Процесс формирования естественнонаучных умений у обучающихся

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность выбранной темы. В настоящее время, демократизация общества, становление рыночных отношений выдвинули новые требования к обучению и воспитанию человека, гражданина, специалиста. В складывающихся социально-экономических отношениях востребованы профессионализм, ответственность, самостоятельность и инициатива, а не пассивное исполнительство. Эти социально значимые качества следует формировать у подрастающего поколения непосредственно в учебной деятельности. Учебное исследование является такой формой организации деятельности обучающегося, которая в существенной степени способствует их формированию и развитию.

Решение задач по физике в школьном курсе необходимый элемент учебной работы. Задачи дают материал для упражнений, требующих применения физических закономерностей к явлениям, протекающим в тех или иных конкретных условиях. Поэтому они имеют большое значение для конкретизации знаний учащихся, для привития или умения видеть различные конкретные проявления общих законов. Без такой конкретизации знания остаются книжными, не имеющими практической ценности. Решение задач способствует более глубокому и прочному условию физических законов, развитию логического мышления, сообразительности, инициативы, воли к настойчивости в достижения поставленной цели, вызывает интерес к физике, помогает навыков самостоятельной работы и служит незаменимым средством для развития самостоятельности суждения. Решение задач - это один из методов познания взаимосвязи законов природы.

Решение задач на уроке иногда позволяет в вести новые понятия и формулы, выяснить изучаемые закономерности, подойти к изложению нового материала.

В процессе решения задач ученики непосредственно сталкиваются с необходимостью применить полученные знания по физике в жизни, глубже осознают связь теории с практикой.

Решение задач - одно из важных средств повторения, закрепления и проверки знаний учащихся.

В моей проделанной работе я предлагаю на сегоднящний день обновить источник знаний получаемых нашими учениками с помошью виртуальных лабораторных работ. На уроках данной дисциплины, как мы знаем, уже применяются данные методы. Но я хочу предложить выполнять виртуальные лабораторные работы на языке программирования.

В основе оптических методов обработки информации лежат явления преобразования пространственно-модулированных оптических сигналов в оптических устройствах и системах на принципах как геометрической, так и волновой оптики. «Обработка информации» здесь означает «преобразование, анализ и синтез многомерных функций, описывающих свойства и состояние объектов материального мира». Оптическая обработка информации осуществляется в оптическом процессоре – аналоговом оптическом либо оптоэлектронном устройстве, определенным образом изменяющем амплитуду и фазу пространственно-модулированного оптического сигнала, содержащего информацию об объекте. Системы оптической обработки информации, как правило, являются составной частью комплексной оптоэлектронной системы обработки информации или высокопроизводительного вычислительного устройства, включающих как электронные, так и оптические компоненты.

Тема моей дипломной работы – «Применение информационных технологий в организации деятельности учащихся по решению физических задач». Главной целью работы является применение информационных технологий в организации деятельности учащихся по решению физических задач на примере создания и изучения лабораторных работ в программе MathCAD.

Всё выше изложенное показывает, что выбранная тема дипломной работы актуальна и важна.

Особенностью предмета «Физика» в учебном плане образовательной школы является и тот факт, что овладение основными физическими понятиями и законами на базовом уровне стало необходимым практически каждому человеку в современной жизни.

Исследования многих методистов посвящены проблемам формирования у учащихся специальных естественнонаучных умений (П.А. Знаменский, С.Е. Каменецкий, А.В. Г.Герышкин, А.А. Покровский, А.В. Усова, А.В. Чеботарева, и др.,) которые условно можно разделить по отношению к физическому образованию на три основные группы:

• теоретические (знание и умение использовать основные понятия, формулы, законы),

• умения решать качественные и количественные задачи;

• практические или экспериментальные (умения проводить измерения, ставить эксперимент и т.д.)

Цель исследования: изучить особенности применения информационных технологий в организации деятельности учащихся по решению физических задач

Объект исследования: ииспользование информационных технологий на уроках физики; вычисления в программе MathCAD

Предмет исследования: процесс формирования естественнонаучных умений у обучающихся

Гипотеза исследования: целенаправленная организация деятельности учащихся по решению физических задач с применением информационных технологий; возможно повысить качество образования за счет использования в курсе обучения решение физических задач с применением программы MathCAD и других языков программирования . Подобная организация учебного процесса позволит активизировать высокие навыки обучающихся, более эффективно, чем при традиционном обучении формировать , развивать их знание в области нудных писаниях лабораторных работ или длительных решениях задач в тетрадях, которые современем наскучивают.

Научная новизна: внедрение в процесс обучения вычисления физических задач в программе MathCAD

Задачи исследования:

• Проанализировать основные идеи и работы по применению информационных технологий в организации деятельности учащихся по решению физических задач
• Проанализировать роль и особенности формирования естественнонаучных умений у учащихся по решению физических задач
• Раскрыть методику формирования естественнонаучных умений в процессе обучения физики
• Провести экспериментальное обучение школьников и проверить его эффективность
• Сформулировать выводы
• Разработать модель школьного физического образования и определить пути решения проблем качественного обучению физике.

Практическая значимость. Практическая значимость данной работы заключается в создании инструмента, позволяющего оценить возможность каждого обучающегося.

Расширить получение навыков в различных направлениях учеников, возможности учебного процесса с применением информационных технологий при решении физических задач на уроках физики. Тем самым совершенствовать устаревшие методы преподавания физики.

1 Общие вопросы использования информационных технологий в образовательном процессе

1.1 Классификация и характеристика программных средств информационной технологии обучения

Главная роль в создания и использования информационных технологий принадлежит в системе образования высшей школе как основному источнику квалифицированных интеллектуальных кадров и мощной базе фундаментальных и прикладных научных исследовательских. Особенностью системы образования является то, что она выступает, во первых, в качестве потребителя, пользователя, а во вторых — издателя информационных технологий, которые после используются в самых разных сферах. Это, по его сути, обеспечивает практическую реализацию концепции перехода от развития информационных технологий образования к информатизации общества. Но при этом не надо преувеличивать возможности компьютерной техники, поскольку передача информации — это не передача знаний, культуры, и поэтому информационные технологии предоставляют преподавателям очень эффективные, но вспомогательные средства развития поколения.

Для понимания роли информационных технологий в образовании нужно разобраться с сутью данного понятия.

Говоря об информационной технологии, в некоторых случаях имеют в виду определенное научное направление, а в других же — конкретный способ работы с информацией: это и совокупность знаний о способах и средствах работы с информационными ресурсами, и способ и средства сбора информации, обработки и передачи информации для получения новых сведений об изучаемом объекте.

В контексте образования мы будем обращать большое вниманиена последнее определение. В каком-то смысле все педагогические технологии (понимаемые как способы) бывают информационными, так как учебно-воспитательный процесс всегда сопровождается передачей и обменом информацией между учителем и учеником. Но в современном понимании информационная технология обучения (ИТО) — это педагогическая технология, применяющая специальные способы, программные обеспечения и технические средства (кино, аудио- и видеосредства, компьютеры, телекоммуникационные сети) для обработки информациии.

Тем самым, ИТО следует понимать как приложение информационных технологий для развития новых возможностей передачи знаний (деятельности педагога), восприятия знаний (деятельности обучаемого), оценки качества обучения и, безусловно, всестороннего развития личности обучаемого в ходе учебно-воспитательного процесса. А главная цель развития информационных технологий состоит «в подготовке обучаемых к полноценному и эффективному участию в бытовой, общественной и профессиональной областях жизнедеятельности в условиях информационного общества».

Понятие компьютерная технология обучения (КТО), с учетом больших возможностей современных вычислительных средств и компьютерных сетей, часто применяются, что и ИТО. Но применение аббревиатуры КТО вместо ИТО бывают и минусы. Они связаны с тем, что информационные технологии могут использовать компьютерные технологии как одно из возможных средств, не исключая при этом применения аудио- и видеоаппаратуры, проекторов и других технических средств эллектронники. Кроме того, понимание значимости компьютера как вычислительной машины (англ. computer — вычислитель) стало просто необходимым.

Частые исследования в применения информационных технологий в обучении проводятся более сорока лет. Система образования всегда была очень доступна введению в образовательный процесс инновационных технологий, базирующихся на программных продуктах самого часто применяемого назначения. В учебных заведениях очень часто применяются различные программные комплексы — как относительно доступные (текстовые и графические редакторы, средства для работы с таблицами в Excel и PowerPoint), так и сложные (языки программирования и управления базами данных, пакеты символьной математики и статистической обработки).

В то же время эти программные средства никогда не обеспечивали всех потребностей педагогов. Начиная с 60-х гг., в научных центрах и учебных заведениях США, Канады, Западной Европы, Австралии, Японии, России и других стран было изготовлено большое количество специализированных компьютерных программ именно для развития образования, рассчитанных для поддержки различных сторон учебно-воспитательного процесса, что указана в таблице 1.

В определенном смысле подобная классификация является весьма условной, поскольку в ней, по сути дела, происходит пересечение отдельных технологий.

В этом можно убедиться, изучив более внимательно каждую из них.

Компьютерное программированное обучение — это технология, обеспечивающая реализацию механизма программированного обучения с помощью различных компьютерных программ.

Изучение с применением компьютера предполагает самостоятельную работу обучаемого в изучении нового материала с применением различных средств, в том числе и компьютера. Характер учебной деятельности здесь не регламентируется, изучение может выполняться и при поддержке наборов инструкций, что и составляет суть метода программированного обучения, лежащего в основе технологии CAI.

Изучение на базе компьютера отличает от предыдущей технологии то, что если там можно использовать самые разнообразные технологические средства (в том числе и традиционных — учебников, аудио- и видеозаписей и т. п.), то здесь предполагается применение преимущественно программных средств, обеспечивающих эффективную самостоятельную работу учеников.

Обучение на базе компьютера подразумевает всевозможные формы передачи знаний учащемуся (с участием педагога или без него).

Проверка знания с помощью компьютера может представлять собой и самостоятельную технологию обучения, однако на практике оно входит составным элементом в другие, поскольку к технологиям передачи знаний в качестве обязательного предъявляется и требование о наличии у них специальной системы оценки качества получения знаний. Такая зависима от содержания изучаемой дисциплины и методов, использующихся педагогом в традиционном обучении или реализованных в обучающей программе.

Компьютерные коммуникации, обеспечивая и процесс передачи знаний, и обратную связь, очевидно, являются неотъемлемой составляющей всех перечисленных технологий, когда говорится об использовании локальных, региональных и других компьютерных сетей. Компьютерные коммуникации определяют возможности информационной образовательной среды отдельного учебного заведения, города, региона, страны. Так как реализация любой ИТО происходит именно в рамках информационной образовательной среды, то и средства, обеспечивающие аппаратную и программную поддержку этой образовательной технологии, не должны останавливаться только лишь отдельным компьютером с установленной на нем программой. Фактически все обстоит наоборот: программные средства ИТО и сами образовательные технологии встраиваются в качестве подсистемы в информационную образовательную среду — распределенную информационную образовательную систему.

Не отрицая важности классификации ИТО, заметим, что для их эффективного применения педагогу в первую очередь нужно ориентироваться в соответствующем программном обеспечении.

Программное обеспечение, использующееся в ИТО, можно разделить на несколько категорий:

-обучающие, контролирующие и тренировочные системы;

-системы для поиска информации;

-моделирующие программы;

-микромиры;

-инструментальные средства познавательного характера;

-инструментальные средства универсального характера;

-инструментальные средства для обеспечения коммуникаций.

Под инструментальными средствами понимаются программы, обеспечивающие возможность создания новых ресурсов: файлов различного формата, баз данных, программных модулей, отдельных программ и программных комплексов. Такие средства могут быть предметно-ориентированными, а могут и практически не зависеть от конкретных задач и областей применения.

Основное требование, которое не должно нарушаться у программных средств, ориентированных на применение в образовательном процессе, — это легкость и естественность, с которыми обучаемый может взаимодействовать с учебными материалами. Соответствующие характеристики и требования к программам принято обозначать аббревиатурой НCI (англ. Human — Computer Interface — интерфейс — человек — компьютер). Этот буквальный перевод можно понимать как «компьютерные программы, диалог с которыми ориентирован на человека».

Опишем перечисленные категории программного обеспечения более подробно.

Контролирующие системы. Применение информационных технологий для оценивания качества обучения дает много преимуществ перед проведением обыкновенного контроля. Прежде всего, это возможность организации централизованного контроля, обеспечивающего охват целого круга обучаемых. Так же, компьютеризация позволяет сделать контроль более обширным, не зависящим от субъективности учителя. В данное время в практике автоматизированного тестирования применяются контролирующие программы, состоящие из подсистем следующего назначения:

-создание тестов (формирование банка вопросов и заданий, стратегий ведения опроса и оценивания);

-проведение тестирования (предъявление вопросов, обработка ответов);

-мониторинг качества знаний учащихся в течении всего времени изучения темы или учебной дисциплины на основе протоколирования хода и итогов тестирования в обновляемой базе данных.

На рисунке 1 представлена функциональная схема контролирующей системы.

Рисунок 1. Функциональная схема контролирующей системы

С подсистемой создания тестов работает непосредственно или преподаватель, или оператор, который вводит информацию, предоставленную преподавателем. В избежание возможных ошибок, с целью упрощения подготовки материалов в таких подсистемах обычно используются шаблонные формы — для внесения текста вопроса или задания, вариантов ответа, правильного ответа и т.д. В итоге данная подсистема формирует базу данных, служащую основой для проведения тестирования. Обучаемому, работающему с подсистемой проведения тестирования, может быть предложен индивидуально подобранный набор вопросов и алгоритм их предъявления. По результатам тестирования с помощью подсистемы мониторинга будет построена база данных, обеспечивающая необходимой информацией преподавателя, обучаемых и администрацию учебного заведения.

Разработка современных контролирующих систем базируется на соблюдении основного требования: система должна быть абстрагирована от содержания, уровня сложности, тематики, типа и предметной направленности отдельных тестовых заданий и способна работать на изолированных компьютерах, в локальной сети и в сети Internet. Подобная стандартизация позволяет не прибегать для создания каждого очередного теста и обработки его результатов к услугам программистов, а, освоив определенную систему, наполнять ее содержательную часть по различным дисциплинам на основе общих принципов. В этом случае легче подготовить: педагогов — к формированию тестов, а учащихся — к прохождению тестирования.

Обучающие и тренировочные системы. Создание собственно учебных компьютерных средств проходило на основе идеи программированного обучения. И в нынешнее время во многих учебных заведениях разрабатываются и используются автоматизированные обучающие системы (АОС) по разным изучаемым дисциплинам. Более распространены АОС по естественно-научным и техническим дисциплинам. Однако есть опыт создания и применения таких систем даже для изучения уроков литературы.

АОС включает в себя комплекс учебно-методических материалов (демонстрационные, теоретические, практические, контролирующие) и компьютерные продукты, которые управляют процессом обучения. Разработка специализированных программ обычно предполагает решение вполне определенных задач компьютеризации обучаемого процесса. Так, АОС применяется для изучения новых для обучаемого концепций и процессов. Материал предлагается в структурированном виде и обычно имеет демонстрации, вопросы для оценки степени понимания, обеспечивающие обратную связь. Современные АОС позволяют корректировать процесс обучения, адаптируясь к действиям учащегося.

АОС обычно базируется на инструментальной среде — комплексе компьютерных программ, предоставляющих пользователям, не владеющим языками программного обеспечения, следующие возможности работы с системой:

-преподаватель вводит разную информацию (лаб.работы, практические задания, вопросы для тестового контроля) в базу данных и формирует сценарии для проведения занятия;

-ученик в соответствии с заданием (выбранным им самим или предложенным педагогом) работает с учебно-методическими материалами программы;

-автоматизированный контроль получения знаний обеспечивает необходимую обратную связь, позволяя выбирать самому ученику (по результатам самоконтроля) или назначать автоматически последовательность и темп освоения учебного материала;

-работа ученика записывается, информация (итоги тестирования, изученные темы) заносится в базу данных;

-педагогу и ученику предоставляется информация о результатах работы отдельных обучаемых или определенных групп.

Возможности высших учебных заведений обычно позволяют им вести проектирование таких инструментальных сред, ориентированных на создание АОС [16]. В то же время в системе общего и профессионального образования разработано множество обучающих программ по отдельным учебным дисциплинам, отличающихся неповторимостью, высоким научным и методическим уровнем. Например, в рамках проекта «Гармания» [21] учителями из различных регионов России и стран СНГ (Горно-Алтайска, Бийска, Гродно, Новокузнецка, Одессы, Омска и др.) были разработаны электронные учебные пособия по информатике, истории, литературе и другим предметам. В сети Internet в настоящее время представлены различные авторские разработки данного плана.

В 80—90-е гг. XX в. массовое производство относительно недорогих и в то же время обладающих постоянно улучшающимися техническими характеристиками персональных компьютеров обусловило резкое увеличение темпов развития информации.

В сфере обучения, особенно с появлением операционной системы Windows, открылись иные возможности. Главными из них стали доступность диалогового общения в так называемых интерактивных программах и возможность широкого использования графики (рисунков, схем, диаграмм, чертежей, карт, фотографий). Применение графических иллюстраций в учебных компьютерных системах позволяет на новом уровне передавать информацию ученику и улучшать ее понимание. Учебные программные продукты, использующие графику, способствуют развитию таких важных качеств, как интуиция, широкое мышление.

