Методическая система обучения темы "Кодирование информации" в средней школе

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

• Введение
• Глава 1. Теоретические аспекты Кодирования информации
• 1.1 Кодирование, декодирование, общие понятия
• 1.2 Теоретические основы кодирования различных видов информации
• Глава 2. Методическая система обучения темы «Кодирование информации» в средней школе
• 2.1 Роль и место темы «Кодирование информации» в средней школе
• 2.2 Методическая система обучения темы «Кодирование Информации» в основной школе
• 2.3 Педагогический эксперимент и его результаты
• Заключение
• Библиографический список
• Приложение

Введение

Развитие современного общества и системы образования предъявляют все более высокие требования к качеству подготовки выпускников школ.

При изучении раздела информатики у учащихся вызывает затруднение тема «Кодирование информации». Тем не менее, данная тема является очень важной, так как имеет огромное практическое применение. Среди главных проблем в учебном процессе особую актуальность приобретают вопросы повышения эффективности образования на основе применения современных информационных средств и технологий, которые способствуют совершенствованию методики преподавания благодаря преимуществам, связанным с наглядностью, возможностью использования различных форм представления информации. Одним из наиболее эффективных способов разрешения этой проблемы могут служить электронно-образовательные ресурсы.

Правильно разработанные электронно-образовательные ресурсы по различным дисциплинам позволяют не только визуально изучить материал, но и дают возможность реального осмысления, повторения материала, самостоятельного обучения по данному конкретному предмету. Поэтому был разработан электронный ресурс, представляющий собой учебное пособие, в котором изложены теоретические основы темы «Кодирование информации», а так же задания для самостоятельной работы и наглядные интерактивные примеры. Электронный образовательный ресурс сделан на языке сервисных сценариев PHP с использованием СУБД MySQL, интерактивных предложений представляют собой flash-приложения.

Актуальность данной работы заключается в том, что на данный момент крайне мало разработанных методических пособий по теме «Кодирование информации» для средней школы и, к сожалению, по данной теме недостаточно электронно-образовательных ресурсов которые можно использовать на уроке информатики и ИКТ

Цель исследования:

· изучить и теоретический материал по теме «Кодирование информации»;

· разработать методическую систему обучения на тему ««Кодирование информации»» с использованием электронно-образовательного ресурса и интерактивных форм контроля знаний и проверить её эффективность в средней школе.

Объект исследования: процесс обучения информатики в школе.

Предмет исследования: проведение уроков информатики по теме: «Кодирование информации» с использованием интернет-технологий.

Гипотеза исследований: если в процессе обучения по теме «Кодирование информации» применять методическую систему обучения в основу которой входит электронно-образовательный ресурс и интерактивные формы контроля знаний, то качество обучения учащихся повысится.

Исходя из цели, объекта, предмета, гипотезы исследования нами были выдвинуты следующие задачи исследования:

1. Изучить научную учебно-методическую психолого-педагогическую литературу по теме исследования.

2. Рассмотреть особенности обучения в средней школе.

3. Разработать электронно-образовательный ресурс по теме «Кодирование информации».

4. Разработать методическую систему обучения по теме «Кодирование информации» на основе разработки электронно-образовательного ресурса.

5. Апробировать разработанную методическую систему обучения на уроках информатики и ИКТ.

Для реализации цели и задач применялись следующие методы: изучение теоретических аспектов кодирования информации; изучение особенностей обучения в средней школе; обобщение и систематизация теоретического и практического опыта.

Теоретическая значимость исследования заключается в том, что рассмотренные теоретические и методические аспекты темы «Кодирование информации» с применением электронно-образовательного ресурса позволят учителю повысить эффективность учебного процесса путём углубления знаний программного материала, развитие познавательного интереса учащихся. кодирование информация школа интерактивный

Практическая значимость исследования заключается разработке электронного учебно-методического пособия «Кодирование информации» в средней школе, которое зарегистрировано в ИНИПИ РАО ОФЭРНиО от 10 декабря 2014 года №20657 (Приложение А).

Данный интернет-ресурс может быть использован для проведения классно-урочной и самостоятельной формы работы по информатике в школе.

Таким образом, к основным задачам следует отнести формирование представления о науке, ее теоретических основах, методах; формирование специальных умений и навыков, необходимым для дальнейшего изучения профильных дисциплин в высших учебных заведениях и будущей профессиональной деятельности, овладение ими может быть описано как овладение «базовыми» и «специальными компетенциями».

Опытно-экспериментальной базой исследования является МБОУ Средняя общеобразовательная школа №15 г. Йошкар-Олы». Место нахождение школы 424032 РФ, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, ул. Мира, д. 91А.

Выпускная квалификационная работа состоит из введения, двух глав, заключения, библиографический список и приложений.

Глава 1. Теоретические аспекты Кодирования информации

1.1 Кодирование, декодирование, общие понятия

Существует 2 подхода к рассматриванию понятия кодирования информации:

1) Философский (Бауэр, Гоод);

2) Практический.

Оба эти подхода ориентируются на представление информации, разница заключается только в определении смысла.

1) Философский (Бауэр, Гоод): Кодирование - преобразование сигнала в смысл.

2) Практический (Глушков, Лебедев):

Кодирование - преобразование сигнала 1 в сигнал 2 без изменения смысла.

Код - это правило замены одного символа на другой.

Виды кодов:

1) По структуре:

· Линейный;

· Табличный.

2) По типам сигнала:

· Числовой;

· Текстовый;

· Графический;

· Звуковой.

В 1946 году Дж фон Нейман доказал, что любой вид кода можно представить в виде 0 и 1, т.е. виде системы счисления двоичного кодирования.

