不插电编程课 | 文字和图片的压缩
我
们每天使用的数据，从文字、图片、声音到视频，无一不是经过压缩的，而压缩、解压的过程隐藏在了各种 App、服务的背后。那么我们的孩子们能 get 到“压缩”的 sense 吗？他们能理解图片和文字压缩的原理吗？
这堂课我们是这样教孩子压缩的原理的。
课程目标
★ 理解并使用文字、图片的基本压缩方法
★ 培养计算机科学素养
课程工具
★ 英文儿歌《Pease Porridge Hot》解码游戏纸
★ 英文儿歌《Hickory dickory dock》打印稿
★ 英文儿歌《Three blind mice》打印稿
★ 图片压缩游戏纸
★ 白板&白板笔
★ 签字笔
课程时长
90 ~ 120 分钟
课程设计思路
本课的文字压缩编码方法参考了 LZ 编码 ( Ziv-Lempel Coding ) 方法，既是从一段文字中找出重复的字符或字符串，标注好相互参考关系后，将重复的划掉，剩余字符越少越好，参考关系越简单越好。
本课的图片压缩编码方法参考了变动长度编码 ( RLE, run-length encoding ) 方法，以黑白两色的像素图案说明，用数字标注每行黑、白像素的数量。
同之前的课程一样，我们用游戏的形式让孩子理解压缩的原理：文字部分采用英文儿歌，其文字简单、重复部分多；图片部分仅用非常简单的黑白图片；游戏过程设计了正向编码和反向解码两个过程，保证孩子理解和运用。
本课程内容仅涉及编码原理，不涉及实现方法；是为计算机科学基本素养内容。
课程设计思路
我们可以从上节课开始说起。
上节课的搜索算法，搜索的是庞大的数据。而这些数据在互联网上传输的时候，实际上是经过压缩的。
我们为什么要压缩数据？数据压缩了以后，体积更小，传输更快，我们就能更快的看到我们想看到的内容。
那我们是如何压缩这些数据的呢？我们又是如何把压缩的数据还原的呢？
今天我们就一起来玩玩压缩和还原压缩（解压缩）的游戏！
先以文字数据为例，一起来看看我在白板上写好的儿歌《the Rain》。
Pitter patter
Pitter patter
Listen to the rain
Pitter patter
Pitter patter
On the window pane
The Rain
老师先带着孩子一起读读这首小诗，感受一下诗歌的韵律和美感。简简单单的几个单词，那淅淅沥沥的小雨拍打着窗格，仿佛就在眼前。多么恬静，多么诗意，多么美。
有些孩子歪着脑袋眨着眼睛，被语言的美丽陶冶着。
但是也会有些孩子喊：“这怎么成了英语课了？我不想学英语！?”
我不知道英语课对这些孩子做了什么 ?，怎么提到学英语就这么抗拒。
我们这就是在学习！学习哪里分什么语文课数学课英语课，每时每刻，每件事情，我们都是在学习，也都是在玩耍！我们要抓住每一个机会去学习，去感受，管它是什么课呢！
感受完了，我们要开始去压缩它了。
“我们的目标是要删除掉尽可能多的字母！但是我们也要让那些没有读过这首诗的人，拿到压缩后的文字，也能把诗原样还原出来！大家看看有没有什么办法？”
孩子很快发现，这里有很多重复的句子，我们留住第一句，后面的都能删了！
把句子画上线框，用带箭头的线连接，就可以把后面的重复语句从线框里删除了！
整句的文字删除后，孩子一般不会想到单词内字符串的提取和替换；接下来还有单个字母的提取替换。老师要带着孩子，一步步细化下去。最终孩子们会惊叹于仅留下如此少的字符，但我们仍然可以还原出整个小诗。
例子讲解完后，我们就要做第一个游戏啦！还原诗歌《Pease Porridge Hot》！
给每个孩子发游戏纸和签字笔。这次用签字笔是因为孩子需要画很多连线，如果用比较粗的彩笔，会乱成一团。
孩子开始还原之前，要提醒孩子：压缩诗歌时，我们要先从整句开始，到一串字母，再到单个字母；但在还原诗歌时，我们就要反过来，先解决单个字母，再看一串字母，最后看整句话。
还原后，我们同样要一起把这首诗歌朗诵、欣赏一遍。原来外国小朋友经常喝豌豆粥 (pease porridge) 啊，我们好像没有这个习惯呢。
“他们应该喝绿豆粥！绿豆粥降火！”
哈！好吧！?