Дальнейшее развитие компьютерных технологий в последнее десятилетие предоставило технические и программные новинки, очень перспективные для образовательных целей. В первую очередь — это устройства для работы с компакт-дисками — CD-ROM (англ. Compact Disk Read Only Memory — устройство для чтения с компакт-диска) и CD-RW (англ. Compact Disk Read/Write — устройство для чтения и записи на компакт-диск), позволяющие сосредоточить большие объемы информации (сотни мегабайт) на небольшом и недорогом носителе.

Возросшая производительность персональных компьютеров сделала возможным достаточно широкое применение технологий мультимедиа, систем виртуальной реальности.

На самом деле, нынешнее обучение уже трудно представить без технологии мультимедиа (англ. multimedia — многокомпонентная среда), которая позволяет использовать текст, графику, видео и мультипликацию в режиме диалога и тем самым расширяет области применения компьютера в учебном процессе. Изобразительный ряд, включая образное мышление, помогает обучаемому целостно воспринимать данный материал. Появляется возможность совмещать теоретический и демонстрационный материалы. Тестовые задания уже не ограничиваются словесной формулировкой, но и могут представлять собой целый видеосюжет. Мультимедиа программы — это наукоемкий и весьма дорогой продукт, так как для его разработки нужно соединить усилия не только специалистов в предметной области, преподавателей, психологов и программистов, но и художников, звукооператоров, сценаристов, монтажеров и других профессионалов.

Виртуальная реальность (англ. virtual reality — возможная реальность) — это новая технология неконтактного информационного взаимодействия, реализующая с помощью мультимедиа среды иллюзию непосредственного присутствия в реальном времени в стереоскопически представленном «экранном мире». В таких системах постоянно создается иллюзия «местонахождения» пользователя среди объектов виртуального мира.

Новые возможности для создания АОС открыла в 90-е гг. гипертекстовая технология, которая получила мощнейшее развитие благодаря возможности создания гипертекста с помощью специального языка HTML (англ. HyperText Markup Language — гипертекстовый язык разметки), изобретенного Тимоти Бернерс-Ли. Гипертекст (англ. hypertext— сверхтекст), или гипертекстовая система, — это совокупность разнообразной информации, которая может размещаться не только в разных файлах, но и на разных компьютерах.

Основная черта гипертекста — возможность переходов по так называемым гиперссылкам, которые представлены либо в виде специально оформленного текста, либо определенного графического изображения. Одновременно на экране компьютера может быть несколько гиперссылок и каждая из них определяет свой маршрут «путешествия». Наряду с графикой и текстом можно связать гиперссылками и мультимедиа-информацию, включая звук, видео, анимацию. В этом случае для таких систем применяется термин гипермедиа.

Распространение гипертекстовой технологии в определенной мере послужило своеобразным толчком к созданию и широкому тиражированию на компакт-дисках разнообразных электронных изданий: учебников, справочников, словарей, энциклопедий (школьная серия «1С: Репетитор», энциклопедические и учебные издания фирмы «Кирилл и Мефодий» и др.). Использование в электронных изданиях различных информационных технологий (АОС, мультимедиа, гипертекст) дает весомые дидактические преимущества электронной «книге» по сравнению с традиционной:

-в технологии мультимедиа создается обучающая среда с ярким и наглядным представлением информации, что особенно привлекательно для школьников;

-осуществляется интеграция значительных объемов информации (до 700 Мб) на едином носителе;

-гипертекстовая технология благодаря применению гиперссылок упрощает навигацию и предоставляет возможность выбора индивидуальной схемы изучения материала;

-на основе моделирования процесса обучения становится возможным дополнить учебник тестами, отслеживать и направлять траекторию изучения материала, осуществляя, тем самым, обратную связь.

Все перечисленные возможности полностью реализованы в таком электронном учебнике, как «Открытая физика» фирмы «Физикон», представляющем собой целый курс физики для школьников VII—XI классов и абитуриентов. Учебник работает в режиме диалога с обучаемым. Он содержит более 80 компьютерных экспериментов, учебное пособие, видеозаписи экспериментов, звуковые пояснения.

Еще одним характерным примером реализации возможностей современных информационных технологий является сборник компакт-дисков фирмы «1С: Репетитор» «Русский язык, Физика, Химия, Биология (4 CD)». Программы сборника содержат подробное изложение всего теоретического материала по каждому предмету, эквивалентное 3800 страницам формата А4, около 6 ч дикторского текста, около 1400 иллюстраций, 400 компьютерных анимаций и видеофрагментов (химические и физические опыты, жизнь животных), 70 интерактивных физических моделей, позволяющих изменять параметры процессов, 50 озвученных диктантов на все правила русского языка, встроенную контролирующую подсистему, включающую около 2000 тестов, задач и языковых практикумов (все — с ответами, многие — с решениями). Каждый компакт-диск содержит также обширные справочные сведения (интерактивные раскрывающиеся таблицы, формулы и т.д.), биографии известных ученых, словарь терминов, список литературы.

Тренировочные системы являются частным случаем обучающих систем. Подобные системы предназначены для закрепления предварительно изученного материала, отработки определенных навыков и умений, а также тех способов деятельности, которые должны воспроизводиться обучаемым на уровне, доведенном до автоматизма. Они могут быть как самостоятельным средством, так и входить в качестве подсистемы в КОС. В их основе — предоставление обучаемому вопросов, заданий, упражнений и обработка ответов с обеспечением соответствующей обратной связи.

Системы для поиска информации. Системы для поиска информации, или информационно-поисковые системы, долгое время используются в самых различных сферах деятельности. Но для образования это еще довольно иной вид программного обеспечения. В то же время современные требования к информационной компетентности предполагают высокий уровень знаний в области поиска, структурирования и хранения информации. Преподаватели могут использовать сами, а также предложить обучаемым разные информационно-поисковые системы: справочные правовые системы («Гарант», «Кодекс», «Консультант Плюс»), электронные каталоги библиотек, поисковые системы в Internet, информационно-поисковые системы центров научно-технической информации и т.п. Наконец, электронные словари и энциклопедии, гипертекстовые и гипермедиа системы также представляют собой системы для поиска информации, одновременно выполняя функции ДОС.

Моделирующие программы. Одной из важнейших и распространенных причин использования моделирующих программ в обучении является потребность моделирования или визуализации каких-либо динамических процессов, которые затруднительно или просто невозможно воспроизвести в учебной лаборатории или классе. Такие программы, позволяющие моделировать эксперименты, воображаемые или реальные жизненные ситуации, применяются для активизации поисковой деятельности обучаемых и в качестве самостоятельных программных средств.

Компьютерное моделирование может основываться на математической модели, лабораторном эксперименте, анимации, в которых представлена работа некоторого предприятия, протекание того или иного процесса и т.д. В моделирующих программах может быть широкое использование интерактивной графики (т.е. поддерживающей режим диалога), дающей обучаемому возможность не только наблюдать особенности изучаемого процесса, но и исследовать эффекты влияния меняющихся параметров на получаемые результаты, «поворачивая» с помощью мышки рукоятки приборов, «смешивая» растворы и т.д.

Моделирующие программы могут быть и автономными, но чаще они входят в качестве подсистем в АОС. Например, в уже упоминавшемся электронном учебнике «Открытая физика» изучение теоретического материала, решение задач поддерживается работой с моделирующими программами, которые дают обучаемому целостное представление об изучаемом процессе, активизируют познавательную деятельность, позволяют стать настоящим экспериментатором. В учебнике создается особая образовательная среда, в которой кроме математической модели, позволяющей изучить влияние всех параметров «в числах», можно увидеть происходящие изменения и на графиках, и в видеоизображении физического процесса. Интересным направлением компьютерного моделирования является практикуемое за пределами страны, а также в ряде российских школ LEGO -конструирование на основе аппаратно-программного комплекса LEGO - лаборатория Control Lab®, состоящего из конструктора «ЛЕГО - лаборатория», пульта управления, подключенного к персональному компьютеру и программы для разработки проектов. Работа с этим комплексом знакомит детей с основами конструирования, моделирования, автоматического управления с помощью компьютера.

К сожалению, пока круг широко тиражируемых моделирующих программ, предназначенных для общеобразовательных и специальных учебных заведений, в основном ограничивается разработками по физике, химии, ряду технических и прикладных дисциплин (раскрой материалов, дизайн, сборка и тестирование устройств и т. п.). Приятным исключением является МЭКОМ - компьютерная программа моделирования экономики и менеджмента предназначенная для старшеклассников. В России действуют несколько десятков клубов, объединяющих учащихся, которые не только работают с программой, но и участвуют в специальных соревнованиях по работе с МЭКОМ.

Отдельного обсуждения заслуживает вопрос о способах визуального представления информации, или визуализации в моделирующих программах.

Современные моделирующие программы, основанные на технологии мультимедиа, должны предоставлять обучаемым эффективную образовательную среду, в которой можно выбрать, руководствуясь своим предпочтением образной или вербальной информации, соответственно, визуализированное или текстовое представление. Например, во многих электронных учебниках обучаемому предлагаются и видеофрагменты, иллюстрирующие те или иные процессы, и традиционное изложение в виде текста со статичными рисунками и схемами. Такая визуализация (в том числе и динамических процессов) может достигаться посредством использования технологии мультимедиа.

Педагог должен понимать, что получение хороших результатов обучения напрямую зависит от возможности выбора обучаемыми типа образовательной среды как на стадии ознакомления, так и на стадии обдумывания нового материала. Изучение предпочтений обучаемых и результатов их работы с моделирующими программами показывает, что для обучаемых с выраженным вербальным типом для изучения даже динамических процессов (наиболее характерных для моделирующих программ) предпочтительны статические изображения, сопровождаемые текстовым описанием. В то же время обучаемые с преобладанием образного типа мышления получат более адекватный материал при использовании анимированных иллюстраций, но только в том случае, если они имеют достаточную предварительную подготовку.

Микромиры. Микромиры — это особые узкоспециализированные программы, позволяющие создать на компьютере специальную среду, предназначенную для исследования некоторой проблемы. По сути, это развитие подходов компьютерного моделирования. Идея их создания берет начало в работах Жана Пиаже о когнитивном развитии детей. Яркий пример реализации — язык Лого, разработанный американским ученым Сеймуром Пейпертом для создания микромира Матландия (Mathland), предназначенного для изучения математики. Идея обучения по Пиаже была впервые взята именно С. Пейпертом в качестве важнейшего организующего принципа обучения с помощью компьютера. Выраженная в терминах практического использования, эта идея помогает смоделировать для учащихся условия, при которых они станут овладевать областями знаний, ранее требовавшими специального обучения. Речь идет об организации для обучаемых своего рода контактов с конкретным или абстрактным материалом, которым они могли бы пользоваться в процессе изучения материала.

Надо заметить, что на принципах микромиров основываются некоторые игровые программы познавательного характера, в которых играющий погружается в специальную среду, моделирующую жизнь города, племени или даже цивилизации, управлять которыми можно в рамках некоторых предопределенных законов и правил. Это нисколько не противоречит самой концепции микромира, поскольку, по мнению самого С. Пейперта, ее можно использовать практически для любой предметной области — от геометрии до приемов жонглирования.

Инструментальные программные средства познавательного характера. Для развития познавательных, или когнитивных, качеств личности обучаемым должны предлагаться разнообразные задания эвристического характера, в которых требуется решить реальную проблему, изучить взаимосвязи и закономерности тех или иных явлений, найти принципы построения различных структур и т д. И здесь на помощь могут прийти инструментальные программные средства познавательного характера, которые основываются на принципе конструктора, позволяющего создавать обучаемым их собственное понимание новых концепций, в рамках которых предоставляется возможность построить схему решения определенной проблемы, часто визуализированную.

В ходе этой работы обучаемый демонстрирует понимание новых знании и возможности ранее полученных знаний. Подобные средства относят к категории интеллектуальных обучающих систем (ИОС), создание которых становится реальным благодаря интенсивному росту возможностей персональных компьютеров.

Проектирование ИОС базируется на работах в области искусственного интеллекта, в частности, теории экспертных систем — сложных программных комплексов, манипулирующих специальными, экспертными знаниями в узких предметных областях. Как и человек-эксперт, эти системы решают задачи, используя логику и эмпирические правила, умеют пополнять свои знания. В итоге, соединяя мощные компьютеры с богатством человеческого опыта, экспертные системы повышают ценность экспертных знаний, делая их широко применяемыми.

Характерным примером ИОС являются системы символьной математики (Mathlab, Maple, Mathematica и др.), помогающие выполнять различные символьные преобразования, встречающиеся в математических задачах, и доступные не только студентам, инженерам, ученым, но и учащимся старших классов. Эти системы показывают то, как надо выполнять исследование функций, дифференцирование, вычисление интегралов и специальных функций и т.д. Возможность прослеживания всех этапов решения, развитая графика делают такие программные средства весьма эффективными для организации самостоятельной работы обучаемых, проведения практических занятий, подготовки демонстрационных материалов к урокам и лекциям. К категории ИОС можно также отнести и некоторые программные разработки, предназначенные непосредственно для общеобразовательных учебных заведений, например электронный учебник математики Л.Я. Боревского.

Инструментальные средства универсального характера. Одной из важнейших задач образования является развитие креативных, или творческих, качеств личности. Мы уже рассмотрели различные категории программного обеспечения ИТО, непосредственно для этого предназначенные: информационно-поисковые и экспертные системы, моделирующие программы и микромиры. Однако они не всегда доступны педагогу. Чаще он может предложить обучаемым универсальные программные продукты (например, изучаемые в школе и вузе графические и текстовые редакторы, электронные таблицы и т.п.), не относящиеся к разряду специальных, предназначенных для педагогических целей. Однако возможности этих программных средств таковы, что при умелом подборе заданий, создании на занятиях атмосферы творчества использование этих программ помогает развивать у обучаемых воображение, фантазию, интуицию, инициативность, т.е. те личностные качества, которые и относят к разряду творческих. Их целенаправленное использование позволяет расширить возможности образовательной среды и вывести на новый уровень продуктивную поисково-исследовательскую и творческую деятельность обучаемых.

Так, текстовые редакторы стимулируют работу по выполнению различных письменных заданий: сочинений, эссе, рефератов и др. Они облегчают как их первоначальное оформление, так и последующие изменения и дополнения. Работа с такой программой, с одной стороны, прививает обучаемым чисто технические навыки электронного набора и оформления текста. С другой — это мощный инструмент, мотивирующий обучаемых к совершенствованию первоначальных результатов. Если же работа выполняется на компьютере, включенном в сеть, то появляется также возможность совместной работы обучаемых и педагога — внесение последним своих замечаний непосредственно в текст по ходу его создания. Современный текстовый редактор, хотя и называется «текстовым», позволяет использовать в документах различные графические изображения, подготовленные самими обучаемыми или педагогом с помощью сканера или специальных программ, взятые из графических библиотек или в сети Интернет.

Для реализации эвристического и исследовательского типов обучения большое значение имеет доступность средств, необходимых для анализа и обобщения имеющейся информации. Это могут быть и результаты измерений различных параметров в ходе лабораторного эксперимента, и данные проведенного социологического опроса или психологического тестирования, которые необходимо обработать, проанализировать и обобщить. И здесь наиболее доступным универсальным средством, позволяющим выявить имеющиеся закономерности и тенденции, подтолкнув тем самым к решению стоящей задачи, являются электронные таблицы. Программы, относящиеся к этой категории (например, Microsoft Excel), дают возможность без изучения языков программирования выполнять расчеты по сложным формулам, включающим в себя проверку различных условий и реализующим циклические алгоритмы и ветвления (например, найти сумму или количество чисел, удовлетворяющих некоторому условию).

Результаты вычислений обновляются автоматически при изменении входящих в формулу параметров. Поданным таблиц можно построить график или диаграмму, один только выбор которых может стать самостоятельным заданием. Диаграммы и графики не являются статичными — каждый раз при изменении использующихся при их построении данных они меняют свою конфигурацию. Все перечисленные особенности делают электронные таблицы прекрасным инструментом для компьютерного моделирования. Обучаемым не требуется писать специальную компьютерную программу. Достаточно внести в таблицу формулы, отражающие суть математической модели (экономического, физического, химического процесса), а затем, изменяя исходные данные, наблюдать их влияние на графиках. Включая встроенный пакет, предназначенный для статистического анализа данных, нахождения оптимальных решений и т.п., электронные таблицы сокращают время, необходимое для вычислений и позволяют отдать больше усилий постановке задач и исследованию результатов. Применение электронных таблиц благодаря строгости представления исходных данных и формул, необходимых для получения результата, способствует развитию у обучаемых алгоритмического мышления, структурированного, системного подхода к представлению информации и решению стоящей проблемы.

