《算法及其实现》的备课教案

《算法及其实现》的备课教案（共10篇）

篇1：《算法及其实现》的备课教案

《算法及其实现》的备课教案

今天,我说课的内容是《信息技术基础(浙江教育出版社)》的第三章第四节内容，本节课为本节内容的第一课时内容包括3.4.1算法和3.4.2算法的表示。我从以下五个方面说明我对本节课的教学设想。

一、教材分析

(一)、教材所处的地位和作用

《算法及其实现》是普通高中课程标准实验教科书——《信息技术基础(浙江教育出版社)》的第三章第四节内容，该教材是按照高中信息技术课程标准编写的实验教材。

本节位于第三章《信息的加工》，学习本节之前，已经学习了利用计算机处理文字、表格、多媒体等信息。通过学习本节内容可以达到“初步掌握用计算机进行信息处理的几种基本方法，认识其工作过程与基本特征”的课程标准要求。

(二)、教学目标

(1)、知识与技能：

A、理解算法的含义;

B、了解算法的特点及表示方法;

C、学会用流程图表示算法。

(2)、过程与方法：

A、能初步利用算法解决简单的问题;

B、培养学生的理论联系实际能力和动手操作能力。

(3)、情感态度与价值观：

A、培养学生学习信息技术课程的兴趣;

B、培养学生主动探究和合作学习的意识和能力。

(三)、教学重点、难点

教学重点：算法的含义、及表示方法

教学难点：用流程图描述算法

二、学情分析

从思维品质上来说：高一学生已有使用计算机的感性经验，已经可以超越简单的技术操作，具备了接受更高层面文化的能力。学生的思维能力已接近成人，他们有旺盛的求知欲，较高的学习自觉性，并具备一定的自学能力，已具有较强抽象思维和逻辑推理能力。

从知识储备上来说：经过前面的学习，学生已经可以使用计算机处理一些实际问题，例如：利用计算机对文字、图片、多媒体信息的处理，但是学生还不了解了使用计算机解决问题的一般过程和解决方法，以及以何种方式来表示。

三、教法、学法分析

1、学案导学，自主学习

2、问题导入，激情引趣。

3、创设情境，任务驱动。

4、合作探究，交流提高。

四、教学过程分析

1、回顾已学，导入新课 回顾前面知识，提出疑问，引出本节内容。

2、完成游戏，引发兴趣 让同学小组合作完成“老农过河”的游戏，体验编写算法的乐趣，引起探究新知的兴趣。

3、自学新知，完成学案 根据学案的内容，教师引导学生自学新知，完成学案中内容。

4、强化练习，巩固提高 填写学案后，学生学会了如何使用流程图描述算法，紧接着安排练习，任务驱动。让学生在练习中巩固提高。

5、布置作业，拓展延伸 布置作业分为课内作业和课外拓展，让不同层次的学生能完成相应的作业。同时，为下一节的内容做好准备。

五、教学设计分析：

1、本节课的设计是围绕“以学生为主体，让学生动起来”的`思想，创设各种情境，设置多层次任务，让学生自主学习，主动探究。让学生真正成为学习的主人，而教师只起到主导的作用。

2、学案导学是本节课的一个特点。学生手中有学案，犹如学生有了一个学习的提纲，只要老师稍作引导，学生就会自主的完成学习任务，而不用像以前的教学一样学生总是等待老师讲解，也不会出现只要老师不讲，学生便无事可做的现象。

3、本节练习的设置体现梯度，让学生便于接受和乐于接受。因为流程图对于学生来说是新知识，不可能一下就应用熟练，这就需要在设置练习题上下功夫，我设计了三道练习题，第一道老师讲解，第二道学生自主完成，第三道老师讲解和学生完成相结合。三道题目的设置由易到难，而如果像课本一样只练习最后一道题，不但练习不够，而且难度增大，降低学习的效果。

篇2：《算法及其实现》的备课教案

XXXXX中学 XXX

一、教材分析

在前面的章节已经提到，用计算机解决实际问题的过程中，有两个重要的环节——设计算法、编制和运行程序实现算法，所以算法是学习程序设计的前提和依据。算法是理论知识，具有一定的抽象性，学生理解起来比较困难，为了不让学生害怕后面程序的学习，在选择例子的时候降低了难度，都是贴近学生生活易于理解的例子。上好本章的第一节，对学生学习算法和编程兴趣的影响十分重要。

二、学情分析

该课程的学习者是高中一年级的学生，这个阶段的学生已具有接受抽象事物的能力、同时逻辑思维、好奇心强，对新鲜事物和新理念、新知识兴趣浓厚，但是怕吃苦，遇到难题，易退缩。虽然通过初中信息技术课程的学习，掌握了一定的利用计算机解决问题的知识，然而大多数的同学对算法还是比较陌生的。基于这样的情况，在教学中，要尽量的把抽象的问题具体话，和生活中的事例紧密联系，化难为易，学以致用，激发学生的学习兴趣和动机，使同学们在快乐中学习算法及程序设计。

三、教学媒体 a)b)多媒体网络教室

教材、教学幻灯片、图片。

四、教学方法

主要以任务驱动法、小组讨论为主，讲授为辅。充分调动学生的主观能动性，已达到主动式学习、探究性学习和创新性学习。

五、教学目标

1、知识目标

（1）理解算法的含义，能从生活中准确举例说明使用算法的例子；

（2）了解算法的表示形式，有自然语言、伪代码、流程图；（3）掌握用流程图描述算法的方法。

2、技能目标

（1）培养学生分析、解决问题的能力；（2）会用流程图描述算法，解决问题。

3、情感目标

（1）让学生明白解决任何问题有应具有清晰地思路和步骤；

（2）通过对算法的设计，提高学生对算法的兴趣，培养学生的逻辑思维能力。

重点：1.如何分析问题、设计算法。2.流程图的画法。

难点：1.如何分析问题、设计算法。2.流程图的画法。

六、教学流程

（一）情景导入，引入新课（5分钟）

【教师活动】

（1）教师提出一个有趣的问题：一个农夫带着一条狼、一头山羊和一篮蔬菜要过河,但只有一条小船.乘船时,农夫只能带一样东西.当农夫在场的时候,这三样东西相安无事.一旦农夫不在,狼会吃羊,羊会吃菜。

（2）要求学生分组讨论设计一个方案,使农夫能安全地将这三样东西带过河.。

【学生活动】

（1）学生积极思考讨论问题。（2）派小组代表发表解决方案。

【教师活动】

（1）口述总结学生提出的方案

第一步，农夫带羊过河.第二步,农夫独自回来.第三步，农夫带狼过河.第四步，农夫带羊回来.第五步，农夫带蔬菜过河.第六步，农夫独自回来.第七步，农夫带羊过河

当然，也有可能学生会提出第二种方案： 第一步，农夫带羊过河.第二步, 农夫独自回来.第三步，农夫带蔬菜过河.第四步，农夫带羊回来.第五步，农夫带狼过河.第六步，农夫独自回来.第七步，农夫带羊过河.设计意图：通过这个有趣的问题，在学生的讨论中已无形的接触到算法，让同学对算法有一个初步的了解。

（二）循序渐进，引出算法（8分钟）

【 教师活动】

教师简单介绍算法的定义，即“算法”就是是解决方法的精确描述。从广义的角度来看，生活中到处存在着算法，乐谱是乐队演奏的算法，菜谱是厨师做菜的算法，广播操图解是广播体操的算法。

（2）让同学谈谈生活中，你还遇到什么样的算法。【学生活动】

（1）认真听讲，做好笔记（2）积极发言。

设计意图：为了使抽象的知识更加具体化，联系生活中的实例，让学生从生活中发现知识，易于理解后面的知识。

（三）逐步深入，突破重、难点（15分钟）【 教师活动】

（1）教师讲述算法的表现形式——自然语言、伪代码、流程图。（2）结合PPT，讲述流程中常用的几种符号。

 处理框（矩形框），表示一般的处理功能。

 判断框（菱形框），表示对一个给定的条件进行判断，根据给定的条件是否成立决定如何执行其后的操作。它有一个入口，二个出口。

 输入输出框（平行四边形框）。

 起止框（圆弧形框），表示流程开始或结束。

 连接点（圆圈），用于将画在不同地方的流程线连接起来。如图中有两个以1标志的连接点(在连接点圈中写上“l”)则表示这两个点是连接在一起的，相当于一个点一样。用连接点，可以避免流程线的交叉或过长，使流程图清晰。

