Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Система знаний, раскрывающая физические основы работы компьютера 12
1.1. Основные понятия, необходимые для разработки содержания деятельности по передаче и обработке информации 12
1.2. Физические основы и содержание деятельности по преобразованию передаваемой информации в аналоговый электрический сигнал 14
1.3. Физические процессы, лежащие в основе преобразования аналогового электрического сигнала в цифровой 21
1.4. Процессы, лежащие в основе преобразования цифрового сигнала для его передачи по каналу связи 25
1.5. Физические основы передачи и приема цифрового сигнала 26
1.6. Процесс преобразования принятого сигнала в аналоговый электрический сигнал и получение информации с заданными свойствами 30
1.8. Содержание деятельности по передаче информации с применением компьютера 35
Выводы по главе 1 37
Глава II. Техническая реализация этапов преобразования информации с применением компьютера 39
2.1. Приборы и устройства, необходимые для преобразования информации в аналоговый сигнал 39
2.2. Устройства, необходимые для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму 49
2.3. Устройства, необходимые для преобразования цифрового сигнала с целью его дальнейшей передачи по каналу связи 55
2.4. Устройства, необходимые для передачи и приема цифрового сигнала по каналу связи 69
2.5. Устройство, необходимое для преобразования цифрового сигнала в аналоговый 77
2.6. Устройства, необходимые для получения информации в требуемой знаковой форме, помещенной на определенном материальном носителе 82
2.7. Физический практикум, разработанный для воспроизведения физических явлений или процессов на соответствующих этапах преобразования информации 83
Выводы по главе II 85
Глава III. Методика формирования у будущих учителей системы знаний о физических основах работы компьютера 86
3.1. Организация и основные положения методики обучения студентов на занятиях физического практикума 86
3.2. Организация и методика проведения занятий физического практикума 89
3.3. Организация и методика проведения занятия по преобразованию цифрового сигнала электронными устройствами 110
3.4. Контроль качества освоенной деятельности 117
Глава IV. Педэксперимент 122
4.1. Констатирующий эксперимент 124
4.2. Обучающий эксперимент 126
4.3. Статистическая обработка результатов педагогического эксперимента 134
Выводы по главе IV 142
Заключение 144
- Основные понятия, необходимые для разработки содержания деятельности по передаче и обработке информации
- Приборы и устройства, необходимые для преобразования информации в аналоговый сигнал
- Организация и основные положения методики обучения студентов на занятиях физического практикума
Введение к работе
Протекание в настоящее время очередной технологической революции, связанной с развитием микропроцессорной техники и созданием вычислительных машин, приводит к развитию современной информационной цивилизации с высокими технологиями, в которой резко увеличился объем информации, используемой человечеством. В этой связи главенствующим направлением стало использование новых информационных и высоких технологий, главным элементом которых является информация, возможность работы с разными источниками информации, ее преобразование и управление, что открывает новые пути для повышения качества обучения и воспитания. Естественно, в процессе подготовки будущих учителей в вузе значительное внимание должно уделяться информационным и высоким технологиям, их физическим основам. С другой стороны будущий учитель должен не только иметь представление о физических основах приема, обработки, передачи информации, но и уметь доступно объяснить учащимся физические основы работы устройств которые осуществляют эти процессы. Основным устройством достижения этих целей является персональный компьютер. Под компьютером (англ. computer — «вычислитель»), ЭВМ (Электронная Вычислительная Машина) подразумевают машину для проведения вычислений, а также приёма, переработки, хранения и выдачи информации по заранее определённому алгоритму (компьютерной программе).
Каким образом осуществляется требуемая подготовка учителя физики в вузе? Были предложены следующие направления решения этой проблемы: 1) включение сведений о работе некоторых электронных устройств компьютера, принцип действия которых основан на изучаемых явлениях, в курсы общей физики (Л.В. Королева, Б.Е.
Винтайкин); 2) создание интегрированного курса «Электрорадиотехника с основами автоматики и вычислительной техники (ОА-иВТ)», являющегося обязательной учебной дисциплиной в структуре подготовки учителя (Е.М. Гершензон, Е.И. Манаев, В.А. Жеребцов, Ю.Л. Хотунцев, А.Н. Богатырев, А.А. Груненков, В.А. Иноземцев и др.); 3) разработка новых курсов, спецкурсов для подготовки учителя в современных условиях (В.Д. Семаш «Физические основы электронной техники», С.Д. Ханин «Физические основы электроники»), отдельных лабораторных работ, практикумов по изучению физических основ функционирования отдельных элементов, блоков компьютера (Л.В. Королева, Ю.М. Попко, В.В. Смирнов, В.Г. Эле-менкин, В.И. Попов, Н.И. Соловьев); 4) разработка специальной технической и научно-популярной литературы, из которой можно отобрать материал о физических основах работы компьютера (П. Хоровиц, У. Хилл, У. Титце, К. Шенк, В.И. Нефедов, Ю.А. Быстрое, В.А. Прянишников, А.Ф. Кравченко, М.Х. Джонс, А.А. Щука, В.А. Жеребцов, В.Т. Поляков, А.Я. Халамайзер, М.Г. Мнеян, Ю.В. Ревич).
