Актуальность настоящей статьи обусловлена достаточно широким интересом в настоящее время к практической реализации дистанционного обучения, в частности – вузовских лекций по математике и информатике [1], необходимости подготовки соответствующих материалов.
Речь в статье идет о реализации классической лекционной методики в форме офлайн [2]. Цель настоящего исследования – выявление некоторых принципов и приемов наиболее быстрой и наименее ресурсоемкой реализации дистанционных лекций по дисциплинам из указанных областей знаний – математика и информатика. Настоящая статья не претендует на исчерпывающее рассмотрение указанных выше принципов и приемов, они могут быть дополнены другими аналогичными исследованиями. Особо заметим, что наша статья не имеет целей рассмотрения дистанционной реализации других видов занятий, кроме классических лекционных, например, практических, лабораторных, контрольных.
Материалы и методы исследования
Материалы нашего исследования – это материалы существующих учебных курсов [3, 4], методические приемы организации лекций по ним, программные и технические средства [5] реализации дистанционных занятий. Методы исследования: 1) обзор и анализ соответствующих исследованию методических и программно-технических средств; 2) выбор (исходя из поставленных выше целей) принципов и построение оптимальной модели дистанционной лекции; 3) выбор средств и методов (педагогических и программно-технических) реализации дистанционной лекции.
Результаты исследования и их обсуждение
1. О принципах и методах дистанционной реализации классических off-line лекций по математике и информатике
Классическая (не дистанционная) вузовская лекция по математике или по информатике состоит [3, 4] из фрагментов двух видов: А) опорный фрагмент – это формулы, схемы, выводы, формулировки теорем и тому подобное, он представляется обычно в визуальной форме; Б) объяснительно-связующий фрагмент – он обычно представляется лектором в голосовой форме. Оптимальное соотношение [2, 6] фрагментов вида А и Б различно для различных обучаемых. Важен также фактор скорости изложения лекции. Если представить фрагмент Б в текстовой форме, то получится книга (или конспект) с возможностью выбора своей скорости чтения (изложения) и повтора восприятия материала. Однако при этом теряются нюансы голоса опытного лектора, которые были связаны с логикой лекции.
Современные информационно-компьютерные средства [1, 5] позволяют проводить мультимедийные лекции, включающие фрагменты применения видео, аудио и сетевых (интернет) технологий. Значительное повышение в последние десятилетия доли правополушарных [7, 8] даже среди студентов физико-математических и технических профессиональных направлений обостряет проблемы понимания студентами классических лекций [6], особенно – по математике и информатике. В принципе, мультимедийные лекции могли бы внести необходимую современным студентам образность, например, в преподавание математике. Однако при этом появятся другие проблемы. Например, проблема одновременной постоянной загруженности у обучаемого всех каналов восприятия [9, 10], в результате – очень быстрая усталость и засыпание на лекции [2, 6] почти всех присутствующих. Техническая проблема при проведении мультимедийной лекции в режиме онлайн состоит в необходимости обеспечения очень большого трафика глобальных компьютерных сетей (интернет).
Еще одна особенность лекций по математике и информатике состоит в том, что для понимания аудиторией все формулы [3, 4] должны отображаться очень четко со всеми верхними и нижними индексами, греческими, латинскими, арабскими и другими символами. Необходимо высокое разрешение экрана и видеоконтента: как минимум Full HD (1920x1080), а лучше – 4 K (3840x2160). Интерполяция 960x540 в 1920x1080 достаточна для художественного видеофильма, но не достаточна для отображения формул. Поскольку при этом на месте мелких деталей формулы (например, индексов и степеней) будут отображаться «туманности». Мозг человека, который знает эту формулу, «дорисует» недостающие детали. Поэтому преподаватель может «видеть» четкое изображение формулы, а студент – эти «туманности». При этом не нужна высокая скорость смены кадров – формула статична, также не нужна высокая дискретизация звука голоса лектора.