 流程线（指向线），表示流程的路径和方向。

 注释框, 是为了对流程图中某些框的操作做必要的补充说明，以帮助阅读流程图的人更好地理解流程图的作用。它不是流程图中必要的部分，不反映流程和操作。

（3）引导学生看课件中学校上体育课的流程图。【 学生活动】

（1）认真听课，了解算法的表现形式。（2）了解流程图的画法。

设计意图：这部分的知识是本堂课的重点和难点，让学生自主学习课本，掌握知识，提高学生的总结、归纳、表达对于他们的学习很重要。

（四）层层展开、巩固新知识（8分钟）

【教师活动】

（1）引导学生思考课件中提出的问题（2）教师分析课件中的流程图得出最终结果

【学生活动】

（1）积极讨论思考，回答教师的提问。

设计意图：通过练习，巩固学生对新知识的掌握，同时通过学生的回答，老师对学生知识的掌握情况有所了解。

（五）课堂总结（3分钟）【教师活动】

（1）老师以提问的方式，什么是算法，算法的表现形式，自然语言和流程图的对比。

【学生活动】

（1）积极回答教师的提问，回顾本节的知识点。设计意图：进一步巩固加深学生对本堂课知识的理解。

（六）布置课后作业（1分钟）【 教师活动】

给出三个数a、b、c，请问如何判断出最大数？并画出流程图 【学生活动】（1）课后认真完成。

篇3：《算法及其实现》的备课教案

关键词：中值滤波,现场可编程门阵列,快速算法,阈值比较

图像是人类获取外界信息的重要途径,图像的清晰度直接影响到人们对其的观察以及进一步的分析研究。图像的采集、传输、存储等环节通常会导致图像质量的降低。因此,为了改善图像的质量,必须对图像进行滤波、平滑等预处理操作。但是,由于实际处理的数据量巨大,预处理的过程往往达不到系统对实时性的要求。近年来,微电子技术和超大规模的集成电路制造技术的发展,特别是FPGA的发展,为提高图像处理系统各种性能提供了新的思路和方法。FPGA在设计上实现了硬件并行和流水线(Pipeline)技术,适于模块化设计;同时其开发周期短,系统易于维护和扩展,能够大大提高图像数据的处理速度,满足系统的实时性要求[1]。

中值滤波作为一种空域滤波技术,能有效地去除脉冲噪声和椒盐噪声,同时还能较好地保留图像的边缘信息,在图像预处理中应用广泛。虽然中值滤波算法处理的数据量大,但其运算简单,重复性强,存在较大的并行性,可由硬件映射到FPGA架构中[2,3]。另外,由于中值滤波算法处理后的图像存在边缘模糊的问题,因此,本文对快速中值滤波算法提出了一些改进,通过加入阈值比较的环节,更好地保留了图像的细节信息。最后,基于FPGA硬件平台实现了改进的快速中值滤波算法,大大提高了图像的处理速度。

1 传统中值滤波算法及改进

传统的中值滤波算法把邻域中的像素按灰度级进行排序,然后选择该组的中间值作为该邻域的输出值,用公式表示为:

其中,g(x,y)、f(x,y)为像素灰度值,S为模板窗口。对于一幅M×M的灰度图像,窗口至少需要滑动(M-2)2次,需要进行n2(n2-1)(M2-2)/2次比较运算。由此可见,传统的中值滤波算法存在运算量大的问题[4,5,6]。

针对传统中值滤波算法的一些快速中值滤波算法已经被提出[7,8,9,10]。参考文献[7]提出了一种将3×3窗口的像素值先按列降序排序,然后再按行降序排序,最后取对角线上的元素作为模板中值输出的快速中值滤波算法,相对于需要进行36次比较运算的传统的中值滤波算法,这种快速中值滤波算法的比较次数明显减少,仅为21次。参考文献[8]提出了采用3×3像素的十字型中值滤波结构模板,对快速中值滤波算法进行改进,只需对5个像素数据进行排序,从而减少了数据比较的次数,该算法的比较次数为24次。参考文献[9]提出了一种先取模板各个水平行的中值,再求出这些水平行中值的中值,以此作为滤波结果的快速中值滤波算法,该算法在最坏情况下的比较次数为12次。

同时,为了更好地保留图像的细节信息,参考文献[10]提出了在传统的中值滤波算法中加入阈值判定的方法,即设定一个阈值TH后,按传统的算法算出初始的中值,将当前中值与模板的中心值的差的绝对值与阈值进行比较,若判定结果大于阈值,则判定中心点为噪声点,用求的中值代替中心值,否则保留原有的中心值。

2 改进的快速中值滤波算法及分析

为了减少图像滤波后的误差,提高图像处理的速度,本文提出了一种改进的快速中值滤波算法。采用3×3模板,以快速中值滤波算法为基础来寻找中值,通过阈值约束条件,判断中值是否为有效数据。算法的具体实现步骤如下:

(1)获取大小为m×n的原图像,对图像加入5%的椒盐噪声;

(2)图像扩展,使其大小为(m+2)(n+2);

(3)将模板在图像上按行列滑动,如果未到达循环结束条件,则转到步骤(4);

(4)对模板中水平行的数据进行排序,取每一行第2个位置上的值,然后再对3行的中值进行排序,取其中值;

(5)判断该中值是否为所需的有效数据,将所求的中值和中心点值做差,将差值与事先设定的阈值TH按式(2)进行比较;

从比较次数上分析,新的改进算法的比较次数在最坏的情况下,也明显少于其他算法的比较次数。由于比较次数的减少,图像处理的效率会有很大提高。为了取得最佳阈值和在选定的阈值下评价图像处理后的质量,采用最小均方误差(MMSE)指标作为判断的标准,计算公式为:

其中,g(i,j)表示滤波后图像像素的灰度值;f(i,j)表示原始图像各点的灰度值。实验求得阈值TH=20时,本文改进算法的MMSE值最小,获得最佳处理效果。

分别采用基于上述参考文献的算法以及本文的算法对图像进行处理。各个算法MMSE的比较结果如图1所示。

由图1可以看出本文提出的改进算法比其他算法的MMSE值都小,能获得较好的处理效果。图2给出了本文改进算法对加入5%椒盐噪声的图像的处理效果。

结合图1和图2可知,增加阈值判定的算法在细节保护和去噪之间能达到一个较好的平衡点,本文的改进算法处理效果明显较好。

3 算法的硬件实现

3.1 总体设计方案

FPGA硬件化设计遵循并行流水机制,分别采用各自独立的处理通道,对同一段时间内需要处理的所有任务同时进行处理,处理时间从多个任务所需时间之和降至最慢任务所需的时间。为了便于在FPGA上实现改进的中值滤波算法,本文以3×3像素模板处理512×512像素的灰度图像为例,进行了硬件化的设计,总体设计方案主要包括比较排序模块的设计和控制电路的设计,如图3所示。

3.2 三点排序模块的设计

每个三点排序模块都用了3个比较器对3行数据进行并行比较排序。在一个时钟周期下,每次比较3个输入信号,输出信号为每行的中值。当时钟触发下一级的比较器后,各行输出的中值信号作为下一个排序的输入信号,最后再加入一个比较器对所得中值进行判断。这样,总处理时间只是其中关键模块的处理时间,处理速度是顺序执行的两倍。

3.3 控制电路的设计

控制电路控制着整个系统的运行,是硬件设计的难点和重点。本设计的控制电路分为两部分:

(1)控制不连续信号的输入和数据缓存

由于图像信号是按串行的方式输入到系统中,因此需要通过控制信号使系统保持在并行流水的工作模式中。考虑实际工作中,图像信号的输入可能是不连续的,故采用FIFO缓存模块来保存数据。当FIFO模块不为空时,系统将产生局部时钟使能信号来保证系统计算的正确性。

(2)控制图像边界点的输出和对有效信号的选取

中值滤波算法在处理图像时,只处理图像内部的像素,而边界上的像素保持不变,因此需要在FPGA系统中加上对边界点的处理并选取有效信号的输出,此处理由控制模块完成。对于选定的512×512像素的图像,其4条边界上有2044个边界点,系统需要对这些边界点进行判定,并完成有效数据的正确输出。

4 测试结果及分析

实验采用了Altera的具有高密度低成本Cyclone系列的EP2C70F896C6N芯片,利用DSP-builder11.1实现算法设计,并通过Quartusii11.1对设计进行调试和仿真,同时利用modelsim10.0c完成时序仿真。modelsim10.0c的仿真结果如图4所示。

由图4可知,实验数据与预计结果一致。因此,设计电路具有良好的稳定性。本文给出了硬件实现不同算法的效果对比情况,如表1所示。

由表1可知,对于一幅512×512像素的图像,本文改进的基于FPGA的快速中值滤波算法在硬件上能达到的最高工作频率为231.21 MHz,处理时间约为1.13 ms,比软件实现该算法的速度快11倍;与传统的中值滤波算法和参考文献[7]算法的硬件结构相比,本文改进算法耗费的逻辑单元和寄存器较少,占用硬件资源更少,从而达到较高的工作频率,以满足图像实时处理的要求。

本文通过对快速中值滤波算法的改进,能够减少算法排序量,更好地保护图像的细节信息。改进的算法具有较高的内在并行性,易于在FPGA上实现。硬件实现的算法对图像的处理能达到较高的工作频率,且占用资源较少,适合图像的实时处理。

参考文献

[1]BOAS M L.Mathematical methods in the physical sciences(3rd ed)[M].John Wiley&Sons,2006.

[2]黄艳军.基于FPGA的数字图像预处理算法研究[D].南京:南京理工大学,2009.

