CC BY
20
Поступила в редакцию 11ЛХ/2009; в окончательном варианте - 11/Х/2009.
UDC 378
ANALYSIS OF HIGH TECHNOLOGY LEARNING N.F. Chumak
Samara State Technical University, Syzran Branch 45 Sovetskaya str., Syzran, Samara region, 446001 E-mail: [email protected]
The question is given to the need of introducing of new techniques and technology education in high schools, secondary schools and further education structures; a classification of innovative education systems and learning technologies due to the developmental needs of the individual is shown.
Key words: education technology, comparative analysis, pedagogical innovations.
Original article submitted 11ЛХ/2009; revision submitted - 11/Х/2009.
Nina F. Chumak Engineer, Deanery of Additional Education.
УДК 342.683
ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ БАЗ ДАННЫХ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ ДИСЦИПЛИНАМ
А.И. Шимаров1
Самарский государственный технический университет,
4430100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244 E -mail: [email protected]
Рассматриваются вопросы разработки электронных баз данных (ЭБД) с использованием видеофильмов, снятых преподавателями, а также фрагментов оцифрованных фильмов, имеющихся в фондах учебных заведений. Приведены сравнительные характеристики форматов записи учебных видеофрагментов, даны рекомендации по структуре ЭБД на их основе.
Ключевые слова: электротехническая дисциплина, базы данных, методика
проектирования базы данных.
В наши дни в учебных заведениях растет спрос на качественно новые учебные средства, создаваемые на основе компьютерных технологий, в том числе мультимедийные учебные пособия. Они позволяют студенту активно обучаться и в значительной мере компенсировать дефицит общения с преподавателем. Однако эти пособия не имеют широкого распространения в учебном процессе вузов России. Одной из причин такого положения является трудоемкость процесса их создания. В связи с этим является актуальной разработка электронных баз данных (ЭБД) по отдельным учебным дисциплинам с использованием фильмов, снятых коллективом преподавателей одной или нескольких кафедр вуза, а также фрагментов оцифрованных видеофильмов, имеющихся в фондах учебных заведений.
1 Александр Иванович Шимаров (к.т.н., доцент), доцент, каф. теоретических основ электротехники
Проведенный анализ фонда учебных видео- и кинофильмов по электротехническим дисциплинам Самарского государственного технического университета (СамГТУ) показывает, что по содержанию и дидактическим характеристикам фрагменты этих фильмов могут быть использованы при проведении лекций и практических занятий. В то же время эти фильмы не всегда соответствуют предпочтениям преподавателей. По этой причине преподаватели используют наряду с образовательными ресурсами из фондов вуза самостоятельно разработанные мультимедийные учебные пособия на основе видео, анимации, фотографий и др. По мере накопления в течение многих лет материалов такого рода из них формируются персональные тематические базы данных, которые своим составом и содержанием обеспечивают сложившийся у преподавателя стиль преподавания.
В СамГТУ рассматриваются различные аспекты применения ЭБД на лекционных и практических занятиях [1, 2]. На кафедре теоретической и общей электротехники (ТОЭ) коллективом преподавателей проводится работа по созданию общедоступных ЭБД по электротехническим дисциплинам. Эти базы данных содержат по два блока: 1) мультимедийные учебно-методические материалы, использование которых поможет преподавателю организовать деятельность студентов на занятии; 2) дидактические материалы для самостоятельной работы студентов. Ресурсы баз данных систематизированы как по учебным дисциплинам, так и по специальностям.
В итоге любой преподаватель в достаточно короткий срок сможет получить к каждому лекционному и практическому занятию необходимые дидактические материалы. Основными элементами этих баз являются видеофрагменты, фотографии, анимированные рисунки, электрические схемы, графики, векторные и временные диаграммы, формулы и пр. Указанные элементы обладают значительным дидактическим потенциалом и эффективны как учебные средства при проведении лекционных и практических занятий. Так, например, анимированные рисунки можно использовать при изложении различных вопросов, связанных с движением зарядов в полупроводниках, взаимодействием электромагнитного поля и проводника с током и др. Как показывает практика, анимация способствует лучшему восприятию учебного материала, более глубокому его усвоению. Высоким дидактическим потенциалом обладает и текст, который является важнейшим источником знаний по предмету. В создаваемой базе данных учебные материалы в формате HTML имеют гипертекстовую архитектуру, что позволяет в процессе лекции быстро находить нужные определения, расчетные формулы и другой справочный материал.
Создать ЭБД можно по любой учебной дисциплине. Начинать следует с организации на специально выделенном компьютере системы папок для хранения учебных объектов. Затем нужно сформировать общий каталог данных и сделать гиперссылки из каталога на иллюстративный материал. Это поможет преподавателям более целенаправленно накапливать и систематизировать цифровые ресурсы, необходимые для сопровождения учебного процесса. Разработка объектов для базы данных возможна при использовании как офисных, так и специализированных программ, например MS Word, MS Power Point, Adobe Premiere, Macromedia Authorware и др.
Второй блок базы данных предназначен для студентов. Он содержит учебные материалы: видеофрагменты по наиболее сложным разделам дисциплины; тексты лекций с рисунками, фотоснимками; видеофрагменты, поясняющие порядок выполнения лабораторных работ; видеоинструкции по технике безопасности
проведения лабораторных работ и правилам использования лабораторного оборудования; расчетно-графические задания с образцами их решения и др.
Каждый блок такой базы данных включает необходимый минимум учебных объектов, набор которых впоследствии будет пополняться преподавателями кафедры с учётом собственного профессионального стиля деятельности без разрушения при этом концептуальных основ обучения, заложенных в содержание базы данных и методику её использования.
Наиболее сложными в создании объектами ЭБД являются видеофрагменты. Исходным материалом для них могут служить фильмы, снятые преподавателями на промышленных объектах, в научных и учебных лабораториях, а также фрагменты учебных фильмов из фондов отечественных и зарубежных вузов. При включении видеофрагментов в ЭБД важно обоснованно выбрать формат видеофайлов. Одним из распространённых способов записи оцифрованных учебных фильмов является формат VCD. Данный формат предусматривает компрессию видеоинформации по алгоритму MPEG-1 (Moving Picture Expert Group). При таком способе компрессии действует правило, в соответствии с которым больший поток данных (битрейт) обеспечивает лучшее качество изображения. Опыт записи учебных фильмов для ЭБД показывает, что скорость потока должна быть не менее 1150 Кбит/с. Размер кадра фильма, сжатого по алгоритму MPEG-1, составляет 352x288 пикселов для стандарта PAL и 352x240 пикселов для стандарта NTSC. Такое разрешение является ограничением для демонстрации фильма на большом экране - изображение получается малоконтрастным. Однако файлы указанного формата могут быть воспроизведены на компьютере средствами любой операционной системы без использования программ-проигрывателей. ЭБД с видеофайлами формата MPEG-1 могут быть записаны на обычные компакт-диски объёмом 700 Мб.
ЭБД с видеофрагментами, записанными в формате SVCD, отличаются от указанных выше баз данных более высоким качеством изображения, так как для кодирования видео используется алгоритм MPEG-2. Формат SVCD предусматривает возможность записи двух дорожек стереозвука и четырех дорожек титров. При записи видеофрагментов можно использовать переменную скорость потока в интервале 1.5-2.5 Мбит/с. При этом на динамичных сценах битрейт возрастает, а на статичных - уменьшается, что позволяет уменьшить размер файла.
При использовании в ЭБД видеофильмов обзорного характера (объёмом 30 мин и более) их следует сохранять в формате MPEG-4. Особенностью этого формата является высокий уровень сжатия видео. Компрессия по алгоритму MPEG-4 позволяет, например, поместить полнометражный учебный фильм на одном компакт-диске ёмкостью 700 Мбайт с качеством лучшим, чем у VCD. Формат MPEG-4 даёт возможность просмотра учебного фильма через локальную сеть вуза. Необходимо отметить, что для воспроизведения видео в формате MPEG-4 на компьютере должна быть установлена программа-проигрыватель, например Windows Media Player, и кодек MPEG-4. Недостатком указанных выше вариантов ЭБД является невозможность установления меток для быстрого поиска нужного места просмотра внутри видеофрагмента.
Для записи видеофайлов ЭБД может быть использован формат DVD. При их записи может быть использован битрейт в интервале от 3.0 до 9.8 Мбит/с, что позволяет получить нужное качество изображения при демонстрации фильма на большом экране. Эксперименты показывают, что если изображение изменяется быстро, то при низком битрейте возможны дефекты компрессии - дробление и размытость изображения. При скорости потока более 6.0 Мбит/с сжатый сигнал практически не отличается от оригинала. DVD-формат позволяет записать кроме видео дикторский текст и субтитры на
нескольких языках и выбирать в процессе воспроизведения один из них. При обмене учебными материалами с зарубежными вузами эта возможность очень важна.
Практика чтения лекций с использованием видеоматериалов ЭБД показывает, что демонстрация фильма продолжительностью 10 мин и более отрицательно сказывается на учебном процессе. Методика изложения материала в фильме всегда отличается от методики устного изложения, что создает некоторые трудности для преподавателя и студентов. Кроме того, учебный фильм обычно озвучен и роль преподавателя становится пассивной - он не может вести комментарии по ходу демонстрации и выключается из учебного процесса.
Учебные видеофильмы ЭБД при их записи в формате ОУО можно разбивать на разделы, разделы - на главы, главы - на темы и т.п. (рис. 1). При этом удобно
Рис. 2. Увеличение изображения
использовать интерактивные разветвлённые интерфейсы DFD-проигрывателей. Такие меню, именуемые On-screen Menu Icons (Элементы экранного меню), позволяют осуществлять быстрый поиск и воспроизведение нужного видеофрагмента, используя анимированные миниатюры с изображениями их первых кадров (см. рис. 1). Для этого достаточно выделить соответствующую миниатюру и нажать кнопку выбора в меню. Короткие фрагменты фильма (1...2 мин) можно органично вписать в лекцию, проводимую преподавателем, не нарушая её логической целостности и не снижая темпа занятия. Такие фрагменты можно демонстрировать и без звука: комментировать их будет
преподаватель. Также DVD-проигрыватели дают возможность изменять масштаб изображения на экране. При увеличенном масштабе можно перемещать центр кадра так, чтобы детально рассмотреть любую часть изображения (рис. 2).
Кроме того, DVD-формат
позволяет записать несколько рис. 1. Пример одной страницы меню
вариантов развития процессов или электронной базы данных по электротехнике событий (в режиме Multi-Story). Это
позволяет реализовать интерактивный режим просмотра учебного видеофильма, изменяя, например, условия проведения какого-либо лабораторного или натурного эксперимента. Полезна и другая функция DVD, называемая Multi-Ang (Множество углов зрения), т.е. просмотр экспериментов с различных точек или под разными углами зрения. На диске, записанном в режиме Multi-Angle, может содержаться ряд вариантов видео, снятого преподавателем одной или несколькими камерами с различных ракурсов. Например, при изучении способов сборки роторов и статоров электрических машин преподаватель с помощью меню сможет выбирать различные углы зрения на лабораторную установку и масштаб изображения так, чтобы детально показать весь процесс сборки.
Для записи ЭБД, в зависимости от их объёма, могут быть использованы различные типы компакт-дисков. В настоящее время для этого обычно используют DVD-диски. Практика показывает, что при записи ЭБД могут быть использованы и обычные компакт-диски (CD). Базу данных, которая содержит небольшое количество видеофрагментов в формате VideoDVD, сжатых по алгоритму MPEG-2, можно записать на компакт-диск (CD-R), который в этом случае называют miniDVD. Эти диски имеют такую же файловую структуру, как и диски VideoDVD. На диске miniDVD можно разместить видеофрагменты общей продолжительностью 15...20 мин, что является достаточным для иллюстрации материала нескольких лекций. Особенностью дисков miniDVD является то, что их можно воспроизвести на любом современном компьютере, оборудованном дисководом CD-ROM, но большинство стационарных проигрывателей DVD такой диск воспроизводить не будет.