Любая информация, с которой работает современная вычислительная техника, преобразуется в числа в двоичной системе счисления. [33. стр. 23]

Дело в том, что физические устройства (регистры, ячейки памяти) могут находиться в двух состояниях, которым соотносят 0 или 1. Используя ряд подобных физических устройств, можно хранить в памяти компьютера почти любое число в двоичной системе счисления. Сколько физических ячеек используемых для записи числа, столько и разрядное число можно записать. Если ячеек 8, то и число может состоять из 8 цифр.

Кодирование в компьютере целых чисел, дробных и отрицательных, а также символов (букв и др.) имеет свои особенности для каждого вида. Например, для хранения целых чисел выделяется меньше памяти (меньше ячеек), чем для хранения дробных независимо от их значения.

Однако всегда следует помнить, что любая информация (числовая, текстовая, графическая, звуковая и др.) в памяти компьютера представляется в виде чисел в двоичной системе счисления (почти всегда).

В общем смысле кодирование информации можно определить как перевод информации, представленной сообщением в первичном алфавите, в последовательность кодов.

Надо понимать, что любые данные - это так или иначе закодированная информация. Информация может быть представлена в разных формах: в виде чисел, текста, рисунка и др. Перевод из одной формы в другую - это кодирование. [33. стр. 123]

Существуют разные способы кодирования и декодирования информации в компьютере. Это зависит от вида информации: текст, число, графическое изображение или звук. Для числа также важно, как оно будет использовано: в тексте, или в вычислениях, или в процессе ввода-вывода. Вся информация кодируется в двоичной системе счисления: с помощью цифр 0 и 1. Эти два символа называют двоичными цифрами или битами. Такой способ кодирования технически просто организовать: 1 - есть электрический сигнал, 0 - нет сигнала. Недостаток двоичного кодирования - длинные коды. Но в технике легче иметь дело с большим числом простых однотипных элементов, чем с небольшим числом сложных.

1.2 Теоретические основы кодирования различных видов информации.

Современный компьютер может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, звуковую и видео-информацию. Все эти виды информации в компьютере представлены в двоичном коде, т. е. используется алфавит мощностью два (всего два символа 0 и 1). Связано это с тем, что удобно представлять информацию в виде последовательности электрических импульсов: импульс отсутствует (0), импульс есть (1). Такое кодирование принято называть двоичным, а сами логические последовательности нулей и единиц - машинным языком.

Таблица 1.1 виды информации -

Вид информации	Двоичный код
Числовая	10110011
Текстовая
Графическая
Звуковая
Видео

Каждая цифра машинного двоичного кода несет количество информации равное одному биту.

Данный вывод можно сделать, рассматривая цифры машинного алфавита, как равновероятные события. При записи двоичной цифры можно реализовать выбор только одного из двух возможных состояний, а, значит, она несет количество информации равное 1 бит. Следовательно, две цифры несут информацию 2 бита, четыре разряда --4 бита и т. д. Чтобы определить количество информации в битах, достаточно определить количество цифр в двоичном машинном коде. [34. стр. 120]

Кодирование текстовой информации.

В настоящее время большая часть пользователей при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др.

Традиционно для того чтобы закодировать один символ используют количество информации равное 1 байту, т. е. I = 1 байт = 8 бит. При помощи формулы, которая связывает между собой количество возможных событий. К и количество информации I, можно вычислить сколько различных символов можно закодировать (считая, что символы - это возможные события):

К = 2I = 28 = 256,

т. е. для представления текстовой информации можно использовать алфавит мощностью 256 символов.

Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255. [15. стр. 45]

Необходимо помнить, что в настоящее время для кодировки русских букв используют пять различных кодовых таблиц (КОИ - 8, СР1251, СР866, Мас, ISO), причем тексты, закодированные при помощи одной таблицы не будут правильно отображаться в другой кодировке. Наглядно это можно представить в виде фрагмента объединенной таблицы кодировки символов.

Одному и тому же двоичному коду ставится в соответствие различные символы.

Таблица 1.2 -соответствие символов

Двоичный код	Десятичный код	КОИ8	СР1251	СР866	Мас	ISO
11000010	194	б	В	-	-	Т

Впрочем, в большинстве случаев о перекодировке текстовых документов заботится на пользователь, а специальные программы - конверторы, которые встроены в приложения.

Начиная с 1997 г. последние версии Microsoft Windows&Office поддерживают новую кодировку Unicode, которая на каждый символ отводит по 2 байта, а, поэтому, можно закодировать не 256 символов, а 65536 различных символов.

Чтобы определить числовой код символа можно или воспользоваться кодовой таблицей, или, работая в текстовом редакторе Word 6.0 / 95. Для этого в меню нужно выбрать пункт «Вставка» - «Символ», после чего на экране появляется диалоговая панель Символ. В диалоговом окне появляется таблица символов для выбранного шрифта. Символы в этой таблице располагаются построчно, последовательно слева направо, начиная с символа Пробел (левый верхний угол) и, кончая, буквой «я» (правый нижний угол).

Для определения числового кода символа в кодировке Windows (СР1251) нужно при помощи мыши или клавиш управления курсором выбрать нужный символ, затем щелкнуть по кнопке Клавиша. После этого на экране появляется диалоговая панель Настройка, в которой в нижнем левом углу содержится десятичный числовой код выбранного символа. [34. стр. 65]

Кодирование графической информации.