Использование графических редакторов выводит на качественно новый, профессиональный уровень оформления творческих работ, способствует возможности самовыражения обучаемых и, соответственно, их положительной мотивации к выполнению самой работы и использованию компьютера. Программы для создания компьютерных презентаций играют аналогичную роль для устного представления результатов работы. Кроме того, они очень эффективны для наглядных иллюстраций (графических, текстовых, видео, аудио) при чтении лекций, проведении семинаров, уроков, конференций. С помощью графических редакторов, позволяющих создавать анимации, обучаемые могут самостоятельно проектировать компьютерные модели, иллюстрирующие различные процессы и явления. Такая работа не только дает дополнительный демонстрационный материал педагогу, но и полезна для самих обучаемых, поскольку кроме владения компьютерной программой требует глубокого понимания сути изображаемого. Однако не это является главным достоинством данных программных средств.

Работа обучаемого в графическом редакторе выявляет уровень развития образного мышления и помогает его совершенствованию. Графические редакторы позволяют ему легко строить сложные геометрические объекты, изучать их преобразования (растяжение, сжатие, сдвиг, поворот, отображение), строить произвольные проекции. Все это способствует развитию у обучаемых пространственного воображения. Универсальность современных графических редакторов делает их вполне уместными для компьютерного проектирования в декоративно-прикладном искусстве, в тех его направлениях, где требуется построение точных эскизов будущих изделий.

Инструментальные средства для обеспечения коммуникаций. Новый импульс информатизации образования дает развитие информационных телекоммуникационных сетей. Глобальная сеть Internet обеспечивает доступ к гигантским объемам информации, хранящимся в различных уголках нашей планеты. Многие эксперты рассматривают технологии Internet как революционный прорыв, превосходящий по своей значимости появление персонального компьютера.

Инструментальные средства компьютерных коммуникации включают несколько форм: электронную почту, электронную конференцсвязь, видеоконференцсвязь, Internet. Эти средства позволяют преподавателям и обучаемым совместно использовать информацию сотрудничать в решении общих проблем, публиковать свои идеи или комментарии, участвовать в решении задач и их обсуждении.

Электронная почта (e-mail) — это асинхронная коммуникационная среда, что означает: для получения сообщения не требуется согласовывать время и место получения с отправителем, и наоборот. Электронная почта может использоваться как для связи между двумя абонентами, так и для соединения одного — многих получателей. Эти особенности ее работы целесообразно использовать для установления обратной связи между преподавателями или обучающими программами и одним или несколькими обучаемыми независимо от их физического расположения. Электронная почта широко применяется также для координации и установления обратной связи в дистанционном и открытом обучении.

Необходимо заметить, что образовательные возможности электронной почты (e-mail) наиболее доступны из всех информационных и телекоммуникационных технологий и в то же время наиболее недооценены. Специальные почтовые программы основаны на сходных принципах, и, соответственно, для пользования электронной почтой не требуется серьезной профессиональной подготовки. Электронная почта имеет очень широкие возможности для улучшения качества образовательного процесса. Это и средство дополнительной поддержки учебно-познавательной деятельности, дающее прекрасные возможности общения обучаемых с преподавателем и друг с другом (причем — конфиденциального общения), и средство управления ходом образовательного процесса.

Поясним перечисленные возможности. Так, с помощью электронной почты преподаватель может немедленно распространить ответы на наиболее часто возникающие вопросы, причем не только тем, кто спрашивал, но и всем остальным. Далее, электронная почта позволяет снять барьеры, мешающие обучаемому задать вопросы, связанные с проблемами, лежащими вне изучаемой дисциплины. Электронная почта может качественно изменить управление учебно-воспитательным процессом, давая возможность заблаговременно распространять результаты аттестации, распоряжения и другую информацию административного характера. С помощью той же электронной почты и обучаемые могут объяснить причины своего отсутствия на занятиях, посылать уведомления о болезни, текущие отчеты о практике, проходящей в отдаленных местах, и т.п. Такое использование электронной почты создает у обучаемых ощущение личного контакта как с преподавателями, так и с администрацией учебного заведения.

При возможности желательно встраивать доступ к электронной почте и в обучающие программы, с тем чтобы обучаемый имел возможность если и не получить консультацию, то хотя бы задать своему педагогу вопрос в случае возникновения затруднений или выразить свое мнение по поводу работы программы.

Использование электронной почты позволяет увеличить эффективность труда преподавателей. В работе с большим потоком обучаемых это может проявиться с большей степенью, если будет организовано обсуждение вопросов, направляемых по электронной почте, в виртуальных семинарах или специально организованных для этой цели рабочих группах. Здесь необходимо учесть то, что не всякий обучаемый добровольно включится в такой вид учебной работы и, соответственно, требуется специфическая система поощрения.

В заключение отметим, что из перечисленных типов ресурсов именно электронная почта должна стать обязательным инструментом каждого педагога. В учебном заведении ее можно обеспечить и без выхода в Internet, в рамках локальной сети. Ее простота, «безобидность» по сравнению с другими ресурсами, высочайшие возможности как по индивидуализации работы с обучаемыми, так и организации их коллективной деятельности. Позволяют назвать эту технологию обязательной ИТО для современного учебного заведения.

Электронная конференцсвязь — асинхронная коммуникационная среда, которая подобно электронной почте может использоваться для плодотворного сотрудничества обучаемых и педагогов, являясь пользователям неким структурированным форумом, на котором можно в письменном виде изложить свое мнение, задать вопрос и прочитать реплики других участников. Участие в тематических электронных конференциях сети Internet очень плодотворно для самообразования педагогов и обучаемых. Электронные конференции могут быть организованы и в пределах локальной сети отдельного учебного заведения для проведения семинаров, протяженных по времени дискуссий и т. п. Асинхронный режим работы обучаемого способствует рефлексии и, соответственно, продуманности вопросов и ответов. Возможности использования файлов любого типа (графика, звук, анимации) делают такие виртуальные семинары весьма эффективными.

Видеоконференцсвязь — в отличие от предыдущей формы имеет синхронный характер, когда участники взаимодействуют в реальном времени. Здесь возможно общение типа один на один (консультация), один ко многим (лекция), многие ко многим (телемост). Эта коммуникационная технология в настоящее время используется преимущественно в высших учебных заведениях, имеющих разветвленную сеть филиалов. Основное препятствие для широкого использования — дорогое оборудование, которое не всегда доступно в локальных учебных центрах (филиалах) головного учебного заведения.

Компьютерные коммуникации выступают также как средство доступа к такой технологии Internet, как WWW (World Wide Web), или Всемирной Паутине, состоящей из сотен миллионов информационных сайтов, связанных гиперссылками. WWW поддерживает наряду с текстами, графикой и мультимедийные страницы. С точки зрения образовательных возможностей это отнюдь не пассивный ресурс, а среда, стимулирующая активность и самостоятельность обучаемых. В ней можно заниматься поиском информации, но результаты зачастую непредсказуемы и зависят от находчивости и инициативности пользователя. WWW позволяет вступать в контакт с другими людьми (в синхронном или асинхронном режиме) или интерактивными программами, отвечая на вопросы или заполняя специальные формы на Web - страницах. Наконец, можно стать одним из миллионов «строителей» Всемирной Паутины, создавая Web - страницы и размещая их в WWW.

К числу базовых обычно относят следующие технологии Internet:

-WWW (англ. World Wide Web — Всемирная Паутина) — технология работы в сети с гипертекстами;

-FTP (англ. File Transfer Protocol — протокол передачи файлов) — технология передачи по сети файлов произвольного формата;

-IRC (англ. Internet Relay Chat — поочередный разговор в сети, чат) — технология ведения переговоров в реальном масштабе времени, дающая возможность разговаривать с другими людьми по сети в режиме прямого диалога;

-ICQ (англ. I seek you — я ищу тебя, можно записать тремя указанными буквами) — технология Ведения переговоров один на один в синхронном режиме.

Специфика технологий Internet заключается в том, что они предоставляют и обучаемым, и педагогам громадные возможности выбора источников информации, необходимой в образовательном процессе:

-базовая информация, размещенная на Web- и FTP –серверах сети;

-оперативная информация, систематически пересылаемая заказчику по электронной почте в соответствии с выбранным списком рассылки;

-разнообразные базы данных ведущих библиотек, информационных, научных и учебных центров, музеев;

-информация о компакт-дисках, видео- и аудиокассетах книгах и журналах, распространяемых через internet–магазины.

Средства телекоммуникации, включающие электронную почту, глобальную, региональные и локальные сети связи и обмена данными. Открывают перед обучаемыми и педагогами широчайшие возможности: оперативную передачу на любые расстояния информации любого объема и вида; интерактивность и оперативную обратную связь; доступ к различным источникам информации; организацию совместных телекоммуникационных проектов; запрос информации по любому интересующему вопросу через систему электронных конференций.

Перечисленные возможности современных телекоммуникаций способствуют развитию новой формы обучения — дистанционного. Это специфическая образовательная система, базирующаяся на современных педагогических и информационных технологиях. Компьютерные коммуникации обеспечивают эффективную обратную связь, которая обеспечивается как организацией учебного материала, так и общением (через электронную почту, электронную конференцию) с преподавателем, ведущим определенный курс. Такое обучение на расстоянии и получило в последние годы название «дистанционного» (англ. distance education — обучение на расстоянии).

В большинстве случаев данный термин используется когда «доставка» учебного материала, взаимодействие педагога и обучаемого обеспечивается с помощью современных информационных и коммуникационных технологий (телевидение, радио, компьютерные коммуникации). Этот термин подчеркивает отличие предлагаемой формы обучения от традиционной заочной, когда для обмена сообщениями преподаватель и учащиеся использовали почтовую связь.

Организация дистанционного обучения, как правило, базируется на специализированной учебной инфраструктуре. Чаще всего это специальный центр, в составе которого имеются методическое подразделение, разрабатывающие и распространяющие соответствующие учебные материалы, а также группа технической поддержки, обеспечивающая функционирование студии учебного телевидения, образовательного Web-сервера и других специализированных узлов компьютерных коммуникаций.

Дистанционное образование позволяет решать задачи обучения и повышения квалификации людей, находящихся вдали от учебных, научных и технических центров, и получает все более широкое распространение, поскольку способствует удовлетворению образовательных потребностей общества.

В заключение более подробно остановимся на организации взаимодействия преподавателя и обучаемых, основанного на применении именно коммуникационных технологии. При этом речь будет идти не только о дистанционном обучении.

Современные коммуникационные технологии позволяют индивидуализировать и активизировать образовательный процесс даже в рамках группового сообщающего обучения, в основе которого лежит представление преподавателем учебного материала, ориентированного на некоего «усредненного» обучаемого. Методы традиционной образовательной системы получают благодаря возможностям коммуникационных технологий новое развитие. Так, лекции, содержащие материал, восприятие которого не требует дополнительных дискуссий, могут быть подготовлены в электронном виде, выставлены в локальной сети, в Internet или в электронной конференции.

Конспекты лекций могут дополняться подборками статей, дополнительными материалами, адресованными конкретным студентам. Индивидуальное обучение как таковое реализуется в основном посредством таких технологий, как ICQ, электронная почта, обеспечивающих общение студента с преподавателем в приватной форме.

Технологии чатов, видео- и электронных конференций позволяют проводить как оперативные коллективные обсуждения, дискуссии, так и протяженные по времени виртуальные семинары. В последнем случае порядок работы обусловливается асинхронностью образовательной среды: участники электронного семинара готовят сообщения, которые отправляются по электронной почте для рассмотрения всей группой. Далее следует направляемое преподавателем их обсуждение, по завершении которого участники группы подводят итоги, опять-таки представляемые всей группе.

Такая структура обладает известной гибкостью в плане использования времени: нет жестких требований по включению в обсуждение в определенный момент, а есть возможность обдумать обсуждаемую проблему и направить свое письмо в наиболее удобное для обучаемого время. Вклад всех участников группы в таком семинаре хорошо виден и преподавателю, и обучаемым, что может служить дополнительным стимулом к активной работе. Управление электронным семинаром требует от преподавателя определенных навыков в принятии оперативных решений, связанных с необходимостью направить обсуждение в нужное русло, обеспечить корректность высказываний, активизировать обучаемых, способствовать как проявлению индивидуальности, так и совместному творческому поиску.

Таблица 1

Для соответствующих ИТО в зарубежной практике принята следующая терминология:

CAI	Computer Aided Instruction	Компьютерное программированное обучение
CAL	Computer Aided Learning	Изучение с помощью компьютера
CBL	Computer Based Learning	Изучение на базе компьютера
CBT	Computer Based Training	Обучение на базе компьютера
CAA	Computer Aided Assessment	Оценивание с помощью компьютера
CMC	Computer Mediated Communications	Компьютерные коммуникации

1.2 Психологические аспекты информатизации образовательной системы

Ещё Норбертом Винером было сформулировано положение о том, что технические средства, используемые культурой данного общества, оказывают определённое влияние на преобладающие способы мышления. Информационные технологии не только меняют само существо связанной с ними деятельности, но и оказывают как прямое, так и косвенное воздействие на личность человека, что впоследствии может проявляться также и в тех видах деятельности, которые напрямую никак не связаны с их применением. Всё это объясняется тем, что наше мировосприятие в основном обусловлено и ограничено теми средствами, которые мы используем в разных видах своей деятельности. В ходе обучения на основе ИТО человек с помощью новых средств осваивает новые категории, дающие новые представления о картине мира, что впоследствии, безусловно, будет сказываться в других, не только учебных сферах его деятельности.

Особенности воздействия ИТО на психику обучаемого. Существуют различные ситуации, обусловливающие воздействие ИТО на психику обучаемого. Это, конечно, и непосредственное взаимодействие с той или иной информационной технологией в рамках учебно-познавательной деятельности. Далее, не стоит забывать о широком распространении компьютерных игр и специальных аттракционов, основанных на технологии виртуальной реальности. Даже те, кто никак впрямую не соприкасается с компьютерами, являются их косвенными пользователями, смотря анимационные фильмы, пользуясь кредитными карточками и т.д. Ну и, наконец, сами педагоги и обучаемые, активно взаимодействующие с информационными технологиями, распространяют их влияние все дальше и дальше.

Применяя ИТО в образовательном процессе, педагог должен учитывать следующие основные особенности.

Во-первых, те новообразования, которые возникают под влиянием ИТО, переносятся в условия традиционного общения. Исследования психологов показали, что значительно усиливаются требования к точности формулировок, логичности и последовательности изложения, повышается значение рефлексии, однако при этом же снижается роль эмоциональных средств общения.

Во-вторых, наблюдается и обратный процесс: особенности традиционной деятельности становятся присущи и компьютеризованной.

В работе как со школьниками младших классов, так и со студентами педагогам приходится очень часто наблюдать элементы «очеловечивания» программ и самих компьютеров, когда пользователь (начинающий или высококвалифицированный) восполняет поле своей деятельности отсутствующими, но, по всей видимости, просто необходимыми элементами. Опытному педагогу или психологу иногда достаточно просто посмотреть на то, как оформлен «Рабочий стол» на экране компьютера, чтобы многое понять о человеке.

Подобные противоположно направленные воздействия и формируют сложную и противоречивую структуру различных видов деятельности (в том числе и учебно-познавательный), основанной на применении информационных технологии.

Влияние ИТО на личность обучаемого может быть выражено в большей или меньшей степени: от локального, касающегося ограниченного круга психических явлений (например, использование компьютерного слэнга), до глобальных, свидетельствующих об изменении личности в целом (Internet - зависимость, синдром хакера и т.п.). Необходимо заметить, что психологи, педагоги, специалисты в области информационных технологий уделяли и уделяют много внимания исследованию последствий информатизации для различных видов деятельности - игровой, учебной, профессиональной. Однако вопросы глобальных изменений личности в полной мере еще не изучены, вот почему становится понятной необходимость участия педагогов, психологов в экспертизе разрабатываемых проектов по внедрению НТО. В этом случае появляется возможность выявить и принять меры как для нейтрализации негативного воздействия ИТО на личность обучаемого, так и для создания условий, в которых в наибольшей степени смогут проявить себя преимущества, обеспечивающие применение этих технологий.

Характерным примером служит использование в качестве ИТО Internet-технологий, дающее возможность позитивных преобразований личности на основе качественного изменения коммуникативной и познавательной деятельности, самого стиля обучения. Поскольку при работе в Internet повышается активность познающего субъекта, индивидуализируется процесс обучения, преодолеваются стереотипы авторитарного стиля взаимодействия педагога и ученика, появляется доступ к различным, подчас противоречивым, источникам информации. Все это стимулирует развитие личности обучаемого — самостоятельности его суждений, инициативности, мобильности. Однако существуют и отрицательные последствия: интенсивное интеллектуальное и творческое развитие не гарантирует того, что обучаемый успешно адаптируется к запросам и требованиям социальной среды. Реальна и Internet-зависимость, которой могут подвергнуться обучаемые самых разных возрастов.

Психологические последствия этого явления — социальная изоляция (частичный или полный отказ от общения с другими людьми, замена реальных друзей виртуальными, ослабление эмоциональных реакций, существенное сужение сферы интересов и т.п.). Некоторые избавляются от этого пристрастия самостоятельно, вдоволь «нагулявшись» по глобальной сети, в то время как для кого-то может потребоваться и помощь психолога.

