Активизация профессионально-творческого саморазвития студентов технических вузов на примере изучения темы «Кодирование символьной и графической информации в компьютере»

Современное общество нуждается в высококвалифицированных кадрах практически во всех областях человеческой деятельности. Целый ряд научных исследований последних лет посвящен развитию креативности, профессионально-творческому саморазвитию специалистов – педагогов, химиков, музыкантов, инженеров и др. Однако, традиционно сложившемуся образовательному процессу в высших профессиональных учебных заведениях присущ, в основном, нетворческий характер. В практике подготовки будущих специалистов преобладает предъявление знаний, фактов в готовом виде и деятельность студентов «по образцу». Такой подход формирует у студентов репродуктивное мышление, интеллектуальную пассивность и безынициативность, потребительское отношение к обучению.

Сейчас происходит смена традиционной педагогической системы креативной педагогической системой. Она объединяет все проблемы общего и профессионального образования вокруг целостного процесса профессионального становления креативной личности. При этом под креативной личностью понимается личность, способная и готовая к субъективному и объективному творчеству как процессу и результату [1, 2].

Особое внимание необходимо уделять вопросам подготовки выпускников технических вузов. Будущим специалистам – выпускникам технических вузов, во время своей профессиональной деятельности надо будет быстро и продуктивно ориентироваться во все возрастающих потоках технической информации, уметь использовать и совершенствовать последние достижения науки и техники, решать новые технические задачи, предлагая новые, может быть, совершенно неожиданные решения, применять современные, а также создавать новые инновационные технологии, механизмы, аппаратуру и т.д.. Эти качества должны формироваться в процессе обучения.

В ходе проводимого в Сочинском институте экономики и информационных технологий (СИЭИТ) эксперимента на себя обратила внимание креативная система непрерывного формирования творческого мышления и развития творческих способностей обучаемых (дошкольников, учащихся, студентов, специалистов) с активным использованием теории решения изобретательских задач – теория и практика современного многоуровневого непрерывного креативного образования НФТМ-ТРИЗ, которые были разработаны и успешно реализуются в Межвузовском научно-образовательном центре инженерного творчества Московского государственного индустриального университета (МНОЦИТ МГИУ) под научным руководством М. М. Зиновкиной.

Ее цель – сформировать в учебном процессе ведущие черты творческой личности обучаемого: духовность, креативность, интеллект, профессионализм, укрепить нравственное и физическое здоровье, самодисциплину, самореализацию, в конечном счете, обеспечить профессионально творческое саморазвитие [1]. Это многоуровневая система, состоящая из подсистем креативного образования личности в различные периоды жизни, что обеспечивает преемственность развития личности. Доминирующее положение в креативной системе образования занимает поисковая познавательная деятельность обучаемых. Репродуктивная деятельность сохраняется лишь для изучения ядра учебной информации, которая реализуется через инновационную мобильную систему обучения компьютерной интеллектуальной поддержки на основе мобильной связи и интернет-технологий (КИП-М).

Одной из подсистем НФТМ-ТРИЗ является, подсистема креативного высшего профессионального образования. Эта подсистема позволяет активизировать профессионально-творческое саморазвитие студентов технических вузов. Ведь активизация профессионально-творческого саморазвития студентов технических вузов – будущих бакалавров и магистров, может рассматриваться как процесс увеличения интенсивности взаимодействия субъектов профессионально-творческого саморазвития, направленный на развитие профессионального творчества, на повышение активности, инициативности студентов в поиске и решении творческих инженерных задач, содержательно связанных с профессионально-творческим саморазвитием. При этом для активизации профессионально-творческого саморазвития студентов технических вузов можно выделить в структуре процесса инженерного творчества взаимосвязанные компонентов:

• профессиональный, направленный на сферу профессиональной деятельности будущих инженеров;
• творческий, ориентированный на творческую составляющую в сфере инженерной деятельности;
• личностный, ориентированный на развитие ведущих качеств творческой личности студентов – будущих инженеров.

При решении задачи активизации профессионально-творческого саморазвития студентов технических вузов используются компьютерно-мобильная среда обучения и Интернет-технологии. Они обеспечивают разделение управляющей и информационной функций в учебном процессе, а также ориентированы на развитие ведущих качеств творческой личности. С помощью этой среды происходит и изучение ядра учебной информации.