В середине 50-х годов для больших ЭВМ, которые применялись в научных и военных исследованиях, впервые в графическом виде было реализовано представление данных. В настоящее время широко используются технологии обработки графической информации с помощью ПК. Графический интерфейс пользователя стал стандартом «де-факто» для ПО разных классов, начиная с операционных систем. Вероятно, это связано со свойством человеческой психики: наглядность способствует более быстрому пониманию. Широкое применение получила специальная область информатики, которая изучает методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, - компьютерная графика. Без нее трудно представить уже не только компьютерный, но и вполне материальный мир, так как визуализация данных применяется во многих сферах человеческой деятельности. В качестве примера можно привести опытно-конструкторские разработки, медицину (компьютерная томография), научные исследования и др.

Особенно интенсивно технология обработки графической информации с помощью компьютера стала развиваться в 80-х годах. Графическую информацию можно представлять в двух формах: аналоговой или дискретной. Живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно - это пример аналогового представления, а изображение, напечатанное при помощи струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета - это дискретное представление. Путем разбиения графического изображения (дискретизации) происходит преобразование графической информации из аналоговой формы в дискретную. При этом производится кодирование - присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода. При кодировании изображения происходит его пространственная дискретизация. Ее можно сравнить с построением изображения из большого количества маленьких цветных фрагментов (метод мозаики). Все изображение разбивается на отдельные точки, каждому элементу ставится в соответствие код его цвета. При этом качество кодирования будет зависеть от следующих параметров: размера точки и количества используемых цветов. Чем меньше размер точки, а, значит, изображение составляется из большего количества точек, тем выше качество кодирования. Чем большее количество цветов используется (т. е. точка изображения может принимать больше возможных состояний), тем больше информации несет каждая точка, а, значит, увеличивается качество кодирования. Создание и хранение графических объектов возможно в нескольких видах - в виде векторного, фрактального или растрового изображения. Отдельным предметом считается 3D (трехмерная) графика, в которой сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. Она изучает методы и приемы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Для каждого вида используется свой способ кодирования графической информации. [35. стр. 68]

Растровое изображение.

При помощи увеличительного стекла можно увидеть, что черно-белое графическое изображение, например из газеты, состоит из мельчайших точек, составляющих определенный узор - растр. Во Франции в 19 веке возникло новое направление в живописи - пуантилизм. Его техника заключалась в том, что на холст рисунок наносился кистью в виде разноцветных точек. Также этот метод издавна применяется в полиграфии для кодирования графической информации. Точность передачи рисунка зависит от количества точек и их размера. После разбиения рисунка на точки, начиная с левого угла, двигаясь по строкам слева направо, можно кодировать цвет каждой точки. Далее одну такую точку будем называть пикселем (происхождение этого слова связано с английской аббревиатурой «picture element» - элемент рисунка). Объем растрового изображения определяется умножением количества пикселей (на информационный объем одной точки, который зависит от количества возможных цветов. Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора. Чем она выше, то есть больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных ПК в основном используют следующие разрешающие способности экрана: 640 на 480, 800 на 600, 1024 на 768 и 1280 на 1024 точки. Так как яркость каждой точки и ее линейные координаты можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что этот метод кодирования позволяет использовать двоичный код для того чтобы обрабатывать графические данные. [35. стр. 70]

Если говорить о черно-белых иллюстрациях, то, если не использовать полутона, то пиксель будет принимать одно из двух состояний: светится (белый) и не светится (черный). А так как информация о цвете пикселя называется кодом пикселя, то для его кодирования достаточно одного бита памяти: 0 - черный, 1 - белый. Если же рассматриваются иллюстрации в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета (а именно такие в настоящее время общеприняты), то достаточно восьмиразрядного двоичного числа для того чтобы закодировать яркость любой точки. В компьютерной графике чрезвычайно важен цвет. Он выступает как средство усиления зрительного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. Как формируется ощущение цвета человеческим мозгом? Это происходит в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от отражающих или излучающих объектов. Принято считать, что цветовые рецепторы человека, которые еще называют колбочками, подразделяются на три группы, причем каждая может воспринимать всего один цвет - красный, или зеленый, или синий. [35. стр. 75]

Цветовые модели.

Если говорить о кодировании цветных графических изображений, то нужно рассмотреть принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие. Применяют несколько систем кодирования: HSB, RGB и CMYK. Первая цветовая модель проста и интуитивно понятна, т. е. удобна для человека, вторая наиболее удобна для компьютера, а последняя модель CMYK-для типографий. Использование этих цветовых моделей связано с тем, что световой поток может формироваться излучениями, представляющими собой комбинацию «чистых» спектральных цветов : красного, зеленого, синего или их производных. Различают аддитивное цветовоспроизведение (характерно для излучающих объектов) и субтрактивное цветовоспроизведение (характерно для отражающих объектов). В качестве примера объекта первого типа можно привести электронно-лучевую трубку монитора, второго типа - полиграфический отпечаток.

1) Модель HSB характеризуется тремя компонентами: оттенок цвета(Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Можно получить большое количество произвольных цветов, регулируя эти компоненты. Эту цветовую модель лучше применять в тех графических редакторах, в которых изображения создают сами, а не обрабатывают уже готовые. Затем созданное свое произведение можно преобразовать в цветовую модель RGB, если ее планируется использовать в качестве экранной иллюстрации, или CMYK, если в качестве печатной, Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Направление вектора задается в угловых градусах и определяет цветовой оттенок. Насыщенность цвета определяется длиной вектора, а яркость цвета задается на отдельной оси, нулевая точка которой имеет черный цвет. Точка в центре соответствует белому (нейтральному) цвету, а точки по периметру - чистым цветам. [23. стр. 30]

2) Принцип метода RGB заключается в следующем: известно, что любой цвет можно представить в виде комбинации трех цветов: красного (Red, R), зеленого (Green, G), синего (Blue, B). Другие цвета и их оттенки получаются за счет наличия или отсутствия этих составляющих.По первым буквам основных цветов система и получила свое название - RGB. Данная цветовая модель является аддитивной, то есть любой цвет можно получить сочетание основных цветов в различных пропорциях. При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость суммарного излучения увеличивается. Если совместить все три компоненты, то получим ахроматический серый цвет, при увеличении яркости которого происходит приближение к белому цвету.

При 256 градациях тона (каждая точка кодируется 3 байтами) минимальные значения RGB (0,0,0) соответствуют черному цвету, а белому - максимальные с координатами (255, 255, 255). Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем этот цвет ярче. Например, темно-синий кодируется тремя байтами ( 0, 0, 128), а ярко-синий (0, 0, 255).

3) Принцип метода CMYK. Эта цветовая модель используется при подготовке публикаций к печати. Каждому из основных цветов ставится в соответствие дополнительный цвет (дополняющий основной до белого). Получают дополнительный цвет за счет суммирования пары остальных основных цветов. Значит, дополнительными цветами для красного является голубой (Cyan,C) = зеленый + синий = белый - красный, для зеленого - пурпурный (Magenta, M) = красный + синий = белый - зеленый, для синего - желтый (Yellow, Y) = красный + зеленый = белый - синий. Причем принцип декомпозиции произвольного цвета на составляющие можно применять как для основных, так и для дополнительных, то есть любой цвет можно представить или в виде суммы красной, зеленой, синей составляющей или же в виде суммы голубой, пурупурной, желтой составляющей. В основном такой метод принят в полиграфии. Но там еще используют черный цвет (BlacК, так как буква В уже занята синим цветом, то обозначают буквой K). Это связано с тем, что наложение друг на друга дополнительных цветов не дает чистого черного цвета.

Различают несколько режимов представления цветной графики:

а) полноцветный (True Color);

б) High Color;

в) индексный.

При полноцветном режиме для кодирования яркости каждой из составляющих используют по 256 значений (восемь двоичных разрядов), то есть на кодирование цвета одного пикселя (в системе RGB) надо затратить 8*3=24 разряда. Это позволяет однозначно определять 16,5 млн цветов. Это довольно близко к чувствительности человеческого глаза. При кодировании с помощью системы CMYK для представления цветной графики надо иметь 8*4=32 двоичных разряда. [20. стр. 150]

Режим High Color - это кодирование при помощи 16-разрядных двоичных чисел, то есть уменьшается количестко двоичных разрядов при кодировании каждой точки. Но при этом значительно уменьшается диапазон кодируемых цветов.

При индексном кодировании цвета можно передать всго лишь 256 цветовых оттенков. Каждый цвет кодируется при помощи восьми бит данных. Но так как 256 значений не передают весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, то подразумевается, что к графическим данным прилагается палитра (справочная таблица), без которой воспроизведение будет неадекватным: море может получиться красным, а листья - синими. Сам код точки растра в данном случае означает не сам по себе цвет, а только его номер (индекс) в палитре. Отсюда и название режима - индексный.

Соответствие между количеством отображаемых цветов (К) и количеством бит для их кодировки (а) находиться по формуле:

К = 2а.

Таблица 1.3 - Соответствие между количеством отображаемых цветов (К) и количеством бит для их кодировки

А	К	Достаточно для…
4	24 = 16
8	28 = 256	Рисованных изображений типа тех, что видим в мультфильмах, но недостаточно для изображений живой природы
16 (High Color)	216 = 65536	Изображений, которые на картинках в журналах и на фотографиях
24 (True Color)	224 = 16 777 216	Обработки и передачи изображений, не уступающих по качеству наблюдаемым в живой природе

Двоичный код изображения, выводимого на экран, хранится в видеопамяти. Видеопамять - это электронное энергозависимое запоминающее устройство. Размер видеопамяти зависит от разрешающей способности дисплея и количества цветов. Но ее минимальный объем определяется так, чтобы поместился один кадр (одна страница) изображения, т.е. как результат произведения разрешающей способности на размер кода пикселя.

Vmin = M * N * a.

Двоичный код восьмицветной палитры.

Таблица 1.4 - Двоичный код восьмицветной палитры

Цвет	Составляющие
	К	З	С
Красный	1	0	0
Зеленый	0	1	0
Синий	0	0	1
Голубой	0	1	1
Пурпурный	1	0	1
Желтый	1	1	0
Белый	1	1	1
Черный	0	0	0

Шестнадцатицветная палитра позволяет увеличить количество используемых цветов. Здесь будет использоваться 4-разрядная кодировка пикселя: 3 бита основных цветов + 1 бит интенсивности. Последний управляет яркостью трех базовых цветов одновременно (интенсивностью трех электронных пучков). [20. стр. 50]

Двоичный код шестнадцатицветной палитры.

Таблица 1.5 - Двоичный код шестнадцатицветной палитры

Цвет	Составляющие
	к	З	С	Интенс
Красный	1	0	0	0
Зеленый	0	1	0	0
Синий	0	0	1	0
Голубой	0	1	1	0
Пурпурный	1	0	1	1
Ярко-желтый	1	1	0	1
Серый(белый)	1	1	1	0
Темно-серый	0	0	0	1
Ярко-голубой	0	1	1	1
Ярко-синий	0	0	1	0
Ярко-белый	1	1	1	1
Черный	0	0	0	0

При раздельном управлении интенсивностью основных цветов количество получаемых цветов увеличивается. Так для получения палитры при глубине цвета в 24 бита на каждый цвет выделяется по 8 бит, то есть возможны 256 уровней интенсивности (К = 28).

Двоичный код 256-цветной палитры.