[3]VINCENT O R,FOLORUNSO O.A descriptive algorithm for sobel image edge detection[C].Proceedings of Informing Science&IT Education Conference(InSITE),2009.

[4]ZEMCIK P,Hardware acceleration of graphics and imaging algorithms using FPGAs[D].Brno University of Technology:SCCG,2002.

[5]BATES G L,NOOSHABADI S.FPGA implementation of a median filter[C].Speech and Image Technologies for Com-puting and Telecommunications,Proceedings of IEEE,1997.

[6]万海军.实时图像处理算法研究及FPGA实现[D].陕西:西北农林科技大学,2008.

[7]付昱强.基于FPGA的图像处理的算法的研究与硬件设计[D].南昌:南昌大学,2006.

[8]朱捷,朱小娟,贺明.基于FPGA的实时图像中值滤波设计[J].计算机测量与控制,2007,15(6):798-800.

[9]王萍,白光远,唐晓燕.基于FPGA的图像中值滤波算法的优化及实现[J].电子与电脑,2009(10):94-96.

篇4：《算法及其实现》的备课教案

一、 区域集备团队教学知识创新过程分析

区域集备团队以小学语文高年段阅读教学为主要研讨内容，共历经五个阶段的集备活动。

寻找阅读教学问题及根源

活动开始，集备组通过“分享最满意的阅读教学设计”“说说自己的教学困惑”和随堂听课等方式开展。活动中发现，语文课堂上支离破碎的文本分析现象极为普遍，在语言实践运用上较为欠缺。语文课程的本质是引导学生学习和运用语言文字学科，根本任务是提高学生运用语言文字的能力，而不是对教材进行不厌其烦的剖析与解读。因此，教师教学问题的根源在于没有准确地把握语文课程的本质。

更新教师的教学知识

为进一步了解语文学科性质，集备组组织群体阅读活动，阅读内容主要涉及到儿童发展心理学、言语教学理论及语文阅读教学相关文献，并深度开展了阅读分享活动。教师们明白了：在语文教学中，教师不仅要引导学生学习语言，还要引导其进行言语知识学习，从而提高表达能力。

运用教学知识

集备组以五年级上册《祖父的园子》一课为例，开展了集备研讨。先认真研读教材，知道课文通过拟人化的描写表现作者自由快乐的童年生活，表达方法独具匠心。阅读教学应当立足于让学生学习这些言语知识，并内化为语言能力。经过互动研讨，确定了本课教学设计，具体如下。

环节一，通过抓住关键词句，品读拟人、排比等句子感受“自由”，感悟寄情于景的表达方法。

环节二，小结表达方法：读了课文的17自然段，你发现了什么？

环节三，拓展阅读：《呼兰河传》片段。再次体会作者流畅自然，轻快灵动的语言，从中感受到作者无比快乐、自由的童年。

环节四，实践运用：选择感兴趣的事物来表达此时的心情。

课后，执教的教师反思道：“只有准确把握语文学科的根本性质，我们才明白要‘教什么和‘怎么教。”

总结与反思

能否进一步进行提炼，总结出一定的教学规律，或者某一种教学流程，可以迁移运用到其他课文的教学中呢？于是，集备组对每一个教学环节的设计意图和教学设计的行为进行了思考与提炼，并归纳出了“以言语实践为导向的阅读教学方式”，即“依据课文，习得新知；拓展阅读，巩固新知；专项训练，强化认知；生活实践，内化知识”。

为了使教师更加容易理解和运用，集备组对每个环节进行了解读：“依据课文，习得新知”指引导学生依靠文本，学习和获取语言表达的方法；“拓展阅读，巩固新知”要求学生运用相关的阅读方法，阅读同类文章再次巩固言语知识的学习；“专项训练，强化认知”指通过精心设计练习，读写结合，强化训练；“生活实践，内化知识”则是从课堂学习回到生活中，把获取的言语知识运用到生活中，在运用中提高言语能力。经过反复交流互动，一种教学方式应运而生。

内化教学知识

如何把“以言语实践为导向的阅读教学方式”转化为教师的教学行为？集备组采用课堂教学实践、实地与网络教研相结合的方式进行新一轮集备。例如，某校六年级集备组以《卖火柴的小女孩》一课为例，引导学生学习用幻境表现人物心理的写法，共设计了五个教学过程：一是创设情境，揣摩并写一写图中人物的内心世界；二是品读文中幻觉描写的片段，领悟幻觉描写的作用；三是再次呈现原图片，进行二次练笔；四是比较赏析，体会两种心理描写方法的不同表达效果。最后让学生试着用幻觉的思维来写一些曾经有过的难忘的感受。整节课始终仅仅围绕“语言实践”进行教学。可见，教师通过教学实践与反思，领悟了“以言语实践为导向的阅读教学方式”的核心理念，并能灵活地应用到日常的教学中，把“语言分析”转变成“语言实践”，逐步形成个人的阅读教学价值判断标准。

上述可见，区域集备活动从阅读教学问题出发，积极寻求解决的方案，在传递与分享教学知识过程中，创新语文教学的方式与模式，最后得出“以言语实践为导向的阅读教学方式”，并逐步成为教师的知识系统的一部分，初步实现了教学知识共享到创新的质的变化。

二、区域集体备课的价值取向

区域集体备课的价值不仅仅是分享个人优质的教学知识，也不只是产生出一个个优秀的、完善的教学设计或方案。区域集体备课的价值应当体现在通过群体智慧，创新教学知识，努力提升教师的教学效能，促进学生学习质量的提升，进而提升整个区域集体备课团队知识的价值。这里的“创新知识”，不是新的“创造发明”，而是在已有的教研基础上进一步思考和提升；也不是指具体的某一教学内容的教学设计或者教学方案，而是在一定的教育教学理论引领下，具有普遍性的，能够迁移运用到其他教学实践中的教学知识，或教学模式，或教学方式，或教学主张，或教学理念。这样的教学知识才具有一定生命力，才能体现其价值。

从知识管理的角度看区域集体备课中的知识创新过程，是指教师通过各种教学实践活动和持续的学习，经过内隐和外显的互动，在知识分享的过程中，不断建构个人知识系统，并将个人知识扩散至整个区域组织，再通过群体智慧，进一步提升教学知识的价值的过程。

三、区域集体备课价值实现的流程

对上述的区域集备案例中的五个阶段进一步分析，得出区域集备中实现知识创新的基本流程。

问题反思

发现及挖掘阅读教学问题之根源，是进行有效区域集体备课的前提。区域集体备课团队从教师教学实际出发，从教师的教学困惑开始，寻找并确定现阶段教师最需要解决的教学问题，并深入反思问题之根源，为开展区域集体备课活动确定明确的方向。

群体阅读

苏霍姆林斯基说过：“教师获得教育素养的主要途径就是读书、读书、再读书。”阅读对教师专业成长的重要性，已经成为一种共识。教师阅读的价值，主要在于获取教学智慧，更好地改进教学。在开展区域集体备课中，阅读分享是不可缺少的环节。群体阅读指的是区域集体备课团队围绕一定的教学问题或专题，共同开展阅读分享活动，把阅读中获取的教学知识，经过个人思考与加工，在团队中进行分享，以促进团队每个成员的思考，为创新教学知识奠定基础。

实践中，我们发现，阅读是一种知识的获取，要让获取的知识产生价值，必须对其进行加工。教师如果仅仅只是停留在阅读层面上，而不能结合自己的实际深入思考或者是实践，那么阅读并不能对专业能力的成长起到积极的促进作用。

对话交流

对话交流是指教师为实现知识的传递与分享而展开的、基于平等与尊重上的对话沟通，是实现个人知识向公共知识的转化的重要方式，是区域集体备课的核心环节，也是实现知识传递和创新的过程。要更好地实现这一过程，必须遵循平等、互惠性和激励性的原则，采用“头脑风暴式”的对话交流方式。

教学实践

区域集体备课从知识共享到知识创新，都离不开教学实践。创新的知识是否有价值，必须通过实践来检验。教学实践是检验知识价值的最重要途径。实践中，可以在课堂中进行教学实践，在专题研究中实践，在解决教学问题中实践。只有通过实践，才能产生和验证所创造的知识的价值。

生成新思路

生成新思路是指区域集备团队在互动交流过程和教学实践过程中，不断更新教学理念，运用新的教学方法和手段，并创造性地完成教学任务，进而形成新颖的、与众不同的教学方式方法的实践过程。这是区域集体备课中实现知识创新的关键环节。

教学批判与反思

教学批判与反思是实现知识创新的重要手段。在知识创新起始阶段，区域集备团队开展群体阅读分享活动，教师会获取大量的显性知识。教师必须不断地对各种教学知识进行价值判断，并进行优劣的抉择比较，或提出改进的意见。“批判性”并不是简单的“否认”，而是一分为二地进行科学评判，为团队的知识创新打好知识基础。

在生成新的教学知识后，教师需要进行教学实践验证。我们发现，由于教师所面对的教育对象存在着差异性，区域集体备课所产生的新知识，并不一定都适用于每一位教师。因此在进行教学实践时，教师应通过批判、反思、总结等方式，进一步改进和创新知识，将知识真正内化为自己的知识、经验和理论，从而实现自身行为的改进和提高。