Лекция выполняет такие функции, как компактная передача фундаментальных знаний («ядра» учебной информации), общение преподавателя и обучаемого, воспитание ведущих качеств творческой личности в диалоге, активизация познавательной деятельности. В результате стирается грань между лекцией и практическими занятиями, лекция трансформируется в лекционно-практическое занятие, этический диалог по В. А. Сухомлинскому [3].

Все виды практических занятий направлены на поэтапное формирование структуры профессионально-творческого мышления. При этом применяется многомерный эвристический диалог «Обучаемый – КИП».

Одновременно с этим используется система комплексных, творческих индивидуальных и групповых занятий, которые являются средством активного обучения.

Система многоуровневого непрерывного креативного образования НФТМ-ТРИЗ предполагает проведение креативных занятий, отличающихся от традиционных. По структуре эти занятия включают в себя блоки, реализующие цели занятия, адекватные целям креативного образования, а значит, образования в целом [1, 2]. Для каждого занятия создается информационная карта, которая содержит сведения, необходимые для проведения занятия с разбивкой по времени: первый учебный час-второй учебный час. Лекционный материал делится на 2 части и включается в лабораторно-практические занятия.

Лабораторно-практические занятия проводятся в соответствии с этой картой, и имеют блочную структуру.

Блок 1 (мотивация) представляет собой специально отобранную систему оригинальных объектов-сюрпризов, способных вызвать удивление учащегося. Этот блок обеспечивает мотивацию учащегося к занятиям и развивает его любознательность.

Блоки 2 и 6 (содержательная часть сч.1 и сч.2) содержат программный материал учебного курса и обеспечивает формирование системного мышления и развитие творческих способностей.

Блок 3 (психологическая разгрузка) представляет собой систему заданий, которые служат для релаксации студентов и реализуются через упражнения по гармонизации развития полушарий головного мозга, через аутотренинг, через систему спортивно-эмоциональных игр, театрализацию и др.

Блок 4 (головоломка) представляет собой систему усложняющихся головоломок, воплощенных в реальные объекты, в конструкции которых реализована оригинальная, остроумная идея.

Блок 5 (интеллектуальная разминка) представляет систему усложняющихся заданий, направленных на развитие мотивации, дивергентного и логического мышления и творческих способностей учащихся.

Блок 7 (компьютерная интеллектуальная поддержка) обеспечивает мотивацию и развитие мышления, предусматривает систему усложняющихся компьютерных игр-головоломок, адаптированных к возрасту учащихся, обеспечивает переход из внешнего плана действий во внутренний план.

Блок 8 (резюме) обеспечивает обратную связь с учащимися на уроке и предусматривает качественную и эмоциональную оценку учащимся самого урока.

Например, занятие по теме «Кодирование символьной и графической информации в компьютере» дисциплины «Информатика» для студентов специальности «Прикладная информатика в экономике» может выглядеть следующим образом.

Преподаватель показывает обучаемым часы. Числа на циферблате изображены следующим образом:

1 – 0001

2 – 0010

3 – 0011

4 – 0100

5 – 0101

6 – 0110

7 – 0111

8 – 1000

9 – 1001

10 – 1010

11 – 1011

12 – 1100

Вопрос: что показывают часы?

Происходит обсуждение, каждый студент выдвигает свою гипотезу.

Пояснение: часы показывают текущее время, но числа на циферблате представлены в двоичной системе счисления. Конечно, неправильным будет употребление при определении времени слов сто, тысяча и др. Надо перевести числа в десятичную систему.

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

 

Вид информации	Двоичный код
Числовая	10110011
Текстовая
Графическая
Звуковая
Видео

 

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

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

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

К = 2I = 28 = 256,

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

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

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

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

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

 

В большинстве случаев о перекодировке текстовых документов заботится не пользователь, а специальные программы – конверторы, которые встроены в приложения.

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

1. Два текста содержат одинаковое количество символов. Первый текст записан на русском языке, а второй на языке племени нагури, алфавит которого состоит из 16 символов. Чей текст несет большее количество информации?

Решение.

I = К * а (информационный объем текста равен произведению числа символов на информационный вес одного символа).

Т.к. оба текста имеют одинаковое число символов (К), то разница зависит от информативности одного символа алфавита (а).