Таблица 1.6 - Двоичный код 256-цветной палитры

Цвет	Составляющие
	K	З	С
Красный	11111111	00000000	00000000
Зеленый	00000000	11111111	00000000
Синий	00000000	00000000	11111111
Голубой	00000000	11111111	11111111
Пурпурный	11111111	00000000	11111111
Желтый	11111111	11111111	00000000
Белый	11111111	11111111	11111111
Черный	00000000	00000000	00000000

Векторное и фрактальное изображения.

Векторное изображение - это графический объект, состоящий из элементарных отрезков и дуг. Базовым элементом изображения является линия. Как и любой объект, она обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной., цветом, начертанием (пунктирная, сплошная). Замкнутые линии имеют свойство заполнения (или другими объектами, или выбранным цветом). Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Так как линия описывается математически как единый объект, то и объем данных для отображения объекта средствами векторной графики значительно меньше, чем в растровой графике. Информация о векторном изображении кодируется как обычная буквенно-цифровая и обрабатывается специальными программами. [30. стр. 98]

К программным средствам создания и обработки векторной графики относятся следующие ГР: CorelDraw, Adobe Illustrator, а также векторизаторы (трассировщики) - специализированные пакеты преобразования растровых изображений в векторные.

Фрактальная графика основывается на математических вычислениях, как и векторная. Но в отличии от векторной ее базовым элементом является сама математическая формула. Это приводит к тому, что в памяти компьютера не хранится никаких объектов и изображение строится только по уравнениям. При помощи этого способа можно строить простейшие регулярные структуры, а также сложные иллюстрации, которые иммитируют ландшафты.

Кодирование звуковой информации.

Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканье часов и гул моторов, завывание ветра и шелест листьев, пение птиц и голоса людей. О том, как рождаются звуки и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Еще древнегреческий философ и ученый - энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то разряжает, то уплотняет воздух, а из-за упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство - от слоя к слою, возникают упругие волны. Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущение звука.

На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту где-то в пределах от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц - 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. В учении о звуке важны такие понятия как тон и тембр звука. Всякий реальный звук, будь то игра музыкальных инструментов или голос человека, - это своеобразная смесь многих гармонических колебаний с определенным набором частот.

Колебание, которое имеет наиболее низкую частоту, называют основным тоном, другие - обертонами.

Тембр - разное количество обертонов, присущих тому или иному звуку, которое придает ему особую окраску. Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона. Именно по тембру мы легко можем отличить звуки рояля и скрипки, гитары и флейты, узнать голос знакомого человека. [28. стр. 23]

Музыкальный звук можно характеризовать тремя качествами: тембром, т. е. окраской звука, которая зависит от формы колебаний, высотой, определяющейся числом колебаний в секунду (частотой), и громкостью, зависящей от интенсивности колебаний.

Компьютер широко применяют в настоящее время в различных сферах. Не стала исключением и обработка звуковой информации, музыка. До 1983 года все записи музыки выходили на виниловых пластинках и компакт-кассетах. В настоящее время широкое распространение получили компакт-диски. Если имеется компьютер, на котором установлена студийная звуковая плата, с подключенными к ней MIDI-клавиатурой и микрофоном, то можно работать со специализированным музыкальным программным обеспечением.

Условно его можно разбить на несколько видов:

1) всевозможные служебные программы и драйверы, предназначенные для работы с конкретными звуковыми платами и внешними устройствами;

2) аудиоредакторы, которые предназначены для работы со звуковыми файлами, позволяют производить с ними любые операции - от разбиения на части до обработки эффектами;

3) программные синтезаторы, которые появились сравнительно недавно и корректно работают только на мощных компьютерах. Они позволяют экспериментировать с созданием различных звуков;и другие.

К первой группе относятся все служебные программы операционной системы. Так, например, win 95 и 98 имеют свои собственные программы микшеры и утилиты для воспроизведения/записи звука, проигрывания компакт-дисков и стандартных MIDI - файлов. Установив звуковую плату можно при помощи этих программ проверить ее работоспособность. Например, программа Фонограф предназначена для работы с wave-файлами (файлы звукозаписи в формате Windows). Эти файлы имеют расширение .WAV . Эта программа предоставляет возможность воспроизводить, записывать и редактировать звукозапись приемами, аналогичными приемам работы с магнитофоном. Желательно для работы с Фонографом подключить микрофон к компьютеру. Если необходимо сделать звукозапись, то нужно определиться с качеством звука, так как именно от нее зависит продолжительность звукозаписи. Возможная продолжительность звучания тем меньше, чем выше качество записи. При среднем качестве записи можно удовлетворительно записывать речь, создавая файлы продолжительностью звучания до 60 секунд. Примерно 6 секунд будет продолжительность записи, имеющая качество музыкального компакт - диска. [15. стр. 100]

А как же происходит кодирование звука? С самого детства мы сталкиваемся с записями музыки на разных носителях: грампластинках, кассетах, компакт-дисках и т.д. В настоящее время существует два основных способах записи звука:аналоговый и цифровой. Но для того чтобы записать звук на какой-нибудь носитель его нужно преобразовать в электрический сигнал.

Это делается с помощью микрофона. Самые простые микрофоны имеют мембрану, которая колеблется под воздействием звуковых волн. К мембране присоединена катушка, перемещающаяся синхронно с мембраной в магнитном поле. В катушке возникает переменный электрический ток. Изменения напряжения тока точно отражают звуковые волны.

Переменный электрический ток, который появляется на выходе микрофона, называется аналоговым сигналом. Применительно к электрическому сигналу «аналоговый» обозначает, что этот сигнал непрерывен по времени и амплитуде. Он точно отражает форму звуковой волны, которая распространяется в воздухе.

Звуковую информацию можно представить в дискретной или аналоговой форме. Их отличие в том, что при дискретном представлении информации физическая величина изменяется скачкообразно («лесенкой»), принимая конечное множество значений. Если же информацию представить в аналоговой форме, то физическая величина может принимать бесконечное количество значений, непрерывно изменяющихся.