Психологические механизмы воздействия информатизации. Большой интерес представляет также вопрос о том, каким образом те или иные психологические компоненты, сформированные под воздействием ИТО, переносятся в традиционные, «безкомпьютерные» сферы деятельности, т.е. в чём состоит суть психологических механизмов воздействия информатизации. Ответ на этот вопрос очень важен для педагога, поскольку позволяет использовать не только прямое, но и косвенное воздействие ИТО.

Перенос умений и навыков работы с ИТО на навыки традиционной деятельности может осуществляться с помощью аналогии и уподобления своей деятельности работе технического устройства. Так, педагоги, применяющие ИТО, отмечают, что эти технологии преобразуют учебную деятельность, внося в нее четкость, эффективность, предсказуемость. В то же время важнейшей задачей педагога становится показать обучаемым ограниченность подобного подхода. Нельзя исключать влияние примитивных (механических) способов «мышления» многих компьютерных обучающих программ на развитие способов мышления обучаемых. Необходимо перевернуть ситуацию, показав обучаемым, каким образом сознательно выбрать и применить оптимальные алгоритмы решения задач по аналогии с компьютером, но используя рациональный подход к построению именно оригинального решения, путь к которому подскажет интуиция, догадка, неординарный, иррациональный взгляд на проблему.

Не отрицая того, что ИТО способствуют развитию новых форм учебной деятельности, получению новых знаний, умений и навыков, отметим, что наблюдается и движение в обратном направлении. Используя для этого явления термин реверсия, психологи понимают под ним возрождение ряда ранее весьма значимых, но затем в значительной степени утративших свою роль психических компонентов.

Одним из наиболее характерных примеров является возрождение (правда, в новых, видоизмененных формах) эпистолярного творчества. Электронная почта, чаты, телеконференции потребовали навыков письменного общения, которые во многих развитых странах оказались практически забытыми благодаря широкому распространению телефонной связи. Там, где обучаемым становятся доступны коммуникационные технологии, естественным образом создаются условия для возникновения у них мотивации овладения письменной речью. Мы становимся свидетелями зарождения своеобразной субкультуры, включающей правила знакомства в Internet, этикет электронной деловой и личной переписки (в частности требующий обязательного быстрого ответа на каждое полученное письмо), специфический символьный язык, позволяющий передать в сообщении свое настроение. Internet переводит на новый, общедоступный уровень межэтническое общение, ведет к актуализации общекультурных познаний, создает мотивацию и условия для интенсивного изучения иностранных языков в ходе переписки.

Внедрение любых высоких технологий в различные сферы деятельности очень часто напрямую преследует в качестве основной цели освобождение человека от рутинных операций и, как следствие, создание условий для его развития. Так п внедрение ИТО постепенно делает ненужными не только многие умения и навыки, но даже формы деятельности. Однако отнюдь не всегда подобные потери являются допустимыми. Например, никто не будет отрицать больших возможностей электронных таблиц, позволяющих производить не только обычные вычисления, но и помогающих избавившись от рутинных операций, перейти к анализу данных. В то же время широкое и не всегда оправданное использование микрокалькуляторов даже в начальной школе ведет к утрате навыков устного счета, быстрого счета и т.п. В итоге это приводит к тому, что учащиеся не могут правильно оперировать самим понятием числа, поскольку не прочувствовали основные операции с числами.

Наибольшая опасность здесь кроется в том, что современные ИТО часто обеспечивают легкость получения разнообразной информации. Поэтому задача педагога состоит в том, чтобы направить усилия обучаемых на самостоятельную выработку новых знаний (не информации!), представляющих собой результат познавательного процесса, полученный самим обучаемым. Так, например, разнообразные программные комплексы для статистической обработки, системы символьной математики дают практически готовые и наглядно иллюстрированные решения разнообразных задач, получение которых ни в коем случае не должно быть самоцелью. Здесь мощный потенциал ИТО может вывести на новый уровень «традиционные» навыки обучаемых: поиск и установление взаимосвязей между различными параметрами, уточнение постановки задачи, сопоставление различных методов решения, анализ результатов, обобщение полученных знаний.

Широкому внедрению ИТО обязательно должны сопутствовать специальные меры, направленные на эмоциональное развитие обучаемых.

Опасность технократического мышления, развивающегося под прямым и косвенным влиянием информационных технологий, по мнению психологов, состоит в том, что для такого мышления характерны «примат средства над целью, цели над смыслом и общечеловеческими интересами, смысла над бытием и реальностями современного мира, техники (в том числе и психотехники) над человеком и его ценностями».

Итак, последствия применения ИТО могут быть как позитивными, так и негативными, к оценке той или иной технологии нельзя подходить односторонне. Проектируя использование ИТО в учебно-воспитательном процессе, педагог должен проанализировать те возможные прямые и косвенные воздействия на личность обучаемого, которые и будут определять его развитие.

1.3 Использование компьютерных технологий на уроках физики

Применение новых информационных и телекоммуникационных технологий в школьном физическом образовании обсуждается широко и на методических советах различного уровня и на страницах всех методических журналов и газет. При этом каждому учителю, безусловно, понятно, что это требование сегодняшнего дня. Но всё равно есть сомнения или неуверенность. Поэтому я хочу рассказать о нашем опыте использования новых информационных технологий в учебно-воспитательном процессе, чтобы тем самым, в первую очередь, показать преимущества данной методики работы и помочь вам преодолеть боязнь внедрения новых технологий в практику своей работы.

Достижение высокой эффективности учебного процесса - нелёгкая задача для каждого школьного преподавателя. Успешное решение этой задачи определяет уровень его мастерства. Не всегда достаточно заинтересовать учащихся содержанием предмета. Необходимо создать такие условия, при которых полноценное усвоение основ научных знаний было бы доступно каждому ребенку, способствовало развитию когнитивных функций мозга, опиралось на все психические качества, участвующие в обучении, поддавалось контролю со стороны учителя. Для преподавателей школьных предметов естественнонаучного цикла эта задача усложняется тем, что нужно добиваться глубокого понимания учащимися законов и процессов, изучаемых в рамках общепринятой учебной программы. В этом случае использование технических средств, таких, как компьютер, видеомагнитофон, DVD –плеер, может быть весьма эффективным.

Развитие новых информационных технологий и приход их в школу существенно расширяет возможности учителя в преподавании предмета, позволяет проникнуть глубже в суть рассматриваемых явлений.

Персональный компьютер превратился в эпоху Интернета из средства производства информации в средство доступа к ней. И его использование в образовании просто провоцирует учителя и ученика на творчество и новаторство, даёт возможность перейти к более эффективным формам обучения.

Вряд ли кто-то из нас сейчас может с полной уверенностью заявлять, что совсем не использует компьютер в своей преподавательской деятельности. В той или иной мере, мы все прибегаем к его помощи. И мы не откроем секрета, что даже если совсем минимизировать применение компьютера на уроке, тем не менее, он очень сильно своим приходом в нашу жизнь, облегчил нам работу. Но учитель - всегда творческая личность, и, получив новое средство обучения, как правило, стремится использовать это средство как можно более полно, как можно более эффективно. Итак, поставим перед собой вопрос: как, и в каком объёме, может быть использован компьютер на уроке физике?

Сначала просто перечислим возможные на сегодня (т.е. реально используемые учителями) направления внедрения информационных технологий в практическую деятельность учителя обычной образовательной школы:

-Опираясь только на домашний ПК учителя;

-Реализуя возможности автоматизированного рабочего места учителя в кабинете физики или специализированном классе школы;

-Через проведение занятий в компьютерном классе школы;

-Используя домашние ПК учащихся;

С чего же начинать? Наверное, с самого простого и лишь постепенно расширять круг видов деятельности сначала самого учителя, а затем и учащихся вместе с учителем. Не надо пытаться сразу охватить все виды деятельности на уроке, изменить полностью учебный процесс в угоду внедрения новых педагогических технологий. Это будет крайне сложно, да и не принесёт желаемого результата.

У нас в школе компьютер начал внедряться в учебный процесс уже достаточно давно, поэтому мы уже можем поделиться своим небольшим опытом его использования на различных этапах учебного процесса. В самых различных формах работы компьютер применяется нами для следующих видов организации учебной деятельности:

-организации повторения домашнего материала;

-объяснения нового материала;

-закрепления изученного и проверки знаний учащихся.

Сейчас наша школа имеет в распоряжении хорошо оснащённый мультимедийный кабинет. Доступ в него имеют все учителя – предметники, чуть позже расскажу, какие возможности раскрывает для учителя наличие такого кабинета в школе. А начинали мы тоже с малого. В кабинете информатики на компьютере были загружены некоторые программы- тренажёры, которые составлялись самими учителями физики, старшеклассниками, да и выпускниками школы. На этих программах класс изредка мог отрабатывать решение задач по определённым темам, проходить тематическое тестирование.

Тогда компьютера в нашем свободном распоряжении не имелось. Проведение этих уроков, понятно, было связано с совсем определёнными трудностями – это распределение учебного времени. Детей приходилось приглашать во внеурочное время, тогда когда был свободен кабинет информатики. Приходить могли не все ребята, поэтому эффективность этих занятий была, но, к сожалению, не такая высокая, как нам того хотелось бы.

Затем у нас в распоряжении появился компьютер, который использовался нами только на уроках физики. Это сразу значительно расширило наши возможности его применения. Мы начали использовать те же самые тесты для систематического контроля усвоения знаний учащимися. Это сразу стало для ребят мощным стимулом к изучению предмета. Причём использование компьютера сразу задействовало межпредметные связи. У нас появилась возможность привлечь к своей методической работе самих ребят. Так как наша школа обладает статусом школы с углублённым изучением отдельных предметов (математики, физики, информатики), наши учащиеся изучают информатику и информационные технологии на высоком качественном уровне. Поэтому старшеклассники уже сами смогли принять участие в составлении и подобных тренировочных тестов по предметам в целом и по физике в частности. А также у нас появилась такая форма работы с ребятами, как составление ими презентаций на определённые темы.

В дальнейшем, лучшие из этих работ мы используем в своей деятельности уже как методические пособия. Причём подобная работа выполняется детьми дома на своих ПК и только по желанию ребёнка. Это рассчитано на формирование интереса и творческого отношения к получаемым ребёнком знаниям.

С появлением в школе класса, позволяющего осуществить мультимедийную поддержку уроков, наши возможности в использовании новых технологий на уроках резко расширились. Мы не оставляем творческую работу по составлению различных видов тестов, творческих заданий. Но наряду с этим мы стали внедрять в свою деятельность базу уже созданных электронных уроков. Существует огромное число готовых программных продуктов, которые могут быть использованы учителями- предметниками при проведении современных уроков с применением новых информационных технологий.

Подобные уроки позволяют повысить мотивацию учащихся в изучении предметов естественно- математического цикла, активизировать их познавательную деятельность, формировать общее мировоззрение на научном уровне. Причём подобные программы могут быть использованы как в полном предложенном объёме, так и моделироваться учителем под конкретный урок и конкретные задачи. Для себя из всего многообразия учебных электронных программ мы выделили несколько программ, которыми активно пользуемся и которыми мы очень довольны. Это следующие программы:

«Электронные уроки и тесты» в 6 томах. ЗАО «Новый Диск»

1С: Школа. Физика, 7-11 классы «Библиотека наглядных пособий»

«Интерактивный курс физики для 7-11 классов». С.М. Козел, В.А. Орлов, Н.Н. Гомулина, Н.Н. Соболева, А.Ф. Кавтрев.

«Библиотека электронных наглядных пособий»

«Видеозадачник по физике» А.И. Фишман, А.И. Скворцов, Р.В. Даминов.

Мы стараемся не придерживаться какой-то одной программы, готовясь к уроку, пытаемся выбрать из разных дисков наиболее интересные фрагменты, которые наиболее полно решают учебные задачи.

Кроме этого, помимо компьютера, мы имеем возможность использовать на своих уроках и видеосюжеты. Это расширяет наши возможности, потому что мы не всегда можем в условиях урока провести сложные физические эксперименты, наблюдение за которыми ярко демонстрировало бы то или иное физическое явление. Использование на уроках видеоаппаратуры раздвигает и эти границы.

Сейчас в школе появилась ещё одна новинка – интерактивная доска, которая ещё больше облегчает нашу работу и вызывает активный познавательный интерес к изучению не только физики, но и всех предметов у наших детей. Интерактивная доска позволяет включить в активную работу с компьютерной программой уже весь класс в целом и каждого ребёнка в отдельности. При выполнении какого-то теста или задания результаты работы, как и ошибки, допущенные в ней, становятся доступны для обозрения не одного ученика, а всего класса. Это увеличивает эффективность использования компьютерных технологий для решения поставленных перед уроком задач. Причём программы, которые идут в комплекте с самой доской, ориентированы именно на развитие познавательного интереса учащихся к предмету.

Но ведь ни для кого не секрет, что для того, чтобы ребёнок хорошо усвоил материал, ему необходимо его индивидуально отработать. Для этих целей в школе, помимо мультимедийного кабинета, кабинетов информатики создан ещё и кабинет тренажёр. Если в мультимедийном кабинете мы имеем только один компьютер и можем работать коллективно или, в крайнем случае, можем протестировать 2-3 учеников за урок, посадив их за компьютер, то кабинет-тренажёр даёт возможность каждому учащемуся оценить свои знания, потренироваться в решении задач и найти пробелы в своих знаниях. Из готовых программных продуктов мы пользуемся в этом случае чаще всего диском:

«Подготовка к ПГК» Физика 10-11.

Здесь программа составлена таким образом, что может быть использована практически во всех классах, начиная с 7 по 11. Удобный интерфейс позволяет учителю не только выбрать количество необходимых, на его взгляд, заданий, но и установить уровень их сложности, а также после проверить качество выполнения заданий каждым учеником.

Хочется сказать, что не нужно бояться начинать. Подобная методика не предполагает отказа от ранее наработанного. Это лишь обогащает урок, делает его более наглядным. Со временем, когда учитель уже сам привыкнет к применению компьютерных технологий на уроках, подобная методика преподавания сильно облегчит работу педагога.

Уроки с использованием мультимедийных возможностей очень нравятся детям, они активизируют их интерес к изучению предмета. Но здесь есть один подводный камень, о котором я пока умолчала. При всех видимых плюсах данной методики работы, при всех её преимуществах, необходимо помнить одну старую, давно известную истину: всё хорошо в меру. Нельзя переусердствовать. Материал, излагаемый с использованием новых технологий, должен быть строго дозирован. Нельзя убить эффект новизны и необычности. Мы с радостью ходим в 1-ый класс, просто потому что школа для нас – это «новое». Но очень быстро для многих это становится нудной обязанностью. Задача учителя – сделать так, чтобы поддержать интерес детей к подобной форме работы.

Поэтому мы стараемся у старшеклассников проводить подобные уроки не чаще, чем один раз в неделю, а с учащимися среднего звена не чаще, чем один раз в 3-4 урока. Тогда интерес ребят не гаснет, а наоборот только растёт.

1.4 Особенности лабораторного практикума для естественнонаучных дисциплин

На мой взгляд, основная проблема заключается в различии способов подачи информации, преобладающих в системе естественнонаучного и гуманитарного образования.

В соответствии с одной из существующих концепций, информация воспринимается человеком, проходя следующие этапы: сенсорно-моторный, символьный, логический и лингвистический.

На первом этапе происходит чувственное восприятие информации, на втором осуществляется ее преобразование в образы, на третьем - ее осмысление, на четвертом - информация фиксируется в сознании через "слово-образ".

В преподавании же естественнонаучных дисциплин всегда присутствовал сенсорно-моторный этап. В этом большую роль играют лабораторные практикумы и учебные эксперименты.

Учебный эксперимент является одним из важнейших методов обучения, источником знаний и средством наглядности одновременно. Он может использоваться в качестве введения к той или иной теме курса (мотивация), как иллюстрация к объяснению нового материала (восприятие и осмысление), как повторение или обобщение пройденного (интериоризация) или как контроль приобретенных знаний, умений, навыков, т.е. на всех этапах процесса обучения.

Различают следующие виды учебного эксперимента:

Демонстрационный эксперимент. (Проводится в ходе объяснения для иллюстрации законов и явлений и их применения, демонстрации принципов действия технических установок. А также для знакомства учащихся с фундаментальными опытами (готовится и выполняется только преподавателем).

Фронтальные лабораторные работы, опыты и наблюдения. (Выполняются на уроке всеми учащимися одновременно на однотипном оборудовании, под непосредственным руководством преподавателя).

Практикум. (Является формой самостоятельной работы учащихся, готовится учащимися заранее и выполняется по письменной инструкции).

Внеурочные опыты и наблюдения это-разновидность домашнего задания. Используется для актуализации теоретических знаний или как мотивация к изучению нового материала.

Методически грамотно организованный эксперимент способствует как формированию практических умений, так и активизации теоретических знаний, полученных ранее. В процесс обучения вовлекаются различные каналы восприятия (слух, зрение, осязание, обоняние и т.д.). Это позволяет организовать полученную информацию, как систему ярких образов, и заложить ее в долговременную память.

С другой стороны, подготовка и проведение лабораторных работ являются довольно непростым делом и требуют от учителя знания некоторых методических особенностей, в значительной степени зависит от наличия тех или иных приборов и инструментов.

Частично эти и другие проблемы можно решить, используя при обучении компьютерный эксперимент. Под данным термином мы понимаем лабораторную работу, проводимую полностью на компьютере, без использования других технических средств обучения.

