Методические основы преподавания темы "Количество измерения информации" в школьном курсе информатике

     Во-вторых, АЦП производит дискретизацию амплитуды звукового сигнала. При измерении имеется "сетка" стандартных уровней (например, 256 или 65 536 — это количество характеризует глубину кодирования) , и текущий уровень измеряемого сигнала округляется до ближайшего из них.

     Итак, в ходе оцифровки звука мы получаем поток целых чисел, представляющих собой стандартные амплитуды сигналов через равные промежутки времени.

     Изложенный  метод преобразования звуковой информации для хранения в памяти компьютера в очередной раз подтверждает тезис о том, что любая информация для хранения в компьютере приводится к цифровой форме и затем переводится в двоичную систему. Теперь мы знаем, что и звуковая информация не является исключением из этого фундаментального правила.

     Остается  рассмотреть обратный процесс —  воспроизведение записанного в компьютерный файл звука. Здесь имеет место преобразование в противоположном направлении — из дискретной цифровой формы представления сигнала в непрерывную аналоговую, поэтому вполне естественно соответствующий узел компьютерного устройства называется ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь. Процесс реконструкции первоначального аналогового сигнала по имеющимся дискретным данным нетривиален, поскольку никакой информации о форме сигнала между соседними отсчетами не сохранилось. В разных звуковых картах для восстановления звукового сигнала могут использоваться различные способы. Наиболее наглядный и понятный из них состоит в том, что по имеющимся точкам рассчитывается степенная функция, проходящая через заданные точки, которая и принимается в качестве формы аналогового сигнала.

     Из  курса физики известно, что звук есть колебания среды. Чаще всего  средой является воздух, но это совсем не обязательно. Например, звук прекрасно распространяется по поверхности земли: именно поэтому в приключенческих фильмах герои, стараясь услышать шум погони, прикладывают ухо к земле. Напротив, существует весьма эффектный школьный физический опыт, который показывает, что при откачивании воздуха мы перестаем слышать звук находящегося под герметичным колпаком звонка. Важно также подчеркнуть, что существует определенный диапазон частот, к которому принадлежат звуковые волны: примерно от нескольких десятков герц до величины немного более 20 кГц1. Значения этих границ определяются возможностями человеческого слуха.

     2.5. Технологии обработки числовой информации на современном компьютере. Электронные таблицы.

     ЭВМ была создана для обработки числовой информации. Более чем полувековое совершенствование вычислительной техники многократно увеличило ее возможности.

     Бытующее мнение о том, что "умная" машина способна правильно выполнить любые вычисления и сделать это с абсолютной точностью, не всегда оказывается верным. Нежелание (а порой и неумение) учитывать применимость тех или иных методов к решаемой задаче и тем более их оптимальность, оценить достоверность полученных результатов на практике может приводить к конфузам. Например, о том, сколько знаков в выданном компьютером ответе являются достоверными, задумываются немногие: "машина не может ошибаться!" — единодушно (и в чем-то даже правильно) в один голос заявляют и школьник, и бухгалтер, и экономист, добросовестно используя все выведенные на экран цифры числа. Тем не менее установить количество отображаемых знаков после запятой в современной электронной таблице несоизмеримо проще, чем понять, сколько именно нужно их оставить.

     Вывод очевиден: гигантский рост возможностей компьютеров в обработке числовой информации ни в коем случае не отменяет, а в некоторых случаях даже усиливает важность осознанного  выбора подходящих методов и технологий решения тех или иных возникающих на практике вычислительных задач.

     Современное программное обеспечение, имеющее  своей целью реализацию на компьютере всевозможных расчетов, необычайно разнообразно. Для организации вычислений с  помощью ЭВМ существует большое количество программ, которые различаются идеологией построения, набором возможностей, степенью автоматизации расчетов, трудозатратами на организацию вычислительного процесса, а также возможностями представления результатов (например, в графическом виде). Конечно, круг программных средств и технологий обработки, числовой информации не ограничивается калькуляторами и электронными таблицами. Любой школьник знает, что вычислительные задачи можно эффективно решать с помощью языков программирования. Некоторые даже имели опыт работы с системами аналитических преобразований математических выражений (Maple, Mathematica или им подобными), которые могут, прежде чем подставлять конкретные числовые значения, решить задачу в общем виде; часто полученных формул уже без всяких дополнительных расчетов бывает достаточно, чтобы понять результаты задачи.