Виниловая пластинка является примером аналогового хранения звуковой информации, так как звуковая дорожка свою форму изменяет непрерывно. Но у аналоговых записей на магнитную ленту есть большой недостаток - старение носителя. За год фонограмма, которая имела нормальный уровень высоких частот, может их потерять. Виниловые пластинки при проигрывании их несколько раз теряют качество. Поэтому преимущество отдают цифровой записи.

В начале 80-х годов появились компакт-диски. Они являются примером дискретного хранения звуковой информации, так как звуковая дорожка компакт - диска содержит участки с различной отражающей способностью. Теоретически эти цифровые диски могут служить вечно, если их не царапать, т.е. их преимуществами являются долговечность и неподверженность механическому старению. Другое преимущество заключается в том, что при цифровой перезаписи нет потери качества звука.

На мультимедийных звуковых картах можно найти аналоговые микрофонный предусилитель и микшер.

Цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование звуковой информации.

Кратко рассмотрим процессы преобразования звука из аналоговой формы в цифровую и наоборот. Примерное представление о том, что происходит в звуковой карте, может помочь избежать некоторых ошибок при работе со звуком.

Звуковые волны при помощи микрофона превращаются в аналоговый переменный электрический сигнал. Он проходит через звуковой тракт (см. приложения рисунок 1.11, схема 1) и попадает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, которое переводит сигнал в цифровую форму.

В упрощенном виде принцип работы АЦП заключается в следующем: он измеряет через определенные промежутки времени амплитуду сигнала и передает дальше, уже по цифровому тракту, последовательность чисел, несущих информацию об изменениях амплитуды

Во время аналого-цифрового преобразования никакого физического преобразования не происходит. С электрического сигнала как бы снимается отпечаток или образец, являющийся цифровой моделью колебаний напряжения в аудиотракте. Если это изобразить в виде схемы, то эта модель представлена в виде последовательности столбиков, каждый из которых соответствует определенному числовому значению. Цифровой сигнал по своей природе дискретен - то есть прерывист, поэтому цифровая модель не совсем точно соответствует форме аналогового сигнала. [16. стр. 58]

Семпл - это промежуток времени между двумя измерениями амплитуды аналогового сигнала .

Дословно Sample переводится с английского как «образец». В мультимедийной и профессиональной звуковой терминологии это слово имеет несколько значений. Кроме промежутка времени семплом называют также любую последовательность цифровых данных, которые получили путем аналого-цифрового преобразования. Сам процесс преобразования называют семплированием. В русском техническом языке называют его дискретизацией.

Вывод цифрового звука происходит при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который на основании поступающих цифровых данных в соответствующие моменты времени генерирует электрический сигнал необходимой амплитуды (см. приложения рисунок 1.11, схема 3).

Параметры семплирования

Важными параметрами семплирования являются частота и разрядность.

Частота - количество измерений амплитуды аналогового сигнала в секунду.

Если частота семплирования не будет более чем в два раза превышать частоту верхней границы звукового диапазона, то на высоких частотах будут происходить потери. Это объясняет то, что стандартная частота для звукового компакт-диска - это частота 44.1 кГц. Так как диапазон колебаний звуковых волн находится в пределах от 20 Гц до 20 кГц, то количество измерений сигнала в секунду должно быть больше, чем количество колебаний за тот же промежуток времени. Если же частота дискретизации значительно ниже частоты звуковой волны, то амплитуда сигнала успевает несколько раз измениться за время между измерениями, а это приводит к тому, что цифровой отпечаток несет хаотичный набор данных. При цифро-аналоговом преобразовании такой семпл не передает основной сигнал, а только выдает шум.

В новом формате компакт-дисков Audio DVD за одну секунду сигнал измеряется 96 000 раз, т.е. применяют частоту семплирования 96 кГц. Для экономии места на жестком диске в мультимедийных приложениях довольно часто применяют меньшие частоты: 11, 22, 32 кГц. Это приводит к уменьшению слышимого диапазона частот, а, значит, происходит сильное искажение того, что слышно.

Если в виде графика представить один и тот же звук высотой 1 кГц (нота до седьмой октавы фортепиано примерно соответствует этой частоте), но семплированный с разной частотой (нижняя часть синусоиды не показана на всех графиках), то будут видны различия. Одно деление на горизонтальной оси , которая показывает время, соответствует 10 семплам (Масштаб взят одинаковый см. приложения рисунок 1.13). Можно видеть, что на частоте 11 кГц примерно пять колебаний звуковой волны приходится на каждые 50 семплов, то есть один период синусоиды отображается всего при помощи 10 значений. Это довольно неточная передача. В то же время, если рассматривать частоту оцифровки 44 кГц, то на каждый период синусоиды приходится уже почти 50 семплов. Это позволяет получить сигнал хорошего качества. [15. стр. 99]

Разрядность указывает с какой точностью происходят изменения амплитуды аналогового сигнала. Точность, с которой при оцифровке передается значение амплитуды сигнала в каждый из моментов времени, определяет качество сигнала после цифро-аналогового преобразования. Именно от разрядности зависит достоверность восстановления формы волны.

Для кодирования значения амплитуды используют принцип двоичного кодирования. Звуковой сигнал должен быть представленным в виде последовательности электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). Обычно используют 8, 16-битное или 20-битное представление значений амплитуды. При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала его заменяют последовательностью дискретных уровней сигнала. От частоты дискретизации (количества измерений уровня сигнала в единицу времени) зависит качество кодирования. С увеличением частоты дискретизации увеличивается точность двоичного представления информации. При частоте 8 кГц (количество измерений в секунду 8000) качество семплированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц (количество измерений в секунду 48000) - качеству звучания аудио- CD.