Некоторые эксперименты, проводимые в области компьютеризации учебного процесса, показывают, что применение компьютерного эксперимента позволяет существенно сократить время, которое тратится на рутинную работу (варьирование параметров эксперимента путем изменения схемы установки, расчета результатов измерения и т.д.), тем самым, высвобождая время для более серьезного уяснения целей и задач проводимого эксперимента.

Кроме того, появляется возможность продемонстрировать опыты, которые невозможно провести в условиях учебного кабинета.

Отметим характерные особенности компьютерного эксперимента.

Формой работы является диалог учащегося с компьютером. При этом в функции компьютера входит:

Реализация программными средствами модели изучаемого объекта, установки, процесса или ситуации

Имитация средств измерения и выполнение рутинной части обработки измерений.

Оценка действий учащегося.

Функции учащегося (несколько отличаются от его функций в традиционном эксперименте):

Анализ информации, которую программа выдает на экран дисплея.

Выбор условий эксперимента.

Проведение серий экспериментов для достижения цели, сформулированной в начале работы.

Корректировка последующих шагов с целью получения более высокой оценки и решения задачи более рациональным способом.

Разумеется, что возможна реализация эксперимента только в его компьютерном варианте. Однако при всей привлекательности и несомненной дидактической выгоде компьютерного эксперимента в обучении остаются нерешенными некоторые проблемы.

Во-первых, восприятие информации учащимся уже существенным образом отличается от того, как это происходит при выполнении традиционной лабораторной работы. В частности, сенсорно-моторный этап практически отсутствует. Без данного этапа восприятие не может быть полноценным. Следовательно, неполноценным может оказаться и преподавание соответствующей дисциплины.

Во-вторых, возникает проблема получения политехнических навыков работы с реальными приборами и установками.

Очень важна и все еще мало исследована проблема формирования адекватного представления о мире при работе с нереальными объектами. Возможно, эту проблему можно решить, используя в процессе обучения программные продукты, максимально точно отображающие процессы и явления, происходящие в реальном мире. В этом смысле особое внимание стоит обратить на средства виртуальной реальности.

Таким образом, одной из основных проблем преподавания предметов естественнонаучного цикла является отсутствие возможности реальной постановки учебного, и лабораторного эксперимента.

Хотя в настоящее время имеются разработки виртуальных лабораторных практикумов, однако окончательно решение проблемы требует пристального внимания специалистов различных профилей, в том числе и психолого-педагогического.

2 Курс виртуальных лабораторных работ по дисциплине «Оптические методы и устройства обработки информации»

2.1 Оптические методы

Значительная часть оптической обработки информации основана на свойстве преобразования Фурье. Уникальность тонкой положительной линзы заключается в выполнении преобразования Фурье: в когерентном свете распределение амплитуды излучения в задней фокальной плоскости линзы может быть представлено как двумерное комплексное преобразование Фурье от функции распределения амплитуды света в передней фокальной плоскости линзы. Основные геометрические соотношения при действии тонкой положительной линзы показаны на Рис. 1. Дифракционный интеграл, описывающий взаимосвязь распределений поля во входной и выходной плоскостях такой системы имеет вид:

Где u = /f , v = /f ; - длина волны света, f – фокусное расстояние линзы;

f() - комплексная амплитуда световой волны в передней (входной) фокальной плоскости , F(u,v) - комплексная амплитуда световой волны в задней (выходной, спектральной) фокальной плоскости .

Рисунок 2. Преобразование оптического сигнала тонкой положительной линзой

2.2 Преобразования Фурье в оптике

Математически преобразование Фурье является частным случаем интегрального преобразования Фредгольма с ядром в виде экспоненты с мнимым, линейным по аргументу, показателем. Преобразование Фурье в оптике «реализуется» с помощью аналогового устройства – положительной линзы, и основные свойства этого преобразования могут быть наглядно демонстрированы при рассмотрении прохождения световых волн через оптическую систему, содержащую линзы, диафрагмы, оптические транспаранты и др.

Различают прямое (2) и обратное (3) преобразования Фурье

Линейность - означает, что через одну линзу, осуществляющую преобразование Фу-

рье, одновременно может проходить множество световых сигналов.

(4)

Подобие - изменение масштаба изображения на входе системы приводит к сжатию либо

растяжению области его пространственного спектра.

(5)

Смещение - сдвиг изображения вызывает изменение фазы спектральной функции, но сохраняет неизменной ее амплитуду.

(6)

Производная

(7)

Для функций с ограниченным спектром (финитных функций) выполняется теорема Парсеваля: Это свойство означает постоянство полной мощности (квадрата амплитуды) излучения, проходящего через идеально прозрачную линзу. В фурье-анализе часто используется понятие «свертка» двух функций. Свертка определяется как интеграл от произведения двух функций, смещенных друг относительно друга по осям координат, при этом величина смещения есть аргумент (независимая переменная) интеграла свертки.

2.3 Перспективы развития оптических методов обработки информации

Исследования оптических методов и систем обработки информации ведутся уже более 20 лет. Оптические системы обработки характеризуются высоким быстродействием, возможностью параллельного выполнения операций над большими массивами данных, отсутствием взаимных помех при передаче сигналов по оптическим каналам, а также возможностью организации программируемых локальных и глобальных связей между отдельными узлами оптических систем.

Эти достоинства открывают интересные перспективы для выполнения многих традиционных видов обработки сигналов, когда цифровая электронная техника становится неадекватной. В качестве примеров областей, где потребности в цифровой обработке превышают возможности современной электронной техники, можно назвать обработку и анализ изображений, обработку радиолокационных сигналов, машинное зрение, искусственный интеллект.

Поэтому наряду с разработкой традиционных оптических устройств обработки в последнее время большое внимание уделяется созданию универсальных оптических вычислительных систем, по своим возможностям намного превосходящих ЭВМ. Исследования по созданию средств оптической вычислительной техники проводятся в настоящее время в следующих основных направлениях.

Разработка оптических устройств для повышения быстродействия современных и перспективных ЭВМ (например, оптических устройств распределения синхросигналов, оптических соединений на различных уровнях и т.д.);разработка оптических процессоров специального назначения для решения ограниченного круга проблем. К таким устройствам относятся, в частности, матричные и систолические процессоры.

Ожидается, что потенциальная производительность этих процессоров достигнет 10 опер./с;.создание универсальных оптических цифровых вычислительных машин (ОЦВМ), по быстродействию на несколько порядков превосходящих существующие ЭВМ; исследование принципиально новых оптических компьютеров, в частности нейронно-сетевых, с необычными архитектурами, по своим возможностям приближающихся к человеческому мозгу.

ОЦВМ, превосходящие по быстродействию современные суперЭВМ на несколько порядков, представляют собой параллельные мультипроцессорные системы, которые позволят не только существенно повысить скорость вычислений, но и будут иметь принципиально отличающиеся от ЭВМ архитектуры, решающие задачи искусственного интеллекта, символьной обработки и ассоциативного распознавания изображений. Специалисты считают, что оптические методы благодаря возможности организации программируемых глобальных и локальных связей открывают большие возможности для создания нейронно-сетевых компьютеров.

В настоящее время еще нет общепринятой архитектуры оптической вычислительной машины (ОВМ). Чтобы выработать архитектурные принципы, нужно прежде всего рассмотреть оптические методы, которые можно использовать при создании новой вычислительной системы.

Одним из наиболее важных и фундаментальных принципов построения ОВМ является применение эффективного оптического метода распараллеливания логических вентилей. Это приводит к новой архитектуре логических систем и делает заманчивым переход на оптическую систему, когда электронный вариант оказывается неудобным. Системы с большим количеством связей зачастую легче создать в сравнительно простом оптическом варианте, тогда как уже сейчас ограничения, вносимые соединениями, начинают серьезным образом сказываться на системах, использующих СБИС.

Описаные современные нетрадиционные методы и схемотехнические варианты построения многоканальных оптических цифровых логических систем, основаны на парафазном представлении информации на всех этапах обработки. Важной и интересной особенностью этих устройств является легкость и оперативность переключения на вычисление любой булевой логической функции как электрическими, так и оптическими сигналами, простота, компактность и возможность выполнения методами интегральной технологии. Рассмотрены оригинальные оптические системы связи, обеспечивающие возможность оперативного изменения топологии соединений многоканальных оптических логических устройств. Показано, что производительность многоканальных оптоэлектронных процессоров, построенных на таких схемах, может достигать 1013опер./с.

К наиболее перспективным следует отнести схемотехнические варианты создания таких логических устройств на основе световодной (волоконной и интегральной) оптики, которая обеспечивает конструктивную совместимость с электронными интегральными схемами. Идеологически они хорошо сопрягаются с перспективными устройствами вычислительных и поисковых систем с целью образования единой аппаратуры. Такая оптоэлектронная аппаратура, использующая одновременно достоинства оптики и электроники при обработке информации, может широко использоваться в радиоэлектронных системах различного назначения как наземного, так и бортового базирования.

2.4 Управляемый транспарант

Управляемы в оптических системах находят широкое применение: ввод-вывод данных, кодирование и распознавание оптических сигналов, реализация логических операций, усиление яркости изображений, перестраиваемые фильтры. По способу управления модуляцией светового пучка различают электрически (ЭУТ) и оптически (ОУТ) управляемые транспаранты. Оба типа транспарантов могут осуществлять дискретную или аналоговую модуляцию светового пучка.

Существуют различные подходы к конструированию УТ, зависящие от используемых материалов и физических эффектов. Хотя было исследовано множество материалов, однако модели УТ с удовлетворительными характеристиками удалось построить лишь на PLZT-керамике и жидких кристаллах. УТ на PLZT-керамике. PLZT-керамика —класс прозрачной сегнетоэлектрической керамики с сильно выраженными электрооптическими свойствами, зависящими от электрической поляризации материала. Изменение поляризации сопровождается изменением двулучепреломления материала. PLZT-керамика обладает и упругооптическими свойствами, подобными электрооптическим.

Создание механического напряжения вдоль определенного направления вызывает появление двулучепреломления. Для пространственной модуляции света используют следующие основные эффекты. Наблюдающиеся в PLZT-керамике, помещенной в электрическое поле: наведенное двулучепреломление (электрооптический эффект); динамическое рассеяние, краевой эффект и изменение толщины керамической пластинки (обратный пьезоэффект).

Используя тот или иной эффект, на основе PLZT-керамики можно построить УТ, способные осуществлять пространственную модуляцию объектного пучка как по амплитуде, так и по фазе или поляризации.

Основным достоинством PLZT-керамики является возможность ее использования в режиме работы с запоминанием, основанным на гистерезисном характере зависимости поляризации Р от напряжения управляющего электрического поля Vz. Обычно состояние с остаточной поляризацией принимается за двоичную единицу («1»), а деполяризованное (Р = 0) — за двоичный нуль («0»). Для переключения из одного состояния в другое требуются импульсы напряжения порядка 50 – 300 В длительностью 1 – 10 мкс.

УТ на жидких кристаллах. Жидкие кристаллы (ЖК) обладают электрооптическими свойствами и являются почти совершенными модуляторами света, легко управляемыми электрическим полем. Особенностью тонких жидкокристаллических слоев является их способность изменять оптические свойства под действием низких рабочих напряжений (1 – 50 В) при малом потреблении мощности (1 мкВт/см2). Благодаря этому ЖК находят широкое применение в оптических системах. Известны три типа ЖК (нематические, холестерические и смектические), из которых для построения УТ наибольший интерес представляют нематические. Для пространственной модуляции света используют два электрически управляемых эффекта, наблюдающихся в ЖК: наведенное двулучепреломление и динамическое рассеяние. Процесс изменения оптических свойств слоя ЖК носит пороговый характер, что также является достоинством ЖК.

УТ на основе ЖК, использующее эффект динамического рассеяния, применяют для амплитудной модуляции как проходящего, так и отраженного светового пучка. Эффект динамического рассеивания заключается в следующем. В невозбужденном состоянии слой ЖК совершенно прозрачен. При создании электрического поля в ЖК происходят два процесса: 1) под действием электрического поля молекулы ориентируются параллельно либо перпендикулярно полю в зависимости от того, имеет ли ЖК положительную или отрицательную «диэлектрическую анизотропию»; 2) поток зарядов через слой ЖК нарушает ориентацию молекул, в результате чего возникает турбулентность, что, в свою очередь, вызывает рассеяние света вследствие пространственного изменения коэффициента преломления. При этом происходит сильное ослабление интенсивности светового пучка в направлении его распространения, а также потеря его когерентности. По окончании действия электрического поля слой ЖК вновь приобретает исходную структуру и становится прозрачным. Длительность этого процесса измеряется миллисекундами. Если требуемое время экспонирования регистрирующей среды составляет доли миллисекунд, то достаточно естественной памяти ЖК-слоя. В противном случае каждый элемент жидкокристаллического УТ должен быть снабжен интегральной управляющей схемой с памятью.

Оптически управляемые транспаранты (ОУТ). Характерной особенностью ОУТ является возможность параллельного преобразования страницы данных. В связи с этим требования к времени хранения оптического состояния значительно снижаются.

При работе в отраженном свете между DKDP-фотопроводником помещается диэлектрическое зеркало, позволяющее значительно уменьшить влияние считывающего пучка на возбуждение фотопроводника и благодаря этому увеличить яркость оптических сигналов. Для стирания записанного изображения полярность приложенного напряжения изменяют, в результате чего и фотопроводник освещается ультрафиолетовым или синим светом. Для записи информации транспарант освещается модулированным световым пучком с одновременной подачей постоянного напряжения. Генерируемые в полупроводнике носители заряда дрейфуют к границе кристалла с диэлектриком, где захватываются ловушками.

Создаваемый носителями пространственный заряд компенсирует заряд на электродах. Следовательно, электрическое поле внутри проводника, наведенное полем двулучепреломления кристалла, благодаря эффекту Поккельса приводит к фазовой или амплитудной (при наличии поляроидов) модуляции считывающего светового пучка, в качестве которого может быть использовано излучение полупроводникового лазера. Считывание можно выполнять и с помощью видимого света, к которому кристалл в 103 – 104 более чувствителен, чем к излучению полупроводниковых лазеров. Если изменить полярность приложенного при считывании постоянного напряжения, то можно получить негативное изображение.

При закороченных электродах наблюдается позитивное изображение, так как изменение двулучепреломления происходит в результате образования пространственных зарядов. Для стирания записанного изображения необходимо снизить до нуля напряжение и осветить кристалл ультрафиолетовым или синим светом.

2.5 Голография

Голография — это научно-техническое направление в оптике и в смежных с нею областях, в том числе и в вычислительной технике, основанное на специальных методах записи и восстановления волновых фронтов. Изображение объекта регистрируется в виде интерференционной картины, которая получается при наложении двух когерентных волн. Одна из волн является опорной, другая — предметной. Предметная волна, полученная в результате фазовой и амплитудной модуляции, содержит информацию о предмете, на котором она дифрагировала (рассеялась).

При воспроизведении изображения голограмму (интерферограмму) освещают восстанавливающей волной. Восстанавливающая волна обычно совпадает с опорной волной,, используемой при записи. В результате дифракции опорной волны на голограмме образуется волна, совпадающая с предметной при записи, а следовательно, восстанавливается изображение исходного предмета.

Слово «голография» происходит от греческого слова holos — полный, весь. Голография дает полную информацию о предметной волне как амплитудной, так и фазовой. Голография была предложена в 1947 г. английским физиком Деннисом Габором. В дальнейшем она пережила второе рождение благодаря фундаментальным исследованиям советского физика Ю. Н. Денисюка и американских ученых Э. Лейта и Д. Упатниекса. Голограммы в зависимости от материала, на котором они записаны, могут модулировать не только амплитуду, но и фазу за счет изменения рельефа поверхности или показателя преломления регистрирующей среды. В связи с этим различают амплитудные (поглощающие), рельефно-фазовые и объемные фазовые голограммы.

2.6 MathCAD и виртуальные элементы

Mathcad — система компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования, ориентированная на подготовку интерактивных документов с вычислениями и визуальным сопровождением, отличается легкостью использования и применения для коллективной работы. Mathcad был задуман и первоначально написан Алленом Раздовом из Массачусетского технологического института (MIT), соучредителем компании Mathsoft, которая с 2006 года является частью корпорации PTC (Parametric Technology Corporation). Mathcad имеет простой и интуитивный для использования интерфейс пользователя. Для ввода формул и данных можно использовать как клавиатуру, так и специальные панели инструментов. Некоторые из математических возможностей Mathcad (версии до 13.1 включительно) основаны на подмножестве системы компьютерной алгебры Maple (MKM, Maple Kernel Mathsoft). Начиная с 14 версии — использует символьное ядро MuPAD. Работа осуществляется в пределах рабочего листа, на котором уравнения и выражения отображаются графически, в противовес текстовой записи в языках программирования. При создании документов-приложений используется принцип WYSIWYG (What You See Is What You Get — «что видишь, то и получаешь»).