     Выбираемое  для вычислений программное обеспечение должно соответствовать уровню их сложности (вспомните, например, пословицу о стрельбе из пушки по воробьям).

     Однократные вычисления по 1—2 небольшим формулам быстрее и проще всего выполнить, запустив программу-калькулятор. Отметим, что данный подход эффективен именно при небольших объемах вычислений и когда не требуется их многократное повторение; в противном случае возрастает вероятность ошибок и становится оправданным применение более сложного программного обеспечения.

     Обработка серии данных по одинаковым формулам (результаты эксперимента или финансовые расчеты) с возможностью наглядного представления данных (таблицы, графики) представляет собой типичную задачу для электронных таблиц.

     Тем не менее на практике вполне могут  встретиться задачи, для которых даже мощности современных электронных таблиц явно недостаточно. Например, при статистической обработке результатов эксперимента часто необходимо не просто найти корреляцию, т.е. уровень взаимосвязи, между двумя столбцами, но проанализировать наличие связи "каждого с каждым". Подобную задачу гораздо легче решить добавлением к обычному режиму электронной таблицы специальной программы-макроса или даже использованием традиционного языка программирования.

     При решении задач, связанных с обработкой числовой информации, разработчики предоставляют нам целый ряд типов программного обеспечения. Мы можем, в частности:

     1)  использовать программу-калькулятор;

     2)  применять непосредственный режим  языка программирования (например, Basic);

     3)  разработать и реализовать программу  решения задачи на языке программирования;

     4)  воспользоваться электронной таблицей;

     5)  написать программу-макрос для  электронной таблицы (некоторое начальное представление о макросах можно получить, обратившись, например, к учебнику [2] );

     6)  привлечь на помощь аналитическую  систему. Список, разумеется, не претендует  на полноту, и,

     вполне  возможно, читатели могут его продолжить.

     Проще всего, по-видимому, разбить процесс  решения вычислительной задачи на отдельные составляющие и посмотреть, как они поддерживаются при различных способах решения. Результаты удобно представить в виде следующей таблицы (номера столбцов соответствуют порядковым номерам методов решения в приведенном ранее списке):

     Из  таблицы видно, что возможности  различного программного обеспечения  для обработки числовых данных различны. Прежде всего они касаются степени автоматизации расчетов (например, макросы в состоянии заменить большое количество "ручных" операций), повторяемости тех или иных действий (повторение расчета по хранящимся формулам, наличие программы и т.д.), простоте их реализации (красиво оформленную таблицу в Excel получить проще, чем при традиционных методах программирования).

     Компьютерная  графика. Аппаратные средства (монитор, видеокарта, видеоадаптер, сканер и др.). Программные средства (растровые и векторные графические редакторы, средства деловой графики, программы анимации и др.)

     Компьютерная графика, монитор, видеокарта, видеоадаптер, сканер, цифровой фотоаппарат, растровая компьютерная графика, векторная компьютерная графика, фрактальная компьютерная графика, ЗD-графика, деловая графика, анимационная графика.

     Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине пятидесятых годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом "де-факто" для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем.

     Специальную область информатики, занимающуюся методами и средствами создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, называют компьютерной графикой. Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе. Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Например, в медицине (компьютерная томография), научных исследованиях, моделировании тканей и одежды, опытно-конструкторских разработках.

     В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную и фрактальную. Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика: построение объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений.

     На  специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: "Инженерная графика", "Научная графика", "Web-графика", "Компьютерная полиграфия" — и прочие. На стыке компьютерных, телевизионных и кинотехнологий образовалась область компьютерной графики и анимации.

     Хотя  компьютерная графика служит всего  лишь инструментом, ее структура и  методы основаны на передовых достижениях  фундаментальных и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Это замечание справедливо как для программных, так и для аппаратных средств создания и обработки изображений на компьютере. Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики.