Создание с помощью средств пакета Maple демонстрационных материалов в виде библиотеки процедур к уроку информатики по теме "Кодирование звука"

Департамент образования города Москвы

Государственное образовательное учреждениевысшего профессионального образования города Москвы

Московский городской педагогический университет

Математический факультет

Кафедра информатики и прикладной математики

Дипломная работа

По теме:

Создание с помощью средств пакета Maple демонстрационных материалов в виде библиотеки процедур к уроку информатики по теме

«Кодирование звука»

По специальности 050202.65 «Информатика»

Студента 5 курса

Рулёва Михаила Викторовича

Научный руководитель:

доктор педагогических наук,

профессор кафедры ИПМ

Корнилов Виктор Семенович

Москва, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Заключение 2

Библиография 2

Приложение 1 2

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ И КОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ШКОЛЬНОМ ОБУЧЕНИИ 5

§1.1 Сравнительный анализ инструментальных средств 5

§1.2 Maple-язык и его синтаксис 12

Вывод по первой главе 38

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ MAPLE ПРИ ИЗУЧЕНИЕ ТЕМЫ «КОДИРОВАНИЕ ЗВУКА» 40

§2.1 Психологические аспекты работы учителей и учеников с мультимедиа-средствами 40

§2.2 Извлечение из государственного стандарта 56

§2.3 Программная разработка библиотеки процедур по теме «Кодирование звука» 57

§2.4 Конспект урока по теме «Кодирование звука» с использованием разработанной библиотеки процедур (перечень индивидуальных заданий) 61

[6], [10], [11] 67

Вывод по второй главе 67

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69

БИБЛИОГРАФИЯ 70

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 72

Заключение

Библиография

Приложение 1

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы исследования. Информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) с каждым днем все больше проникают в различные сферы образовательной деятельности. Этому способствуют, как внешние факторы, связанные с повсеместной информатизацией общества и необходимостью соответствующей подготовки специалистов, так и внутренние факторы, связанные с распространением в учебных заведениях современной компьютерной техники и программного обеспечения, принятием государственных и межгосударственных программ информатизации образования, появлением необходимого опыта информатизации у все большего количества педагогов. В большинстве случаев использование средств информатизации оказывает реальное положительное влияние на интенсификацию труда учителей школ, а также на эффективность обучения школьников.

Одним из мировых лидеров в компьютеризации математических вычислений (в том числе символьных) является корпорация Waterloo Maple Inc. (Канада), выпускающая программный продукт Maple. Последняя версия Maple охватывает почти всю математику, начиная с элементарной математики и заканчивая специальными математическими разделами. Maple — математическое windows-приложение, позволяющее решать задачи из этого широчайшего диапазона за минимальное время.

Программы решений основных математических задач и геометрических построений, составленные авторами Maple, предоставляются пользователю только именами, в круглых скобках после которых вводятся необходимые данные. Учитывая зависимость от данных, их называют встроенными функциями. Задача пользователя — выстраивать из них и операторов нужные последовательности и задавать данные. Впрочем, часто оказывается, что достаточно воспользоваться одной из встроенных функций, тем более что их в Maple более 3000. Для сравнения, в MathCAD-2000 их только около 300.

Необходимость внедрения новых информационных технологий в учебный процесс не вызывает сомнений. Современное общество характеризует процесс активного использования информационного ресурса в качестве общественного продукта в условиях функционирования всемирной информационной сети, которая позволяет обеспечить доступ к информации без каких-либо существенных ограничений по объему и скорости транслируемой информации.

Цель дипломной работы: создать библиотеку процедур с помощью программы Maple к школьному уроку по информатике по теме «Кодирование звука».

Объектом исследования является процесс обучения информатике в основной школе.

Предметом исследования является использование пакета Maple в преподавании информатики при изучении темы «Кодирование звука».

Гипотеза исследования: использование компьютерного математического пакета Maple позволит оптимизировать учебный процесс и улучшить усвоение материала при изучении темы «Кодирование звука».

Задачи исследования:

1. Изучение учебно-методической литературы по компьютерному математическому пакету Мар1е;

2. Разработка конспекта урока по теме «Кодирование звука» с использованием пакета демонстрационных процедур, написанных с помощью языка Maple.

3. Разработка заданий по теме урока.

Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что разработан конспект школьного урока по информатике на тему «Кодирование звука» с применением компьютерного математического пакета Maple.

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ И КОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ШКОЛЬНОМ ОБУЧЕНИИ

§1.1 Сравнительный анализ инструментальных средств

Mathcad – программное средство, среда для выполнения на компьютере разнообразных математических и технических расчетов, снабженная простым в освоении и в работе графическим интерфейсом, которая предоставляет пользователю инструменты для работы с формулами, числами, графиками и текстами. В среде Mathcad доступны более сотни операторов и логических функций, предназначенных для численного и символьного решения математических задач различной сложности. Меню в Mathcad не представляет собой ничего необычного: как и во многих других программах имеются различные панели инструментов, панель форматирования. Кроме того есть панель "Математика", которая включает в себя такие панели как "Калькулятор", "Графика", "Матрицы", "Вычисления", "Исчисление", "Логический", "Программирование", "Греческий" и "Символьный". Эти панели содержат различные символы, не набираемые с клавиатуры, а также функции.

MATLAB – это интерактивная система, основным объектом которой является массив, для которого не требуется указывать размерность явно. Это позволяет решать многие вычислительные задачи, связанные с векторно-матричными формулировками, существенно сокращая время, которое понадобилось бы для программирования на скалярных языках типа C или FORTRAN.

Система MATLAB – это одновременно и операционная среда и язык программирования. Одна из наиболее сильных сторон системы состоит в том, что на языке MATLAB могут быть написаны программы для многократного использования. Пользователь может сам написать специализированные функции и программы, которые оформляются в виде М-файлов.

Система Mathematica, созданная лет десять тому назад, имеет чрезвычайно широкий набор средств, переводящих сложные математические алгоритмы в программы. Все так называемые элементарные функции и огромное количество неэлементарных; алгебраические и логические операции. Система Mathematica очень широко распространена в мире, ею захвачены огромные области применения в научных и инженерных исследованиях, а также в системе образования. [1]

Программа Maple (последняя версия 10.02) — своего рода патриарх в семействе систем символьной математики и до сих пор является одним из лидеров среди универсальных систем символьных вычислений. Она предоставляет пользователю удобную интеллектуальную среду для математических исследований любого уровня и пользуется особой популярностью в научной среде. Отметим, что символьный анализатор программы Maple является наиболее сильной частью этого ПО, поэтому именно он был позаимствован и включен в ряд других CAE-пакетов, таких как MathCad и MatLab, а также в состав пакетов для подготовки научных публикаций Scientific WorkPlace и Math Office for Word.

Пакет Maple — совместная разработка Университета Ватерлоо (шт. Онтарио, Канада) и Высшей технической школы (ETHZ, Цюрих, Швейцария). Для его продажи была создана специальная компания — Waterloo Maple, Inc., которая, к сожалению, больше прославилась математической проработкой своего проекта, чем уровнем его коммерческой реализации. В результате система Maple ранее была доступна преимущественно узкому кругу профессионалов. Сейчас эта компания работает совместно с более преуспевающей в коммерции и в проработке пользовательского интерфейса математических систем фирмой MathSoft, Inc. — создательницей весьма популярных и массовых систем для численных расчетов MathCad, ставших международным стандартом для технических вычислений.

Maple предоставляет удобную среду для компьютерных экспериментов, в ходе которых пробуются различные подходы к задаче, анализируются частные решения, а при необходимости программирования отбираются требующие особой скорости фрагменты. Пакет позволяет создавать интегрированные среды с участием других систем и универсальных языков программирования высокого уровня. Когда расчеты произведены и требуется оформить результаты, то можно использовать средства этого пакета для визуализации данных и подготовки иллюстраций для публикации. Для завершения работы остается подготовить печатный материал (отчет, статью, книгу) прямо в среде Maple, а затем можно приступать к очередному исследованию. Работа проходит интерактивно — пользователь вводит команды и тут же видит на экране результат их выполнения. При этом пакет Maple совсем не похож на традиционную среду программирования, где требуется жесткая формализация всех переменных и действий с ними. Здесь же автоматически обеспечивается выбор подходящих типов переменных и проверяется корректность выполнения операций, так что в общем случае не требуется описания переменных и строгой формализации записи.

Пакет Maple состоит из ядра (процедур, написанных на языке С и хорошо оптимизированных), библиотеки, написанной на Maple-языке, и развитого внешнего интерфейса. Ядро выполняет большинство базовых операций, а библиотека содержит множество команд — процедур, выполняемых в режиме интерпретации. Интерфейс Maple основан на концепции рабочего поля (worksheet) или документа, содержащего строки ввода-вывода и текст, а также графику.

Работа с пакетом происходит в режиме интерпретатора. В строке ввода пользователь задает команду, нажимает клавишу Enter и получает результат — строку (или строки) вывода либо сообщение об ошибочно введенной команде. Тут же выдается приглашение вводить новую команду и т.д. [4]