Если использовать 8-битное кодирование, то можно достичь точность изменения амплитуды аналогового сигнала до 1/256 от динамического диапазона цифрового устройства (28 = 256).

Если использовать 16-битное кодирование для представления значений амплитуды звукового сигнала, то точность измерения возрастет в 256 раз.

В современных преобразователях принято использовать 20-битное кодирование сигнала, что позволяет получать высококачественную оцифровку звука.

Вспомним формулу К = 2a . Здесь К - количество всевозможных звуков (количество различных уровней сигнала или состояний), которые можно получить при помощи кодирования звука а битами

Рисунок 1.1 - Принцип дискретизации

Таблица 1.7 - Фонограмма и ее временная дискретизация.

а	К	Применение
8	256	Недостаточно для достоверного восстановления исходного сигнала, так как будут большие нелинейные искажения. Применяют в основном в мультимедийных приложениях, где не требуется высокое качество звука
16	65536	Используется при записи компакт-дисков,так как нелинейные искажения сводятся к минимуму.
20	1048576	Где требуется высококачественная оцифровка звука.

Но эти данные истинны только для того сигнала, чей максимальный уровень 0 дБ. Если нужно семплировать сигнал с уровнем 6 дБ с разрядностью 16 бит, то для кодирования его амплитуды будет оставаться на самом деле только 15 бит. Если сигнал с уровнем 12 дБ, то 14 бит. С увеличением уровня сигнала увеличивается разрядность его оцифровки, а значит , уменьшается уровень нелинейных искажений (В технической литературе существует термин «шум квантования»), в свою очередь каждые 6 дБ уменьшающие уровень будут «съедать» 1 бит.

В настоящее время появился новый бытовой цифровой формат Audio DVD, который использует разрядность 24 бита и частоту семплирования 96 кГц. С его помощью можно избежать выше рассмотренного недостатка 16-битного кодирования. [34. стр. 156]

На современные цифровые звуковые устройства устанавливаются 20-битные преобразователи. Звук так и остается 16-битным, преобразователи повышенной разрядности устанавливают для улучшения качества записи на низких уровнях. Их принцип работы заключается в следующем: исходный аналоговый сигнал оцифровывается с разрядностью 20 бит. Затем цифровой сигнальный процессор DSPП онижает его разрядность до 16 бит. При этом используется специальный алгоритм вычислений, при помощи которого можно снизить искажения низкоуровневых сигналов. Обратный процесс наблюдается при цифро-аналоговом преобразовании: разрядность повышается с 16 до 20 бит при использовании специального алгоритма, который позволяет более точно определять значения амплитуды. То есть звук остается 16-разрядным, но имеется общее улучшение качества звучания.

Глава 2. Методическая система обучения темы «Кодирование информации» в средней школе

2.1 Роль и место темы «Кодирование информации» в средней школе

Государственный стандарт общего образования - нормы и требования, определяющие обязательный минимум содержания основных образовательных программ общего образования, максимальный объем учебной нагрузки обучающихся, уровень подготовки выпускников образовательных учреждений, а также основные требования к обеспечению образовательного процесса.

В соответствии с образовательным стандартом учебная дисциплина «Информатика и вычислительная техника» называется «Информатика и информационно-коммуникационные технологии (ИКТ)».

Общеобразовательная область, представляемая в учебном плане школы курсом информатики, может быть рассмотрена в двух аспектах.

Первый аспект - системно-информационная картина мира, общие информационные закономерности строения и функционирования самоуправляемых систем (биологические системы, общество, автоматизированные технические системы). Специфической особенностью этих систем является свойство их целесообразного функционирования, определяемое наличием в них органов, управляющих их поведением на основе получения, преобразования и целенаправленного использования информации.

Второй аспект данной общеобразовательной области-методы и средства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации, решения задач с помощью компьютера и других средств новых информационных технологий. Этот аспект связан, прежде всего, с подготовкой учащихся к практической деятельности, продолжению образования. [19. стр. 56]

В процессе обучения информатике данной темы в базовом курсе решаются следующие задачи:

·овладение способами представления информации;

·развитие общеучебных и коммуникативных умений, внимания, логического и абстрактного мышления;

·формирование информационной культуры;

·познакомить с основными понятиями по данной теме.

Данная тема изучается в 7-9 классах базового уровня, в объеме 6-8 часов.

Учащиеся должны:

§ Знать ·основные понятия: код, кодирование, алфавит, знак, язык, шифр;

§ использовать термины «информация», «сообщение», «данные», «кодирование», а также понимать разницу между употреблением этих терминов в обыденной речи и в информатике;

§ описывать размер двоичных текстов, используя термины «бит», «байт» и производные от них; использовать термины, описывающие скорость передачи данных;

§ записывать в двоичной системе целые числа от 0 до 256;

§ кодировать и декодировать тексты при известной кодовой таблице;

§ использовать основные способы графического представления числовой информации.

§ правила выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления

Рассмотрим как раскрывается тема «Кодирование информации». в основных учебниках (учебно-методических комплексах), которые рекомендованы для изучения информатики в основной школе.