Содержательные материалы классических лекций чаще всего у преподавателя имеются, обычно их достаточно просто оцифровать. Не требуется дополнительных психолого-педагогических исследований, как для мультимедийных лекций. Классические лекции очень хорошо согласуются по идеологии с компьютерными презентациями, состоящими из слайдов. Эти презентации со слайдами (страницами) могут быть представлены в различных форматах: Microsoft PowerPoint, Microsoft Word, HTML, электронных книг, например, PDF. Эти слайды (страницы) можно программировать, используя сценарные (script) языки Java-script, VBA, VBS. Чтобы информационно не перегружать слайд, на нем следует визуально помещать только опорные фрагменты типа А. Объяснительно-связующий фрагмент типа Б следует помещать на слайд как аудиоматериал. Следует предусмотреть: 1) возможность многократного запуска аудиоматериала на слайде; 2) вызов и следующего, и предыдущего слайда. Такая презентация будет ориентирована именно на обучение студента. Презентация типа фильма (когда после воспроизведения аудиоматериала на текущем слайде автоматически вызывается следующий слайд) для обучения не подходит.
Офлайн-режим означает, что студент заранее получает по сети Интернет или уже имеет на некотором носителе информации все необходимые файлы для просмотра лекции. В этом случае при изучении лекционного курса непосредственно доступ в интернет не нужен. Учиться можно, например, на отдыхе в деревне, в походе по лесу или на лодке.
Отсюда, модель дистанционного лекционного обучения студентов математике и информатике в виде презентаций классических лекций офлайн оптимальна для реализации с точки зрения временных и ресурсных затрат. Авторы претендуют лишь на то, что данная модель дает «локальный максимум целевой функции» на некотором множестве адекватных моделей, а не «глобальный».
2. Об оцифровке аудио и визуальной информации в презентациях
2.1. Ноутбуки
Почти все ноутбуки имеют встроенные звуковые колонки, микрофон, веб-камеру, тачпад, клавиатуру, экран. Это минимум технических средств, достаточных для оцифровки аудио и визуальной информации. Нельзя сказать, что этот минимум обеспечивает высокий уровень комфорта педагогу – разработчику лекционного курса. Использование микрофонов с низкой чувствительностью вызывает травму голосовых связок педагога. Использование тачпада и компьютерной мыши значительно менее удобно для рисования, чем привычные мел и доска, не говоря о специальной доске и наборе ручек с водорастворимыми чернилами различных цветов.
2.2. Специальные редакторы формул
Примеры: Microsoft Equation; средства языка разметки TEX. Они обеспечивают очень высокое, типографское качество формул, которое для лекции избыточно. Они требуют от педагога специальных знаний и навыков для применения. Они значительно менее удобны для рисования формул, чем привычные мел и доска. Имеются и иные мелкие недостатки. Например, редактор Microsoft Equation 3.0 работает лишь в среде Microsoft Word 2007, в других приложениях Microsoft Office 2007 он не работает. Поэтому приходится набирать формулу в Microsoft Word 2007, а затем через буфер обмена копировать ее на соответствующий слайд Microsoft PowerPoint 2007. Возможно, в более поздних версиях Microsoft Office эта ошибка была исправлена разработчиками.
2.3. Графические планшеты и планшетные сканеры
Графические планшеты позволяют рисовать специальной ручкой по специальной доске для рисования. По удобству рисования и качеству рисунков они значительно превосходят мел и доску. Нужны определенные навыки, чтобы «привязать» драйвер графического планшета к некоторому графическому редактору, например, Adobe Photoshop, GIMP, Paint NET. Авторы имеют опыт работы с подобным графическим планшетом Xp-pen Deco Pro S линейки Deco Pro. Более дорогие графические планшеты линеек Artist и Artist Pro в качестве доски для рисования используют сенсорный экран. Думается, что графический планшет должен рассматриваться как одно из главных технических средств для написания научных статей и подготовки лекционных курсов. Можно рисовать ручкой или карандашом на листе бумаге, а возможно, на листе рисунок уже имеется, затем для оцифровки рисунка этот лист необходимо сканировать при помощи планшетного сканера.