Сравнительный анализ систем компьютерной математики

Критерий сравнения	Mathcad	MATLAB	Mathematica	Maple
Интерфейс	Типа "wysiwyg". Набор выражений происходит от позиции курсора. Выражений с клавиатуры приходится вводить относительно немного, так как в командном окне имеются различные палитры инструментов.	Три окна: командное окно, все переменные и их типы и окно подсказок. Есть строка приглашения, обозначается знаком ">>". В отличие от Mathcad все функции приходится вводить с клавиатуры.	Строка приглашения в отличие от MATLAB разделена на две области: ввода и вывода, которые составляют вместе область всего выражения. Область ввода можно редактировать. Также имеется палитра с греческими буквами, различными символами и панель матанализа.	Интерфейс пользователя поддерживает концепцию рабочих листов ("worksheets"), которые объединяют текст, входные команды, вывод и графику в одном документе/ Программа позволяет одновременно работать с несколькими рабочими листами и устанавливать между ними динамические связи, то есть переводить вычисления с одного листа на другой.
Работа с массивами и матрицами	Предоставлен достаточный набор функций для проведения различных операций с матрицами и векторами. Некоторые операции можно брать с соответствующей палитры, другие - вводить с клавиатуры или вставлять из меню Вставка-функции.	Аналогично Mathematica матрицы и вектора формируются при помощи списка элементов. Функции вводятся с клавиатуры.	Многомерный набор данных создается с помощью списка, который вводится с клавиатуры. Также с клавиатуры вводятся и функции для работы с матрицами и векторами.	Аналогично Mathematica матрицы и вектора формируются при помощи списка элементов. Функции вводятся с клавиатуры.
Решение уравнений	Различает решение уравнений и систем уравнений. Команды можно набирать с клавиатуры, можно вставлять из меню.	Решает уравнения и системы уравнений функцией с различными параметрами.	Содержит несколько функций для решения уравнений и систем уравнений. Функции могут находить корни уравнений с параметром. Также имеется функция для особых решений.	Решает уравнения и системы уравнений
Математические операторы	Приведен в таблице целый ряд операторов, как простых типа сложения, так и вычисления суммы, произведения, интегралов и производных и т.д., которые можно вводить с клавиатуры или вставлять из соответствующей палитры.	Здесь в отличие от Mathcad все операторы вводятся с клавиатуры в виде отдельных символов и функций. Дан относительно подробный список операторов.	Также, как и в MATLAB операторы приходится вводить с клавиатуры, но некоторые можно найти и на палитре инструментов.	Помимо функций в математических системах для записи математических выражений используются специальные знаки — операторы. К примеру, вычисление квадратного корня часто записывается с помощью его специального знака — V. Достаточно хорошо известны операторы сложения +, вычитания -, умножения , деления / и некоторые другие. Операторы обычно используются с операндами в виде констант или переменных, например в записи 2 (3+4) числа 2, 3 и 4 — это операнды, а знаки * и + — операторы. Скобки используются для изменения порядка выполнения операций. Так, без них 23+4=10, тогда как 2(3+4)=14, поскольку вначале вычисляется выражение в скобках.
Встроенные функции	Построены по принципу всех функций: название функции и параметры в скобках. Можно выделить функции упрощения выражения, раскрытия скобок, тригонометрические и целый ряд других.	Здесь в основном используются только функции, которые вводятся с клавиатуры.	Приведено множество функций различного назначения с различным числом параметров. Помогают пользователю в решении различного характера задач.	Maple 7 имеет множество встроенных функций, включенных в его ядро и в пакеты. Функция в выражениях задается вводом ее имени и списка параметров функции (одного или нескольких), заключенного в круглые скобки, например sqrt(2) задает функцию вычисления квадратного корня с параметром 2 (численной константой). Основным признаком функции является возврат значения в ответ на обращение к ней по имени (идентификатору) с указанием списка параметров функции.
Программирование	Предоставлены шаблоны для создания программ и подпрограмм. В качестве выходного значения указывается последнее значение, вычисленное программой. Также внутри программы можно использовать функции, описанные ранее. Программы пишутся в том же файле, что и все вычисления.	Здесь программы создаются в виде отдельных М - файлов. Если написать программу какой-нибудь функции, то эту функцию можно будет использовать как стандартную. Также в программу можно вставлять комментарии.	Можно создавать различные функции и оперировать с ними. Позволяет внутри одного блока ввода создавать программы. Результатом будет последнее вычисленное значение. В отличие от Mathcad, где программы пишутся "в столбик", здесь пишутся в строку.	Есть возможность создавать собственные функции, процедуры на языке программирования, напоминающего Паскаль.
Графические возможности	Графики строятся на основе имеющихся шаблонов. Основные виды: график в декартовой плоскости, в полярной системе координат, трёхмерный в виде гладкой поверхности, в виде контурных кривых и т.д. Сначала задаётся функция графика, диапазон, затем строится сам график, который можно редактировать.	Функция графика создаётся из командной строки. Графики создаются на формах в определённой системе координат. В команде построения можно указывать свойства графика.	Функция, которая рисует график, заканчивается на "PLOT" в двухмерном случае, и "PLOT 3D" в трёхмерном случае. Чтобы построить график, нужно сначала задать функцию. Также можно и редактировать график.	В библиотеке ядра Maple имеются всего четыре графические команды: plot – для вывода плоской или 2D-графики, plot3d – для вывода пространственной или 3D-графики, smartplot и smartplot3d – для “быстрого” вывода графики. Первые две команды предоставляют пользователю обширные возможности визуализации различных объектов и простые способы задания их свойств. Последнее обстоятельство достигается за счет наличия тщательно продуманной системы опций – необязательных аргументов plot и plot3d.. Так же в среде Maple можно создать анимацию.

§1.2 Maple-язык и его синтаксис

Знаки алфавита

Язык Maple (или Maple-язык) является одновременно входным языком общения с Maple 7 и языком ее программирования. Входящие в него средства (прежде всего операторы и функции) подобраны настолько полно и удачно, что при решении подавляющего большинства типовых математических задач от пользователя не требуется знаний даже основ программирования. Для решения нужной задачи обычно достаточно составить алгоритм и подобрать набор нужных для его реализации функций и иных средств Maple-языка.

В то же время Maple-язык — один из самых мощных языков программирования математических задач, содержащий почти 3000 операторов, команд и функций, входящих в ядро, основную библиотеку и пакеты функций Maple 7. При этом относящаяся к традиционному программированию часть Maple-языка реализована с помощью довольно скромного набора специальных знаков и зарезервированных слов.

Большинство функций Maple 7 (в частности, все, входящие в пакеты) написаны на этом языке. Поэтому знание этого языка является определяющим в серьезном изучении Maple. Ниже Maple-язык описывается как типичный язык программирования.

Алфавит Maple-языка содержит 26 малых латинских букв (от а до z), 26 больших латинских букв (от А до Z), 10 арабских цифр (от 0 до 9) и 32 специальных символа (арифметические операторы +, -, *, /, знак возведения в степень ^ж и др.). Все они будут рассмотрены в данной главе. Имеется пять пар альтернативных символов (означающих одно и тоже):

и** [и (| ] и |) {и (* } и *)

К специальным одиночным и составным знакам относятся элементы синтаксиса языка:

% — системная переменная, хранящая результат предшествующей операции;

: — фиксатор выражения, предотвращающий вывод результата вычисления в ячейку вывода;

; — фиксатор выражения, дающий вывод результата вычисления в ячейку вывода;

# — указатель программного комментария;

" — ограничитель строки (например, 'string');

:= — оператор присваивания (например,х:=5);

: ; — пустой оператор;

:: — указатель типа переменной (например, n::integer или z: -.complex);

\ — знак обратного деления, который имеет множественные значения в зависимости от контекста (см. справку по этому знаку - backslash).

Комментарии в программе, не выводимые в ячейки вывода, задаются после символа #. В них допустимо использовать все символы кодовых таблиц, что важно при вводе русскоязычных комментариев, использующих символы кириллицы. Применение последних для идентификаторов (имен) объектов недопустимо.

Зарезервированные слова

Зарезервированные слова используются для создания условных выражений, циклов, процедур и управляющих команд. Список 42 зарезервированных слов Maple 7 дан ниже.

and	break	by	catch	description
do	done	el if	else	end
error	export	fi	finally	for
from	global	if	in	intersect
local	minus	mod	module	next
not	od	option	options	or
proc	quit	read	return	save
stop	then	to	try	union
use	while

Совокупность правил, по которым записываются определения всех объектов Maple-языка, называется его синтаксисом. Некоторые особенности синтаксиса полезно знать уже в начале освоения Maple. Например, то что знак - (минус) имеет двойное значение. Применительно к одному числу, переменной или выражению он меняет их знак. Однако два знака минус подряд (например, в записи - 3) задавать нельзя. Другое назначение знака минус — создание операции вычитания, например 5-2 илиа-b. Соответственно двойное назначение имеет и знак•+, причем число без знака считается положительным, так что +5=5.

При вводе действительных чисел с порядком для указания порядка используется символ * (например, 2*1(Г100 или 2*1(Г-100). Для возведения числа в степень наряду с оператором *• можно использовать и составной оператор** (две звездочки подряд). Для изменения общепринятого приоритета вычислений используются круглые скобки, в них же задаются параметры функций и процедур. Более подробно синтаксис Maple-языка рассматривается ниже.

Некоторые операторы представлены двумя символами — например, оператор присваивания переменным их значения: = содержит двоеточие и знак равенства. В таких операторах между символами недопустим знак пробела. Однако его можно использовать между отдельными частями выражений — так, (а+b)/с эквивалентно (а + b) / с.

По набору операторов и функций Maple-язык намного превосходит любой универсальный язык программирования. Это позволяет наряду с обычными программными конструкциями задавать множество специальных конструкций, подчас резко упрощающих запись математических выражений. К примеру, возможна работа со списками имен функций. Язык Maple имеет множество операций над символьными выражениями и гибкий аппарат создания и преобразования типов данных и результатов вычислений.

Для большинства пользователей возможности языка Maple кажутся явно избыточными, и большинство наиболее распространенных операций в нем реализуется несколькими способами. Однако каждый пользователь волен выбирать из множества возможностей именно те, которые ему необходимы в конкретной предметной области. Поскольку таких областей превеликое множество, то обширные возможности Maple лишними не являются.

Выражения и основы работы с ними

Выражения и их ввод

Фактически Maple 7 — это система для манипулирования математическими выражениями.

Выражение в системе Maple — это объект, вполне соответствующий сути обычного математического выражения. Оно может содержать операторы, операнды и функции с параметрами. В этом уроке выражения записываются на Maple-языке без использования специальных средств для их представления в естественном математическом виде. Благодаря этому запись выражений и приводимых примеров одинаково пригодна для любой реализации системы Maple — даже под MS-DOS. Такая запись получается наиболее короткой, ее можно выводить и распечатывать без применения графических средств. Кроме того, она соответствует виду, принятому в справочной системе Maple.

Однако пользовательский интерфейс системы Maple 7 для Windows позволяет представлять как вводимые, так и выводимые выражения в самых различных формах, в том числе в естественном математическом виде — примеры этого многократно приводились и будут приводиться в дальнейшем. Maple 7 имеет многочисленные функции преобразования форматов, позволяющие менять форму представления данных.

Выражения в Maple могут оцениваться и изменяться в соответствии с заданными математическими законами и правилами преобразований. Например, функция упрощения выражений simplify способна упрощать многие математические выражения, записанные в качестве ее параметра (в круглых скобках):

Символьные преобразования и вычисления математических выражений более подробно будут рассмотрены в следующем уроке.

Для выполнения любых математических операций необходимо обеспечить ввод в систему исходных данных — в общем случае математических выражений. Для ввода их и текстовых комментариев служат два соответствующих типа строк ввода. Переключение типа текущей строки ввода осуществляется клавишей F5. Строка ввода математических выражений имеет отличительный символ >, а строка ввода текстов такого признака не имеет.

В строке ввода может располагаться несколько выражений. Фиксаторами (указанием, что выражение окончено) их могут быть символы ; (точка с запятой) и : (двоеточие). Символ «:» фиксирует выражение и задает вывод результатов его вычисления. А символ «:» фиксирует выражение и блокирует вывод результатов его вычисления. Фиксаторы выполняют также функцию разделителей выражений, если в одной строке их несколько.

Ввод выражения оканчивается нажатием клавиши Enter. При этом маркер ввода (жирная мигающая вертикальная черта) может быть в любой позиции строки. Если надо перенести ввод на новую строку, следует нажимать клавиши Shift и Enter совместно. С помощью одного, двух или трех знаков % (в реализациях до Maple V R5 это был знак прямых кавычек ") можно вызывать первое, второе или третье выражение с конца сессии:

Особая роль при вводе выражений принадлежит знакам прямого апострофа (одиночного ' или двойного ''). Заключенное в такие знаки выражение освобождается от одной пары (закрывающего и открывающего знаков):

Некоторые другие возможности обрамления выражений апострофами мы рассмотрим позже. Наиболее важная из них — временная отмена выполненного ранее присваивания переменным конкретных значений.

Для завершения работы с текущим документом достаточно исполнить команду quit, done или stop, набранную в строке ввода (со знаком ; в конце).

Переменные

Типы переменных

Как следует из самого названия, переменные — это объекты, значения которых могут меняться по ходу выполнения документа. Пока мы рассматриваем лишь глобальные переменные, доступные для модификации значений в любом месте документа. Тип переменной в системе Maple 7 определяется присвоенным ей значением — это могут быть целочисленные (integer), рациональные (rational), вещественные (real), комплексные (complex) или строчные (string) переменные и т. д. Переменные могут также быть символьного типа (их значением является математическое выражение) или типа списка (см. далее). Для явного указания типа переменных используется конструкция:

name::type

гдеname — имя (идентификатор) переменной, type — тип переменной, например целочисленный (integer), вещественный с плавающей точкой (float), с неотрицательным значением (nonneg), комплексный (complex) и т. д.

Идентификаторы (имена) переменных

Переменные задаются своим именем — идентификатором, который должен начинаться с буквы и быть уникальным. Это значит, что ключевые слова языка Maple нельзя использовать в качестве имен переменных. Хотя имена ряда команд и функций можно использовать в качестве идентификаторов переменных, делать это крайне нежелательно. Ограничений на длину идентификатора практически нет — точнее, она не должна превышать 524 275 символов! Так что сложностей с подбором идентификаторов для переменных у вас не будет.