Для достижения поставленной цели обучить студентов - будущих учителей физическим основам работы компьютера сделано немало.
Чтобы оценить, насколько продуктивно решается эта проблема, был проведен констатирующий эксперимент, в котором приняли участие студенты III—V курсов педагогических специальностей из разных регионов России (всего 300 человек). В анкетировании принимали участие студенты, прошедшие подготовку по общей физике, электрорадиотехнике с ОАиВТ. Эксперимент показал, что большинство из студентов испытывает трудности в выявлении этапов преобразования информации при ее передаче с применением компьютера и не владеют знаниями о физических явле-
ниях, процессах, происходящих в компьютере на каждом из них.
В итоге можно утверждать, что актуальность темы исследования обусловлена противоречием между необходимостью подготовки будущего учителя физики, владеющего системой знаний о физических основах работы компьютера, и отсутствием методики обучения этим знаниям.
Объектом исследования является процесс подготовки будущего учителя физики в вузе.
Предметом исследования является процесс формирования у студентов системы знаний о физических основах работы компьютера.
Цель исследования состоит в разработке методики формирования у студентов - будущих учителей физики системы знаний о физических основах работы компьютера.
Теоретической основой исследования является следующее положение: любые знания «присваиваются» человеком в определенной деятельности, адекватной этим знаниям.
На этой основе сформулирована гипотеза исследования: если студенты будут выполнять действия, адекватные знаниям о физических основах работы компьютера, то они этими знаниями овладеют.
В соответствии с целью и гипотезой исследования в работе были поставлены и решались следующие задачи:
Выделить знания, раскрывающие физические основы работы компьютера.
Выделить действия, в которых эти знания будут усваиваться.
Разработать дидактические средства для выполнения каждого действия.
Разработать методику организации выполнения действий,
адекватных выделенным физическим знаниям.
5. Экспериментально проверить эффективность разработанной методики.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования и виды деятельности: изучение и анализ психолого-педагогической, методической, естественнонаучной, технической, научно-популярной литературы, диссертаций по теме исследования, учебной литературы по курсам общей физики, электрорадиотехнике, электронике и вычислительной технике, теории передачи информации, теории связи, организации практикумов по электрорадиотехнике и ОАиВТ в вузах; анализ государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования, содержания учебных планов, программ по курсам физики и специальным дисциплинам; анализ организации процесса обучения будущих учителей в университете; анкетирование; индивидуальные беседы с преподавателями, инженерами, студентами различных вузов; наблюдение за учебным процессом; личное преподавание; организация и проведение педагогического эксперимента.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
1. Специфика знаний, необходимых для формирования у студентов представлений о физических основах работы компьютера, должна соответствовать таким понятиям, как «материальный носитель информации»; «знаковая форма информации»; «аналоговый электрический сигнал»; «цифровой электрический сигнал»; «дискретизация»; «квантование»; «кодирование»; «модуляция»; «мультиплексирование»; «канал связи»; «детектирование»; «демультиплексирование»; «декодирование»; «цифроаналоговое преобразование».
2. Для усвоения выделенных знаний обучаемым необходимо последовательно выполнять следующие действия:
устанавливать вид материального носителя, используемого для передачи и приема информации в конкретной ситуации;
выяснять, в какой знаковой форме находятся передаваемая и полученная информация на заданном материальном носителе;
выделять возможные физические явления, процессы, позволяющие преобразовать материальный носитель и знаковую форму передаваемой информации для ее получения на определенном материальном носителе и в требуемой знаковой форме;
разрабатывать принципиальную схему экспериментальной установки для осуществления выделенного физического явления, процесса;
составлять перечень необходимого оборудования для создания разработанной экспериментальной установки;
осуществлять преобразование передаваемой информации в аналоговый электрический сигнал с заданными параметрами на разработанной экспериментальной установке;
осуществлять преобразование аналогового электрического сигнала в цифровой электрический сигнал на экспериментальной установке, соответствующей разработанной принципиальной схеме;
передавать цифровой сигнал, содержащий передаваемую информацию по каналу связи;
осуществлять прием цифрового сигнала, содержащего передаваемую информацию;
преобразовывать принятый цифровой сигнал в аналого-
вый электрический сигнал; - осуществлять контроль полученной информации на соответствие требуемым материальному носителю и знаковой форме.