2.4. Профессиональные микрофоны
Преподаватель-разработчик дистанционной классической офлайн-лекции, как правило, выполняет ее озвучивание в тихом кабинете, а не на улице и не на природе, где может быть шум техники и людей, ветер, дождь. Ему нужен студийный профессиональный микрофон. Соответствующая техника всемирно известных производителей, например Sony, Blue Yeti, Behringer качественная и очень дорогая. Китайско-российские производители, например Maono, Fifine, Boya предлагают технику с оптимальным соотношением цена-качество. Рассмотрим топ Maono – студийный микрофон Maono AU-PM422 (рис. 1) стоимостью 4–6 тыс. руб. и топ Fifine – всепогодный микрофон Fifine T669 стоимостью 3–4 тыс. руб. Их технические данные приводятся, чтобы читатель мог понять методику выбора подобной техники.
Рис. 1. Студийный микрофон Maono AU-PM422 в сборе: 1 – сам микрофон; 2 – стойка-пантограф; 3 – держатель для стойки; 4 – антишумовой подвес «паук»; 5 – съемный USB-кабель с разъемами A-B; 6 – поп-фильтр (экранирует дыхание); 7 – ветрозащита (надевается на микрофон при ветре)
Справка: 1 дБ = 0,1 Б (аналог дм и м), А. Белл – изобретатель телефона (1876). Пусть Р – измеряемая величина, P0 – эталонное (единичное) значение этой величины, чаще всего это давление, измеряемое в Паскалях (П) или мощность в Ваттах (Вт). Тогда P(П) = P/P0 – это равномерная шкала П. Б – это десятично-логарифмическая шкала, P(Б) = Lg P(П), P(дБ) = 10*P(Б). Здесь Lg – это логарифм по основанию 10.
Студийный микрофон Maono AU-PM422
Принцип действия микрофона – конденсаторный (это самые чувствительные и дорогие микрофоны, предназначенные в основном для помещения, они боятся непогоды)
Направленность микрофона – однонаправленный (лучший микрофон для записи голоса одного человека, еще бывают двунаправленные и всенаправленные)
Диаграмма направленности микрофона – кардиоидная (график R(Ф) в полярной системе – это сильно вытянутая кардиоида, где R – чувствительность микрофона, Ф – угол к полярной оси, которая и является направлением наибольшей чувствительности микрофона)
Частотный диапазон микрофона = 20–20000 Гц (отличный диапазон, за его пределами находятся звуки, которые средний человек не слышит: менее 20 Гц – это инфразвук; более 20000 Гц – это ультразвук).
Чувствительность микрофона = -47 дБ (чем она больше, тем лучше микрофон, измеряется 10*Lg(U/P), где U – max напряжение эл. тока (В – Вольт) на выходе микрофона, P – max давление воздуха (П) на мембрану на входе микрофона)
Максимальное звуковое давление микрофона = 125 дБ (чем оно больше, тем лучше микрофон, измеряется 10*Lg(Pmax/Pmin), где Рmax и Pmin измеряются в П, при P > Pmax на микрофоне U перестает расти, при P < Pmin средний человек сам перестает слышать такой звук).
Соотношение сигнал/шум микрофона = 74 дБ (чем оно больше, тем лучше микрофон, измеряется 10*Lg(Pс/Pш), где Рс и Pш – это давление на мембрану полезного сигнала и давление шума соответственно, они измеряются в П).
Частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя звука (АЦПЗ) = 192 кГц (чем она больше, тем лучше микрофон, измеряется частота работы датчика АЦПЗ).