提炼与表达

区域集体备课所产生的知识的初始状态是杂乱、分散的。我们需要将这些零散的知识进行梳理、提炼和整合，并用可视化的、易于教师理解和运用的方式表达出来，提供给所需要这方面知识的教师，使他们随时能共享到这些资源。教师可以通过论文、思维导图等方式进行表达。

构建知识系统

构建知识系统是显性知识内隐化的过程。构建知识系统包括两个层面：一是教师个人，二是团队层面。首先教师个人从区域集备中获得教学理念，更新教学内容，运用新的教学方法和手段到教学实践中，在教学实践中内化成为个人的知识，从而不断更新个人的知识系统，为下一轮知识创新提供新的资源。同时，教师通过区域集体备课在知识的创造和转化的过程中，知识个体逐渐扩展至群体和团队组织，进而又由教师群体扩展到整个区域社群，隐性知识和显性知识不断地相互转化提升，形成螺旋上升的动态过程，从而使团队的知识不断增值。

综上所述，区域集体备课中实现知识创新的操作流程如下图。

篇5：《算法及其实现》的备课教案

（2011-2012-1高二信息技术集体备课教案）

一、教材分析

这一节偏重于抽象枯燥的理论知识，主要介绍IP地址的格式、分类、管理及发展趋势，还有子网掩码等网络术语，理论性较强，且学生在使用网络或上网时很少接触到，但网络从没离开过IP地址。

二、学生分析

学生对网络方面的知识略有了解，但对IP地址较难理解，一组抽象的数字就更难懂。因此不能照本宣科，需采取措施让学生在网上冲浪时感受到IP地址的存在，感受到网络是离不开IP地址的，把理论性的内容简单化、具体化、清晰化，激发学生学习兴趣，提高课堂效率。

三、教学目标：

1、知识与技能目标

①了解IP地址的概念、管理。

②掌握IP地址的格式及分类、子网掩码的作用。

2、过程与方法目标

学生探究知识的过程中，以IP的概念为主线，再逐步深入到与IP相关的理论知识的学习，如子网掩码、IP地址的分类等，由表及里，由浅及深。

3、情感态度和价值观目标

①理论知识和实践操作相结合，为以后学习理论知识找到合适的方法，体会学习理论知识的快乐。

②告诫学生在虚拟的网络世界里同样要讲文明、讲礼貌，要遵纪守法。③让学生认识到IP地址资源的有限及分配的不平衡,体验民族的危机感。

四、教学重点难点：

1、教学重点：IP地址的格式及分类。

2、教学难点：IP地址的格式、子网掩码。

五、教学过程：

（一）新课引入 资料阅读： 2002年1月12日，广东阳江市公安局接到当地一位李女士的报案，她说自己收到了一封带有7张色情图片的电子邮件.当地公安通过查询电信部门的IP记录找到了发送色情邮件的IP地址，并且找到了该IP地址的使用者梁某某.警方以传播淫秽信息为由对梁某某处以2500元的罚款.梁某某认为自己是冤枉的而提交了行政复议，他指出:发件人IP只能说明该邮件发送过程中最后与邮件服务器连接的是原告(梁某某自己)的电脑，但这并不能说明该邮件是原告或是在原告的电脑上编写并发送的!

阳江市人民政府在《决定书》中指出:由于IP地址，上网账号，口令在网络上是唯一的，可以认定该色情邮件是申请人(梁某某)冒用他人信箱，在自己机器上完成并发送的。思考: 1.该市公安局是依据什么来破案的？

2.IP地址为什么能作为证据来破案？ 提出问题：什么是IP地址？

（二）IP地址的概念

采用TCP/IP协议接入因特网，为了使网络上的每一台主机都能够和其他主机通信，需要有一个全球都接受的方法来标识网络上的计算机。因特网上的每台主机都分配了一个唯一的地址，称为互联网地址或IP地址，该地址用在所有与该主机的通信中。

（IP地址就像是我们的家庭住址一样，如果你要写信给一个人，你就要知道他（她）的地址，这样邮递员才能把信送到，计算机发送信息就好比是邮递员，它必须知道唯一的“家庭地址”才能不至于把信送错人家。只不过我们的地址使用文字来表示的，计算机的地址用十进制数字表示。

众所周知，在电话通讯中，电话用户是靠电话号码来识别的。同样，在网络中为了区别不同的计算机，也需要给计算机指定一个号码，这个号码就是“IP地址”。）

IP地址的作用：标识因特网上的主机的唯一地址。一个网络是由若干台主机组成的，每台主机必须有一个全球唯一的IP地址。

任务：查看自己计算机上的因特网地址。方法一：

step１、右击桌面“网上邻居”/“属性”；

step２、右击“本地连接属性”/“属性”，选择“TCP/IP”。

方法二：

step１、打开“开始”／“运行”，输入“command”；

step２、在光标提示符处输入“ipconfig”。

（三）IP地址的格式

一个完整的IP地址由一组32位（bit）二进制数组成，每8位（1个字节）为一个段（Segment），共分为4段（Segment1 ~ Segment4），段与段之间用“.”号隔开，如：

11001010.01110000.01010001.00100010，11000000.01101010.01111110.11000001，将这种表示方式称为“点分二进制”。IP地址的这种表示形式可能只有程序员或计算机能够读懂，一般人很难记住。为了便于应用和记忆，IP地址在实际使用时不是直接用二进制，而是使用十进制数表示，利用下表讲解换算的方法：

每个段（数字域）的取值范围在十进制数的0～255之间（二进制00000000～11111111），如上面的二进制表示方式可以转换成 202.112.81.34 192.160.126.193 的十进制表示形式，并将这种表示方式称为“点分十进制”。

IP地址可以归纳为：（1）每一个IP地址由四段组成（2）每段用小数点隔开

（3）每个数字的取值范围在十进制数的0～255之间（二进制00000000～11111111）

如：我校网络中的一台计算机IP地址为：10.7.16.38，则对应的二进制表示：00001010.00000111.00010000.00100110 交流：下列IP地址正确的是（）

（A）218.289.1.0（B）172.16.5（C）202.96.128.68（D）202,96,128,143

（四）IP地址的分类

１、IP地址的组成：网络号＋主机号。

网络号用于识别主机所在的网络，相当于我们电话号码的区号，主机号才是该机器的地址。

2、IP地址的分类：共分五类，A类、B类、C类、D类和E类，人们常用的IP地址属于前三类，如下图：

各类IP地址的类别和规模：

A 类 IP 段 1.0.0.0 到 126.255.255.254 B 类 IP 段 128.0.0.0 到 191.255.255.254 C 类 IP 段 192.0.0.0 到 223.255.255.254 注意：国际NIC(网络信息中心)组织的几条规定：(1)127.0.0.1 是为本机做环回测试保留的 IP 地址。(2)192.X.X.X 和 10.X.X.X 为局域网的保留地址。(3)主机位全部为 1 的地址是网络的广播地址

(4)主机位全部为 0 的IP地址是指网络本身，故主机号不能全为０或全是1 思考：

(1)你的计算机在校园网中的IP地址属于哪个类别？

(2)在校园网中，有2台或2台以上计算机IP地址相同，会出现什么现象呢？ ３、子网掩码

(1)子网掩码的作用：将IP地址划分成网络号和主机号两部分。

通过比较两个网络号，就可以知道接受方主机是否在本网络上。如果网络号相同，表明接受方在本网络上，那么可以把数据包直接发送到目标主机；如果网络号不同，表明目标主机在远程网络上，那么数据包将会发送给本网络上的路由器，由路由器将数据包发送到其他网络，直至到达目的地。

子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。(2）缺省子网掩码：

即未划分子网，对应的网络号的位都置 1，主机号都置 0。

A 类网络缺省子网掩码： 255.0.0.0

B 类网络缺省子网掩码： 255.255.0.0(可用IP数：256*256-2=65534)

C 类网络缺省子网掩码： 255.255.255.0(可用IP数：256-2=254)举例:南海一中校园网的子网掩码为255.255.240.0，可容纳主机数为:256×16-2=4094 子网掩码必须与IP结合使用。

子网掩码的作用就是判断两个需要通信的主机是否需要经过网络转发，如果两个要通信的主机在同一个子网内，就可以直接通信，如果两个需要通信的主机不在同一个子网内，则需要寻找路径进行通讯了。通俗的说，我自己的电话是0757-55554444，我朋友的电话是010-666688888，我们两个人要通信，我先要看一下我们两个的电话是不是在同一个区间（相当于子网掩码中的子网），结果不在一个区间，我要打他的电话，肯定要加上区号了，也就是要通过转发了。问题：

1、IP地址10.7.16.2、10.7.23.8的子网掩码是255.255.240.0，判断IP地址是属于哪一类?

2、IP地址192.168.2.2的子网掩码是255.255.255.0，判断IP地址是属于哪一类?