Организация выполнения этих действий осуществляется в разработанном физическом практикуме, экспериментальные работы которого соответствуют последовательности выделенных действий.
Основные положения методики обучения студентов следующие:
предметом усвоения выделенной системы знаний о физических основах работы компьютера должны являться экспериментальные действия, отражающие этапы преобразования информации при ее передаче с применением компьютера;
для того, чтобы студенты овладели запланированными действиями, необходимо руководствоваться следующими требованиями к организации учебного процесса:
а) каждое занятие по выполнению студентами эксперимен
тальных заданий осуществляется через такие этапы, как мотиваци-
онный, формулировка цели задания, составление плана его выпол
нения, самостоятельное выполнение задания по разработанному
плану, формулировка полученного вывода (ответа), соответствую
щего цели деятельности);
б) необходима рефлексия действий, выполняемых при выпол
нении каждого экспериментального задания;
в) целесообразна фронтальная форма проведения занятий.
Теоретическая значимость исследования состоит в нахождении
пути решения проблемы подготовки учителя физики, владеющего системой знаний о физических основах работы компьютера, суть которого заключается в формировании действий, адекватных этапам преобразования информации при ее передаче с помощью компьютера.
Практическая значимость результатов исследования:
1. Разработан физический практикум, состоящий из 7 работ: преобразование передаваемой информации, содержащейся в сигнале неэлектрической природы, в аналоговый электрический сигнал; преобразование аналогового электрического сигнала в цифровую форму; преобразование цифрового сигнала с помощью основных логических элементов И, ИЛИ, НЕ; преобразование цифрового сигнала с помощью шифратора и дешифратора, мультиплексора и де-мультиплексора; передача и прием цифрового сигнала, содержащего передаваемую информацию (на примере передачи информации по лазерному и инфракрасному лучам, радиопередача, Bluetooth); преобразование цифрового сигнала в аналоговый электрический сигнал; получение информации в определенной знаковой форме, помещенной на каком-либо материальном носителе.
2. Составлена рабочая тетрадь для студентов по лабораторному практикуму «Физические основы передачи информации с применением компьютера». В ней содержатся задания, учебные карты для овладения выделенными действиями, отдельные листы на которых студенты изображают принципиальные схемы установок, воспроизводящих соответствующие этапы преобразования информации.
На защиту выносятся:
Система знаний, раскрывающая физические основы передачи информации с применением компьютера.
Методика формирования у студентов действий, адекватных выделенным физическим знаниям.
Апробация исследования осуществлялась в ходе проведения ряда конференций и семинаров: Всероссийской научно-методической конференции (Н. Новгород, 2001); Международной конференции «Современный физический практикум» (Санкт-Петербург, Волгоград, 2002, 2006); всероссийских научно-
методических конференциях «Реализация государственных образовательных стандартов в области физики и химии в высшей и средней школе» (Н. Новгород, 2002-2006); Всероссийской научно-методической конференции учителей школ и преподавателей вузов «Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования» (Екатеринбург, 2002); Международной конференции «Математика, компьютер, образование» (Дубна - Москва, 2002); итоговых научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей, проводимых в Астраханском государственном университете (2002-2006); семинарах «Физика в системе подготовки студентов нефизических специальностей университетов в условиях модернизации образования» (Астрахань, 2004; Тверь, 2006); международных научно-методических конференций преподавателей вузов, ученых и специалистов «Высокие технологии в педагогическом'процессе» (Н. Новгород, 2004-2006); Международной конференции «Физика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 2005); региональной научно-практической конференции «Проблемы современного физического образования: школа и вуз» (Армавир, 2005); международных научных конференциях «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (Москва, 2006, 2007); Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и средства обучения физике, химии, биологии» (Астрахань, 2007).
Основные результаты исследования внедрены в практику работы кафедры общей физики Астраханского государственного университета, кафедры информатики Донского государственного технического университета.
Структура работы: диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы и приложений.