Федеральный перечень учебников, рекомендуемых к использованию при реализации имеющих государственную аккредитацию образовательных программ начального общего, основного общего, среднего общего образования на 2014-15 учебный год (Приказ от 31 марта 2014 г. №253), содержит 4 комплекта учебников для основной школы по ФГОС ООО:

1) Босова Л.Л., Босова А.Ю., «Информатика», 5- 6 и 7- 9 классы (ООО "БИНОМ. Лаборатория знаний")

Состав УМК:

· Информатика: учебник для 5 класса

· Информатика: учебник для 6 класса

· Информатика: учебник для 7 класса

· Информатика: учебник для 8 класса

· Информатика: учебник для 9 класса

· Информатика: рабочая тетрадь для 5 класса

· Информатика: рабочая тетрадь для 6 класса

· Информатика: рабочая тетрадь для 7 класса

· Информатика: рабочая тетрадь для 8 класса

· Информатика: рабочая тетрадь для 9 класса

· Методическое пособие для учителя к УМК основной школы;

· Дополнительные методические пособия для учителя с поурочными рекомендациями.

Методические пособия к учебникам содержат авторскую программу курса для 5-6 классов и 7-9 классов, рекомендации для учителя по организации учебного процесса, в том числе поурочные разработки по курсу информатики в 5-6 и 7-9 классах, рекомендации по использованию материалов Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов, других Интернет-ресурсов.

2. Угринович Н.Д., «Информатика», 7 - 9 класс (ООО "БИНОМ. Лаборатория знаний")

Состав УМК:

§ Информатика: учебник для 7 класса (ФГОС)

§ Информатика: учебник для 8 класса (ФГОС)

§ Информатика: учебник для 9 класса (ФГОС)

§ Лабораторный журнал по информатике. 7 класс

§ Лабораторный журнал по информатике. 8 класс

§ Лабораторный журнал по информатике. 9 класс

§ Угринович Н. Д., Самылкина Н. Н. «Информатика. Программа для основной школы, 7-9 классы.

В учебниках параллельно рассматриваются операционная система Windows и ее приложения, а также свободно распространяемая операционная система Linux и ее приложения. Методическое пособие для учителей «Преподавание курса «Информатика» в основной школе», включает цифровые образовательные ресурсы (ЦОР) для систем Windows и Linux: готовые компьютерные проекты, рассмотренные в учебниках, тесты, презентации и методические материалы для учителей

3)Семакин И.Г.и др.,«Информатика», 7 - 9 класс (ООО «БИНОМ. Лаборатория знаний»)

Состав УМК:

· Информатика: учебник для 7 класса (ФГОС)

· Информатика: учебник для 8 класса (ФГОС)

· Информатика: учебник для 9 класса (ФГОС)

· Рабочие тетради для 7-9 класса (ФГОС)

· Информатика. Задачник-практикум. ч. 1, для 8-11 класса

· Информатика. Задачник-практикум. ч. 2, для 8-11 класса

· Преподавание базового курса информатики в средней школе : методическое пособие

· Семакин И.Г. Цветкова М.С., Информатика. Программа для основной школы: 7-9 классы

Важной составляющей данного УМК является комплект цифровых образовательных ресурсов (ЦОР), размещенный на портале Единой коллекции ЦОР. Комплект включает в себя: демонстрационные материалы по теоретическому содержанию, раздаточные материалы для домашних и практических работ, контрольные материалы (тесты, интерактивный задачник); интерактивный справочник по ИКТ; исполнителей алгоритмов, модели, тренажеры и пр.

Планирование курса информатики, а также другие методические материалы размещены в авторской мастерской И.Г. Семакина (http://metodist.lbz.ru/authors/informatika/2/ )

Все компетенции, определяемые в ФГОС ООО, обеспечены содержанием указанных выше УМК издательства «БИНОМ. Лаборатория знаний».

Следует отметить, что обеспечение нового качества образования сегодня напрямую связывается с созданием новой информационно образовательной среды (ИОС), основанной на комплексном использовании педагогических и информационных технологий. В целях активного использования возможностей ИОС издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний» осуществляет интерактивную методическую поддержку учителей информатики через сайт методической службы (http://metodist.lbz.ru). На портале Методической службы БИНОМ в разделах «УМК-БИНОМ» и «ЭУМК-Школа БИНОМ» даны подробные описания составов УМК и электронных учебников к ним с учетом наполнения ЭОРами к каждой теме, интерактивными рабочими тетрадями и разнообразными дополнительными пособиями по выбору школы. Для каждого УМК работает сетевая авторская мастерская (раздел Авторские мастерские на портале Методической службы БИНОМ) с рекомендациями авторов по реализации программ курса по данным учебникам с возможностью прямого общения с авторами учебников по электронной почте и на форумах. В открытом доступе представлен опыт учителей - апробаторов (коллекция видеоуроков в разделе «ЭУМК Школа БИНОМ», Видеосеть), ведутся регулярные видеолекции на телеканалах http://binom.vidicor.ru и http://schbinom.vidicor.ru в открытом бесплатном доступе в Интернете. Открыто сообщество учителей в форме электронного журнала «Цифровое образование» http://digital-edu.ru/ для публикаций учителей с выдачей сертификата о публикации.

4. УМК «Информатика и ИКТ» 8 - 9 класс, Быкадоров Ю.А. (ООО «Дрофа»)

Состав УМК:

§ Программа

§ Учебники 8 класс и 9 класс

§ Мультимедийные приложения, поставляемые в комплекте с учебниками

§ Методические пособия к учебникам 8 класса и 9 класса

Материал учебников строится по принципу «от задачи», который реализует постановку практической задачи в качестве приема создания проблемной ситуации. В прилагаемых к учебникам CD-дисках размещены материалы отдельных тем курса, рабочие материалы для выполнения упражнений и задачи. Методическое пособие включает тематическое планирование, комментарии к главам учебника, дополнительные задания, тесты, контрольные работы, что существенно сокращает время подготовки учителя к уроку. Программа курса информатики 8-9 классов содержит общую характеристику предмета, требования к уровню подготовки учащихся, пояснительную записку, тематическое и поурочное планирования.