（五）IP地址的管理

１、IP地址的管理:由一个中央管理机构进行的，IP地址分配机构分为三级。

２、动态主机地址分配协议(DHCP):让网络中的一台服务器来动态分配地址。３、IP地址分配的不均衡性:(1)理论上说,IP地址一共可以有2的32次方=4294967296，即42.9亿个。(2)IP 地址没有合理的分配给各个国家和地区。(3)美国占有绝大多数IP地址。

(4)我国分得的大多是C类地址(适用于小型局域网)，A类和B类几乎没有。４、IP地址短缺问题:

由于我们当前使用的IPv4采用32位的地址长度，只有大约43亿个地址，目前已使用70%左右，但全球有60多亿的人口，不久的将来IPv4定义的有限地址空间将被逐渐耗尽(估计在2005～2010年间将被分配完毕)，形成IP地址短缺的局面。

（六）本课小结：

IP地址是一种资源，虽然我们平时很少直接使用IP地址进行通信，但正因为有了IP地址的存在，你的计算机才能在因特网上存在，才有了网络的资源共享与交流，我们要认真地认识它，好好地应用它。同时IP地址也是一种希缺资源，我相信经过大家的努力，特别是年青一代信息素养与能力的不断提高，能够找到一种更好的技术方法解决IP地址不足的状况。

篇6：《算法及其实现》的备课教案

学习目标：

1.能知道欧姆定律的内容，并会运用欧姆定律进行简单的计算。

2.能说出串并联电路的`特点，会用串并联电路的特点得出串并联电路中电阻的关系。

3.会应用欧姆定律解决简单的电路问题

学习重点：理解欧姆定律内容和其表达式、变换式的意义

学习难点：利用欧姆定律解决简单问题的能力

导学内容和步骤：

一、前置学习：

欧姆定律的内容

2. 欧姆定律的数学表达式及式中各物理量及单位：

I----电流----安培；U----电压---伏特；R----电阻---欧姆

3.欧姆定律中的“导体”指的是                                    。

4.串联电路中，电流关系：

电压关系：

电阻关系：

比例关系：

5. 串联电路中，电流关系：

电压关系：

电阻关系：

比例关系：

二、展示交流：

学习小组完成课本29页1—3题，上黑板展示。

教师强调解题格式，“三要”和“三不”。

三要：要写解、答；要有公式；要带单位。

三不：最后结果不准用分数；不准用约等号；不准用除号。

三、合作探究：

学习小组完成课本29页4题，尽量用多种方法解题，上黑板展示。

教师归纳：解题步骤：1。根据题意画电路图； 2.在图中标出已知量和未知量； 3.综合运用电学规律列式求解。三种方法（单一法、整体法、比例法）。

四、达标拓展：略

五、教学评价：略

篇7：《算法及其实现》的备课教案

遗传投影寻踪评价方法的算法实现及其在粉煤灰分类中的应用研究

针对目前粉煤灰分类研究存在的`片面性,在分析影响粉煤灰品质有关的化学成分和物理性质的基础上,选择细度、玻璃体、烧失量、K2O、SO3 和CaO 作为投影寻踪聚类分析的特征指标,以活性特征为目标,建立了投影寻踪聚类分析模型,编制了基于MATLAB 的相应程序,采用遗传算法寻求最优投影方向,根据投影特征指标值对粉煤灰进行分类.研究表明该模型克服了以往传统分类法的不足,能较全面地反映粉煤灰产品品质性能.

作 者：方崇 Fang Cong 作者单位：广西水利电力职业技术学院,南宁,530023刊 名：粉煤灰英文刊名：COAL ASH CHINA年，卷(期)：21(6)分类号：X705关键词：粉煤灰 混凝土 投影寻踪回归 蚁群算法 聚类分析

篇8：《算法及其实现》的备课教案

由于随机噪声和突发噪声的存在,为了实现可靠通信,需要在信息处理的过程中加入一定的冗余来对抗可能产生的错误,这一技术叫做差错控制编码。卷积编码及其Viterbi译码算法是常用的差错控制编码方案[1,2,3,4]。

卷积编码通常用(n,k,N)表示,其中,n表示输出信息比特,k为输入信息比特,N为约束长度[1,5,6]。实际系统中使用较多的是(2,1,7)结构的卷积编码器,对应每1比特的输入信息有2比特的输出信息。约束长度为7。该编码器两路的八进制生成多项式参数为(171,131)[7,8,9]。

作为卷积编码的一种最优译码算法,Viterbi算法因为其易于实现性,通常是实际使用中的首选。Viterbi算法是一种最大似然译码算法,它把接收到的序列与所有可能的序列进行比较,选取两者之间距离最小的结果作为译码输出。经典的译码结构通常分为分支度量计算、加比选、回溯输出三个模块[9,10]。

本文将重点阐述Viterbi算法实现过程中的分支度量计算和加比选两个单元的一些改进措施。

1实现

1.1 分支度量计算

从图1所示的蝶形运算图来看,每个分支对应的两个比特只存在四种组合:00,01,11,10;假定输入的两个软判决符号为d1,d2,则相应的分支度量值的计算存在四种计算结果:

从上面的四个表达式可以看出,通过计算两个软判决符号的和与差即可计算出所有分支的度量值。

观察不同的蝶形运算可以发现,在一个蝶形运算内的四条分支中对应的两个码字或者是11,00的组合;或者是01,10的组合,即对于一个蝶形运算只需要两个软判决结果的和或差中的一个结果即可得到每个路径的分支度量值。

1.2 加比选单元

加比选单元由8个加比选模块组成,如图2所示。每个加比选模块完成一个蝶形运算,8个加比选模块并行的处理,一个周期内完成16个状态的处理,总共需要4个周期完成所有的64个状态的处理。

路径度量值的计算可以分解到各个蝶形运算中进行,采用蝶形运算中起始状态中需要较低的那个状态需要来标记整个蝶形运算,即可将所有的蝶形运算标记为B0,B1,B2,…,B31。在实现中可以通过加比选模块的分时复用的方式,采用8个加比选模块在4个周期内完成所有的32个蝶形运算的处理。每个加比选模块所处理的蝶形运算需要具有相同的分支;即在这些蝶形运算中Si到S2i转换的路径对应的两个比特相同。于是每个加比选模块所处理的蝶形运算如表1所示,其中ACS0与ACS6、ACS1与ACS7、ACS2与ACS4、ACS3与ACS5具有相同的模块结构,因此,实际需要的只有4个ACS模块。

加比选模块中的数据处理过程可以分解为:在第一个周期内将分支度量值加到相应状态的路径度量值中;在第二个周期内对指向同一个状态的两个路径度量值进行比较,保留度量值较小的路径;同时输出各状态新的度量值以及相应的状态转换关系标记。可见每个加比选模块需要两个周期来处理一个分支度量值。

上述的处理可以用图3表示。

1.3 回溯输出

因为编码采用了收尾bit,因此,编码器的最初和最终状态都为零状态。这一性质为译码器的初始状态建立,以及最终的回溯译码提供了开始搜索最大状态的初始状态信息。

因为编码器的约束长度为7,同时利用4～5倍的约束长度是可接受的实用截断长度,取截断长度为46。每次回溯输出一个字节的译码结果。

2仿真

本文结构通过Xilinx的xc3s5000-4fg676芯片实现。综合仿真报告显示,资源的占用情况与传统算法比较如表2所示。

通过Matlab仿真和最终硬件实现后采集的数据,可以得到对应各种信噪比的误码率,如表3所示。

3结论

本文通过对(2,1,7)卷积编码器对应的Viterbi算法的状态转移图的研究,提出了该算法FPGA实现的两点改进:

第一,简化了分支度量的计算。通过简单的代数变化,把原来的4个计算公式简化到2个;

第二,最大限度地实现了加比选单元的复用。通过对状态转移图的分析,以及对第一个改进点的使用,把原来的8个单元简化到4个单元。

通过仿真比较,两种结构的译码器性能相当。但是本文提出的结构在80 MHz时钟驱动下,吞吐量可以达到40 Mb/s,比传统的15.6 Mb/s吞吐量提升了接近2倍。为了得到这一性能,仅仅比传统结构多用了几乎可以忽略的芯片资源。同时,本文结构的最大频率接近传统结构的2倍,能够满足更高速率的译码需求。

参考文献

[1][美]LIN Shu,COSTELLO Daniel J,Jr.差错控制编码[J].晏坚,何元智,潘亚汉,译.2版.北京:机械工业出版社,2007.

[2]牛晨曦,张辉.一种基于FPGA的Viterbi译码器[J].现代电子技术,2005,28(3):56-57.

[3]肖扬.Turbo码与LDPC编解码及其应用[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[4]王新梅,肖国镇.纠错码:原理与方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[5]陈新永,杨瑞娟,肖玉芬,等.基于FPGA的卷积码Viterbi译码器性能研究[J].现代电子技术,2008,31(7):97-98,102.

[6]蔡志龙,冯文江,杨洋.一种基于FPGA的Viterbi译码器优化算法[J].现代电子技术,2008,31(17):105-107.

[7]韩可,邓中亮,施乐宁.(2,1,7)卷积码Viterbi译码器FPGA实现方案[J].现代电子技术,2007,30(15):90-92,96.