Основные понятия, необходимые для разработки содержания деятельности по передаче и обработке информации
Цель данной главы состоит в установлении содержания таких видов деятельности, как передача и обработка информации и выделения физических явлений, процессов, лежащих в основе их осуществления. Передача и обработка информации являются типовыми задачами в современной практике человека. Мы полагаем, что это две отдельные задачи: 1) передать информацию; 2) обработать информацию.
Уточним содержание терминов «передать» и «информация».
Термин «передать» означает «переместить что-то из одного пункта в другой» [146, с. 502]. Термин «информация» произошел от лат. informatio - разъяснение, изложение, осведомленность. В настоящее время значение термина «информация» имеет две разные трактовки. С одной стороны под информацией понимают - сведения, которыми могут обмениваться люди, технические устройства. Обмен информацией может происходить между человеком и техническим устройством, в животном и растительном мире в виде определенных сигналов.
С другой стороны информацией называется объективная величина, характеризующая объем сведений, которая имеет числовое значение и связана с энтропией. Информацию / можно в этом случае определить как разность энтропии равновесного So и неравновесного S состояний системы [162, с. 57]:мещаются на каком-либо материальном носителе. Материальный носитель представляет собой материальный объект, на котором помещается информация (бумага, воздух, оптический диск, каменная скрижаль, магнитная лента и другие).
Для представления информации на материальном носителе используют знаки (символы), например, буквы алфавита в тексте, цифры в шифрованной таблице, звуки человеческой речи, электрические и другие сигналы. С философской точки зрения, форма это способ существования содержания, неотделимый от него и служащий его выражением.
В связи с этим «знаковую форму» информации можно определить как способ выражения на материальном носителе содержания передаваемой информации.
При передаче информации изменениям могут подвергаться либо знаковая форма информации, либо материальный носитель, либо и то и другое, содержательная же сторона информации должна оставаться неизменной.
Таким образом, учитывая смысловое значение рассматриваемых терминов, содержание словосочетания «передача информации» означает: переместить сведения без изменения содержания из одного пункта в другой.
Уточним содержание термина «обработать».
«Обработать - значит подвергнуть изменениям, анализу, преобразовать, сделать готовым для чего-нибудь. [146, с. 435].
В связи с тем, что информация имеет три аспекта, то изменять, преобразовывать можно содержательную часть, знаковую форму и объект - носитель информации, причем либо каждый из них, либо в парном сочетании, либо все три сразу. Будем считать, что преобразование содержательной части не связано с физическими знаниями. Поэтому, содержание термина «обработать информацию» можно сформулировать так: преобразовать знаковую форму данной информации; преобразовать объект - носитель данной информации; преобразовать знаковую форму и объект - носитель этой информации.
Приборы и устройства, необходимые для преобразования информации в аналоговый сигнал
Для формирования у студентов системы знаний, раскрывающих физические основы работы компьютера, через выполнение ими лабораторных работ физического практикума были сформулированы основными положениями методики обучения:
1) предметом усвоения выделенной системы знаний о физических основах работы компьютера должны являться экспериментальные действия, отражающие этапы преобразования информации при ее передаче с применением компьютера;
2) для того, чтобы студенты овладели запланированными действиями, необходимо руководствоваться следующими требованиями к организации учебного процесса: а) каждое занятие по выполнению студентами экспериментальных заданий осуществляется через такие этапы, как мотивационный, форму лировка цели задания, составление плана его выполнения, самостоя тельное выполнение задания по разработанному плану, формулировка полученного вывода (ответа), соответствующего цели деятельности); б) необходима рефлексия действий, выполняемых при выполнении каждого экспериментального задания; в) целесообразна фронтальная форма проведения занятий. Целями данного практикума является выделение содержания деятельности по передаче информации с применением компьютера в виде отдельных действий, соответствующих этапам преобразования информации при ее передаче и экспериментального выполнения этих действий на основе конкретных физических знаний. Физический практикум включает в себя вводное занятие, 7 лабораторных работ, итоговое и зачетное занятия. Каждое занятие рассчитано на 2 академических часа. Общий объем составляет 20 часов. Такой практикум предлагается проводить в рамках дисциплин и курсов по выбору учебного плана со студентами IV-V курсов.
Структура лабораторного занятия включает в себя следующие этапы: мотивационный; формулировка цели задания; составление плана его реализации; выделения системы физических знаний, с опорой на которые выполняется задание; самостоятельное выполнение задания по разработанному плану; формулировка полученного вывода, соответствующего цели деятельности.