Имена переменных могут содержать одну букву (например, х, Y или Z) либо ряд букв (Xmin или Хmах). В любом случае имя переменной надо начинать с буквы. Некоторые символы, например знак _, могут использоваться в именах (например, Var_l, Var_2). Нельзя, однако, вводить в имена переменных знаки, обозначающие операторы, — например, а/ bилиа-b будет истолковано как деление а на b или вычитание из переменнойа переменной b.

Имена могут задаваться в обратных апострофах. При этом они просто тождественны именам без апострофов:

Строчные и прописные буквы в идентификаторах различаются, так что Varlи varl — это разные переменные.

Для проверки предполагаемого имени на уникальность достаточно выполнить команду? name, гдеname — выбранное имя. Если при этом откроется окно справки с этим именем, значит, оно уже использовано в Maple. Лучше воздержаться от его применения, так как связанная с этим именем команда или функция перестает работать, как только это имя закрепляется за какой-либо переменной.

Операторы и операнды

Виды операторов

Операторы во входном языке и языке программирования Maple служат для конструирования выражений. Формально операторы представлены своими идентификаторами в виде специальных математических знаков, слов и иных имен. Операторы, как это вытекает из их названия, обеспечивают определенные операции над данными, представленными операндами.

Имеется пять основных типов операторов:

binary — бинарные операторы (двумя операндами);

unary — унарные операторы (с одним операндом);

nullary — нульарные операторы (без операнда — это одна, две и три пары кавычек);

precedence — операторы старшинства (включая логические операторы);

functional — функциональные операторы.

Для просмотра операторов и их свойств можно использовать следующие команды:

> ?operators[binary];

> ?operators[unary];

> ToperatorsCnullary];

> ?operators[precedence];

> ?operators[functional]:

А для изучения примеров применения операторов нужно задать и исполнить команду:

> ?operators[examples];

Команда:

> Tdefine:

позволяет ознакомиться с функций define. С ее помощью можно определять новые операторы.

Бинарные (инфиксные) операторы

Бинарные (инфиксные) операторы используются с двумя операндами, обычно размещаемыми по обе стороны от оператора. В ядро Maple 7 включено около трех десятков бинарных операторов. Основные из них перечислены в табл. 1.

Таблица 1

Бинарные операторы

Обозначение	Оператор
+	Сложение
-	Вычитание
*	Умножение
/	Деление
** или ^{^}	Возведение в степень
mod	Остаток от деления
$	Оператор последовательности
.	Разделительная точка
@	Оператор композиции
@@	Повторение композиции
,	Разделитель выражений
:=	Присваивание
. _>..>	Задание интервала
_>/>	Разделитель выражений
&*	Некоммутативное умножение
&<string>	Нейтральный оператор
\|\|	Конкатенация (объединение)

Примеры использования бинарных операторов:

Оператор композиции @@может использоваться для создания сложных функций, содержащих цепные дроби:

А вот еще один пример применения этого оператора для составления цепного радикала и вычисления ряда таких цепочек в цикле:

[5]

§1.3 Технические и программные средства мультимедиа

Формальный подход к определению средств мультимедиа, используемых в школе, говорит о том, что ими могут являться практически любые средства, способные привнести в обучение и другие виды образовательной деятельности информацию разных видов. В таком случае под понятие средств мультимедиа могут попасть и ставшие традиционными устаревающие аналоговые средства обучения.

Однако чаще всего к средствам мультимедиа относят компьютеры и их соответствующее периферийное оборудование. Вместе с тем в этом разделе настоящего Интернет-издания имеет смысл перечислить основные средства, использование которых в школе позволяет учителям и ученикам иметь дело не только с текстом или картинками, но и с аудио-, видео- или иной прямой информацией. В разные годы в школьное образование проникали разнообразные средства, появление которых поднимало на качественно новый уровень информационное обеспечение системы общего среднего образования, что всякий раз положительно сказывалось на эффективности подготовки специалистов.

В настоящее время в российских школах можно встретить:

средства для записи и воспроизведения звука (электрофоны, магнитофоны, CD-проигрыватели),

системы и средства телефонной, телеграфной и радиосвязи (телефонные аппараты, факсимильные аппараты, телетайпы, телефонные станции, системы радиосвязи),

системы и средства телевидения, радиовещания (теле и радиоприемники, учебное телевидение и радио, DVD-проигрыватели),

оптическая и проекционная кино- и фотоаппаратура (фотоаппараты, кинокамеры, диапроекторы, кинопроекторы, эпидиаскопы),

полиграфическая, копировальная, множительная и другая техника, предназначенная для документирования и размножения информации (ротапринты, ксероксы, ризографы, системы микрофильмирования),

компьютерные средства, обеспечивающие возможность электронного представления, обработки и хранения информации (компьютеры, принтеры, сканеры, графопостроители),

телекоммуникационные системы, обеспечивающие передачу информации по каналам связи (модемы, сети проводных, спутниковых, оптоволоконных, радиорелейных и других видов каналов связи, предназначенных для передачи информации). [7]

Технические средства позволяют привнести в образовательную деятельность возможность оперирования с информацией разных типов таких, как звук, текст, фото и видео изображение. Эти средства, в ряде случаев, оказываются очень сложными в техническом и технологическом отношении и вполне могут рассматриваться как средства мультимедиа. Компьютер, проникнувший в сферу образования, является универсальным средством обработки информации. Универсальность компьютера состоит в том, что, с одной стороны, он один в состоянии обрабатывать информацию разных типов (мультимедиа информацию), с другой стороны, один и тот же компьютер в состоянии выполнять целый спектр операций с информацией одного типа. Благодаря этому компьютер в совокупности с соответствующим набором периферийных устройств в состоянии обеспечить выполнение всех функций технических мультимедиа-средств обучения.

Вне зависимости от марки, модели, времени создания и области применения все персональные компьютеры, используемые в школьном обучении, имеют общие фундаментальные особенности, в числе которых:

1. Работа с одним пользователем, когда в каждый момент времени с компьютером работает только один человек. При этом не исключается одновременное выполнение нескольких операций по обработке информации;

2. Возможность обработки, хранения, представления и передачи информации разных типов, в числе которых текст, числовые данные, графические изображения, звук и другие (мультимедиа-информация);

3. Единообразное общение с пользователем на языке, близком к естественному;

4. Совместная работа с различными аппаратными мультимедиа устройствами, существенно расширяющими возможности персонального компьютера по обработке, хранению, представлению и передаче информации разных типов;

5. Выполнение операций по обработке информации под управлением специально разрабатываемых компьютерных программ, нацеленных как на поддержание работы различных системных функций компьютера, так и на решение прикладных задач, значимых для информатизации деятельности человека.

Технологии мультимедиа позволяют осмысленно и гармонично интегрировать многие виды информации. Это позволяет с помощью компьютера представлять информацию в различных формах, таких как:

изображения, включая отсканированные фотографии, чертежи, карты и слайды;

звукозаписи голоса, звуковые эффекты и музыка;

видео, сложные видеоэффекты;

анимации и анимационное имитирование.

Современные компьютерные мультимедиа-средства и мультимедиа технологии тесно связаны с бурно развивающимися компьютерными телекоммуникациями. Практически все информационные ресурсы, опубликованные в компьютерных сетях, являются мультимедиа-ресурсами. И, наоборот, большинство ресурсов и технологий мультимедиа, создаваемых в настоящее время, ориентируются на работу в телекоммуникационных режимах.

Широкое внедрение телекоммуникационных сетей во все сферы жизни человека, в том числе и в общее среднее образование, стало возможным только после появления глобальной компьютерной сети Интернет. В основе работы сети Интернет находятся идеи стандартизации используемых протоколов передачи информации, открытости архитектуры и возможность свободного подключения новых сетей. Все это, в совокупности, привело к распространенности сети Интернет в разных странах мира, к использованию этой телекоммуникационной сети в различных сферах деятельности человека, включая школьное обучение.

Использование телекоммуникационных сетей в школе в сочетании с использованием технологий и ресурсов мультимедиа открывает новые возможности, основными из которых являются:

расширение доступа к учебно-методической мультимедиа информации;

формирование у школьников коммуникативных навыков, культуры общения, умения искать мультимедиа информацию;

организация оперативной консультационной помощи;

повышение индивидуализации обучения, развитие базы для самостоятельного обучения;

обеспечение проведения виртуальных учебных занятий (семинаров, лекций) в режиме реального времени;

организация дистанционного обучения;

организация совместных исследовательских проектов;

моделирование научно-исследовательской деятельности;

доступ к уникальному оборудованию, моделирование сложных или опасных объектов, явлений или процессов и пр.;

формирование сетевого сообщества учителей;

формирование сетевого сообщества школьников;

выработка у обучаемых критического мышления, навыков поиска и отбора достоверной и необходимой мультимедиа информации. [3]

Возможно, под телекоммуникационными мультимедиа-средствами, используемыми в общем среднем образовании, следовало бы понимать любые средства и инструменты, имеющие отношение к передаче мультимедиа информации, используемой в школах. При таком подходе к телекоммуникационным средствам, используемым в сфере образования, помимо компьютеров и программного обеспечения будут относиться телефон, телевизор и многие другие телекоммуникационные устройства. Такое определение имеет полное право на существование. Но, вместе с тем, универсальные возможности телекоммуникационных сетей делают нецелесообразным дальнейшее проникновение всех отмеченных средств информатизации в общее среднее образование. Они просто теряют актуальность. Телекоммуникационные компьютерные сети полноценно заменяют все остальные телекоммуникационные средства, обладая целым спектром дополнительных возможностей. В связи с этим становится оправданным отнесение к телекоммуникационным средствам, используемым в сфере образования, только компьютерных средств передачи образовательной мультимедиа информации.

Благодаря использованию телекоммуникационных средств в сферу образования проникли общеизвестные телекоммуникационные сервисы, такие как электронная почта, телеконференции, удаленный доступ к информационным ресурсам и другие. Все они также позволяют работать с мультимедиа информацией и являются мощным инструментом, расширяющим сферу использования мультимедиа в обучении школьников. Как правило, большинство педагогов и учеников, так или иначе знакомых с компьютерной техникой, к числу аппаратных мультимедиа-средств безошибочно относит акустические системы (колонки), звуковую карту (плату) компьютера, микрофон, специальную компьютерную видеокамеру и, возможно, джойстик. Все эти приборы, действительно, являются распространенными компонентами мультимедиа аппаратуры, достаточно просты в использовании, имеют достаточно понятное предназначение и не требуют какого-либо детального описания в настоящем Интернет-издании. Гораздо больший интерес могут представлять специализированные мультимедиа-средства, основное предназначение которых - повышение эффективности обучения. К числу таких современных средств, в первую очередь, необходимо отнести интерактивные мультимедиа доски.

Программно-аппаратный комплект "Интерактивная доска" – это современное мультимедиа-средство, которое, обладая всеми качествами традиционной школьной доски, имеет более широкие возможности графического комментирования экранных изображений; позволяет контролировать и производить мониторинг работы всех учеников класса одновременно; естественным образом (за счет увеличения потока предъявляемой информации) увеличить учебную нагрузку учащегося в классе; обеспечить эргономичность обучения; создавать новые мотивационные предпосылки к обучению; вести обучение, построенное на диалоге; обучать по интенсивным методикам с использованием кейс-методов.

Интерактивная доска позволяет проецировать изображение с экрана монитора на проекционную доску, а также управлять компьютером с помощью специальных фломастеров, находясь постоянно около доски, как это было бы с помощью клавиатуры или манипулятора "мышь".

Используемое программное обеспечение для интерактивной доски (SMART Board Software) включает следующие инструменты:

записную книжку (SMART Notebook);

средство видеозаписи (SMART Recorder);

видеоплеер (SMART Video Player);

дополнительные (маркерные) инструменты (Floating Tools);

виртуальную клавиатуру (SMART Keyboard).