Несмотря на то, что эта программа в основном ориентирована на пользователей-непрограммистов, Mathcad также используется в сложных проектах, чтобы визуализировать результаты математического моделирования, путем использования распределённых вычислений и традиционных языков программирования. Также Mathcad часто используется в крупных инженерных проектах, где большое значение имеет трассируемость и соответствие стандартам. Mathcad достаточно удобно использовать для обучения, вычислений и инженерных расчетов . Открытая архитектура приложения в сочетании с поддержкой технологий .NET и XML позволяют легко интегрировать Mathcad практически в любые ИТ-структуры и инженерные приложения. Есть возможность создания электронных книг (e-Book). Количество пользователей в мире — около 1.8 млн.

Основные возможности: Mathcad содержит сотни операторов и встроенных функций для решения различных технических задач. Программа позволяет выполнять численные и символьные вычисления, производить операции с скалярными величинами, векторами и матрицами, автоматически переводить одни единицы измерения в другие. Среди возможностей Mathcad можно выделить:

-Решение дифференциальных уравнений, в том числе и численными методами

-Построение двумерных и трёхмерных графиков функций (в разных системах координат, контурные, векторные и т. д.);

-Использование греческого алфавита как в уравнениях, так и в тексте;

-Выполнение вычислений в символьном режиме;

-Выполнение операций с векторами и матрицами;

-Символьное решение систем уравнений;

-Аппроксимация кривых;

-Выполнение подпрограмм;

-Поиск корней многочленов и функций;

-Проведение статистических расчётов и работа с распределением вероятностей;

-Поиск собственных чисел и векторов;

-Вычисления с единицами измерения;

-Интеграция с САПР системами, использование результатов вычислений в качестве управляющих параметров.

С помощью Mathcad инженеры могут документировать все вычисления в процессе их проведения.

Интерфейс: Основное отличие Mathcad от аналогичных программ — это графический, а не текстовый режим ввода выражений. Для набора команд, функций, формул можно использовать как клавиатуру, так и кнопки на многочисленных специальных панелях инструментов. В любом случае — формулы будут иметь привычный, аналогичный книжному, вид. То есть особой подготовки для набора формул не нужно.

Вычисления с введенными формулами осуществляются по желанию пользователя или мгновенно, одновременно с набором, либо по команде. Обычные формулы вычисляются слева направо и сверху вниз (подобно чтению текста). Любые переменные, формулы, параметры можно изменять, наблюдая воочию соответствующие изменения результата. Это дает возможность организации действительности интерактивных вычислительных документов. В других программах (Maple, MuPAD, Mathematica) вычисления осуществляются в режиме программного интерпретатора, который трансформирует в формулы введенные в виде текста команды. Maple своим интерфейсом ориентирован на тех пользователей, кто уже имеет навыки программирования в среде традиционных языков с введением сложных формул в текстовом режиме. Для пользования Mathcad можно вообще не быть знакомым с программированием в том или ином виде. Mathcad задумывался как средство программирования без программирования, но, если возникает такая потребность — Mathcad имеет довольно простые для усвоения инструменты программирования, позволяющие, впрочем, строить весьма сложные алгоритмы, к чему прибегают, когда встроенных средств решения задачи не хватает, а также когда необходимо выполнять серийные расчеты. Отдельно следует отметить возможность использования в расчетах Mathcad величин с размерностями, причем можно выбрать систему единиц: СИ, СГС, МКС, английскую или построить собственную. Результаты вычислений, разумеется, также получают соответствующую размерность. Польза от такой возможности трудно переоценить, поскольку значительно упрощается отслеживание ошибок в расчетах, особенно в физических и инженерных.

Графика: В среде Mathcad фактически нет графиков функций в математическом понимании термина, а есть визуализация данных, находящихся в векторах и матрицах (то есть осуществляется построение как линий так и поверхностей по точкам с интерполяцией), хотя пользователь может об этом и не знать, поскольку у него есть возможность использования непосредственно функций одной или двух переменных для построения графиков или поверхностей соответственно. Так или иначе, механизм визуализации Mathcad значительно уступает таковому у Maple, где достаточно иметь только вид функции, чтобы построить график или поверхность любого уровня сложности. По сравнению с Maple, графика Mathcad имеет еще такие недостатки, как: невозможность построения поверхностей в непрямоугольные области существования двух аргументов, создание и форматирование графиков только через меню, что ограничивает возможности программного управления параметрами графики. Однако следует помнить об основной области применения Mathcad — для задач инженерного характера и создание учебных интерактивных документов, возможностей визуализации вполне достаточно. Опытные пользователи Mathcad демонстрируют возможность визуализации сложнейших математических конструкций, но объективно это уже выходит за рамки назначения пакета.

2.7 Элементы MathCAD

К основным элементам м MathCAD относятся операторы, константы, переменные, массивы и функции.

Операторы

Операторы - элементы MathCAD, с помощью которых можно создавать математические выражения. К ним, например, относятся символы арифметических операций, знаки вычисления сумм, произведений, производной, интеграла и т.д.

Оператор определяет:

а) действие, которое должно выполняться при наличии тех или иных значений операндов;

б) сколько, где и какие операнды должны быть введены в оператор.

Операнд - число или выражение, на которое действует оператор. Например, в выражении 5!+3 числа 5! и 3 -- операнды оператора «+» (плюс), а число 5 - операнд факториала (!).

Любой оператор в MathCAD можно ввести двумя способами:

· нажав клавишу (сочетание клавиш) на клавиатуре;

· используя математическую панель.

Для присвоения или вывода содержимого ячейки памяти, связанной с переменной, используются следующие операторы:

-- знак присвоения (вводится нажатием клавиши : на клавиатуре (двоеточие в английской раскладке клавиатуры) или нажатием соответствующей кнопки на панели Калькулятор);

Такое присвоение называется локальным. До этого присваивания переменная не определена и ее нельзя использовать:

- глобальный оператор присвоения. Это присвоение может производиться в любом месте документа. К примеру, если переменной присвоено таким образом значение в самом конце документа, то она будет иметь это же значение и в начале документа;

- оператор приближенного равенства (x1). Используется при решении систем уравнений.

Вводится нажатием клавиши на клавиатуре (точка с запятой в английской раскладке клавиатуры) или нажатием соответствующей кнопки на Булевой панели.

= -- оператор (простое равно), отведенный для вывода значения константы или переменной. Простейшие вычисления осуществляется при помощи:

Панели Калькулятора, Панели Исчислений и Панели Оценки.

Внимание. Если необходимо поделить все выражение в числителе, то его нужно первоначально выделить, нажав пробел на клавиатуре или поместив в скобки.

Константы

Константы -- поименованные объекты, хранящие некоторые значения, которые не могут быть изменены. Например, = 3.14. Размерные константы -- это общепринятые единицы измерения. Например, метры, секунды и т.д. Чтобы записать размерную константу, необходимо после числа ввести знак * (умножить), выбрать пункт меню Вставка подпункт Юнит. В измерениях наиболее известные вам категории: Length -- длина (м, км, см); Mass -- вес (гр, кг, т); Time -- время (мин, сек, час).

Переменные

Переменные являются поименованными объектами, имеющими некоторое значение, которое может изменяться по ходу выполнения программы. Переменные могут быть числовыми, строковыми, символьными и т.д. Значения переменным задаются с помощью знака присвоить (: =). Внимание. MathCAD прописные и строчные буквы воспринимает как разные идентификаторы. Системные переменные, в MathCAD содержится небольшая группа особых объектов, которые нельзя отнести ни к классу констант, ни к классу переменных, значения которых определены сразу после запуска программы. Их правильнее считать системными переменными. Это, например, TOL [0.001]- погрешность числовых расчетов, ORIGIN [0] -- нижняя граница значения индекса индексации векторов, матриц и др. Значения этим переменным при необходимости можно задать другие.

Ранжированные переменные

Эти переменные имеют ряд фиксированных значений, либо целочисленных, либо изменяющихся с определенным шагом от начального значения до конечного.

Для создания ранжированной переменной используется выражение:

Name =Nbegin,(Nbegin+Step)..Nend, где Name -- имя переменной;

Nbegin -- начальное значение;

Step -- заданный шаг изменения переменной;

Nend -- конечное значение.

Ранжированные переменные широко применяются при построении графиков. Например, для построения графика некоторой функции f(x) прежде всего необходимо создать ряд значений переменной x -- для этого она должна быть ранжированной переменной.

Внимание. Если в диапазоне изменения переменной не указывать шаг, то программа автоматически примет его равным 1.

Пример. Переменная x изменяется в диапазоне от -16 до +16 с шагом 0.1

Чтобы записать ранжированную переменную, нужно ввести:

- имя переменной (x);

- знак присвоения (:=)

- первое значение диапазона (-16);

- запятую;

- второе значение диапазона, которое является суммой первого значения и шага (-16+0.1);

- многоточие (..) -- изменение переменной в заданных пределах (многоточие вводится нажатием точки с запятой в английской раскладке клавиатуры);

- последнее значение диапазона (16).

В результате у вас получится: x := -16,-16+0.1..16.

Таблицы вывода

Любое выражение с ранжированными переменными после знака равенства инициирует таблицу вывода.

В таблицы вывода можно и вставлять числовые значения и корректировать их.

Переменная с индексом

Переменная с индексом -- это переменная, которой присвоен набор не связанных друг с другом чисел, каждое из которых имеет свой номер (индекс).

Ввод индекса осуществляется нажатием левой квадратной скобки на клавиатуре или при помощи кнопки xn на панели Калькулятор.

В качестве индекса можно использовать как константу, так и выражение. Для инициализации переменной с индексом необходимо ввести элементы массива, разделяя их запятыми.

Пример. Ввод индексных переменных.

i:= 0..2 -- индекс изменяется от 0 до 2 (индексная переменная будет содержать 3 элемента).

-- ввод числовых значений в таблицу производится через запятую;

-- вывод значения первого элемента вектора S;

-- вывод значения нулевого элемента вектора S.

Массивы

Массив -- имеющая уникальное имя совокупность конечного числа числовых или символьных элементов, упорядоченных некоторым образом и имеющих определенные адреса. В пакете MathCAD используются массивы двух наиболее распространенных типов:

одномерные (векторы);

двухмерные (матрицы).

Вывести шаблон матрицы или вектора можно одним из способов:

-выбрать пункт меню Вставка - Матрица;

-нажать комбинацию клавиш Ctrl + M;

-нажать кнопку на Панели векторов и матриц.

В результате появится диалоговое окно, в котором задается необходимое число строк и столбцов:

Rows - число строк

Columns - число столбцов

Если матрице (вектору) нужно присвоить имя, то вначале вводится имя матрицы (вектора), затем -- оператор присвоения и после -- шаблон матрицы.

Например:Матрица -- двухмерный массив с именем Мn,m, состоящий из n строк и m столбцов.С матрицами можно выполнять различные математические операции.

Функции

Функция -- выражение, согласно которому производятся некоторые вычисления с аргументами и определяется его числовое значение. Примеры функций: sin(x), tan(x) и др.

Функции в пакете MathCAD могут быть как встроенными, так и определенными пользователем. Способы вставки встроенной функции: Выбрать пункт меню Вставка - Функция. Нажать комбинацию клавиш Ctrl + E. Щелкнуть по кнопке на панели инструментов. Набрать имя функции на клавиатуре. Функции пользователя обычно используются при многократных вычислениях одного и того же выражения. Для того чтобы задать функцию пользователя необходимо:

· ввести имя функции с обязательным указанием в скобках аргумента, например, f(x);

· ввести оператор присвоения (:=);

· ввести вычисляемое выражение.

Пример. f(z) := sin(2z2)

2.8 Документы MathCAD

Документом MathCAD называют описание математического алгоритма решения задачи с текстовыми комментариями и результатами вычислений в форме символов, чисел, таблиц или графиков. В документе MathCAD вместе с программой выводятся результаты расчета. Как программа, так и результаты расчета могут сопровождаться комментариями программиста. Комментарии не являются обязательной частью документа, но отсутствие их усложняет работу с документом, особенно, если в работе с документом был значительный перерыв. Забываются, какими символами описываются переменные, сам алгоритм вычисления функций, те или иные оригинальные приемы в отдельных фрагментах программы.

Особенно актуальны комментарии, если пользователь, которым является студент, решает несколько задач по разным предметам. Язык программирования MathCAD практически не отличается от обычного языка математических статей, отчетов и книг. Это делает понятными документы MathCAD даже школьнику старших классов и студенту младших курсов вузов. На рис. 1 приведены примеры задания вычислений и действий с числами. Следует иметь в виду, что вычисления в системе MathCAD выполняются только на английской клавиатуре. Операции с числами можно задавать через меню Calculator или через клавиатуру. Деление через клавиатуру выполняется клавишей / , квадратный корень – клавишей \ , возведение в степень – клавишей 6 с одновременным нажатием клавиши Shift.

Рисунок 3. Примеры действий с простыми и комплексными числами

Привычная запись программируемых выражений избавляет студента от изучения языков программирования как высокого, так и низкого уровня. Подавляющее большинство решаемых задач требуют лишь корректной записи используемых формул.

Однако использование системы MathCAD в виде, приведенном на рис. 2 – это, если грубо сравнивать, все равно, что забивать гвозди компьютером. Можно, но не рационально. Система MathCAD предназначена для решения очень сложных задач с применением формул и уравнений, записанных в буквенном виде. Для этого разработан математически ориентированный входной язык общения. Большинство операторов и функций входного языка общепринятые в математике. Будем стараться придерживаться обозначений физических величин и констант, принятых в электротехнике и электроэнергетике. Это позволит не вводить некоторые комментарии к выполняемым вычислениям.

Алфавит входного языка обширен и позволяет использовать латинскую, русскую и греческую азбуки, арабские цифры, общепринятые константы, математические операторы, встроенные функции.

Началом документа MathCAD рекомендуем указать название задачи, ее цель, используемые методы расчета. Далее следует описать переменные, используемые в математических выражениях, применяемых при вычислениях. Переменные имеют имена, принадлежащие только им. Имена переменных, констант, других объектов называются идентификаторами. Например, при вычислении выражения с = a + b идентификаторами являются a, b и с. Что подразумевается под идентификаторами, зависит от программиста. Переменные могут быть числами, результатом предыдущих вычислений, константами, функциями переменных. Например, а = 4, b = sin(x), где х в свою очередь переменная.

Идентификаторы могут иметь любую длину, но без пробелов и обязательно начинаться с буквы любого алфавита. Желательно избегать русской азбуки, потому что в используемых версиях системы MathCAD после повторного вызова документа русские буквы иногда заменяются на нечитаемые символы. Программа работать будет, но трудно воспринимается. А если программа длинная, понять результаты ее работы практически невозможно. Примеры идентификаторов, используемых в энергетике: S, u, control, U_I, Потери_напряжения, U.

Чтобы работать с переменными, необходимо задать их значения. Эта операция называется присваиванием. Основным знаком присваивания является составной :=, который можно получить вызвав меню Calculator или Evaluation или через клавиатуру одновременным нажатием клавиши Shift и двоеточия. Такое присваивание называется локальным. Следует отметить, что знак присваивания в системе MathCAD можно получить только с латинской клавиатурой. Например, вычисление с = a + b осуществляется сначала через присваивание переменных a, и b, а затем через вычисление с.

Вычисления выполняются слева направо и сверху вниз. Если третье присваивание окажется выше второго или первого, вычисления не произойдет. Однако иногда требуется получить зависимость результата от каких-либо параметров, находящихся в самом начале вычислений. Если присваивание переменной и результат вычислений не помещаются в окно монитора, очень неудобно следить за изменением результата при изменении значения переменной. Для этой цели в системе MathCAD имеется оператор глобального присваивания (три горизонтальных черточки). Переменная с этим оператором может описываться в любом месте программы. Например, предыдущее вычисление можно выполнить как

(8)

Знак глобального присваивания можно получить, вызвав меню Evaluation.

3 Вычисления в программе MathCAD

3.1 Вычисления на программе Mathcad

Для начала работы мы с ребятами установили программу MathCAD на свой компьютер, после чего запустили из меню в пуске.

Рисунок 4. Выбор программы в меню «пуск»

В открывшемся окне на чистом листе бумаги мы собственно и будем делать все наши лабораторные работы.

Рисунок 5. Рабочая область.

3.2 Ввод формул

Формулы — основные объекты рабочего листа. Новый объект по умолчанию является формулой. Чтобы начать ввод формулы, надо установить крестообразный курсор в нужное место и начать ввод букв, цифр, знаков операций. При этом создается область формулы, в которой появляется уголковый курсор, охватывающий текущий элемент формулы, например имя переменной (функции) или число. При вводе бинарного оператора по другую сторону знака операции автоматически появляется заполнитель в виде черного прямоугольника. В это место вводят очередной операнд. Для управления порядком операций используют скобки, которые можно вводить вручную. Уголковый курсор позволяет автоматизировать такие действия. Чтобы выделить элементы формулы, которые в рамках операции должны рассматриваться как единое целое, используют клавишу ПРОБЕЛ. При каждом ее нажатии уголковый курсор «расширяется», охватывая элементы формулы, примыкающие к данному. После ввода знака операции элементы в пределах уголкового курсора автоматически заключаются в скобки. Элементы формул можно вводить с клавиатуры или с помощью специальных панелей управления. Панели управления (рис. 1) открывают с помощью меню View (Вид) или кнопками панели управления Math (Математика).