[8]王连成.基于FPGA的Viterbi译码器设计[J].电子元器件应用,2010,12(5):39-40.

[9]郑宇驰,周晓方,闵昊.OFDM系统中Viterbi译码器的设计及FPGA验证[J].复旦学报:自然科学版,2005,44(6):923-928.

篇9：《算法及其实现》的备课教案

关键词：多描述编码；标量量化；Matlab；码率

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)16-31148-01

Image MDSQ Arithmetic And Its Implementation Using Matlab

JIANG Yu-zhen

(Department of Mathematics and Information Technology,Hanshan Normal University,Chaozhou 521041,China)

Abstract:Multiple description image coding Arithmetic based on scalar quantization (MDSQ) can effectively improve the data receival quality. The paper completes the MDSQ Arithmetic using Matlab due to its advantage in matrix processing,and proves its feasibility by analyzing the experiment results.

Key words:multiple description coding;scalar quantization;Matlab;rate

1 引言

高速网络环境下，传统基于包的数据传输通常会面临丢包或误码等问题，这在一定程度上影响了信息传输的效率及接收的效果。近年来多描述编码（Multiple description coding, MDC）作为一种可选的解决方案已开始受到关注。多描述编码技术将信号分解成多个独立的码流，即描述，并通过不同的信道传输，因而以分散的、低码率的数据码流形式来增强信号的稳健性。当只接收到一个描述时，可恢复出粗糙但可以接收的信息，接收描述个数越多，恢复的信息质量越高。MDC技术使信号的传输更具灵活性，可适应各种网络环境的传输并在各种环境下尽量获取最佳接收效果，该技术尤其适合图像、视频、音频等多媒体信息的传输。

2 图像MDSQ算法

目前基于图像的多描述编码方法主要有基于量化、基于变换和基于空间扩展等几类[1]。在实际应用中，评价一个MDC算法的优劣主要依据编码效率、编码难度和解码质量等几个方面。基于标量量化的图像多描述编码（MDSQ）算法就是一个成熟的、综合性能较高的多描述方法。

MDSQ方法需要设计一个复杂的量化标号函数，用于对信源进行不同精度的量化。其基本思想是：信源通过不同的大步长量化可得到多个描述，即大步长量化信号，而当多个描述相互结合时可得到精细量化信号。两个描述的MDSQ算法模型如图1所示。其原理是：先将信源用量化器Q1和Q2进行标量量化，将量化结果输入标号分配函数a( : )进行标号分配以得到两个描述。在解码端，如果只收到一个描述，可用边解码器g1或g2直接解码，若两个描述均收到，则形成索引对（i,j），通过中央解码器g0解码可得到更精确信息。MDSQ的量化模式如图2所示。

图1 两个描述的MDSQ模型

图2 MDSQ的量化模式

MDSQ的关键之处是标号分配函数a( : )的设计，即标号分配问题，标号区间的长度及标号分配方案将直接影响算法性能。文献[2]在对该问题进行研究基础上收提出了两种不同的标量分配方案——嵌套标号分配和线性标号分配，如图3(a)和3(b)所示。

(a)嵌套分配模式 (b) 线性分配模式

图3 MDSQ的两种标号分配模式

3 Matlab仿真实验及结果分析

3.1Matlab实验及程序

基于Matlab对矩阵操作的灵活性，实验尝试用Matlab编程实现MDSQ的嵌套标号方案(线性标号方案也类同)。编码端采用的方法是：先对图像信号进行22级量化，然后通过索引Q1、Q2线性表以得到两个量化结果，即两个描述。在解码端，则对接收的两个描述分别索引Table1、Table2，以及联合索引Table0以获取不同的解码图像。具体程序如下：

编码端：

I=imread('CAMERA.bmp');

[a,b]=size(I);

Q1=[1 2 1 2 2 3 3 4 3 4 4 5 5 6 5 6 6 7 7 8 7 8];

Q2=[1 1 2 2 3 2 3 3 4 4 5 4 5 5 6 6 7 6 7 7 8 8];

Temp=uint8(zeros(a,b));

I1=uint8(zeros(a,b)); I2=uint8(zeros(a,b));

k=256/22;

Temp=fix(double(I)/k)+1;

I1(1:a,1:b)=Q1(Temp(1:a,1:b));

I2(1:a,1:b)=Q2(Temp(1:a,1:b));

save I1,I1; save I2,I2;

解码端：

load I1; load I2;

[a,b]=size(I1);

Table1=[2 3.5 7.5 9.5 13.5 15.5 19.5 20.5 ];

Table2=[1.5 4.5 6.5 10.5 12.5 16.5 19.5 21.5];

Table0=[1 3 0 0 0 0 0 0; 2 4 5 0 0 0 0 0;

0 6 7 9 0 0 0 0;0 0 8 10 11 0 0 0;

0 0 0 12 13 15 0 0;0 0 0 0 14 16 17 0;

0 0 0 0 0 18 19 21;0 0 0 0 0 0 20 22];

T1=zeros(a,b); T2=zeros(a,b); T0=zeros(a,b);

T1(1:a,1:b)=Table1(I1(1:a,1:b));

T2(1:a,1:b)=Table2(I2(1:a,1:b));

for i=1:a;

for j=1:b;

T0(i,j)=Table0(I1(i,j),I2(i,j));

end;

end

k=256/22;

T1=uint8((T1-1)*k+k/2);

T2=uint8((T2-1)*k+k/2);

T0=uint8((T0-1)*k+k/2);

figure;imshow(T1);imwrite(T1,'描述1.bmp');

figure;imshow(T2);imwrite(T2,'描述2.bmp');

figure;imshow(T0);imwrite(T0,'两描述.bmp');

3.2实验结果及分析

对256*256的8位灰度图“CAMERA.bmp”进行MDSQ编/解码码后，得到三种解码图像如图4所示，这里仍采用峰值信噪比PSNR，来对三种解码图进行客观评价，三个解码图的PSNR值分别为24.56、25.13和37.39。可见，接收到单个描述可获得一定质量的解码图，而两个描述均收到时则可得到高质量图像。由于Matlab中图像的最小空间处理类型为uint8，即8bit每个像素，该程序还不能体现单个描述的压缩码率。本算法中单个描述的数据值范围是1~8，根据香农（Shannon）理论[3]，其图像码率将不高于3dpp，具有了较好的编码效率。

(a)描述1解码图 (b)描述2解码图 (c)两个描述联合解码图

图4 MDSQ三种解码图效果

4 小结

基于量化的图像多描述编码是提高信息传输质量的一种有效方法，本文利用Matlab工具在处理矩阵上的灵活性，以简洁的程序实现了MDSQ算法，并通过实验结果的分析证明该方法良好的多描述性能。在实际应用中，还可以根据信息及网络的特点，灵活设定量化步长及标量分配方案以取得最佳的编码效果。

参考文献：

[1]张炜,蒋刚毅.等.图像信号的多描述编码方法[J].中国图象图形学报,2004.9(3):257-264.

[2]Vaishampayan V A.Design of multiple description scalar quantizer[J].IEEE Transactions on Information Theory,1993,39(3):821-834.

[3]林福宗.多媒体技术(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2003.3:45-46.

篇10：《算法及其实现》的备课教案

一、胶体与溶液、浊液之间最本质的区别是什么？

胶体与溶液、浊液之间最本质的区别是分散质粒子的大小不同。溶液分散质直径＜ －9－10 m，浊液分散质的直径是＞107 m，而胶体的分散质直径介于二者之间。

溶液、胶体和浊液由于分散质粒子大小不同，而在性质上、外观上也有许多不同。比较如下：

二、胶体化学的研究历史

人们在古代就接触和利用过很多种胶体。例如，生活中遇到的面团、乳汁、油漆、土壤等，都属胶体范围。

1663年，卡西厄斯（Cassius）用氯化亚锡还原金盐溶液，制得了紫色的金溶胶。从十九世纪初，人们开始了对胶体的科学研究。1809年，列伊斯使用一支U型管，管底中部放一粘土塞子，盛水后通电。他观察到粘土的悬浮粒子向阳极移动，而阴极一臂中的水位则上升。这个实验证明了粘土粒和水两个相，带有相反的电荷，这种现象叫做“电泳”。1827年，英国植物学家R·布朗（R·Brown，1773～1858）用显微镜观察水中悬浮的藤黄粒子，发现粒子不停顿地在运动着，后来人们就把胶体粒子所呈现的这个重要现象称作“布朗运动”。

1838年，阿歇森（Ascherson，德）在鸡蛋白的水溶液中加入一些橄榄油，使之呈悬浮的微滴。他在研究这种油滴的行为时，看到鸡蛋白在油滴与水（介质）的界面上，形成了一层膜。这一实验表明，在这种情况下蛋白质形成了几分子厚度的一层薄膜，而变得不能溶于水了，这种现象叫做“变性”作用，他同时还发现油滴在蛋白质的“保护”下也不能“聚结”了。1845～1850年间，塞尔米（F·Selmi，意）对无机胶体作了系统的研究，包括AgCl溶胶的生成条件以及盐类对它的凝聚作用。