Все эти инструменты могут быть использованы как отдельно, так и в совокупности в зависимости от решаемых учебных задач.

Записная книжка представляет из себя графический редактор, позволяющий создавать документы собственного формата и включать в себя текст, графические объекты, как созданные в других Windows программах, так и с помощью соответствующих инструментов.

Средство видеозаписи позволяет записать в видеофайл (формат AVI) все манипуляции, производимые в данный момент на доске, а затем воспроизвести его с помощью видеоплеера (SMART Player) или любого другого подобного программного средства. Например, используя записную книжку, можно нарисовать график какой-либо функции или сделать чертеж, а затем продемонстрировать повторно процесс создания рисунка, запустив видеофайл.

Дополнительные (маркерные) инструменты используются для создания разного рода пометок на всей площади экрана монитора независимо от используемого текущего приложения. Все пометки, делаемые преподавателем, например, в презентации Power Point, могут быть сохранены.

Виртуальная клавиатура используется для управления компьютером, когда учитель находится непосредственно около доски, т.е. дублирует стандартную клавиатуру компьютера.

Важной характеристикой интерактивной доски является ее "безразмерность", т.е. фиксируемая информация может располагаться на площади неограниченного размера, при этом всё, что записывается на этой доске, может храниться бесконечно долго. Вся информация, отображаемая на доске, может использоваться в течение всего урока. Учитель или ученик может в любой момент возвращаться к предыдущей информации. Кроме этого вся информация текущего урока может использоваться на последующих занятий, при этом для их проведения не требуется дополнительной подготовки.

В отличие от традиционной доски интерактивная доска имеет больше инструментов для графического комментирования экранных изображений, что позволяет увеличить качество изображения предъявляемой информации для акцентирования внимания учеников, а именно: большее количество цветов для пера, различные формы и толщина пера, а также возможность задавать различные цвета фона доски. Интерактивная доска позволяет экономить время на уроке при создании различного рода чертежей, схем, диаграмм, графиков, так как имеет большое количество инструментов для построения геометрических фигур.

Еще одной особенностью интерактивной доски является возможность сохранения фиксируемой на ней информации в формате видеофильма. Например, можно зафиксировать решение задачи таким образом, чтобы впоследствии просматривать не статичный конечный результат, а сам процесс решения задачи от начала до конца, причем с любой скоростью.

Интерактивная доска может быть использована как эффективное средство создания учебно-дидактических материалов: примеры решения задач, схемы, чертежи, графики и т.д., причем как статические, так и динамические. Все эти материалы могут быть созданы непосредственно на уроке, и в дальнейшем могут быть использованы при объяснении нового материала, при повторении, а также в качестве тренажеров при индивидуальной работе.

Можно условно выделить четыре свойства интерактивной доски, которые и определяют все возможные приемы ее использования:

неограниченная площадь,

расширенный набор инструментов для фиксации информации и графического комментирования экранных изображений,

возможность сохранения фиксируемой информации в электронном виде и ее дальнейшее неограниченное тиражирование,

возможность сохранения информации в динамической форме (в видеофайле).

Проиллюстрируем эти приемы на примере урока в средней школе в форме беседы или лекции. Учитель, проводя урок, фиксирует на доске ключевые моменты своего рассказа так, как если бы он это делал на обычной доске. Это может быть пример решения задачи, краткое определение какого-либо понятия, чертеж, график и т.п. При этом он переходит на новый экран (будем называть его слайдом) в случае, если места на доске не хватает. Каждый слайд может быть оформлен как логически законченный модуль. В течение урока можно мгновенно возвращаться к предыдущим слайдам, делая дополнительные пометки или какие-либо изменения. Количество слайдов неограниченно.

Когда учитель пишет на доске, он может выбирать практически любой цвет пера, а также выбирать толщину пера, т.е. каждый слайд по усмотрению учителя для большей наглядности может быть оформлен разными цветами и в разном стиле. В своем рассказе учитель может использовать статичные графические изображения, приготовленные заранее или взятые с предыдущих уроков, при этом он может делать различные пометки, которые сохраняются на используемом изображении. Эти пометки могут быть выполнены пером или маркером, свойства которых (цвет, толщина, форма, прозрачность) можно настраивать. Если учитель использует в своей лекции видеофрагмент, то и здесь у него имеется возможность аннотирования видеоизображения теми же инструментами, причем в двух режимах, не останавливая видеоряд или в режиме паузы. Возможность сохранения фиксируемой информации в электронном виде позволяет учителю использовать ее на следующем уроке при повторении или в дальнейшем на уроках обобщения знаний. Таким образом, учитель непосредственно на уроке готовит учебно-методический материал для последующих занятий.

Сохраненная информация может быть передана ученикам в электронном или бумажном виде для самостоятельной работы на уроке или дома. Информация, сохраненная в форме видеоролика, может использоваться на уроке как тренажер на этапе закрепления знаний. Такой способ сохранения учебного материала можно применять для создания демонстраций примеров решения задач или выполнения заданий (закончить чертеж, достроить фигуру или график и т.п.).

Развитие современных мультимедиа-средств позволяет реализовывать образовательные технологии на принципиально новом уровне, используя для этих целей самые прогрессивные технические инновации, позволяющие предоставлять и обрабатывать информацию различных типов. Одними из наиболее современных мультимедиа-средств, проникающих в сферу образования, являются различные средства моделирования и средства, функционирование которых основано на технологиях, получивших название виртуальная реальность.

К виртуальным объектам или процессам относятся электронные модели как реально существующих, так и воображаемых объектов или процессов. Прилагательное виртуальный используется для подчеркивания характеристик электронных аналогов образовательных и других объектов, представляемых на бумажных и иных материальных носителях. Кроме этого, данная характеристика означает наличие основанного на мультимедиа технологиях интерфейса, имитирующего свойства реального пространства при работе с электронными моделями-аналогами.

Виртуальная реальность – это мультимедиа-средства, предоставляющие звуковую, зрительную, тактильную, а также другие виды информации и создающие иллюзию вхождения и присутствия пользователя в стереоскопически представленном виртуальном пространстве, перемещения пользователя относительно объектов этого пространства в реальном времени.

Системы "виртуальной реальности" обеспечивают прямой "непосредственный" контакт человека со средой. В наиболее совершенных из них учитель или ученик может дотронуться рукой до объекта, существующего лишь в памяти компьютера, надев начиненную датчиками перчатку. В других случаях можно "перевернуть" изображенный на экране предмет и рассмотреть его с обратной стороны. Пользователь может "шагнуть" в виртуальное пространство, вооружившись "информационным костюмом", "информационной перчаткой", "информационными очками" (очки-мониторы) и другими приборами.

Использование подобных мультимедиа-средств в системе образования изменяет механизм восприятия и осмысления получаемой пользователем информации. При работе с системами "виртуальной реальности" в образовании происходит качественное изменение восприятия информации. В этом случае восприятие осуществляется не только с помощью зрения и слуха, но и с помощью осязания и даже обоняния. Возникают предпосылки для реализации дидактического принципа наглядности обучения на принципиально новом уровне. Перспективно использование этой мультимедиа технологии в образовании для развития пространственных представлений, для организации тренировок специалистов в условиях, максимально приближенных к реальной действительности.

Осмысление информации, предоставляемой системами "виртуальной реальности", может быть уже не только теоретическим, но и практическим, а именно: наглядно-образным или наглядно-действенным. Практическое мышление требует меньших усилий по сравнению с теоретическим мышлением, восприятие образной информации, как правило, легче восприятия символьной информации. Поэтому мультимедиа-средства, построенные с использованием технологии виртуальной реальности в состоянии обеспечить лучшее понимание и усвоение учебного материала в процессе обучения. Однако важно понимать, что чем выше уровень систем виртуальной реальности, тем больше труда должно быть вложено в их создание, тем совершеннее должны быть технические средства информатизации, доступные учителям и школьникам.

Учителя и ученики не являются разработчиками мультимедиа-ресурсов, используемых в образовании. Чаще всего педагоги и школьники выступают в качестве пользователей таких средств. Однако практика показывает, что с каждым годом все большее количество учителей не может остаться в стороне от разработки пусть и простых, но электронных средств обучения. В связи с этим современному педагогу целесообразно иметь представление, как о технологиях разработки качественных мультимедиа-ресурсов, так и об аппаратных и программных средствах - инструментах для создания компьютерных средств обучения.

Для создания многих простейших мультимедиа-ресурсов широко используются различные HTML-редакторы. Следует при этом учитывать, что язык HTML достаточно динамично развивается, так что ресурсы, удовлетворяющие новому стандарту языка, могут некорректно воспроизводиться старыми версиями браузеров. Кроме того, использование браузеров для просмотра накладывает дополнительные ограничения на характер представления учебной мультимедиа информации. Следует заметить, что системы программирования, используемые для создания локальных компонент, позволяют включать в мультимедиа курс и обращение к ресурсам сети Интернет, интегрируя сетевые и локальные образовательные ресурсы.

Говоря более точно, следует отметить, что при создании мультимедийных гипертекстовых ресурсов и мультимедийных страниц для сети Интернет чаще всего используются следующие языки и инструменты:

язык разметки гипертекста (HTML) - стандартный язык, используемый в Интернет для создания, форматирования и демонстрации информационных страниц;

язык Java - специализированный объектно-ориентированный язык программирования, аналогичный языку C++. Данный язык был разработан специально для использования интерактивной графики и анимации в ресурсах Интернет. Многие готовые приложения (Java applets) доступны в Интернет и их можно выгрузить на компьютер пользователя для дальнейшего использования при создании собственных информационных сетевых и несетевых мультимедиа-ресурсов;

язык VRML (Virtual Reality Modeling Language) позволяет создавать и размещать в сети объемные трехмерные объекты, создающие иллюзию реального объекта намного сильнее, чем простые анимации. Подобные трехмерные объекты в зависимости от их "объема" принято называть "виртуальными комнатами", "виртуальными галереями" и "мирами";

CGI (Common Gateway Interface) - по сути является не языком программирования, а спецификацией, описывающей правила сбора информации и создания баз данных. Разработчики используют язык PERL или какой-либо другой язык для того, чтобы создавать CGI-программы, которые позволяют размещать в сети и обеспечивать работу "динамических документов". Так, например, пользователи сталкиваются с подобными программами, заполняя в режиме реального времени на Интернет-страницах бланки анкет и отзывов, отвечая на вопросы тестов и т.п.

Учителя и учащиеся могут использовать и другие инструменты для создания мультимедиа-ресурсов. Для этого педагоги должны выбрать программу-редактор, которая будет использоваться для создания страниц мультимедиа-средства. Существует целый множество инструментальных сред для разработки мультимедиа, позволяющих создавать полнофункциональные мультимедийные приложения. Такие пакеты, как Macromedia Director или Authoware Professional являются высокопрофессиональными и дорогими средствами разработки, в то время, как FrontPage, mPower 4.0, HyperStudio 4.0 и Web Workshop Pro являются их более простыми и дешевыми аналогами. Такие средства, как PowerPoint и текстовые редакторы (например, Word) также могут быть использованы для создания простейших мультимедиа-ресурсов.

Перечисленные средства разработки снабжены подробной документацией, которую легко читать и воспринимать. Конечно же, существует множество других средств разработки, которые могут быть с равным успехом применены вместо названных.