Для ввода элементов формул предназначены следующие панели:

-панель управления Arithmetic (Счет) для ввода чисел, знаков типичных математи­ческих операций и наиболее часто употребляемых стандартных функций;

-панель управления Evaluation (Вычисление) для ввода операторов вычисления и знаков логических операций;

-панель управления Graph (График) для построения графиков;

-панель управления Matrix (Матрица) для ввода векторов и матриц и задания матричных операций;

-панель управления Calculus (Исчисление) для задания операций, относящихся к математическому анализу;

-панель управления Greek (Греческий алфавит) для ввода греческих букв (их можно также вводить с клавиатуры, если сразу после ввода соответствующего латин­ского символа нажимать сочетание клавиш CTRL+G, например [a][CTRL+G] , [W][CTRL+G]);

-панель управления Symbolic (Аналитические вычисления) для управления аналитическими преобразованиями.

Введенное выражение обычно вычисляют или присваивают переменной. Для вывода результата выражения используют знак вычисления, который выглядит как знак равенства и вводится при помощи кнопки Evaluate Expression (Вычислить выражение) на панели инструментов Evaluation (Вычисление).

Рисунок 6. Панели инструментов программы Маthcad для ввода формул.

Знак присваивания изображается как «:=», а вводится при помощи кнопки Assign Value (Присвоить значение) на панели инструментов Evaluation (Вычисление). Слева от знака присваивания указывают имя переменной. Оно может содержать латинские и греческие буквы, цифры, символы «»,«_» и «», а также описательный индекс. Описательный индекс вводится с помощью символа «.» и изображается как нижний индекс, но является частью имени переменной, например Vinit. «Настоящие» индексы, определяющие отдельный элемент вектора или матрицы, задаются по-другому. Переменную, которой присвоено значение, можно использовать далее в документе в вычисляемых выражениях. Чтобы узнать значение переменной, следует использовать оператор вычисления.

3.3 Функции для вычислений

Произвольные зависимости между входными и выходными параметрами задаются при помощи функций. Функции принимают набор параметров и возвращают значение, скалярное или векторное (матричное). В формулах можно использовать стандартные встроенные функции, а также функции, определенные пользователем.

Пользовательские функции должны быть сначала определены. Определение задается при помощи оператора присваивания. В левой части указывается имя пользовательской функции и, в скобках, формальные параметры — переменные, от которых она зависит. Справа от знака присваивания эти переменные должны использоваться в выражении. При использовании пользовательской функции в последующих формулах ее имя вводят вручную. В диалоговом окне Insert Function (Вставка функции) оно не отображается. Основные обозначения функций:

Тригонометрические и обратные функции:

sin(z), cos(z), tan(z), asin(z), acos(z), atan(z)

z - угол в радианах

Гиперболические и обратные функции:

sinh(z), cosh(z), tanh(z), asinh(z), acosh(z), atanh(z)

Экспоненциальные и логарифмические:

exp(z) - ez

ln(z) - натуральный логарифм

log(z) - десятичный логарифм

Cтатистические функции:

mean(x) - среднее значение

var(x) - дисперсия

stdev(x) - среднеквадратическое отклонение

cnorm(x)- функция нормального рапределения

erf(x) - функция ошибки

Г(x) - гамма-функция Эйлера

Функции Бесселя:

J0(x), J1(x), Jn(n,x) - функции Бесселя первого порядка

Y0(x), Y1(x), Yn(n,x) - функции Бесселя второго порядка

Функции комплексного переменного:

Re(z) - вещественная часть комплексного числа

Im(z) - мнимая часть комплексного числа

arg(z) - аргумент комплексного числа

Преобразование Фурье:

U:=fft(V) - прямое преобразование (V- вещественное)

V:=ifft(U) - обратное преобразование (V- вещественное)

U:=cfft(V) - прямое преобразование (V- комплексное)

V:=icfft(U) - обратное преобразование (V- комплексное)

Корреляционная функция - позволяет рассчитывать коэффициент корреляции двух векторов vx и vy и определить уравнение линейной регрессии:

corr(vx,vy) - коэффициент корреляции

slope(vx,vy) - коэффициент наклона линии регрессии

intercept(vx,vy) - начальная координата линии регрессии

Линейная интерполяция:

linterp(vx,vy,x)

vx,vy- векторы значений аргумента и функций. x- значение аргумента, для которого проводится интерполяция

Функция для определения корней алгебраических и трансцендентных уравнений:

root(уравнения, переменная) - значение переменной, когда уравнение равно нулю

Датчик случайных чисел:

rnd(x) - случайное число с равномерным распределением от 0 до x

Целая часть переменной:

floor(x)- ближайшее наименьшее целое число

ceil(x)- ближайшее наибольшее целое число

Выделение остатка:

mod(x,y)- остаток от деления x на y

Остановка итерации:

until(x,y) - когда x<0

Функция условного перехода:

if(условие,x,y) - если условие выполняется, то функция равняется x, иначе y

Единичная функция (функция Хевисайда):

Ф(x) - если x>0. То функция равна 1, иначе 0

3.4 Гипотеза проведенного эксперимента

Изложенная выше идея конкретизировалась нами с помощью положений, сформулированных как гипотеза исследования.

Эффективность изучения данной темы на мой взгляд была актуальной. Ее роль в усилении образования, в развитии качества знаний и повышение интереса может быть повышена, если в методике обучения физике и решению задач применять всевозможные методы, в том числе инновационные и информационные технологии при решении физических задач у обучающихся. Применять информационные технологии в наше время просто необходимо, так как мы живем в информационном веке.

В данной предложенной работе я четко выделяю решение физических задач в программе MathCAD, так как выполняя работу таким способом обучающийся будет вынужден приобретать навыки в нескольких направлениях.

Я считаю, что использовать данную идею в образовании просто необходимо.

Данная работа была проделана с 10 классом на протяжении всего года обучения. За каждую проделанную работу подводились итоги и в конце учебного года был сделан анализ на рост качества знаний в течении года. Я лично наблюдала за учениками и была удивлена результатом.

После данной методики качество знаний заметно улучшилось. Что представлено ниже в сравнении с 1-четвертью, тоесть до того, как мы стали применять инновационные технологии на лабораторных работах.

1-четверть 2- четверть

3- четверть

Дети были очень заинтересованы каждой новой темой. С интересом начинали каждую новую работу. Учитывая что предмет «физика» является очень не простым, можно сказать, что многие дети даже полюбили данный предмет. Так как каждый преподаватель знает, что в первую очередь нужно заинтересовать ученика на уроке и только тогда он начнет изучать его с интересом. Поэтому я думаю, что мне удалось вызвать интерес у детей.

Мною был проведен тест опрос на заинтересованность в работе детей с применением этой методики. По мнению детей практически все остались довольны своими результатами и набранными навыками в применении компьютерных технологий. Так же были проведены тестовые задания до и после применения этой методики на занятиях. Качество знаний заметно улучшилось.

И именно для повышения качества знаний я предлагаю Вам этот продукт, как актуальный на сегодняшний день.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе дипломной работы мы с моим руководителем сделали 7 лабораторных работ по разделу оптики. Где студенты будут изучать линзы как элемент выполняющие преобразования фурье, оптические транспаранты (амплитудный и фазовый), оптическую фильтрацию пространственных сигналов, оптическое преобразование Меллина, коррелятор Ван Дер Люгта и повторят опыт Аббе-Портера.

В данной выпускной квалификационной работе я предприняла попытку совершенствовать преподавание раздела оптики на основе компьютерных технологий. Информационную технологию обучения (ИТО) следует понимать как приложение информационных технологий для создания новых возможностей передачи знаний (деятельности педагога), восприятия знаний (деятельности обучаемого), оценки качества обучения и, безусловно, всестороннего развития личности обучаемого в ходе учебно-воспитательного процесса.

Современное обучение уже трудно представить без технологии мультимедиа (англ. multimedia — многокомпонентная среда), которая позволяет использовать текст, графику, видео и мультипликацию в режиме диалога и тем самым расширяет области применения компьютера в учебном процессе. Изобразительный ряд, включая образное мышление, помогает обучаемому целостно воспринимать предлагаемый материал.

Необходимым элементом учебной работы по физике является применение ИКТ. ИКТ дают ученикам возможность самим выбирать темп обучения в соответствии со своими индивидуальными особенностями, и проводить опыты и эксперименты по физике у себя дома на компьютере. Поэтому можно сказать, что ИКТ имеют большое значение для конкретизации знаний учащихся, для привития им умения видеть различные конкретные проявления общих законов.

В настоящее время изменилось отношение к наглядности преподавания физики. Широкое распространение получили различные компьютерные модели, открывающие перед преподавателем много возможностей и перспектив в обучении физике. Их использование в комплексе с другими средствами наглядности повышают эффективность процесса обучения.

В ходе проведенной работы мне удолос повысить качнство знаний учащихся. У них появился интерес к выполнению различных операций с помошью данной методики. В дальнейшем я буду продолжать применять эту методику на своих уроках. Но к большому сожалению в программу обучения на сегодняшний день не включены подобные методики в бразовании детей.

В результате научного исследования разработаны электронные материалы по данной дипломной работе, которые могут применяться учителями в физика–математических классах.

Список использованной литературы

1. Апатова Н.В. Информационные технологии в школьном образовании. // Москва, 1994.-77 с.
2. Воронин Ю.А., Чудинский Р.М. Компьютеризированные системы средств обучения для проведения учебного физического эксперимента // Физика в школе,Санкт-Питербург, 2006, № 4.-52 с.
3. Гомулина Н. Н. Компьютерные обучающие и демонстрационные программы. // «Физика», Свердловск, 1999, № 12.-191 с.
4. Дунин С.М. Компьютеризация учебного процесса. // Физика в школе. - Москва, 2004. №2.-266 с.
5. Захарова И.Г. Информационные технологии в образовании. // Москва, Академия, 2003.-79 с.
6. Захарова И.Г. Концепция информатизации сферы образования Российской Федерации: Проблемы информатизации высшей школы. - Москва, 1998. - 57 с.
7. Костко О.К. Электромагнитные колебания и волны. Теория относительности.2005.- 14 с
8. Кудрявцев А.В. Методика использования ЭВМ для индивидуализации обучения физике. Ставрополь, 1998.- 24 с
9. Мамедов Т.М. Использование современных достижений научно-технического прогресса как фактор повышения качества преподавания школьного курса физики (Автореферат). Москва, 2004. -104 с.
10. Машбиц Е.И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. // Москва, Педагогика, 1988. -381 с.
11. Методические указания к электронному изданию «Физика 7-11». // Физикон.Повышение эффективности наглядности при использовании динамических компьютерных моделей // Теоретические проблемы физического образования. – Санкт-Петербург: Образование, 1996. – 87 с.
12. Роберт И.В. Современные информационные технологии в образовании: дидактические проблемы, перспективы использования. // Москва, Школа-Пресс, 1994.-142 с.
13. Салимова Л.Ч., Салимов B.C., Брегеда И.Д. Информационные технологии в обучении физики в школе. // Материалы X Всероссийской научно-методической конференции "Телематика 2003", 2003. -396 с.
14. Соловое А.В. Информационные технологии обучения в профессиональной подготовке//Информатика и образование.1996. № 1.-2с
15. Стариченко Б.Е. Компьютерные технологии в образовании. Инструментальные системы педагогического назначения.М.2001. -495 с.
16. Старовиков М.И. Формирование учебной исследовательской деятельности школьников в условиях информатизации процесса обучения (на материале курса физики) // Автореферат дис. д-ра физ.-мат. Наук. - Челябинск 2007.- 25 с.
17. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы. Под ред. С.Е. Каменецкого, Н.С. Пурышевой. // М.: Академия, 2000.- 53 с.
18. Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы. Под ред. С.Е. Каменецкого. // М.: Академия, 2000. -253 с.
19. Ястребцева Е.Н. Проект «Гармония» // Компьютер в школе. - 1998. - №3.
20. http://www.corbina.net/~snark/
21. http://l-micro.ru/
22. http://school56.spb.ru/lego/lego.index.html
23. Инструментальные средства компьютерного моделировании LabVIEW, Measurement Studio и др. Адрес Internet: http://labview.nm.ru
24. Хуторской А.В. Развитие одаренности школьником: Методика продуктивного обучения. — М., 2000. —66 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Лабораторная работа № 1

Линзы как элемент, выполняющие преобразование Фурье.

Свойства преобразование Фурье.

Цель работы: изучение свойств линзы, изучение свойства преобразования Фурье.

Свойства линзы

Значительная часть оптической обработки информации основана на свойстве преобразования Фурье. Уникальность тонкой положительной линзы заключается в выполнении преобразования Фурье: в когерентном свете распределение амплитуды излучения в задней фокальной плоскости линзы может быть представлено как двумерное комплексное преобразование Фурье от функции распределения амплитуды света в передней фокальной плоскости линзы. Основные геометрические соотношения при действии тонкой положительной линзы показаны на Рис. 1. Дифракционный интеграл, описывающий взаимосвязь распределений поля во входной и выходной плоскостях такой системы имеет вид:

Где u = /f , v = /f ; - длина волны света, f – фокусное расстояние линзы;

f() - комплексная амплитуда световой волны в передней (входной) фокальной плоскости , F(u,v) - комплексная амплитуда световой волны в задней (выходной, спектральной) фокальной плоскости .

Рисунок 1. Преобразование оптического сигнала тонкой положительной линзой

Свойства преобразования Фурье

Математически преобразование Фурье является частным случаем интегрального преобразования Фредгольма с ядром в виде экспоненты с мнимым, линейным по аргументу, показателем. Преобразование Фурье в оптике «реализуется» с помощью аналогового устройства – положительной линзы, и основные свойства этого преобразования могут быть наглядно демонстрированы при рассмотрении прохождения световых волн через оптическую систему, содержащую линзы, диафрагмы, оптические транспаранты и др.

Различают прямое (2) и обратное (3) преобразования Фурье

Линейность - означает, что через одну линзу, осуществляющую преобразование Фу-

рье, одновременно может проходить множество световых сигналов.

(4)

Подобие - изменение масштаба изображения на входе системы приводит к сжатию либо

растяжению области его пространственного спектра.

(5)

Смещение - сдвиг изображения вызывает изменение фазы спектральной функции, но сохраняет неизменной ее амплитуду.

(6)

Производная

(7)

Задание: В программе MathCAD освоить прямое и обратно преобразование Фурье и его свойства. В программе paintbrush создать рисунок размером 80х80 пикселей, фон черный, нарисовать белый круг радиусом примерно 50 пикселей. Сохранить в виде файла с именем krug.bmp – в формате BMP. В программе paintbrush создать рисунок размером 80х80 пикселей, фон черный, нарисовать треугольник высотой примерно 50 пикселей.

Для изучения свойств линейностисосчитать в двумерные массивы A и B рисунки;

совершить Фурье преобразование над каждым из них;

просуммировать результирующие массивы в массив D;

совершить преобразование Фурье над массивом C и сохранить в массиве E;

сравнить массивы D и E;

Проверить следующие свойства двумерного преобразования Фурье: подобие, смещение, производную.

Контрольные вопросы:

1. Как изменяется спектр сигнала при его уменьшении масштаба сигнала?
2. Как в программе MathCAD производить преобразование Фурье?
3. Как в программе MathCAD происходить двумерное преобразование Фурье?

Лабораторная работа № 2

Оптический транспарант. Амплитудный транспарант.

Цель работы: изучение оптических транспарантов. Изучение амплитудного транспаранта.

Оптический транспарант

Оптическим транспарантом (ОТ) называется оптическое устройство (например, диапозитив, диафрагма, поляроид, фазовая пластинка и т. п.), устанавливаемое на пути пучка света и выполняющее заданное преобразование амплитуды и фазы световой волны. Действие ОТ характеризуется комплексной функцией пропускания t(x, y) , при этом

(8)

Где A(x,y) распределение амплитуды светового поля перед транспарантом и B(x,y) после транспаранта

Рисунок 2. Действие оптического транспаранта; показаны поверхности постоянной фазы падающей и прошедшей световых волн.

Различают амплитудные (например, щели, сетки, диафрагмы), фазовые (призмы, линзы) и амплитудно-фазовые (светофильтры, голограммы, линзы с амплитудной маской) оптические транспаранты. Тонкая положительная линза может рассматриваться как чисто-фазовый транспарант с функцией пропускания t (x, y) вида

(9)

где T - толщина линзы, n - средний показатель преломления материала линзы, f - фокусное расстояние линзы, x, y - координаты в плоскости сечения линзы, k = 2 / - волновое число. Вследствие квадратичного фазового преобразования волнового фронта вида, положительная линза преобразует плоский волновой фронт световой волны в сходящийся сферический (Рисунок 2)

Рисунок 3. Преобразование плоского волнового фронта собирающей линзой с фокусным расстоянием f .

Различают неуправляемые (с постоянными оптическими характеристиками) и управляемые внешним сигналом (с изменяющимися характеристиками) оптические транспаранты. В зависимости от способа внешнего управления, управляемые транспаранты подразделяются на электрически (ЭУТ) и оптически (ОУТ) управляемые транспаранты. Такие ЭУТ и ОУТ применяются для ввода информации в оптический процессор и в качестве управляемых пространственных фильтров, устанавливаемых в разных (спектральной, входной или выходной) областях оптического процессора.