1857年，法拉第曾做试验，他使一束光线通过一个玫瑰红色的金溶胶。这个溶胶原来也像普通的溶液一样是清澈的，但当光线射过时，从侧面可以看到在此溶胶中呈现出一条光路。后来丁达尔（J·Tyndall，1820～1893，英）对此现象作了广泛的研究，以后人们就把这一现象称做“丁达尔效应”。此外，法拉第还曾做试验，他往无机溶液中先加入动物胶，再加入适当的沉淀剂时发现这时原来的沉淀作用不再发生了，这种作用后来被称做“保护”作用。

1861～1864年间，格雷哈姆（T·Graham，1805～1869，英）对胶体进行了大量的实验。为着区别胶体和晶体，他首先提出了胶体(colloid)这一名称。他指出动物胶是典型的胶体，不结晶，在水中扩散时要比晶体慢得多。他采用过以羊皮纸作半透膜的渗析法，膜的微孔只能让溶液中原为晶体物质的溶质粒子透过，而胶体粒子则穿透不过去。因此他就用这种方法来纯制胶体。他还发现虽然晶体物质的溶质粒子比动物胶类的胶体粒子小得多，但若有许多这类溶质粒子聚集在一起，也能形成一个胶体粒子，金溶胶的形成就属于这种情况。格

雷哈姆还区别了溶胶和凝胶，指出硅酸和氢氧化铝的沉淀就属于后者。他还研究了凝胶的“胶溶”现象和“脱水收缩”现象。他对胶体的这些方面的研究，导致建立了一门有系统性的学科——胶体化学。十九世纪末，人们对半透膜的渗析方法，又通以电流，发展成为电渗析法；另外还通过加压，发展为“超滤法”。1911年，唐南（T·G·Donnan，英）又提出了半透膜平衡的理论，并且为实验所证明。

关于胶体的定义，1907年法伊曼（П·П·Ваймарн，1879～1935，俄）明确地提出了胶体的概念，认为它是物质处在一定程度的分散状态，即粒子大小在十至一千多埃之间。同年，奥斯特瓦尔德进一步对胶体作出新的定义，认为胶体是一种多相体系，由分散相胶粒和分散介质所构成。前者可以是固、液或气体（溶胶、烟、雾、泡沫、膜等）。由于当物质处于高度分散的胶粒状态时，扩展出了很大的界面，因此胶体化学的研究又与表面化学密切联系起来了。

表面力导致吸附现象。J·W·吉布斯在1876年应用热力学，研究了等温吸附，指出，借测量溶液的表面张力，可以计算出液体表面的吸附量。但他的这一理论当时并未引起人们的注意，只是在三十多年后才由实验所证实。1906年，富朗特里希（H·Freundlish)研究了木炭等吸附剂从脂肪酸溶液中吸附溶剂的性质，总结出了经验公式，称做“富氏吸附公式”。1916年，朗缪尔（I·Langmuir，1881～1957，美）又从分子运动论推导出“朗氏吸附公式”，但这一公式只适用于单分子层。次年，他又设计一种“表面天平”，可以计量液面上散布的一层不溶物质的表面积，由此能计算后者的分子截面。1938年，布仑诺厄（S·Brunauer）、爱麦特（P·H·Emmett）和特勒（E·Teller）把朗氏公式推广到多分子层吸附现象，求得一个比较广泛适用的多分子层吸附等温线公式，即后来的所谓“BET公式”，从而建立了现代测定固体比表面的标准方法，它对于催化作用的定量研究起了重大的推进作用。

另一方面，对胶体粒子的直接观察，在二十世纪初也有了进展，1903年，西登托夫（H·Siedentopf，1872～1940）和齐格蒙第（R·Zsigmondy，1865～1929，瑞士）发明了观察胶体粒子运动的超显微镜，实际上观察到的是散射光，即胶粒以一个个亮点的形式而呈现。一般显微镜只能看到2000埃以上的物象，而超显微镜则可以观察到小至100埃的粒子。贝仑（J·B·Perrin，1870～1942，法）就曾借这种仪器进行试验，他把一定大小的藤黄小球悬浮在水中，由于受到地心引力的作用，形成了沉降平衡，由此可以求得阿伏加德罗常数。

1913年，德国鲁斯卡（E·Ruska)、麻尔和阿登内（V·Ardenne）发明了电子显微镜，用电子束代替普通光线，并运用磁镜聚焦，这样能达到三十万倍的线性放大，能观察到10埃以上大小的物像，这也就是胶粒大小的低限。电子显微镜通过复制技术，更可以用来观察表面膜内小至约10埃的胶粒。

为了能够确定一个胶体粒子的“分子量”，1923年，瑞典斯维德贝格（T·Svedberg,1884～）设计了超离心机，获得的引力常数达30万倍于地心引力常数，为测量蛋白质分子在水中的沉降速度创造了条件，从而能计算蛋白质的分子量。他的一些测定结果如下：

牛胰岛素

46，000 人血红朊

63，000 人血清球朊

153，000 章鱼血清朊

2，800，000 烟草花叶病毒

31，400，000 斯维德贝格的工作在亲液胶体方面取得了重大的成就，对蛋白质及高分子溶液的深入了解提供了有力的研究手段。

另一方面，由于憎液胶体具有很大的相界面，从热力学的观点来衡量，它是不稳定的体系。因此有关胶体稳定性的研究便成为胶体化学的中心课题之一。本世纪四十年代，苏联人

杰里雅金（Дерягин)、朗道（Ландау)、荷兰人费韦（Verwey），以及乌弗贝克（Overbeek)，各自独立地建立了胶体稳定性的理论，称做DLVO理论。这个理论考虑了质点之间由于双电层的存在而引起的斥力，以及质点之间的范德华力。这样，便第一次从理论上定量地解释了质点形状比较简单的胶体的稳定性，因此对胶体化学的发展有着重大的影响。

综观二十年代利用超离心机的实验，三十年代多层吸附理论和四十年代憎液胶体稳定理论的建立，可以说是最近半世纪中胶体化学领域内的三大成就。

有一类物质，如肥皂、染料，具有很奇特的性质。按其溶液的依数性，可以断定质点的数目很少，但其电导率却很高，并且其电导率与浓度的关系也与一般电解质很不一样。这类物质的另一特点是有增溶作用。麦克班（J·W·McBain，美）在本世纪初期，系统地研究了这类物质的性质，开辟了所谓胶态电解质的领域。他证明，在溶液中，这类物质的分子或离子能聚集成胶团，从而解释了它们的许多特性。近代表面活性剂的多样化应用，正是在这一理论基础上发展起来的。

1936年，缪勒（Erwin Wilhelm Müller，美籍德人）发明了场发射显微镜。他是利用一个高熔金属（钨、铂）的尖端为阴极，在高电场作用下，使该尖端发射出电子，并将其投射在荧光屏上，形成尖端上原子的电子投射象，分辨本领约达20埃。1951年，缪勒进一步将尖端改为阳极，令氦离子投射在屏上，成为场离子显微镜，分辨本领能达到2埃。这些仪器适用于观察表面原子的微观排列，包括被吸附的物质。再结合超高真空技术，它已成为现代研究固体表面结构的有力工具。

当前，胶体化学正在研究的课题大致有：（1）第一吸附层的本性，（2）电化学反应的机理，（3）湿润作用的本性等。此外，还有一些问题有待于创造研究条件，然后才能找到解决的途径。例如：从溶液中吸附的单分子层区；表面层机械性能的本性；泡沫和乳胶的本性等问题。

胶体化学的应用范围，涉及到很多工业部门。近年来对油漆膜的物化性能、催化剂的作用机理、生物膜及合成膜的选择性渗透机理等研究，都受到重视。胶体化学还深入到分子生物学的其他领域。大气污染中气溶胶的形成与破除又是一项重要的课题。自从塑料、橡胶、合成纤维工业兴起以来，胶体化学的研究与高分子化学的联系更加密切。

三、胶体的结构

当溶胶通以直流电时，可以看到胶粒向某一电极移动，这种现象叫做电泳。它说明胶体粒子是带电的。要认识胶体的结构，首先必须了解胶粒为什么会带电。胶粒带电的原因，是由于胶体是高分散的多相体系，具有巨大的界面（总表面积），因而有很强的吸附能力。它能有选择地吸附介质中的某种离子，而形成带电的胶粒。

关于胶体的结构，现在认为，在胶体粒子的中心，是一个由许多分子聚集而成的固体颗粒，叫做胶核。在胶核的表面常常吸附一层组成类似的、带相同电荷的离子。例如，硝酸银

－与氯化钾反应，生成氯化银溶胶，若氯化钾过量，则胶核氯化银吸附过量的Cl而带负电，＋若硝酸银过量，则氯化银吸附过量的Ag而带正电。

当胶核表面吸附了离子而带电后，在它周围的液体中，与胶核表面电性相反的离子会扩散到胶核附近，并与胶核表面电荷形成扩散双电层（如图）。扩散双电层由两部分构成：

扩散双电层

（1）吸附层

胶核表面吸附着的离子，由于静电引力，又吸引了一部分带相反电荷的离子（以下简称反离子），形成吸附层。

（2）扩散层

除吸附层中的反离子外，其余的反离子扩散分布在吸附层的外围。距离吸附层的界面越远，反离子浓度越小，到了胶核表面电荷影响不到之处，反离子浓度就等于零。从吸附层界面（图的虚线）到反离子浓度为零的区域叫做扩散层。

