、条形码/二维码、声音/图像/视频编码等。 (四)数据管理与安全(四)数据管理与安全 1. 数据管理 数据管理是利用计算机硬件和软件技术对数据进行有效收集、存
6、储、处理和应用的过程,其目的在于充分、有效地发挥数据的作用。当今社会,数据库已经成为主要的数据管理形式。 2.数据安全 数据安全,指的是既要保证存储介质的安全,如可采用磁盘阵列、数据备份、异地容灾等手段,同时又要保证数据本身的安全,如通过数据加密、数据校验等方法来提高数据的保密性和完整性。 (五)大数据(五)大数据 1.大数据的概念 大数据代表着信息量大、 速度快、 种类繁多的信息资产,需要特定的技术和分析方法将其转化为价值。也就是说,大数据之“大”,不仅指规模、速度和种类的特征,还意味着它超出以往常用的数据采集、组织、管理和加工等软件的处理能力,需要从多元、复杂和巨量规模的数据集里洞察规律。
7、 2. 大数据的特征 符合大数据概念的数据一般具有数据规模大、处理速度快、数据类型多、价值密度低四个特征数据规模大、处理速度快、数据类型多、价值密度低四个特征,可以用四个 V 来概括,即数量(数量(V olume)、速度(速度(Velocity)、多样(多样(Variety)和价值(价值(Value) 3. 大数据思维 大数据思维主要包括:大数据要分析的往往是全体数据,而不再局限于抽样数据;对于数据不再追求精确性,而是能够接受数据的混杂性;不一定强调对事物因果关系的探求,而是更加注重它们的相关性。 4. 大数据价值 大数据蕴藏着巨大的价值,人们需要研究的是, 如何从庞杂的数据背后挖掘、 分析出
8、真正有用的信息。同时,相对于大数据的巨大体量,其价值密度往往较低大数据的巨大体量,其价值密度往往较低。 二、算法与程序设计二、算法与程序设计 本单元的内容结构如下:本单元以学科大概念“算法”为主题组织教学内容,在运用算法解决问题的过程中,需要在根据真实情境界定问题的基础上,按照“抽象与建模设计、描述算法算法的程序实现”这个路径去逐步实现。 本单元的内容结构如下: (一一)抽象与建模抽象与建模 1. 符号化数据:通过抽象,从复杂的现实世界问题中抽取出与解决问题有关的要素并符号化表示。 2. 建立计算模型:对要素加以确定或假设,定义出一个有明确已知条件和求解目标的问题,并用数学符号描述解决该问题的
9、计算模型。 (二二)设计、描述算法设计、描述算法 1.算法的概念 广义地讲,“算法”指的是解决问题或完成任务的一系列步骤。在计算机科学领域内,“算法”指的是用计算机解决问题的步骤,是为了解决问题而需要让计算机有序执行的、无歧义的、有限步骤的集合。 2. 算法的特征 有穷性有穷性:处理步骤必须是有限的。 可行性:可行性:每一步的操作与要求都是可行的,并且能在有限的时间内完成。 确定性确定性:每一步的执行描述必须是明确的。 有有 0 个或多个输入个或多个输入:算法被执行时,数据可以从外部获取,也可以包含在算法中。 有有 1 个或多个输出个或多个输出:算法必须有问题求解的结果,且至少包含一个输出。
10、3. 算法的要素 (1)数据:用算法解决问题时,必须明确参与运算的初始数据、运算时产生的中间数据以及问题解决的 结果数据。 (2)运算:在对数据进行运算时,必须明确每一步的运算是什么、对哪些数据进行运算等。 (3)控制转移:在算法执行过程中,有时需要根据数据或运算结果的特点进行不同的处理,需要运用控制转移来执行不同的操作。 4. 算法的描述:常见的算法描述方式有自然语言、流程图、伪代码、计算机程序设计语言等。 5. 算法的控制结构:算法的控制结构有顺序结构、分支结构和循环结构三种。 (三三)算法的程序实现算法的程序实现 1.编程环境 要让计算机按照预先设计的算法进行处理,需要将该算法用计算机程
11、序设计语言进行描述,形成计算机程序。通过运行程序,让计算机自动执行程序中的命令,并对结果进行检测分析和验证。 2. Python 语言基础 (1) 基本数据类型:Python 常见的基本数据类型有整型、实型、字符串型、布尔型。 (2) 基本运算符: 算术运算符算术运算符:*、* 、/、/、+ 、-。算术运算符有优先级顺序。 关系运算符关系运算符:、=、= = 、!= 、in,返回值为布尔型。 逻辑运算符逻辑运算符:not,and,or,返回值为布尔型。 (3)变量和赋值语句 变量: 程序设计时,有些数据是可变的,可以使用变量来存储。变量名可以包括字母、数字和下划线,字母区分大小写,但不能以数字