На вводном занятии организуется мотивационный этап, цель которого состоит в создании у студентов потребности в освоении планируемой деятельности и приобретении необходимой системы знаний. Далее вместе со студентами выделяется содержание деятельности по передаче информации с применением компьютера и устанавливается последовательность обучения студентов выделенным действиям на лабораторных занятиях. Выделенная и представленная визуально система действий создает у студентов ориентировку в предстоящей работе.
Мотивационный этап должен проводиться на каждом занятии. Цель его проведения - убедить студентов в том, что физические знания необходимы для выполнения конкретных лабораторных работ. Студентам предлагается конкретное задание, соответствующее цели преобразования информации на определенном этапе, выполнение которого вызвало бы у них трудности. После формулировки цели задания преподаватель побуждает студентов к составлению плана его выполнения, корректируется составленный план и осуществляется работа по выявлению знаний, необходимых для реализации его действий.
Далее, в соответствии с содержанием деятельности, организуется самостоятельное выполнение действий по разработанному плану на занятиях физического практикума, представленными семью лабораторными работами.
Название каждой лабораторной работы соответствует цели экспериментальной деятельности студентов, которой они должны овладеть в результате ее выполнения. Цикл лабораторных работ выстроен в определенной последовательности, причем умения, сформированные при выполнении предыдущей работы, являются необходимым условием для выполнения последующей, поэтому все работы выполняются фронтально. В заключение каждого занятия студент может выделить систему знаний, необходимую для выполнения действия, освоенного на этом занятии и сформулировать полученный вывод, соответствующий поставленной цели.
Организация и основные положения методики обучения студентов на занятиях физического практикума
Для определения уровня сформированости знаний у студентов об этапах преобразования информации с применением компьютера, на итоговом занятии студентам раздаются листы, содержащие задания, которые предлагалось выполнить на вводном занятии.
Вариант 1. Установите последовательность Ваших действий и выделите этапы преобразования информации с опорой на физические знания в следующей ситуации:
Являясь исследователем морских глубин Тихого океана, Вам необходимо собрать и передать их звуки в научный центр.
Первым действием необходимо установить материальный носитель и знаковую форму получаемой информации. Нужно услышать звучание морских глубин Тихого океана в научном центре, значит материальным носителем получаемой информации, будет упругая среда (воздух), а знаковой формой механические колебания звуковой частоты.
Вторым и третьим действиями нужно установить, на каком материальном носителе и в какой знаковой форме находится передаваемая информация. Звуки издают глубины Тихого океана, значит материальным носителем передаваемой информации, является упругая среда (жидкость), а знаковой формой механические колебания звуковой частоты.
Четвертым действием устанавливаем: для того, чтобы получить информацию о звучании глубин Тихого океана, необходимо принять эту информацию в звуковой форме и преобразовать её для дальнейшей передачи. Для этого на дно океана опускается радиомаяк, содержащий пьезоэлектрический микрофон, аналого-цифровой преобразователь, передающее устройство. С помощью пьезоэлектрического эффекта, на котором работает микрофон, звуковой сигнал глубин океана преобразуется в аналоговый электрический сигнал. Который далее преобразуется при последовательном протекании трех процессов - дискретизации, квантования и кодирования в цифровой электрический сигнал. В передающем устройстве цифровой сигнал кодируется, модулируется по закону передаваемого сообщения и передается при помощи электромагнитных волн в пространство. В данном случае используем спутниковую связь - беспроводную связь с применением космического ретранслятора. Электромагнитные волны принимаются антенной на крыше научного центра, передаются в приемное устройство, в котором цифровой сигнал, демо-дулируется, и передается по оптоволоконному кабелю на компьютер, в котором цифровой сигнал декодируется, проходя через цифроаналого-вый преобразователь принимает аналоговую форму, подается на динамик и в научном центре звучат морские глубины Тихого океана (рис. 39).
Шестым действием выделим физические явления, процессы, с помощью которых могут быть преобразованы материальный носитель и знаковая форма передаваемой информации. Такими явлениями, процессами будут: пьезоэлектрический эффект, дискретизация, квантование, кодирование, кодирование, модуляция, распространение электромагнитных волн в среде, демодуляция, распространение света в оптически прозрачных средах, декодирование, электромагнитная индукция.
Седьмым действием разработаем принципиальную схему в виде обобщенной схемы передачи информации в предложенной ситуации.
Далее устанавливаем, что обобщенная схема передачи информации в предложенной ситуации не укладывается в рамки лабораторного оборудования, поэтому ограничимся созданной моделью. Выполнение действий 8-Ю невозможно.
Похожие диссертации на Формирование у будущих учителей системы знаний о физических основах работы компьютера