2^а1 = 32, т.е. а1 = 5 бит,

2^а2 = 16, т.е. а2 = 4 бит.

I1 = К * 5 бит, I2 = К * 4 бит.

Значит, текст, записанный на русском языке, в 5/4 раза несет больше информации.

2. Объем сообщения, содержащего 2048 символов, составил 1/512 часть Мбайта. Определить мощность алфавита.

Решение.

I = 1/512 * 1024 * 1024 * 8 = 16384 бит. – перевели в биты информационный объем сообщения.

а = I / К = 16384 /1024 =16 бит – приходится на один символ алфавита. 2¹⁶ = 65536 символов – мощность использованного алфавита. Именно такой алфавит используется в кодировке Unicode, который должен стать международным стандартом для представления символьной информации в компьютере.

Затем предлагаются задания, решение которых обеспечивает обратную связь обучаемых с преподавателем.

В качестве психологической разгрузки проводится игра, в которой студенты делятся на две группы. Одна группа играет роль кодов символов и составляет слова в закодированном виде, вторая группа пытается расшифровать эти слова с помощью кодовых таблиц.

Здесь же выполняются упражнения, обеспечивающие подпитку головного мозга кислородом. Например: вдох носом, задержка дыхания на 5-6 сек, медленный выдох через рот. Выполняется 5-6 раз.

Каждому студенту персонально раздается объект, содержащий оригинальную идею автора. Выдвигая рабочую гипотезу, каждый студент пробует собрать из отдельных элементов единое целое.

Задание: Собрать фигуру из 4-х элементов.

 

Рис. 1 Исходные фигуры для задания – головоломки

 

 

Ответы на кроссворды:

По горизонтали: 3. Процессор. 5. Видео. 7. Диск. 8. Джойстик. 9. Бит. 10. Видеокамера. 11. Модем. 12. Фотоаппарат. 13. Вирус.

По вертикали: 1. Монитор. 2. Программист. 4. Счеты. 6. Дисковод.

 

Возможный ответ: Для кодирования русского алфавита можно использовать на 8 битов на символ, а 6.

Графическую информацию можно представлять в двух формах: аналоговой или дискретной. Живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно – это пример аналогового представления, а изображение, напечатанное при помощи струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета – это дискретное представление. Путем разбиения графического изображения (дискретизации) происходит преобразование графической информации из аналоговой формы в дискретную. При этом производится кодирование – присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода. При кодировании изображения происходит его пространственная дискретизация. Ее можно сравнить с построением изображения из большого количества маленьких цветных фрагментов (метод мозаики). Все изображение разбивается на отдельные точки, каждому элементу ставится в соответствие код его цвета. При этом качество кодирования будет зависеть от следующих параметров: размера точки и количества используемых цветов.

Создание и хранение графических объектов возможно в нескольких видах – в виде векторного, фрактального или растрового изображения.

Графическое изображение состоит из мельчайших точек, составляющих определенный узор – растр. Точность передачи рисунка зависит от количества точек и их размера. После разбиения рисунка на точки, начиная с левого угла, двигаясь по строкам слева направо, можно кодировать цвет каждой точки. Далее одну такую точку будем называть пикселем (происхождение этого слова связано с английской аббревиатурой «picture element» – элемент рисунка). Объем растрового изображения определяется умножением количества пикселей (на информационный объем одной точки, который зависит от количества возможных цветов. Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора. Чем она выше, то есть больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных ПК в основном используют следующие разрешающие способности экрана: 640 на 480, 800 на 600, 1024 на 768 и 1280 на 1024, 1920x1080,1920x1200 точки. Так как яркость каждой точки и ее линейные координаты можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что этот метод кодирования позволяет использовать двоичный код для того чтобы обрабатывать графические данные.

Если рассматривать изображение в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета (а именно такие в настоящее время общеприняты), то достаточно восьмиразрядного двоичного числа для того чтобы закодировать яркость любой точки.