Разрядность АЦПЗ = 24 бит (чем она больше, тем лучше микрофон, это разрядность микропроцессора АЦПЗ).
Функции и возможности микрофона: регулировка чувствительности; оперативное отключение микрофона; есть выход микрофона на наушники.
Радиус действия микрофона = 3 м. Комплектация: показана на рис. 1. Официальный сайт производителя maono.com
Студийный микрофон Fifine T669
Принцип действия микрофона – электретный (качество записи хуже Maono, но он не боится неблагоприятных внешних условий, непогоды). Направленность микрофона – однонаправленный. Диаграмма направленности микрофона – кардиоидная. Частотный диапазон микрофона = 50–20000 Гц (хуже Maono). Чувствительность микрофона = -43 дБ (лучше Maono). Звуковое давление микрофона = 130 дБ (лучше Maono). Соотношение сигнал/шум микрофона = 78 дБ (лучше Maono). Частота дискретизации АЦПЗ = 64 кГц (хуже Maono). Разрядность АЦПЗ = 16 бит (хуже Maono). Функции и возможности микрофона: регулировка чувствительности; есть выход микрофона на наушники (хуже Maono). Радиус действия микрофона = 4 м (лучше Maono). Комплектация: то же, что и у Maono и еще мини-тренога для большей мобильности в использовании микрофона (лучше Maono).
Сравнение Maono AU-PM422 и Fifine T669
Maono из-за более мощного процессора более полно и точно записывает голос, музыку с малейшими нюансами. Однако Fifine меньше шумит, его чувствительность выше, он также более неприхотлив к внешним условиям. Авторы для записи своих лекций выбрали Maono, хотя выбор Fifine для аналогичных целей тоже нельзя считать неправильным. Для записи вокала и музыки лучше Maono. Что лучше для записи лекций – трудно сказать.
2.5. Веб-камеры, полупрофессиональные фото- и видеокамеры
Веб-камеры необходимы только в случае применения режима дистанционного обучения и программных средств проведения видеоаудиоконференций, например Skype, Zoom, Illuminate. Веб-камеры обычно имеют неплохие встроенные микрофоны, их можно использовать для записи аудиофотовидеоконтента не очень высокого качества. Но передача в онлайн-режиме фотовидеоконтента высокого качества – проблема из-за объемного трафика. При подготовке материалов мультимедийной лекции в офлайн для записи фотовидеоконтента лучше использовать полупрофессиональную (используемую и профессионалами, и продвинутыми любителями) фотовидеотехнику. Думается, профессиональная фотовидеотехника для этих целей не может быть использована в принципе, поскольку она громоздкая, маломаневренная, дорогая, требует профессиональных артистических навыков от тех, кого ею снимают. Для классической лекции в офлайн по математике или по информатике фотовидеотехника совсем не нужна, поскольку с оцифровкой формулы, схемы или рисунка с листа бумаги лучше справится планшетный сканер.
Выводы
1. Цель настоящего исследования – выявление некоторых принципов и приемов наиболее быстрой и наименее ресурсоемкой реализации дистанционных лекций по математике и информатике. Построена оптимальная в указанном смысле авторская модель дистанционной лекции – классическая офлайн-лекция. Выявлены некоторые принципы, методы и средства (педагогические и программно-технические) реализации этой модели. С приведенными выше ограничениями цель настоящего исследования достигнута.
2. Особо важным для дистанционной реализации указанной выше модели являются авторские принципы: а) подразделения фрагментов лекции на опорные и объяснительно-связующие; б) представления лекции в виде презентации и применения соответствующих форматов и программных средств; в) применения графических планшетов и планшетных сканеров (для адекватной замены мела и доски), а также студийных микрофонов.
3. Кроме указанной выше модели лекции в статье также рассмотрены онлайн-режим дистанционной реализации и мультимедийная лекция. Кратко затронуты их плюсы и минусы, намечены пути и средства их реализации.