这里再以氯化银溶胶为例来说明。包围着氯化银胶核的是扩散双电层（吸附层和扩散层），胶核和吸附层构成了胶粒，胶粒和扩散层形成的整体为胶团，在胶团中吸附离子的电荷数与反离子的电荷数相等，因此胶粒是带电的，而整个胶团是电中性的。

由于胶核对吸附层的吸引能力较强，对扩散层的吸引能力较弱，因此在外加电场（如通直流电）作用下，胶团会从吸附层与扩散层之间分裂，形成带电荷的胶粒而发生电泳现象。

下图是硅酸胶团结构示意图。m个SiO2·nH2O分子聚集成胶核，胶核表面的H2SiO

32有微弱的电离，胶核选择吸附与其组成类似的n个SiO3，H为反离子，总数为2 n个，其

＋

2中2（n－x）个为带负电的SiO3所吸引，共同构成胶粒中的吸附层，其余的2x个H则分

＋布在扩散层中，它的胶团结构也可以用下面式子来表示。

硅酸溶胶是土壤胶体中的重要部分，而土壤胶体又是土壤中最重要、最活跃的部分，植物营养的吸收，土壤中的各种反应，大都集中在这一部分。

硅酸胶团结构示意图

胶体在土壤肥力上起着巨大作用，在工农业生产上有着重要意义。

四、高分子凝胶的智能化

高分子凝胶是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂组成的体系，由于它是一种三维网络立体结构，因此它不被溶剂溶解，同时分散在溶剂中并能保持一定的形状。溶剂虽然不能将三维网状结构的高分子溶解，但高分子化合物中亲溶剂的基团部分却可以被溶剂作用而使高分子溶胀，这也是形成高分子凝胶的原因之一。

高分子凝胶的智能化表现在以下几方面。当外部环境的pH、离子强度、温度、电场以及环境中所含有的其他化学物质发生变化时，高分子凝胶即呈现出“刺激—应答”状态。例如在高分子凝胶中出现相转变，表现为网络的网孔增大、网络失去弹性、网络的体积急剧变化（可变化几百倍之多），甚至在三维网络结构中不再存在凝胶相。而且这些变化是可逆的和不连续的。

上述这些变化使高分子凝胶的体积既可以发生溶胀，又可以收缩，利用这种性质设计出一种装置，它具有肌肉的功能，这种人造肌肉制成机械手类似于智能机器人的手，能够拿东西。

我们可以看出，这种人造肌肉是被谁指令的呢？那就是上面指出的外部环境的各种物理性质和化学性质发生的变化。

这种具有三维网络结构的高分子凝胶的溶胀行为还可以由于糖类的刺激而发生突变，这样，高分子溶胀行为将受到葡萄糖浓度变化的指令。

葡萄糖浓度信息对于糖尿病患者是很重要的，如果以这种含葡萄糖的高分子凝胶作为负载胰岛素的载体，表面用半透膜包覆，在此体系中随着葡萄糖浓度的变化，高分子凝胶将作出响应，执行释放胰岛素的命令，从而有效地维持糖尿病患者的血糖浓度处于正常。

五、纳米材料

纳米材料是近年来受到人们极大重视的一个领域。它至少可以分为以下三类：

（1）金属与半导体的纳米颗粒。这种物质当颗粒尺寸减小到纳米级时，金属颗粒的能级，从准连续能级变为离散能级，最后达到类似分子轨道的能级。这时，它们的电学、磁学、光学性质都会发生突变。不同物质有不同的尺寸临界值。这类物质是物理学家研究的对象。

（2）Al2O3、MgO、某些硅酸盐等绝缘体，它们的纳米颗粒早已被人们研究（如催化剂、陶瓷材料等），在一般情况下并不呈现特殊的电学性能。

（3）化学家早已合成出的许多大分子、如冠醚化合物、树型化合物、多环化合物、超分子化合物、富勒烯等等，它们的分子尺寸可达几纳米，甚至几十纳米。一些生物活性的大分子也可以归入此类。这些化合物的电子能级一般都表现出分子轨道能级的特点，有时会出现离子导电。它们的导电性质与颗粒尺寸的关系不明显，与金属纳米颗粒的性质有很大的差别。但是，这一类大分子化合物，当分子结构达到一定尺寸和复杂程度时，会出现一些特殊性质，如自修复、自组合等，形成更复杂的结构。以富勒烯为例：

1985年，英国化学家Kroto，美国化学家Curl和Smalley在研究碳原子形成团簇（cluster)的条件和机制时，首次在质谱图上观察到C60和C70的存在。后来因为受到建筑学家Fuller所设计的拱形圆顶建筑的启发，想出了C60的结构应当和足球相似，是由12个五边形和20个六边形组成的中空的球形分子。

值得重视的是，富勒烯的合成也是以碳原子（用电弧放电法使石墨气化）为真正的原料。和人造金刚石的思路有异曲同工之妙，关键在于如何控制碳原子形成团簇时多种可能采取的结构途径之间的比例。

左下图是富勒烯家族中的一些“成员”的结构示意图。右下图是近年来倍受重视的碳纳米管的结构模型图。这种材料因为可以在管上的碳原子处通过形成化学键的方式和其他功能分子相连接，有可能成为一种比较容易制备且可多点连接的分子导线而受到关注。此外，利用它做一种模具，设法在其中充以金属氧化物（可通过硝酸盐的分解来得到），经过还原可制备出纳米量级的金属“细丝”。纳米材料是一个全新的材料科学领域，可作超导材料。

1991年日本Sumio Lijima用电弧放电法制C60得到的碳炱中发现管状的碳管碳的壁为类石墨二维结构，基本上由六元并环构成，按管壁上的碳碳键与管轴的几何关系可分为“扶手椅管”“锯齿状管”和“螺管”三大类，按管口是否封闭可分为“封口管”和“开口管”，按管壁层数可分为单层管（SWNT）和多层管（MWNT）。多层管有点像俄国玩具“套娃”，层

－间距为340 pm，比石墨的层间距335 pm略大。管碳的长度通常只达到纳米级（1 nm=109 m）。

C60自从发现以来，一直是科学家关注的物质。近年的研究发现，C60分子被发现及制备后，其独特的光电磁性引起科学家的浓厚兴趣。例如：C60的超导温度为18 K，当掺杂CHCl3后超导温度提高到80 K，当掺杂CHBr3后超导温度提高到117 K。另外，一般的高分子中引入少量C60后，能产生较好的光电导性能，可用于高效催化剂、紧凑型高能电池、光化学装置及化学传感器。水溶性的高分子C60衍生物将应用于生物与药物中，其抗病毒试验已得到令人惊奇的结果。据最近的研究结果表明，C60具有治疗艾滋病的功效。含C60衍生物能与许多物质发生化学反应。

六、趣味实验 胶体粒子的电泳 操作：

（1）用直径为12厘米培养皿作槽体，槽里加入0.1%的硝酸钾溶液，然后用滴管伸到硝酸钾稀溶液的下面，缓慢地加入硝酸钾饱和溶液，使稀、浓溶液之间形成一个界面。

（2）在槽中央硝酸钾稀溶液里轻轻滴入几滴氢氧化铁溶胶，使它在稀、浓溶液的界面处形成一个圆珠，如图所示。

（3）小心地插入两片碳电极，接通20～30伏的直流电源后，氢氧化铁胶粒逐渐向阴极移动，致使阴极附近溶液的颜色变深。说明氢氧化铁胶体粒子带正电。

七、卤水为什么可以点豆腐

答：豆浆是胶体，卤水是一种镁盐，这种盐使豆浆胶体发生凝聚，所以卤水能点豆腐，豆腐是一种凝胶。

解析：胶体中分散质的直径大小决定了胶体具有独特的性质。①丁达尔现象：此现象是胶体的光学性质，是胶体粒子对光的散射而形成的；②布朗运动：是胶体的力学性质，是胶体粒子受到分散剂分子在每一方向不均衡碰撞造成的；③电泳现象：是胶体的电学性质。这是由于胶体具有较大的表面积，能吸附阳离子或阴离子，使得胶粒带有正电荷或负电荷。在外加电场作用下带电胶粒向阴极或阳极作定向移动。④胶体粒子由于都带有相同电荷，它们之间相互排斥而达到相对稳定状态，当向胶体中加入某电解质时，破坏了胶粒之间的排斥力，使胶粒凝聚而沉积下来。卤水点豆腐就是这个原理，此过程称胶体的凝聚。

八、能否使用两种不同品牌的蓝黑墨水？

答：不能，同时使用两种不同牌子的墨水，会出现钢笔堵塞现象。