Мультимедийная информация, размещенная в Интернет может представлять из себя компьютерные файлы достаточно больших размеров. Это может быть связано с наличием средств интерактивности, подключения аудио- и видеофрагментов, графических изображений высокого разрешения и пр. В связи с недостаточной пропускной способностью и надежностью существующих каналов связи полномасштабное использование таких информационных ресурсов в учебном процессе может быть затруднено. В некоторых случаях избежать проблем, связанных с отсутствием или плохим качеством телекоммуникационных сетей, можно за счет работы с такими ресурсами в локальном режиме. В ходе локального взаимодействия с мультимедиа-ресурсом, школьники получают информацию не из телекоммуникационных сетей, а из источников внутренней или внешней памяти своего же компьютера. При этом содержание информационного ресурса и способы представления информации в нем полностью соответствуют тем, что размещены в Интернет. Зачастую, такие ресурсы просто копируются из сетевых источников в ходе сеанса телекоммуникационной работы, а затем предъявляются учащимся в локальном варианте.

Сравнительно большой объем предоставляемой в таком случае мультимедийной информации не позволяет использовать традиционные гибкие магнитные диски (дискеты) для ее переноса и хранения. Частично, хранение набора Интернет-сайтов может быть обеспечено за счет использования несъемных жестких магнитных дисков ("винчестеров"), имеющихся на всех современных компьютерах. Однако такой способ представления мультимедийной информации практически полностью блокирует возможность переноса информации с одного компьютера на другой. Наиболее перспективным, с точки зрения образования, средством хранения мультимедийной информации, получаемой из Интернет являются оптические лазерные компакт-диски (CD). Благодаря высокотехнологичным лазерным методам записи и считывания информации на этом носителе при его относительно малом физическом размере можно качественно представить достаточно большое количество мультимедиа информации.

Использование CD в качестве средства обучения может привнести в учебный процесс школы следующие основные преимущества:

предоставление школьникам мультимедиа информации, традиционно размещаемой на средствах телекоммуникаций, с учетом ее структуры и специфики визуализации;

предоставление обучаемым новых возможностей для глубокого понимания содержания учебных курсов и их взаимосвязей, тренинга навыков и умений, запоминания и самоконтроля знаний;

компенсация недостаточности времени, уделяемого педагогом индивидуальной работе с учащимся, а в некоторых случаях и недостаточный профессионализм учителя;

осуществление комплексного мультимедийного воздействия с обратной связью;

обеспечение самоконтроля в режиме ограниченного времени;

высокая мобильность, переносимость и тиражируемость мультимедийного информационного материала, используемого в учебном процессе.

Вопросы разработки мультимедиа-ресурсов для общего среднего образования являются многоаспектными и не простыми. Технические и технологические особенности таких разработок рассматриваются в специальной литературе. Основные вопросы содержательного наполнения и проблемы эргономического характера, касающиеся создания мультимедиа-ресурсов, будут частично рассмотрены в других подразделах настоящего Интернет издания. [8]

Вывод по первой главе

расширение доступа к учебно-методической мультимедиа информации;

формирование у школьников коммуникативных навыков, культуры общения, умения искать мультимедиа информацию;

организация оперативной консультационной помощи;

повышение индивидуализации обучения, развитие базы для самостоятельного обучения;

обеспечение проведения виртуальных учебных занятий (семинаров, лекций) в режиме реального времени;

организация дистанционного обучения;

организация совместных исследовательских проектов;

моделирование научно-исследовательской деятельности;

доступ к уникальному оборудованию, моделирование сложных или опасных объектов, явлений или процессов и пр.;

формирование сетевого сообщества учителей;

формирование сетевого сообщества школьников;

выработка у обучаемых критического мышления, навыков поиска и отбора достоверной и необходимой мультимедиа информации.

Исходя из этого, можно сказать, что мультимедиа технологии могут очень сильно облегчить работу учителям и разнообразить деятельность школьников. Выбирая средства для написания демонстрационного материала к теме «Звуковая информация», я обратил своё внимание на математические пакеты. После анализа можно сделать вывод, что в данном случае нам больше подойдёт пакет Maple. Данный пакет совмещает в себе, с одной стороны, огромные возможности, а с другой простоту освоения.

информационный коммуникационный maple библиотека

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ MAPLE ПРИ ИЗУЧЕНИЕ ТЕМЫ «КОДИРОВАНИЕ ЗВУКА»

§2.1 Психологические аспекты работы учителей и учеников с мультимедиа-средствами

Использование мультимедиа-технологий в обучении школьников порождает ряд особенностей, значимых с точки зрения психологии и педагогики. Одним из таких аспектов является психология общения преподавателей и учащихся с мультимедиа-ресурсами и компьютерной техникой. В философии и психологии использование орудий, преобразующих деятельность человека, считается одним из основополагающих условий и показателем человеческого развития. Совершенствование орудий деятельности, ее специализация, вычленение шаблонных операций и их последующая автоматизация и т.п., а также связанное с этим разделение труда служат важнейшими и определяющими характеристиками уровня развития человеческой цивилизации. Именно эти процессы обусловливают повышение производительности труда, увеличение выпуска продукции, улучшение ее качества, снижение себестоимости и т.п.

Генетически исходные формы деятельности обычно характеризуются тем, что субъект деятельности имеет целостное представление о структуре деятельности, умеет выполнять все входящие в нее действия и операции. Специализация и тем более автоматизация разрушают эту целостность, субъект в лучшем случае осмысливает и контролирует деятельность лишь с точки зрения результатов частичных действий, выполняемых им самим. Поэтому в условиях автоматизации любой производственной сферы увеличение доли творческого труда одних работников неминуемо сопровождается появлением новых шаблонных видов деятельности, выполняемых другими работниками.

В автоматизации умственной деятельности человека долгое время прогресс был достаточно скромным. Так, абак, применявшийся для арифметических вычислений еще в Древней Греции и Риме, использовался в Западной Европе вплоть до XVIII века. Появившиеся в прошлом веке ЭВМ произвели подлинный переворот в сфере умственной деятельности, который пока глубоко и всесторонне теоретически не осмыслен. В результате использования ЭВМ радикально меняются формы хранения, переработки и передачи общественного опыта, поэтому, несомненно, правы те ученые, которые говорят о том, что компьютеризация и современные информационные технологии открывают новый этап в природе функционального и онтогенетического развития человеческой психики. Неизбежным результатом этого может стать изменение структуры, стиля самой умственной деятельности и, как следствие, условий взаимопонимания специалистов, работающих в одной и той же области.

Рассмотрим некоторые аспекты деятельности субъекта в системе "человек - компьютер - мультимедиа-ресурс". Известный отечественный психолог О.К. Тихомиров, занимающийся философскими и психологическими вопросами проблемы искусственного интеллекта, анализируя роль и место ЭВМ в деятельности человека, пишет: "Для нас ЭВМ, как и другие машины, - это созданные человеческой рукой органы человеческого мозга. Если на этапе создания двигателей машины служили орудиями деятельности человека при выполнении работы, требующей большого расхода энергии, то на этапе развития компьютеров последние стали орудиями умственной деятельности человека.

Умственная деятельность сохраняет свое опосредствованное строение, но само средство является новым. Значит, вопрос о влиянии ЭВМ на развитие умственных процессов человека должен быть переформулирован так: в чем отличие опосредования умственных процессов компьютером от опосредования знаками? Вносит ли новое средство новые изменения в самую структуру умственных процессов? Можно ли, другими словами, выделить новый этап в развитии высших психических процессов человека?".

Он выделяет три основных точки зрения в описании взаимодействий человека, компьютера и мультимедиа-ресурсов в сфере умственного труда: теорию замещения, теорию дополнения и теорию преобразования. Замещение имеет место тогда, когда соответствующее программное обеспечение компьютера освобождает пользователя от знания алгоритмов решения многих классов конкретных задач в той или иной предметной области. Пользователю, чтобы получить интересующее его решение, достаточно "механически" ввести условия задачи в компьютер. Алгоритм как полностью формализованная процедура решения задач данного типа разрабатывается другими специалистами, программистами составляется соответствующая программа, которая затем вводится в компьютер; пользователь только использует алгоритм, хранящийся в памяти компьютера, не осваивая его. Во взаимодействии человека с машиной действие пользователя опосредствуется внешней, не усваиваемой им процедурой.

Разработчики же алгоритма и программисты не освобождают себя от этой формальной процедуры, наоборот, они специально проводят формализацию, чтобы освободить потенциальных потребителей продукта от необходимости повторного решения задачи, относящейся к известному типу. Налицо как новые формы человеческой деятельности, так и новое разделение труда.

Дополнение имеет место в случаях совместного решения одной задачи человеком и машиной, когда ЭВМ перенимает на себя решение некоторых частных задач, не важно как, но ранее решавшихся человеком. Компьютер дополняет человеческие возможности по переработке информации, увеличивая объем и скорость такой переработки.

Характеризуя возможные изменения в онтогенетическом развитии, которые могут стать результатом информатизации, О.К. Тихомиров пишет, что с появлением компьютера меняется сама форма хранения общественного опыта ("электронный мозг", например, вместо библиотек), процесс усвоения, где отношения учитель - ученик начинают опосредоваться компьютером, а также содержание процесса усвоения (возможность редукции усвоения формальных процедур благодаря использованию компьютеров). При этом, ссылаясь на Д. Ликлайдера, он пишет, что в подлинно симбиотическом взаимодействии человек не просто "партнер", он "лидер", ведущий игру. Вместе с тем этот вопрос требует конкретного анализа, поскольку существуют различные типы взаимодействия человека, компьютера и мультимедиа-ресурсов. В одних ситуациях, например при обучении, "лидерство" может переходить к компьютеру, который последовательно предъявляет задачи школьнику и оценивает его решения. Интересный вариант обучающих мультимедиа-ресурсов - так называемая сократическая программа, в которой задаваемые ученику вопросы обусловливаются как текущим контекстом общения, так и всей историей диалога во время урока. Диалог в этом случае индивидуализирован, т.е. приспособлен к своеобразию деятельности данного школьника.

Однако в более широком плане и здесь компьютер может и должен рассматриваться как орудие - орудие деятельности учителя, остающегося, "лидером" педагогического процесса. Вместе с тем, очевидно, что позиция или роль учителя и роль ученика разные. Значит, человек может играть роль субъекта или (и) объекта воздействия компьютеризированной системы. Кроме разгрузки умственной деятельности от рутинных компонентов можно выделить следующие психологические преимущества использования мультимедиа-ресурсов в процессе обучения школьников:

1. Визуализация. Работа с графической информацией позволяет мобилизовать ресурсы образного мышления даже при работе со знаковым материалом.

2. Ускорение процесса экстериоризации замысла, его материализация в виде рисунка или схемы.

3. Ускорение и увеличение полученных от компьютера результатов шаблонных преобразований ситуации.

4. Расширение возможностей осуществления пробующих поисковых действий, которые теперь совершаются компьютером.

5. Возможность вернуться к промежуточным этапам сложной деятельности (используя память компьютера).

6. Возможность одномоментного рассмотрения одного и того же объекта с нескольких точек зрения, сравнение нескольких вариантов преобразования объекта. [9]

С появлением компьютера и мультимедиа-ресурсов возникают новые формы опосредованного общения учеников и учителей. Раскрывая эту мысль, О.К. Тихомиров пишет: "Важным фактором, обусловливающим изменение умственной деятельности, является создание сети ЭВМ ... Эту ситуацию развития можно охарактеризовать как переход от индивидуального взаимодействия человека с ЭВМ к взаимодействию групп людей и групп ЭВМ, причем взаимодействия между людьми становятся опосредованными взаимодействием с ЭВМ. Возникает … "групповой симбиоз". Эффективность работы этой новой системы более высокого порядка увеличивается не только за счет простого суммирования индивидуального вклада возрастающего числа "подсистем", но и за счет ускорения обмена сведениями, необходимыми для решения задач, а также за счет гармонического сочетания работы людей, обладающих разным стилем мыслительной деятельности".