做了还原压缩，接下来我们该做正向的压缩了！
给孩子们下发《Hickory dickory dock》
有些孩子还学过这首儿歌，那干脆大家一起唱一唱吧！
压缩的原理孩子们都会了，无需多言，开始吧！看看能剩下多少字母？
过程中，孩子们容易犯的错误，是先从单个的字母开始找；这样会让压缩过程变得非常零碎，连接线又多又乱，孩子们马上就头大了。老师需要多次提醒孩子们：多关注整体，多关注重复的字母串，最后再看单个字母。
最后到底能剩下多少字母？几乎每个孩子的答案都不一样，因为精简细化的深度不一样。其实答案不重要，老师不必要求他们做到最优化，只要孩子们能正确的运用了这个原理即可。
为了加强效果，我们继续压缩下一首诗《Three blind mice》。下发打印稿。
同样是一首脍炙人口的儿歌。老师教大家一起唱一下吧。
到了这第三个游戏，孩子们差不多已经可以熟练掌握压缩方法，并能正确实施压缩先后步骤了。有的孩子反应眼睛有点累，游戏结束后，可以课间休息。
休息的时候，有孩子跑来问了我一个特别好的问题：“可是老师，电脑里的文字没有那么多线啊？电脑是怎么还原压缩的呢？”
这个时候，老师要告诉孩子，我们今天学的只是压缩的原理，并不是真正实现的方法。我们先明白电脑都做了些什么就好了，至于是怎么做的，对我们现在来说还太难了，我们以后学了更多的基础知识，一定把它好好研究一下！?
休息结束！文字的压缩游戏玩完了，我们要开始玩图片的压缩了！
我们就先从最简单的图像开始入手。假设这幅图片里，只有一个字母 a。
我在白板上画下字母 a 。
就是酱紫。一个蓝色的字母 a ，没有其他任何物体。如果我们把这张图片不断地放大、放大、放大，我们能看到什么呢？
我在白板上画下一个 5X6 的方格阵，又把里面的部分方格涂黑，形成一个大大的 “a” 字母。
我们看到的图片，实际上就是由这些特别小的不同颜色的小方块在一起组成的。
讨论到这里，可以把“像素”的概念教给孩子们。
接着在讨论如何“压缩”图片之前，我们要先确定一下如何“描述”图片。
我们前面已经学习了二进制的概念，我们是不是可以用二进制来表示这样一张图呢？
当然可以，分别用 0 和 1 代表两种像素，这样我们就要用30个数字来描述这幅图。
而我们“压缩”的目标，就是使用尽量少的数字来表示。
具体方法是酱婶的：
第一行，从左往右分别有1个白色像素，3个黑色像素和1个白色像素，我们就标记成 (1, 3, 1)；
同理，第二行就是 (4, 1)；
那到了第四行就出问题了。一个黑色像素，3个白色像素，一个黑色像素，也要标记成 (1, 3, 1) 吗？那和第一行怎么区分？方法是：第一个像素若是黑色像素，第一个数字我们就用 0 标记；第二个数字表示黑色像素的数量，第三个数字表示后面的白色像素，依次类推；所以这一行，我们就应标记成 (0, 1, 3, 1) 。
好像并不难嘛！? 那我们就来做个游戏试试看吧！
下发图片压缩游戏纸。
方格右边的数字已经给我们了，我们能不能画出左边的图案呢？
这是孩子们最喜欢的环节了。他们每涂一行，就会一起讨论，猜到底是什么图案，忙的不亦乐乎。
过程中也会碰到一些问题，老师要让他们自己想出解决方法。比如有的孩子总是看错行，该怎么办？马上有孩子说用纸盖住，露出一行涂一行；也有孩子说涂一行打个勾。还有孩子说哎呀老师我涂错了！黑白刚好涂反了！自己想了想又说，那我就都翻过来涂吧！不是也能看出来图案吗？?
多么聪明的孩子！
游戏纸上的三个方格阵都涂完，今天的课程就都结束了！下课之前老师还要带着孩子们回顾总结一下文字和图片压缩的原理，布置的作业是回家后想办法把爸爸妈妈也教会！（费曼学习法）
下课！
关于《不插电的编程课》
本课程是清华大学终身学习实验室《不插电的编程课》系列课程中的一节。
此系列课程面向刚刚步入小学的一年级学生，旨在用最简单的工具（摆脱电脑等复杂、昂贵的教具的限制），游戏化的学习方法，教孩子学习计算机科学知识。
往期回顾
特别鸣谢
本课设计过程中，得到了 TULLL研究主管、清华大学心理学系助理教授伍珍老师的大力帮助。
她在建立儿童自信心、成长型思维，培养儿童创造力方面，给出了诸多建议。
在此特别鸣谢！
©2016-2020 張飛 保留所有权利。