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

1) Модель HSB характеризуется тремя компонентами: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Можно получить большое количество произвольных цветов, регулируя эти компоненты. Эту цветовую модель лучше применять в тех графических редакторах, в которых изображения создают сами, а не обрабатывают уже готовые. Затем созданное свое произведение можно преобразовать в цветовую модель RGB, если ее планируется использовать в качестве экранной иллюстрации, или CMYK, если в качестве печатной, Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Направление вектора задается в угловых градусах и определяет цветовой оттенок. Насыщенность цвета определяется длиной вектора, а яркость цвета получаются за счет наличия или отсутствия этих составляющих. По первым буквам основных цветов система и получила свое название – RGB. Данная цветовая модель является аддитивной, то есть любой цвет можно получить сочетание основных цветов в различных пропорциях. При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость суммарного излучения увеличивается.

Если совместить все три компоненты, то получим ахроматический серый цвет, при увеличении яркости которого происходит приближение к белому цвету.

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

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

Различают несколько режимов представления цветной графики:

а) полноцветный (True Color);

б) High Color;

в) индексный.

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

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

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

Соответствие между количеством отображаемых цветов (К) и количеством бит для их кодировки (а) находиться по формуле: К = 2^а

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

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

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

Если совместить все три компоненты, то получим ахроматический серый цвет, при увеличении яркости которого происходит приближение к белому цвету.

1. Известно, что видеопамять компьютера имеет объем 512 Кбайт.

Разрешающая способность экрана 640 на 200. Сколько страниц экрана одновременно разместится в видеопамяти при палитре

а) из 8 цветов;

А что будет, если палитра увеличится в 2 раза, в 64 раза?;

2. Сколько бит требуется, чтобы закодировать информацию о 130 оттенках?

Нетрудно подсчитать, что 8 (то есть 1 байт), поскольку при помощи 7 бит можно сохранить номер оттенка о 0 до 127, а 8 бит хранят от 0 до 255. Легко видеть, что такой способ кодирования неоптимален: 130 заметно меньше 255.

3. Можно ли как-нибудь уплотнить информацию о рисунке при его записи в файл, если известно, что

а) в рисунке одновременно содержится только 16 цветовых оттенков из 130 возможных;

б) в рисунке присутствуют все 130 оттенков одновременно, но количество точек, закрашенных разными оттенками, сильно различаются.

Решение.

а) очевидно, что для хранения информации о 16 оттенках достаточно 4 бита (половина байта). Однако так как эти 16 оттенков выбраны из 130, то они могут иметь номера, не умещающиеся в 4 битах. Поэтому воспользуемся методом палитр. Назначим 16 используемым в нашем рисунке оттенкам свои «локальные» номера от 1 до 15 и закодируем весь рисунок из расчета 2 точки на байт. А затем допишем к этой информации (в конец содержащего ее файла) таблицу соответствия, состоящую из 16 пар байтов с номерами оттенков: 1 байт – наш «локальный» номер в данном рисунке, второй – реальный номер данного оттенка. (когда вместо последнего используется закодированная информация о самом оттенке, например, сведения об яркости свечения «электронных пушек» Red, Green, Blue электронно-лучевой трубки, то такая таблица и будет представлять собой палитру цветов). Если рисунок достаточно велик, выигрыш в объеме полученного файла будет значительным;

б) попытаемся реализовать простейший алгоритм архивации информации о рисунке. Назначим трем оттенкам, которыми закрашено минимальное количество точек, коды 128 – 130, а остальным оттенкам – коды 1 –127. Будем записывать в файл (который в этом случае представляет собой не последовательность байтов, а сплошной битовый поток) семибитные коды для оттенков с номерами от 1 до 127. Для оставшихся же трех оттенков в битовом потоке будем записывать число-признак – семибитный 0 – и сразу за ним двухбитный «локальный» номер, а в конце файла добавим таблицу соответствия «локальных» и реальных номеров. Так как оттенки с кодами 128 – 130 встречаются редко, то семибитных нулей будет немного.

Обучаемые работают с компьютером, выполняя тесты по данной теме, а также осуществляют поиск дополнительных сведений по теме.

Студенты кратко повторяют основные положения, изученные на занятии, после чего им задаются следующие вопросы:

• Каковы ваши главные результаты, что вы поняли, чему научились?
• Какие задания вызвали наибольший интерес и почему?
• Как вы выполняли задания, какими способами? Что вы чувствовали при этом?
• С какими трудностями вы столкнулись и как вы их преодолевали?
• Своей работой на занятии я:
  • доволен;
  • не совсем доволен;
  • я не доволен, потому что.