Для записи ЭБД кроме дисков CD и DVD могут быть использованы диски Blu-ray. Применение диска Blu-ray, совпадающего по размерам с CD и DVD, позволяет сохранять до 27 Гбайт информации, т.е. в 6 раз больше по сравнению с DVD-диском. Объема 27 Гбайт достаточно, чтобы записать на диске ЭБД с 12-часовым циклом учебных видеофрагментов по какой-либо дисциплине. Кроме того, в такую ЭБД можно поместить интерактивный курс лекций, экзаменационные вопросы, тесты, задания для расчетно-графических работ и курсового проектирования с необходимыми справочными данными и др.
Для простого редактирования и записи ЭБД на компакт-диски можно использовать программу Windows Movie Maker [3], однако более удобно использовать программы Ulead DVD MovieFactory и Ulead DVD Workshop, которые содержат шаблоны для создания видеофильмов с интерактивными меню. Эти программы включают в себя инструменты для редактирования имеющихся шаблонов, а также создания новых шаблонов с параметрами, отвечающими задачам ЭБД. Запись ЭБД на диск может быть проведена и с помощью других программ: Easy CD Creator, Nero Burning Rom и др.
С учетом изложенного на базе электротехнического факультета СамГТУ разработан и апробирован программно-аппаратный комплекс, позволяющий создавать ЭБД, включающие в себя видеофильмы, конспекты лекций, справочные данные, тесты и др. На его основе создан ряд ЭБД: «Основы электроники», «Электрические цепи», «Электрические машины» и др. Эти базы данных, подготовленные преподавателями, являются результатом систематизации и обобщения их педагогического опыта, а также средством его распространения в вузах России.
Проведенная в Самарском государственном техническом университете опытноэкспериментальная работа показывает необходимость создания и использования на
лекциях и практических занятиях ЭБД на цифровых носителях информации. Использование электронных баз данных делает менее трудоёмким и более рациональным труд преподавателя. Построение учебного процесса на их основе способствует повышению качества профессиональной подготовки студентов, позволяет рационально сочетать традиционную методику обучения и современные информационные технологии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шимаров А.И. Инновационное методическое сопровождение образовательных программ / А.М. Лашманов, А.И. Шимаров // Информационные технологии в образовательной деятельности вуза: сб. науч. тр. / Самарский гос. унт. - Самара, 2008. - С. 174-177.
2. Шимаров А.И. Технология подготовки материалов для мультимедийных программ: учеб. пособие / М.Л. Костырев, А.И. Шимаров. - Самара: СамГТУ, 2006. - 54 с. - ISBN 5-7964-0797-Х.
3. Шимаров А.И. Компьютерные технологии видеомонтажа: учеб. пособие / А.И. Шимаров. - Самара: СамГТУ, 2009. - 86 с. - ISBN 978-5-7964-0933-6.
Поступила в редакцию 12/IX/2009; в окончательном варианте - 15/Х/2009.
UDC 342.683
CREATING DATABASES ON ELECTRICAL SUBJECTS A.I. Shimarov
Samara State Technical University
244 Molodogvardeiskaya str. Samara, 443100
E -mail: alexandr-shimarov@rambler. ru
We analyzed the development of databases of video data in electrical engineering, comparative characteristics of video formats recording movies, and recommendations on the structure of these databases.
Key words: electrical engineering disciplines, databases, methods of designing a database.
Original article submitted 12/Х/2009; revision submitted - 15/Х/2009.
Aleksandr I. Shimarov (Ph.D., Associate Professor), Associate Professor, Dept. Theoretical Foundations of Electrical Engineering.