В деятельности школьника в системе "человек - компьютер - мультимедиа-ресурс", где отдельные умственные действия опосредствуются внешней изначально не усваиваемой им процедурой, формируется другой стиль мышления. Этот факт уже наблюдаем. Например, в последние годы резко выросло число учащихся, которые могут формально воспроизводить определения, доказательства и т.п., не понимая их смысла и не испытывают при этом никакого дискомфорта. Вероятно, освобождаясь от детального рассмотрения задач, алгоритм решения которых "известен" компьютеру, ученик лишается многих творческих моментов, возникающих в процессе поиска способа решения, а значит, не получает и каких-то важных компонентов опыта творческой деятельности.

Поэтому, применяя в общем среднем образовании современные информационные технологии и мультимедиа-ресурсы, не следует забывать, что "творческий" уровень интерактивного взаимодействия человека с компьютером определяется содержанием и уровнем интеллектуального развития человека. А это означает, что в основе взаимодействия, объединяющего человека и мультимедиа-ресурсов, должна лежать система личностных знаний.

В условиях информационного общества и информатизации образования самостоятельное непрерывное пополнение знаний и их применение становится потребностью человека на протяжении всей его жизни. Поэтому при обсуждении дидактических и методических аспектов использования компьютера и мультимедиа-ресурсов в общем среднем образовании основной упор делается на организацию самостоятельной познавательной (индивидуальной и/или групповой) деятельности школьников, развитие критического мышления, культуры общения, умения выполнять различные социальные роли. Резкой критике подвергаются традиционная классно-урочная система и практика обучения, построенные на трансляции и репродукции готового системного предметного знания, не мотивированного собственными потребностями школьников.

Рост активности и самостоятельности школьников в учебной деятельности часто напрямую связывают с наличием и умелым поддержанием у него непосредственного интереса к компьютеру, вызываемого привлекательностью и функциональными возможностями мультимедиа-ресурсов. Однако наличие этого интереса далеко не всегда гарантирует становление в будущем опосредствованного интереса к компьютеру как средству достижения истинных целей учебной деятельности. Чаще всего в этом случае срабатывает свойственный всему живому принцип экономии сил: скачанные в сети Интернет готовые проекты, рефераты, курсовые работы и другие мультимедиа-ресурсы стали сегодня в школе уже привычным фактом.

Определенную опасность таит внешнее поверхностное использование мультимедиа-ресурсов для выполнения малозначимых в общеобразовательном плане групповых и индивидуальных проектов. Наконец, для кого-то компьютер может просто остаться увлекательной игрушкой, стоит вспомнить "заигравшихся" школьников, которые, к сожалению, тоже не редкость.

Компьютер и мультимедиа-ресурсы могут стать не только мощным средством становления и развития школьника (как личности; субъекта познания, практической деятельности, общения, самосознания), но и, наоборот, способствовать формированию шаблонного мышления, формального и безынициативного отношения к деятельности и т.п. Поэтому в обсуждении перспектив использования мультимедиа-ресурсов в общем среднем образовании не должна умаляться, как иногда это делается, ни роль предметного обучения, ни роль учителя, хорошо знающего свой предмет и умеющего управлять развитием учебно-познавательной деятельности своих учеников. Только сделав учителя своим союзником, вооружив его конкретными мультимедиа-ресурсами, пригодными для использования на обычном школьном уроке, и методиками их применения, можно надеяться на успешное развитие на новой технологической базе педагогических технологий.

Использование мультимедиа-технологий в обучении школьников обычно рассматривается в четырех основных направлениях:

компьютер и мультимедиа-технологии как объекты изучения;

компьютер и мультимедиа-технологии как средства представления, хранения и переработки учебной информации;

компьютер как средство организации учебного взаимодействия учащихся;

компьютер как средство управления учебной деятельностью школьников.

Мультимедиа как форма представления информации разных видов, расширяет возможности организации учебной деятельности. Мультимедиа-ресурсы за счет увеличения доли информации, представленной в визуальной форме, открывают перед учителем новые возможности подачи учебного материала (цветные динамические иллюстрации, звуковое сопровождение, фрагменты "живых" уроков и пр.). Электронные способы получения, хранения и переработки информации несут с собой новые виды учебной деятельности (создание учебных сайтов, составление словарей, справочников и т.п.). У школ и отдельных учителей появляется возможность создания электронных библиотек с готовыми мультимедиа-ресурсами, автоматизированного составления разнообразных дидактических материалов.

При использовании мультимедиа-ресурсов на уроке учитель получает возможность гибко менять формы учебного взаимодействия с учащимися (смена фронтальных, групповых и индивидуальных форм; варьирование поля самостоятельности обучаемых, индивидуализация обучения на основе учета познавательного стиля школьника, предоставление учащемуся возможности работать в индивидуальном темпе и т.п.), а также применять новые формы учебного взаимодействия учащихся между собой.

Неслучайно, что в школьной практике все шире применяются такие формы организации учебного взаимодействия, как групповые проекты, при создании которых используются возможности глобальных сетей, коллективное участие в электронных конференциях, поиск мультимедиа-ресурсов для рефератов и докладов; создание презентаций и т.п. При желании учитель может, например, организовать сюжетно-ролевые игры по коллективному решению задач на основе общения, опосредствованного компьютером, между отдельными учениками, группами учащихся, смежными классами. Использование же интерактивной доски поможет ему значительно интенсифицировать и сделать более эффективными фронтальные формы работы. Все это усиливает эмоциональную составляющую учебного процесса, позволяет по-новому мотивировать и активизировать поисковую деятельность учащихся, делает ее привлекательной для них.

Наиболее часто в научных и учебно-методических публикациях описываются убедительные примеры управления учебно-познавательной деятельностью (оперативный контроль, направленный на активизацию внимания, на этапе изложения нового материала; интерактивное взаимодействие с компьютером на этапе повторения и закрепления усвоенных знаний, умений и навыков; текущий контроль на промежуточных этапах и итоговый контроль достигнутых результатов; коррекция как самого процесса обучения, так и его результатов на основе переструктурирования и дозировки учебного материала).

Принципиальным вопросом в построении и практическом применении мультимедиа-ресурсов для системы общего среднего является нацеленность соответствующей методики на формирование позитивных мотивов, основанных на насущных потребностях школьников. Только в случае высокой мотивации учащихся к использованию мультимедиа-ресурсов, возможно результативное обучение целенаправленному использованию образовательного потенциала таких ресурсов. Для того, чтобы определить характер обучения приемам работы с мультимедиа-ресурсами необходимо рассмотреть специфику мотивации поведения школьников при работе с мультимедиа-информацией. Понятием мотив обычно обозначают побуждение к деятельности, движущие силы поступка и поведения человека. Мотив - это желание удовлетворить какую-то потребность.

Мотивация играет важную роль в процессе обучения, и является ключевым фактором успешного обучения. Мотивация определяется совокупностью убеждений и взглядов учащегося в таких вопросах, как его собственный процесс обучения, поведение преподавателя, академические требования, качество учебных материалов и роль занятий. Исследования подтверждают, что применение мультимедиа-ресурсов в обучении стимулирует мотивацию обучаемых. Образовательные средства мультимедиа могут пробуждать в учащихся азарт к обучению и любопытство, а также помогают им формировать умозрительные образы и модели. Таким образом, в большинстве случаев применение мультимедиа положительно сказывается на мотивации учащихся. Однако средства мультимедиа - не панацея, и, как и всякий учебно-методический аппарат, они не могут с равным успехом быть эффективны одновременно для всех школьников.

Достаточно сложная структура мотивации, побуждающая учащегося к учению, обусловлена относительно постоянным и независящим от конкретной ситуации мотивом - изучить определенную область науки, окончить школу. Такие мотивы относительно постоянны, и, следовательно, при определенных внешних воздействиях они могут изменяться. Подобные факторы имеют непосредственное отношение к процессам реализации и использования мультимедиа-ресурсов в обучении, поскольку уровень овладения техническими средствами для работы с информацией и использования образовательного потенциала мультимедиа-ресурсов дает школьникам возможность в будущем продолжить свое образование и получить престижную профессию.

В начальный период работа обучаемых с мультимедиа-ресурсами носит, в основном, информативно-коммуникативный характер. Первоначальным мотивом выступает потребность получения новой, не слишком содержательной и достоверной информации. Как правило, подобная мультимедиа-информация не требует никакой критической переработки и осмысления. Далее в качестве основного мотива начинает выступать потребность в легком общении со сверстниками, во множестве контактов, позволяющих обмениваться информацией.

Современные компьютерные средства привлекают большинство обучаемых богатством красок, мультимедийными возможностями, оперативным поиском интересующей их информации о любимых музыкальных группах, музыкантах, футбольных командах, различных городах и странах, о домашних животных, о жизни других людей. Разброс поиска очень велик. Использование мультимедиа-ресурсов способствует развитию у обучаемых желания пробовать все новые и новые решения, при условии, что учитель обеспечивает должную поддержку.

Внутренняя мотивация, обуславливаемая чувством удовлетворения от процесса обучения, а не только от внешних поощрений, увеличивает индивидуальную вовлеченность ученика в процесс обучения и способствует улучшению результатов обучения. Одним из интересных открытий является тот факт, что поощрения могут скомпрометировать заинтересованность, если начальный интерес в поощряемой деятельности высок, а поощрение получить настолько просто, что это кажется нечестным. Если же начальная заинтересованность не столь высока, то легкое поощрение может увеличить интерес и, таким образом, положительно сказаться на эффективности. Примечательно, что функционирование многих современных мультимедиа-средств обучения основано на учете данного фактора.

Существует достаточно много естественных мотивационных аспектов при работе с мультимедиа-ресурсами. Практически у каждого школьника существует желание иметь свой собственный мультимедийный сайт в сети Интернет. Кроме того, школьники с удовольствием используют электронную почту и чат. Такие сервисы Интернет обеспечивают учащихся особыми способами коммуникативного общения, дают возможность обрести новых друзей, самовыразиться, заявить о себе, используя для этих целей элементы мультимедиа-технологий.

Повышению активности школьников в процессе обучения и более эффективному процессу усвоения новых знаний и технологических приемов способствует использование в мультимедиа-ресурсах различных проблемных ситуаций. Дело в том, что перед пользователями, работающими в реальных компьютерных сетях, проблемные ситуации возникают достаточно часто. Так, например, школьники могут осознавать, что перед ними открыт огромный объем мультимедиа-информации, но при ознакомлении с ним они могут не уложиться в то время, которое отведено для информационного взаимодействия. При этом, имеющихся у обучаемых умений поиска и переработки информации оказывается недостаточно, возникает проблемная ситуация и, как следствие, потребность совершенствовать подобные навыки и умения, прибегая к помощи учителя.

Наличие и потребность в решении проблемных ситуаций также является одним из мотивов работы обучаемых с мультимедиа-ресурсами. Проблемность ситуации заключается в том, что школьники заинтересованы в получении необходимой мультимедиа-информации за как можно более короткий временной отрезок. Для этого преподавателю необходимо научить обучаемых планировать время работы, обучить различным способам решения одной и той же задачи, приемам работы с поисковыми системами и каталогами, умению критически оценивать получаемую мультимедиа-информацию.

Использование мультимедиа-технологий может породить новые формы организации учебной деятельности в школе. В то же время такие технологии могут повысить эффективность и форм обучения, ставших традиционными, к которым, в первую очередь, необходимо отнести классно-урочную систему, применяемую в большинстве российских школ. Использование мультимедиа-технологий в условиях классно-урочной системы имеет свои положительные и отрицательные стороны, требующие более детального рассмотрения.

К достоинствам классно-урочной организации обучения относят:

экономическую выгоду (по сравнению с индивидуальным обучением и воспитанием);

организационную упорядоченность системы обучения и руководства ею (четкость и непрерывность учебно-воспитательного процесса);

систематический и планомерный характер предъявления учебного материала;

возможность сочетать фронтальные, групповые и индивидуальные формы работы, оперативно переходить от одних форм к другим;

стимулирующее влияние классного коллектива на учебную деятельность каждого ученика на основе знания учителем индивидуальных особенностей учащихся, а учениками друг друга;

своеобразное соревнование между учащимися при коллективном характере работы на уроке;

возможность специализации учителей в рамках предметного обучения;

тесное сочетание обязательной учебной деятельности с различными видами внеклассной и внеурочной работы.

К числу основных недостатков относят:

ориентацию на среднего ученика, в результате которой создаются трудности при обучении слабых учеников, и происходит задержка развития сильных;

преобладание однообразного, неиндивидуализированного характера идейно-эмоционального воздействия на учащихся со стороны учителя;

как правило, стандартное построение уроков в течение всего периода обучения;

преобладание фронтальных форм работы при изложении нового материала;

работа с отдельными учениками при опросах и закреплении у доски изученного материала, при которой остальные учащиеся на уроке фактически не участвуют в процессе обучения;

ограниченные возможности для применения коллективных форм учебной работы;

невозможность "досрочного" изучения материала сильными учащимися и их перевода в следующий класс.

Обучение школьников большинству учебных предметов в рамках классно-урочной системы идет в специальных кабинетах. Основной формой организации обучения является урок. Поэтому перспективы повышения эффективности классно-урочной системы связываются с оснащением кабинетов дидактическими и техническими средствами обучения и с совершенствованием типов уроков и их модулей. Мультимедиа-технологии, как ничто другое, позволяют интегрировать эти два направления дидактических поисков.

Современные мультимедиа-технологии позволяют говорить о предметном уроке в компьютерном классе, например, с интерактивной доской.

Учитель на таком уроке, сохраняя почти весь арсенал имеющихся у него методических приемов, может многократно его преумножить возможностями мультимедиа-технологий. Для этого необходимы, прежде всего, мультимедиа-ресурсы, которые можно легко встраивать в структуру урока.

К сожалению, основные усилия отечественных разработчиков образовательных программных продуктов и мультимедиа-ресурсов направлены на создание различного рода интеллектуальных обучающих систем, рассчитанных на индивидуализированное обучение. Тактически более целесообразно дать учителю такие мультимедиа-ресурсы, которые он мог бы сам без значительных дополнительных временных затрат встраивать в урок, проводимый в условиях существующей классно-урочной системы. На сегодняшний момент одним из перспективных и важных может стать комплексный подход к использованию мультимедиа-технологий при изучении некоторого относительно замкнутого раздела школьной программы (с достаточно стабильным содержанием и устоявшимися методиками обучения) в условиях класса с интерактивной доской.

Вряд ли сегодня можно говорить, что произошел какой-то существенный перелом в сознании учителей-предметников и методистов в отношении перспектив использования предлагаемых мультимедиа-ресурсов в организации учебного процесса. В обозримом будущем массовая школа по-прежнему останется классно-урочной, а подавляющее большинство существующих мультимедиа-ресурсов рассчитано на индивидуальную работу. В настоящее время для школ наиболее доступными мультимедиа-средствами обучения являются имеющие сетевые версии мультимедийные CD-диски. Правда, за редкими исключениями эти материалы пока мало отличаются от обычных печатных изданий. По-прежнему основной теоретический материал представляется в знаково-символьной форме и сопровождается привычными готовыми статичными чертежами и рисунками. Учителей, в первую очередь, не устраивает то, что использование этих учебных материалов на уроке весьма проблематично. Такие мультимедиа-ресурсы, как правило, рассчитаны на внеурочную индивидуальную самостоятельную работу.

Необходимо переосмыслить и всесторонне использовать большой методический опыт, накопленный методикой обучения в области использования традиционных технических средств обучения. До недавнего времени все такие средства было принято подразделять на аудитивные (грамзаписи, магнитофонные записи), визуальные ("немые" кинофильмы и киноконцовки, диафильмы, серии диапозитивов, транспаранты - пленки с нанесенным на них рисунком - для графопроектора, наборы материалов для эпипроекции) и аудиовизуальные (звуковые кино- и видеофильмы, материалы телепередач, озвученные диафильмы). Имеется многочисленная методическая литература, посвященная использованию на уроке как отдельных технических средств, так и их комплексов. Описаны достоинства и недостатки конкретных технических средств обучения. Для разных видов технических средств разработаны рекомендации по их применению, созданы варианты заданий для самостоятельной коллективной и индивидуальной работы и пр.

Несмотря на все сказанное, перечисленные технические средства обучения удачно (или неудачно) дополняли и сопровождали учебный процесс, но никогда не определяли его лицо. Компьютер, мультимедиа-ресурсы и интерактивная доска позволяют интегрировать и существенно обогатить возможности перечисленных технических средств обучения и, тем самым, преобразить конструирование и проведение всех уроков. Специальный монтаж материала, записанного на разных носителях, позволяет реализовать достоинства учебного кинофильма: оптимальное сочетание разных выразительных языковых средств (текста, звука, статических и динамических демонстраций), выбор нужных планов и деталей изучаемого объекта, изменение его ракурсов и т.п. Столь же просто реализовать наиболее популярные приемы работы с графопостроителем: наложение и снятие пленок, каширование.

Мультимедиа-технологии позволяют сделать учащегося не только созерцателем готового учебного материала, но и участником его создания, преобразования, оперативного использования. Имеющиеся мультимедийные курсы и образовательные программные продукты позволяют уже сегодня по-новому строить уроки. Мультимедиа-технологии неизмеримо расширяет возможности в организации и управлении учебной деятельности и позволяет практически реализовать огромный потенциал перспективных методических разработок, найденных в рамках традиционного обучения, которые, однако, оставались невостребованными или в силу определенных объективных причин не могли дать там должного эффекта.

Вернемся к прежним техническим средствам обучения. Необходимость затемнения при использовании киноаппаратуры и эпипроектора не позволяла учителю должным образом управлять познавательной активностью учащихся и сводила на нет многие усилия разработчиков учебных материалов, обесценивала их методические замыслы. Не произошло значительных изменений в активизации познавательной деятельности и в управлении ею с появлением телевизоров, видеомагнитофонов, графопроекторов, используемых в незатемненной аудитории. Несмотря на то, что учитель перед просмотром на уроке учебного фильма или других материалов пытался сформировать у учащихся необходимую установку, а после просмотра организовывал специальную работу по усвоению просмотренной информации, многие учащиеся "пассивно воспринимали" предлагаемый материал.

Похожую картину можно наблюдать и при изложении учебного материала самим учителем у классной доски. Если к тому же материал приходится сразу записывать, то у учащегося зачастую ускользает и его понимание. Хорошо известно, что оперативно поставленные текущие контрольные вопросы, на которые по ходу занятия ученикам необходимо давать ответы, значительно повышают качество обработки и усвоения воспринимаемой ими информации.

В условиях традиционной классно-урочной системы эффективность такого дидактического приема, к сожалению, не велика - учитель физически не может быстро обработать и оценить ответы учащихся. Совсем другое дело, когда занятие проходит в компьютерном классе, а ответы рассчитаны на компьютерную обработку. Учитель получает возможность оперативно отслеживать "средний процент понимания" и вносить в ход урока необходимые коррективы. Более того, по окончанию занятия можно отследить и оценить работу каждого школьника. Таким образом, мультимедиа-технологии позволяют инициировать и стимулировать внутреннюю активность учеников даже в условиях применения объяснительно-иллюстративного метода. [2]

§2.2 Извлечение из государственного стандарта

Кодирование звуковой информации отражено в стандарте среднего (полного) общего образования по информатике и ИКТ профильного уровня.

В разделе «Обязательный минимум содержания основных образовательных программ», а точнее: «Базовые понятия информатики и информационных технологий».

В линии «Информация и информационные процессы» отмечены следующие знания, которые должны знать ученики: Виды информационных процессов. Процесс передачи информации. Сигнал, кодирование, декодирование, искажение информации. Дискретное (цифровое) представление текстовой, графической, звуковой информации и видеоинформации. Скорость передачи информации. Восприятие, запоминание и обработка информации человеком, пределы чувствительности и разрешающей способности органов чувств.

Целями данного урока будут: во-первых, дать ученикам представление о том, как представлена информация в компьютере, во-вторых, показать каким образом информация преобразуется из аналоговой в дискретную.

Из этих целей можно сформулировать следующие задачи урока:

- Повторение (объяснение) звука как физического явления (на что влияет амплитуда, на что влияет частота, в чём они измеряются).

- Объяснение процесса кодирования звука.

- Объяснение ученикам, как измерять объём звуковой информации. [12]

§2.3 Программная разработка библиотеки процедур по теме «Кодирование звука»

Библиотека состоит из набора процедур. Для того, чтобы подключить библиотеку к новому проекту, нужно прописать read <имя файла библиотеки>, в данном случае read lib.mws.

Перед тем, как объяснять тему «Кодирование звука», неплохо бы вспомнить какие физические параметры влияют на звук. Дети это изучали в курсе физики. С помощью средств языка Maple можно построить подобие звуковой волны и показать, что такое амплитуда и что такое частота.

sys:=proc(s,v)

plot(sin(x), x=0..s, y=0..v, color=white);

end proc;

sys(10,10);

amp:=proc(s)

local sn,gr,fr;

sn:=plot(s, x=0..8, color=green,legend=sin):

fr:=plot([[1.5,1],[7.8,1]],style=line,legend=частота):

gr:=plot([[1.5,1],[1.5,0]],style=line,color=blue,legend=амплитуда):

plots[display](fr,gr,sn);

end proc;

amp(sin(x));

Далее, мы рисуем пример звуковой волны.

> amp1:=proc(s)

local sn;

sn:=plot(s, x=0..5, y=0..3, color=green, legend=sin):

plots[display](sn);

end proc;

amp1(sin(x)+2);

Пакет Student позволяет легко разбить звуковую волну на «ступеньки».

> with(student):

lesenka:=proc(st)

middlebox(sin(t)+2,t=0..5, st, shading=BLUE,style = point );

end proc;

lesenka(5);

> with(student):

lesenka:=proc(st)

middlebox(sin(t)+2,t=0..5, st, shading=BLUE,style = point );

end proc;

lesenka(50);

Заменив 1 параметр, мы показываем, как изменится цифровое звучание при большем количестве герц, выделенных для кодирования.

Все процедуры сохраняются в одном файле.

save lesenka, amp, amp1, sys, "RulevMV lib.m"

§2.4 Конспект урока по теме «Кодирование звука» с использованием разработанной библиотеки процедур (перечень индивидуальных заданий)

Тема урока:

Кодирование звуковой информации.

Дидактическая цель

Обеспечение в ходе урока усвоения знаний о том:

- Как представляется звуковая информация в компьютере.

- О процессе преобразования аналоговой звуковой информации в дискретную.

Понимать:

Различия между аналоговой и звуковой информацией.

На что влияют глубина кода и частота дискретизации.

Знать:

Процесс кодирования звуковой информации. Что такое глубина кода и частота дискретизации. Взаимосвязь между глубиной кодирования и количеством уровней сигналов

Уметь:

Кодировать звуковую информацию.

Задачи развития:

Мышления (логическое).

развивать у учащихся такие интеллектуальные умения как анализ и синтез (структура описательного рассказа, востребованы для каждого пункта из «уметь»), установление причинно-следственных связей (объяснительный рассказ и обобщающая беседа);

Задачи воспитания:

Воспитание культуры работы с ПК.

Интерес к теме.

Этичное отношение к одноклассникам. (умение слушать, приводить адекватную критику)

Основные формы обучения

Фронтальная, индивидуальная (у доски).

Основные методы:

Объяснительно-иллюстративный, словесный, наглядный.

Средства обучения:

Доска, проектор, ПК.

Тип урока: урок обобщения и систематизации материала.

Список используемой литературы:

Левченко И.В. Частные вопросы методики обучения теоретическим основам информатики в средней школе: учебно-методическое пособие. – М.: МГПУ, 2007. – 160 с.

Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии: Учебное пособие для 10-11классов. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. – 464 с.

Структура урока:

1) Организационный момент (2мин)

2) Актуализация знаний (7-8мин)

3) Всесторонняя проверка знаний. (32мин)

4) Подведение итогов. (3мин)

Этап урока

Организационный момент (1мин)

Подготовка к усвоению нового материала. (4мин)

Введение нового материала. (15мин)

Первичное закрепление материала. (20мин)

Подведение итогов. (5мин)

Деятельность учителя

Приготовьтесь к уроку. Здравствуйте, садитесь.

Отмечаю отсутствующих.

Открывайте тетради и запишите тему:

«Кодирование звуковой информации».

Как вы уже знаете вся информация, попадая в компьютер, преобразуется.

С информацией какого вида работает компьютер?

Да.

И сегодня мы начнём изучать, каким же образом компьютер преобразует ту или иную информацию.

Начнём мы со звуковой информации.

Вы узнаете, как звук из аналогового состояния переходит в дискретное. Узнаете, как измерить звуковую информацию и от чего зависит объём звукового файла.

Вы все изучали физику и в рамках этого предмета изучали звук.

Вспомним, что такое звук?

В этом нам поможет ответ на вопрос: Как он распространяется?

Правильно. Но проводником может служить необязательно воздух, любая среда, кроме вакуума.

Таким образом, звук – это волна с непрерывно меняющейся амплитудой во времени.

Какие параметры звука вы помните из курса физики?

А ещё?

Чем выше громкость, тем больше амплитуда колебания воздуха. А чем чаще колеблется воздух, тем выше тон звука.

Амплитуда измеряется в децибелах, а частота колебаний в герцах.

Рисую синусоиду или несколько:

Поясняю её, показываю, как определить амплитуду и частоту.

Вспомнили, что такое звук, как он распространяется, о его основных характеристиках. Теперь разберёмся, как же он представляется в компьютере.

Для этого нарисуем декартову систему координат.

Разобьём линию времени, равную 1ой секунде на 5 равных частей.

Т.е. у нас за 1 секунду звук будет иметь 5 состояний.

Это количество изменений звука за секунды мы назовём

частотой дискретизации.

Запишите в тетрадь определение.

Так же выделим четыре различных уровня амплитуды звучания.

Сколько двоичных разрядов нам потребуется, чтобы закодировать 4 различных состояния?

А как мы можем обозначить 4 различных состояния, используя два двоичных разряда?

Правильно

Каждый разряд это 1 бит, значит, нам потребуется 2 бита, для кодирования этой каждой 1\5 секунды. Количество бит, используемое для кодирования уровня звука, называется глубина кодирования.

Далее я рисую пример звуковой волны.

Возьмём, к примеру, вот такую звуковую волну. Нам нужно её оцифровать.

Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды.

Таким образом, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени А(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность “ступенек”.

Хоть больше у нас нет таких плавных переходов звука, но графики более менее похожи.

Далее разбираю случай, когда частота колебаний выше, чем в первом случае:

Предположите, как нам стоит поступить, чтобы не потерять этот скачёк звука?

Молодец.

Таким образом, какой мы можем сделать вывод, исходя из этих 2ух примеров?

Да.

Какая характеристика влияет на количество измерений?

Запишите себе в тетрадь:

Чем выше частота дискретизации, тем качество кодирования будет выше.

Запишите себе в тетрадь:

Взаимосвязь между глубиной кодирования и количеством уровней сигналов:

2ⁱ = N, где N – количество сигналов, а i – глубина кодирования.

Мы разобрались, как кодируется звук, как измерить частоту дискретизации, как измерить глубину кодирования.

Теперь попробуем решить задачу.

Определить размер (в байтах) цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет 10 секунд при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 бит. Файл сжатию не подвержен.

Вызываю ученика к доске и вместе с классом мы решаем задачу.

Поднимите руку, те, кому непонятно как мы выполнили это задание.

Отвечаю на вопросы.

Раз все теперь вам понятно, попробуйте решить задачу самостоятельно.

Определить объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет две минуты при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 бит.

Выполняем задание в тетради. Плохих оценок я ставить не буду, т.к. это новая тема, но тем, кто сделает задание, я обязательно поставлю 5 или 4.

Даю вам 10 минут.

Выставляю оценки тем, кто справился с заданием.

Делаю разбор задания, вызывая ученика к доске.

Подведём итог урока.

Какие основные характеристики имеет звуковая волна?

Что влияет на громкость звука?

А что влияет на высоту звука?

Какая величина отвечает за количество уровней громкости звука?

А за частоту колебания звука?

Всё верно.

Урок окончен, спасибо, до свидания.

Деятельность учеников

Здравствуйте.

С числовой. С 0 и 1.

Голосовые связки колеблют воздух. И это колебание передаётся дальше и дальше, пока колебания не затихнут.

Громкость

Высота.

Частота дискретизации – количество измерений сигнала в секунду. Измеряется в герцах.

2 разряда.

00, 01, 10, 11

Глубина кодирования – количество бит, используемое для кодирования уровня звука.

Нам нужно разбить линию времени на более мелкие части, тогда мы сможем более чётко изобразить кривую.

Чем чаще мы делаем замер уровня сигнала, тем более точно мы оцифруем звук.

Частота дискретизации.

Записывают:

Чем выше частота дискретизации, тем качество кодирования будет выше.

Взаимосвязь между глубиной кодирования и количеством уровней сигналов:

2ⁱ = N, где N – количество сигналов, а i – глубина кодирования.

Громкость, высота.

Амплитуда колебания воздуха.

Частота колебания звуковой волны.

Глубина кодирования.

Частота дискретизации.

[6], [10], [11]

Вывод по второй главе

Можно выделить следующие психологические преимущества использования мультимедиа-ресурсов в процессе обучения школьников: 1. Визуализация. Работа с графической информацией позволяет мобилизовать ресурсы образного мышления даже при работе со знаковым материалом. 2. Ускорение процесса экстериоризации замысла, его материализация в виде рисунка или схемы. 3. Ускорение и увеличение полученных от компьютера результатов шаблонных преобразований ситуации. 4. Расширение возможностей осуществления пробующих поисковых действий, которые теперь совершаются компьютером. 5. Возможность вернуться к промежуточным этапам сложной деятельности (используя память компьютера). 6. Возможность одномоментного рассмотрения одного и того же объекта с нескольких точек зрения, сравнение нескольких вариантов преобразования объекта.

Был создан демонстрационный материал, который отражает в себе преимущества использования мультимедиа-ресурсов, как для учителя, так и для учеников. С помощью математического пакета Maple можно довольно быстро создать материал по теме данного урока, который отражает в себе тему. Уже написанные ресурсы довольно просто преобразовывать, что упрощает объяснение материала на уроке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование на школьных уроках по информатике мультимедиа технологий даёт новые возможности, как для учителя, так и для учеников. Мультимедиа средства позволяют привнести в образовательную деятельность возможность оперирования с информацией разных типов таких, как звук, текст, фото и видео, изображения.

В данной дипломной работе представлен демонстрационный материал для школьного урока по информатике на тему «Кодирование звука», разработанный с помощью средств математического пакета Maple. Возможности Maple позволяют достаточно быстро составить визуальное сопровождение к уроку по теме «Кодирование звука». Главным преимуществом данной библиотека процедур является её гибкость, т.е., для изменения отображения материала, достаточно изменить несколько параметров, передаваемых в процедуры.

Библиотеку процедур можно использовать для самостоятельной работы учащихся – от учеников это не потребует специальных навыков, но они смогут рассмотреть различные варианты отображения информации, изменяя параметры.

Таким образом, мы можем сделать вывод, о том, что, подбирая верные средства для реализации материала, сопровождающего урок, можно избавить учеников и учителей от рутинных действий, сосредоточившись на сути материала. В случае с уроком по теме «Кодирование звука», библиотека процедур, созданная средствами Maple, поможет лучше усвоить материал урока учениками.

БИБЛИОГРАФИЯ

Беленкова, И.В. Методика использования математических пакетов в профессиональной подготовке студентов вуза [Текст]: Дис. … канд. пед. наук / И.В. Беленкова. – Екатеринбург, 2004. – 150 c.

Бокуть, Л.В. Индивидуализация обучения с учетом психологических особенностей учащихся. [Текст] / Л.В. Бокуть, И.Д. Рукавишникова, М.В. Крейцер.– Минск, 2004. – 428 с.

Гершунский, Б.С. Компьютеризация в сфере образования [Текст]: Проблемы и перспективы / С.Б. Гершунский.– М.: Педагогика, 1987. – 264 с.

Говорухин, В.Н. Введение в Maple. Математический пакет для всех [Текст] / В.Н. Говорухин, В.Г. Цыбулин.– М.: Мир, 1997. – 208 с.

Дьяконов, В.П. Maple 6. Учебный курс. [Текст] / В.П. Дьяконов.– СПб: Питер, 2001. – 603 с.

Левченко, И.В. Частные вопросы методики обучения теоретическим основам информатики в средней школе [Текст]: Учеб. пособие для студентов пед. вузов и ун-тов / И.В. Левченко, Н.Н. Самылкина.– М.: МГПУ, 2003. – 160 с.

Роберт, И.В. Современные информационные технологии в образовании: дидактические проблемы, перспективы использования [Текст] / И.В. Роберт.– М.: Школа-Пресс, 1994.

Советов, Б.Я. Информационные технологии [Текст]: Учебник / Б.Я. Советов, В.В. Цехановский.– М.: Высш. школа, 2002.

Талызина, Н.Ф. Психолого-педагогические основы автоматизации учебного процесса [Текст] / Н.Ф. Талызина // Психолого-педагогические и психофизиологические проблемы компьютерного обучения: Сб. научн. трудов. – М.: Изд-во АПН СССР, МГУ, 1985. – С. 53–70.

Угринович, Н.Д. Информатика и информационные технологии [Текст]: учебник: 10-11 кл. / Н.Д. Угринович.– М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. – 464 с.

Угринович, Н.Д. Практикум по информатике и информационным технологиям [Текст]: учебник: 10-11 кл. / Н.Д. Угринович.– М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. – 400 с.

Шмелёва, А.Г. Стандарт среднего (полного) образования по информатике и информационным технологиям. Базовый уровень. Профильный уровень [Текст] / А.Г. Шмелёва // Информатика и образование. – 2004. – № 4. – С. 2–28.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Задания для самостоятельной работы

1. В распоряжении пользователя имеется память объемом 2,6 Мб. Необходимо записать цифровой аудиофайл с длительностью звучания 1 минута. Какой должна быть частота дискретизации и разрядность?

2. Объем свободной памяти на диске – 5,25 Мб, разрядность звуковой платы – 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 22,05 кГц?

3. Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на диске 5,1 Мб. Частота дискретизации — 22050 Гц. Какова разрядность аудиоадаптера?

4. Оцените информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 1 мин. если "глубина" кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно:

а) 16 бит и 8 кГц;

б) 16 бит и 24 кГц.

5. Одна минута записи цифрового аудио файла занимает на диске 1,3 Мб, разрядность звуковой платы – 8. С какой частотой дискретизации записан звук? Ответ продемонстрируйте в виде изображения разбитой аудио волны на «ступеньки», воспользовавшись программой Maple. Для этого запустите Maple, введите следующие команды:

read lib.m;

lesenka(m);

Вместо параметра m нужно указать, на какое количество раз разбивается график, обратите внимание, что звук длится не одну секунду.