12、开头。在 Python 中,变量使用前不需要 * 预先声明变量的数据类型。 赋值语句: 赋值符号:= 。 赋值运算符:-= 、+= 、*= 、/= 、= 。 (4)基本数据结构 字符串和列表字符串和列表:字符串和列表都是由一些数据元素共同组成的一个序列整体。 字符串用单引号、双引号或三引号表示。 列表用方括号表示,列表中的元素用逗号“,”分隔。列表元素可添加、删除、修改。 定义 n 个元素组成的列表格式:List =元素 1,元素 2, ,元素 n。 字符串或列表中的元素,可以通过索引进行访问。 字典字典 字典中的每个元素由两部分内容组成:键和值。键通常用字符串或数值表示,值可以是任意类型。每
13、个键只能对应一个值。字典中的元素是没有顺序的,引用元素时以键为索引。 n 个“键:值”对组成的字典格式:dictionary = key1: value1, key2: value2, ,keyn:valuen)。 3.顺序结构的程序实现 (1) Python 中的注释 在 Python 中,“ # ”后面的内容为注释,注释主要用于对程序代码进行说明。注释在程序运行时不执行。 (2) Python 常见内建函数 print()函数默认以换行符作为其结束值。print(num, end = )中的 end = 将 print()函数的结束值设置为一个空格。 4. 分支结构的程序实现 在 Pyth
14、on 中,分支结构用 if 语句来实现。 (1) 单分支单分支 (2) 双分支双分支 (3) 多分支多分支 5. 循环结构的程序实现 在 Python 中,循环结构可以用 for 语句或 while 语句实现。 (1)、for 语句常见格式如下:语句常见格式如下: for 语句通过遍历序列中的元素实现循环,并通过序列的元素数量来控制循环次数。当序列中的元素为有序整数时,常可利用内建函数 range 来实现。range 函数由三个参 数(起始值、终值、步长值)来决定序列中元素的个数和范围。range 函数的参数必须为整数。若起始值缺省,则默认为 0。步长值是序列中元素之间的差,若缺省,则默认为
15、1。 例如 range(a,b,k),若 k 为正数,产生整数序列:a、a+k、a+2k、,最后一个数必须小于 b;若 k 为负数,产生整数序列:a、a+k、a+2k、.,最后一个数必须大于 b break 语句可用于在序列还没被完全遍历完或循环条件仍然为真的时候,实现强行退出循环。 (2)、while 语句常见格式如下:语句常见格式如下: while 语句在执行时,首先会判断条件是否为真,如果条件为真,执行一次循环体,再次判断条件是否为真,如果仍为真,那么再执行一次循环体,以此类推,直到条件为假时退出循环。 6.函数与模块 (1) 函数的构造 在 Python 中,定义函数的语法如下: 函数
16、名的命名规则与变量名一样。完成函数构造后,在程序中就可以根据需要调用该函数。 (2) 模块的导入与应用 在编写程序的时候,经常需要引入其他模块。Python 的各模块补充了许多功能强大的 函数,在使用import 语句或 from-import 语句将函数所在的模块导入后,就能使用其中的 函数。导入的语法如下: Python 常见的模块:math 模块 random 模块、Image 模块、numpy 模块和 matplotlib 模块等。 7.解析算法的程序实现 解析算法的基本思想是指根据问题的前提条件与所求结果之间的关系,找出求解问题的数学表达式,并通过表达式的计算来实现问题的求解。 在解
17、析算法的程序实现过程中, 首先要确保数学表达式的正确性,然后在程序中正确描述该数学表达式。 8.枚举算法的程序实现 枚举算法的基本思想是把问题所有可能的解一一列举,然后判断每一个列举出的可能解是否为正确的解。枚举算法程序实现的三个主要环节:枚举解、筛选解和输出解。其一般程序结构特点是循环包含分支结构语句,实现对枚举出的解进行判断与筛选。 三、数据处理与应用三、数据处理与应用 本单元的内容结构如下: (一一)、数据处理、数据处理 1.数据整理 (1)数据整理的目的 检测和修正错漏的数据、整合数据资源、规整数据格式、提高数据质量。 (2)常见的数据问题 数据缺失:数据缺失:最简单的处理方法是忽略含
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