Задание: изучить свойства щели, сетки и диафрагмы. В программе paintbrush нарисовать амплитудные транспаранты в виде вертикальной щели, сетки и диафрагмы. Фон черный, свет фигур белый, так как черный цвет имеет код 0, а белый код 255 или 1, в зависимости от типа файла. Сохранить в восьмибитовом цвете в формате BMP. Разрешение рисунка 80х80 пикселей. Создать также рисунок для исходного сигнала азрешением 80х80 пикселей

а)щель б)сетка в)диафрагма

Рисунок 4. Создание рисунка для исходного сигнала

Контрольные вопросы:

1. Как измениться спектр сигнала при установки вертикальной щели?
2. Как измениться спектр сигнала при установки диафрагмы?
3. Как зависит окончательный сигнал при изменении размера диафрагмы?

Лабораторная работа № 3

Фазовый транспарант.

Цель работы: изучение оптических транспарантов. Изучение фазового транспаранта и фазового контраста.

Фазовый контраст

Наибольшее практическое применение в микроскопии биологических объектов имеет фазовый контраст, идея которого была предложена Цернике. Сущность фазового контраста состоит в использовании фазового пространственного фильтра, установленного в спектральной области оптической системы объектива микроскопа. Такой фильтр характеризуется амплитудным пропусканием вида

(10)

и может быть выполнен, например, в виде диэлектрической пластинки с оптической длиной пути («толщиной»), кратной нечетному числу / 4 , установленной строго в центре (в области нулевых пространственных частот) фокальной плоскости объектива микроскопа. На практике конструкция пространственного фильтра нередко содержит кольцевую фазовую пластинку, расположенную вне оптической оси. В обоих случаях назначение пространственного фильтра – ввести искусственный сдвиг фазы величиной / 2 между волнами, соответствующими пространственным частотам нулевого и остальных порядков дифракции. В результате мощность излучения в выходной плоскости изобразительной системы микроскопа зависит от фазы предметной волны, определяемой структурой прозрачного объекта – неоднородным распределением плотности его материала. Представляя предметную волну функцией вида

(11)

в обычном микроскопе изображение на его выходе характеризуется распределением мощности

(12)

то есть информация о фазе (x, y) 1 такой волны утрачивается. При использовании в микроскопе пространственного фильтра с функцией пропускания (31) мощность излучения в области регистрируемого изображения, как можно показать, представляется в виде

(13)

Следовательно, структура прозрачных фазовых объектов (какими и являются большинство биологических объектов – клетки, хромосомы и др.) отображается в виде неоднородного распределения мощности света в области изображения, то есть становится наблюдаемой.

Пространственный фильтр с комплексным пропусканием вида

(14)

позволяет выполнить вычисление частной производной (дифференцирование функции) распределения на входе системы фильтрации, в соответствии со свойствами преобразования Фурье - см. 7. Выполняя обратное преобразование Фурье, с учетом (27), следует

(15)

то есть амплитудный фильтр с пропусканием (35) действительно обеспечивает на выходе системы пространственной фильтрации распределение поля, соответствующее частной производной от двумерного распределения входного сигнала.

Задание: изучить принципы фазового контраста. Создать фильтрующую функцию. Ввести изображение в виде тонкого круга. Произвести фильтрацию сигнала.

Контрольные вопросы:

1.В чем отличие фазовой фильтрации от амплитудной фильтрации?

2.Какие виды оптических транспарантов используют для фазовой фильтрации?

Лабораторная работа № 4

Оптическая фильтрация пространственных сигналов.

Цель работы: изучить оптическую фильтрацию пространственных сигналов, научиться оконтурировать изображения.

Пространственная фильтрация оптических сигналов

Основная идея оптической пространственной фильтрации в состоит в использовании различных амплитудных, фазовых или амплитудно-фазовых оптических фильтров (светофильтров, фазовых пластинок, диафрагм, голограмм и др.), размещаемых в области локализации фурье-спектра передаваемого через оптическую систему изображения. В результате двумерный фурье-спектр передаваемых сигналов заданным образом изменяется, что и обусловливает требуемое изменение формы сигналов на выходе такой оптической системы. Простейший пространственный фильтр для обработки изображений содержит две линзы с совмещенными задней (для первой линзы) и передней (для второй линзы) фокальными плоскостями, и фильтр-транспарант, расположенный в

плоскости совмещения (Рисунок 5.)

Рисунок 5. Схема оптической пространственной фильтрации.

В передней фокальной плоскости первой линзы посредством транспаранта, освещаемого пространственно-когерентной волной, создается исходное распределение светового поля . Первая линза f осуществляет первое (прямое) преобразование Фурье исходной функции, при этом в ее задней фокальной плоскости формируется распределение амплитуды излучения F(u,v) соответствующее пространственному спектру подводимого сигнала,

(16)

В спектральной плоскости установлен пространственный фильтр с комплексной амплитудной функцией пропускания H(u,v). Действие такого фильтра сводится к умножению функции пропускания фильтра на распределение спектра вводимой функции,

(17)

Вторая линза выполняет второе (условно обратное) преобразование Фурье, в результате чего распределение ( ,) амплитуды светового поля в ее задней фокальной плоскости имеет вид

(18)

На основании теоремы свертки выполняется

(19)

откуда видно, что распределение комплексной амплитуды излучения в выходной плоскости оптической системы на Рис. 5 представляет собой двумерную свертку исходной функции f (x, y) и функции h(x, y), равной обратному преобразованию Фурье от функции H(u,v) пропускания пространственного фильтра,

(20)

Функцию h(x, y) (29) называют импульсным откликом пространственного фильтра. Задавая различные значения функции пропускания H(u,v) транспаранта, устанавливаемого в плоскости системы на Рис.5, можно практически мгновенно осуществлять вычисление двойного интеграла свертки вида (28). Если пространственный фильтр отсутствует, то есть его пропускание тождественно равно единице, импульсный отклик (29) равен дельта-функции и,

согласно (17) и (28), функции ( ,) и f (x, y) идентичны. При этом в плоскости будет сформировано перевернутое изображение распределения поля в плоскости . Установив в плоскости фильтр низких частот с функцией пропускания вида

Рисунок 6. Пример одномерной амплитудной функции пропускания пространственного фильтра низких частот.

в процессоре выполняется операция оконтуривания изображений. При этом распределение мощности излучения в плоскости будет отображать области наибольшего изменения амплитуды входного изображения, см. Рисунок 3.

Рисунок 7. Оконтуривание изображения (показан одномерный сигнал).

Задание: в программе paintbrush нарисовать исходный сигнал. Фон черный цвет фигур белый, так как черный цвет имеет код 0, а белый код 255 или 1, в зависимости от типа файла. Сохранить в восьмибитовом цвете в формате BMP. Разрешение рисунка 80х80 пикселей. Произвести оптическую пространственную фильтрацию сигнала. Получить и обьяснить окончательный результат.

Контрольные вопросы:

1. Основная идея оптической пространственной фильтрации?
2. Что означает оконтуривание изображения?

Лабораторная работа № 5

Эксперимент Аббе-Портера.

Цель работы: повторить эксперимент Аббе-Портера.

Рисунок 8. Опыт Аббе-Портера

Амплитудный пространственный фильтр, расположенный в спектральной области на Рисунке 5, может существенно изменить структуру изображения, вводимого в систему пространственной фильтрации. Это иллюстрирует эксперимент Аббе-Портера (Рисунок 8).

Здесь входным изображением является двумерная дифракционная решетка, пространственный спектр которой представляет собой также двумерный массив ярких «точек» (кружков Эйри) в фокальной плоскости первой линзы. Пространственный фильтр в виде щелевой диафрагмы пропускает лишь спектральные составляющие, расположенные вдоль одной из осей . В результате в выходной плоскости изображения формируется одномерная решетка, периодическая вдоль оси . Наибольшее практическое применение в микроскопии биологических объектов имеет фазовый контраст, идея которого была предложена Цернике. Сущность фазового контраста состоит в использовании фазового пространственного фильтра, установленного в спектральной области оптической системы объектива микроскопа. Такой фильтр характеризуется амплитудным пропусканием вида

(21)

и может быть выполнен, например, в виде диэлектрической пластинки с оптической длиной пути («толщиной»), кратной нечетному числу / 4 , установленной строго в центре (в области нулевых пространственных частот) фокальной плоскости объектива микроскопа. На практике конструкция пространственного фильтра нередко содержит кольцевую фазовую пластинку, расположенную вне оптической оси. В обоих случаях назначение пространственного фильтра – ввести искусственный сдвиг фазы величиной / 2 между волнами, соответствующими пространственным частотам нулевого и остальных порядков дифракции. В результате мощность излучения в выходной плоскости изобразительной системы микроскопа зависит от фазы предметной волны, определяемой структурой прозрачного объекта – неоднородным распределением плотности его материала. Представляя предметную волну функцией вида

(22)

в обычном микроскопе изображение на его выходе характеризуется распределением мощности

(23)

то есть информация о фазе (x, y) 1 такой волны утрачивается. При использовании в микроскопе пространственного фильтра с функцией пропускания (31) мощность излучения в области регистрируемого изображения, как можно показать, представляется в виде

(24)

Следовательно, структура прозрачных фазовых объектов (какими и являются большинство биологических объектов – клетки, хромосомы и др.) отображается в виде неоднородного распределения мощности света в области изображения, то есть становится наблюдаемой.

Пространственный фильтр с комплексным пропусканием вида

(25)

позволяет выполнить вычисление частной производной (дифференцирование функции) распределения на входе системы фильтрации, в соответствии со свойствами преобразования Фурье - см. 7. Выполняя обратное преобразование Фурье, с учетом (27), следует

(26)

то есть амплитудный фильтр с пропусканием (35) действительно обеспечивает на выходе системы пространственной фильтрации распределение поля, соответствующее частной производной от двумерного распределения входного сигнала.

Задание: сформировать входной массив данных в виде двумерной сетки. После линзы поставить горизонтальную щель, на выходе после второй линзы получать вертикальные линии.

Контрольные вопросы:

1. Обьяснить опыт Аббе-Портера?
2. Что получили в выходной плоскости ?

Лабораторная работа № 6

Пространственный фильтр (коррелятор) Вандер Люгта.

Цель работы: изучить фильтр Вандер Люгта

Пространственный фильтр (коррелятор) Вандер Люгта.

Если в качестве частотного пространственного фильтра в системе, показанной на Рисунке, используется тонкая амплитудная голограмма, такая система приобретает свойства комплексного согласованного фильтра и может использоваться для распознавания оптических изображений. Изготовление пространственного фильтра Вандер Люгта (ФВЛ) производится

Рисунок 9. голографическая запись фильтра Вандер Люгта.

по схеме записи пропускающей голограммы эталонного изображения, показанной на Рис. 9. Здесь в плоскости формируется распределение амплитуды H(u,v) световой волны, пропорциональное преобразованию Фурье от распределения h( эталонного изображения,

(27)

и эта волна интерферирует с плоской опорной волной R , падающей под углом к оптической оси. В плоскости амплитуда поля опорной волны равна

(28)

Где (29)

При записи голограммы картина интерференции этих волн регистрируется в фотоэмульсии и после обработки фотоматериала амплитудное пропускание t( полученной голограммы прямо пропорционально распределению мощности света,

(30)

Подставив (37) и (38) в (40), получим выражение для коэффициента пропускания ФВЛ

(31)

Если на вход системы пространственной фильтрации (Рис. 5) подается сигнал с распределением амплитуды поля g(, в плоскости системы перед фильтром ВДЛ формируется спектральное распределение вида

(32)

и за фильтром ВДЛ – распределение (u,v)

(33)

В выходной плоскости системы распределение амплитуды волнового поля описывается выражением

(34)

После соответствующих подстановок в (44), с учетом (27, 28) распределение амплитуды поля на выходе коррелятора Вандер Люгта представляется суммой

(35)

Рисунок 10. картина поля в выходной плоскости Р3коррелятора Вандер Люгта.

В выражении (45) третий член представляет собой свертку вводимого и эталонного сигналов, распределение которой формируется в плоскости на расстоянии f от оптической оси. Четвертый член в (45) описывает кросс-корреляцию распределений g( и g(, также смещенную относительно оптической оси (Рисунок 10). Величина кросс-кореляции достигает максимума при точном совпадении вводимого g и эталонного изображений, а его промежуточные значения (между нулевым и максимальным) характеризуют степень соответствия (сходства) распределений h и q. При равенстве эталонной h и вводимой g функций, в сущности, при дифракции света на голограмме-фильтре ВДЛ происходит восстановление поля опорной волны R , что показано на Рисунке.

Рисунок 11. отклик коррелятора ВДЛ при точном совпадении эталонной и вводимой функции.

Пространственный фильтр (коррелятор) Вандер Люгта используется в оптических системах распознавания и обработки изображений, например, для идентификации отпечатков пальцев в дактилоскопии, выявлении артефактов (строения, самолеты, корабли и т. п.) на аэрофотоснимках и др. Конструкция фильтра обычно включает несколько параллельно действующих каналов,

при этом отдельным эталонным сигналам соответствуют определенные признаки таких изображений – углы, окружности, прямые линии и т. п. Отклик коррелятора ВДЛ инвариантен к параллельным смещениям вводимого в плоскости (Рис. 5) сигнала, что можно истолковать как следствие сдвиговой инвариантности (6) преобразования Фурье. При этом имеет место взаимно однозначное соответствие координаты отклика в выходной плоскости фильтра ВДЛ и координаты центра вводимого изображения. Недостатками коррелятора ВДЛ являются высокая чувствительность отклика к изменению масштаба и поворотам вводимого изображения. Эта чувствительность возрастает при увеличении частоты пространственного спектра, то есть тонкой

структуры вводимого изображения. Кроме этого, весьма высокие требования предъявляются к качеству оптико-механической конструкции всей системы пространственной фильтрации, например, точность установки пространственного фильтра составляет доли микрометра.

Задание: создать эталонное изображение: треугольник. Вычислить кэффициент пропускания.

Контрольные вопросы:

1. Как создается голографическое эталонное изображение?
2. Выяснить чувствительность к масштабу исходного сигнала?

Лабораторная работа № 7

Оптическое преобразование Меллина.

Цель работы: изучить оптическое преобразование Меллина.

Оптическое преобразование Меллина

Устранить один из серьезных недостатков коррелятора Вандер Люгта – повышенная чувствительность сигнала отклика к изменениям масштаба изображения – можно, реализовав в оптике преобразование функции, обладающее свойством инвариантности к преобразованиям масштаба функции. Примером такого преобразования является преобразование Меллина, представляемое (например, для одномерных функций) интегралом

(36)

Преобразование Меллина обладает свойством инвариантности к изменению масштаба исходной функции,

(37)

и тесно связано с преобразованиями Лапласа и Фурье,

(38)

Свойство (48) показывает, что преобразование Меллина можно представить как преобразование Фурье от исходной функции при экспоненциальном преобразовании ее аргумента,

(39)

При этом, очевидно, новые координаты исходной функции логарифмически связаны с начальными, = ln x .Следует отметить, что, в отличие от преобразования Фурье, преобразование Меллина не обладает свойством сдвиговой инвариантности. В корреляторе Меллина запись пространственного фильтра осуществляется по обычной голографической схеме (Рис. 9) при том условии, что вводимое эталонное изображение предварительно преобразуется согласно логарифмическому изменению его масштабов. При этом, например, одномерная периодическая амплитудная решетка отображается в апериодическую решетку с логарифмически изменяющимся периодом. Такое преобразование может быть выполнено при отображении исходного изображения на экране монитора, временная развертка которого управляется логарифмическими усилителями сигналов. Возможен ввод изображения в систему пространственной фильтрации и с помощью электрически управляемого транспаранта с нелинейным (также логарифмическим) преобразованием масштаба функции пропускания транспаранта. Действие коррелятора Меллина аналогично выше описанному действию пространственного фильтра ВДЛ (Рис. 11), при этом вводимое в коррелятор изображение предварительно нелинейно «растягивается» по осям координат с логарифмическим изменением его масштабов. Мощность корреляционного пика на выходе пространственного фильтра Меллина не зависит от масштаба вводимого изображения (определяется исключительно его структурой), а положение этого пика в выходной плоскости коррелятора прямо связано с масштабом вводимого изображения. Импульсный отклик оптического коррелятора Меллина инвариантен к изменениям масштаба вводимого изображения. Экспериментально был реализован коррелятор Меллина, отклик которого нечувствителен даже к двукратному изменению масштаба изображения по сравнению с эталонным. Недостатками оптического коррелятора Меллина является необходимость предварительной оптоэлектронной обработки вводимого изображения (нелинейное изменение его масштабов) и техническая сложность такой системы фильтрации изображений.

Задание: создать эталонное изображение: треугольник. Создать проходящее изображение: треугольник 1.5 масштабе. Вычислить коэффициент пропускания. Для вычислений использовать программу MathCAD.

Контрольные вопросы:

1. Как создаеться голографическое эталонное изображение?
2. Какова чувствительность к масштабу исходного сигнала?
3. Для чего используеться данное преобразование?

PAGE 9

Процесс формирования естественнонаучных умений у обучающихся