Цифровая среда или цифровые среды? разбираемся в госпроектах по инновациям в образовании

Обработка сигналов

Рассмотрим типичный пример усиления аналогового электрического сигнала. Аналоговые электрические цепи состоят из транзисторов, резисторов, конденсаторов и так далее. На картинке ниже представлен усилительный каскад, он позволяет из сигнала малой амплитуды получить сигнал большей амплитуды, происходит изменение характеристик сигнала, то есть его обработка.

Цепи детектора фазы и частоты могут помочь нам оценить характеристики электрического сигнала, то есть получить информацию. Аналоговое цепи оперируют непрерывными сигналами, в то время как цифровые устройства обрабатывают дискретные отсчеты, нули и единицы.

Цифровые сигналы

Ниже на картинке пример прохождение цифрового сигнала через микросхему. По сути здесь также происходит изменение величины входного сигнала и микросхема представляет собой цифровой усилитель.

Но для чего нам вообще использовать цифровые сигналы и устройства?

Цифровые сигналы, впервые стали использоваться в системах связи, так как они были более устойчивы к шумам и помехам, и здесь можно провести аналогию с азбукой морзе. Вы наверное помните, как в фильмах, когда система связи перестает работать, герой вспоминает про азбуку морзе и начинают нажимать tangent, передавая точки и тире, такой простейший сигнал доходит в самых трудных условиях.

Нули и единицы цифрового сигнала, те же самые точки и тире. Ими можно закодировать любую информацию, также как мы кодируем буквы в азбуке морзе.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал несет информацию к примеру, в значение свои амплитуды, и нам важно знать точное значение для того чтобы получить сообщение без ошибок. У цифрового сигнала только два значения амплитуды большое или маленькое, единица или ноль

При передаче сигнала накладывается шум и в случае с аналоговым сигналом этот шум может сильно исказить значение амплитуды, в то время как в цифровом, мы по-прежнему сможем понять где ноль, а где единица, и декодировать сообщение без ошибок.

Развитие цифровой связи привело к развитию цифровой вычислительной техники, и в итоге, сейчас мы имеем программируемые цифровые вычислители, которые присутствуют практически в каждом устройстве. Но и аналоговая обработка никуда не делась, современные устройства также зачастую содержит себе аналоговые цепи наряду с цифровыми.

На картинке ниже обобщенная схема системы ЦОС. Она описывает общий случай обработки физического, то есть аналогового сигнала цифровым вычислителем. На входе и выходе системы обработки непрерывный аналоговый сигнал, который проходит через специальное устройство аналого-цифровой преобразователь (АЦП), и после этого в виде последовательности нулей и единиц попадает на цифровой вычислитель. Выходная последовательность преобразуется обратно в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем.

В принципе ЦОС может осуществляться над изначально цифровым сигналом и преобразование в аналоговую форму не требуется.

Что нужно сделать в образовании для продуктивного и эффективного применения цифровых технологий?

Прежде всего, запретить насильственное внедрение централизованных региональных инструментов, кроме государственных систем, как нарушающих ряд законов и разъяснения Минобрнауки России,– взять курс на построение открытой экосистемы, настоящей ЦОС, на основе минималистичных центральных государственных систем. Предложение о переформатировании в этом контексте федеральной системы учета обучающихся Контингент описано ранее.

Ключевой принцип информатизации образования– снижение бюрократической нагрузки за счет средств автоматизации, искусственного интеллекта в пользу сосредоточенности педагогов, образовательных организаций непосредственно на задачах образовательного процесса.

Сопоставление задач

Если свести воедино изложенные пункты, получается следующая картина. Все российские школы будут снабжены выходом в Интернет, свой собственной сетью и соответствующим оборудованием. Правительство, руками наёмных программистов создаст некий всероссийский школьный портал. В столице уже существует подобный, называется МЭШ — Московская электронная школа. Дети будут сидеть по домам и учиться пользоваться этим порталом, а заодно и изучать школьную программу. И совсем не зря тут упомянуты родители, очень не зря.

Впрочем, в Москве этот эксперимент уже вовсю идёт — школьники 6-11 классов грызут гранит науки через Глобальную сеть. Длится это с 19 октября сего года. Родители подписывают петиции, собирают подписи, но пока безрезультатно. Что подтверждает и подписанный Правительством документ.

Никаких сомнений в том, что эксперимент будет признан успешным, нет. Рано или поздно, «под эгидой» коронавируса на дистанционку усадят всех школьников, собирай подписи или что-то ещё. Документ под номером 2040 не содержит даже намёка на отказ от задуманного.

17 декабря стартует правительственный эксперимент по созданию единой платформы в образовании

фото: АГН москва

Пилотный проект по внедрению цифровой образовательной среды (ЦОС) будет длиться до конца 2022 года. Какие возможности предоставит единая образовательная платформа педагогам, ученикам и их родителям, выяснила «Парламентская газета»

Где будет применяться цифровая образовательная среда?

Эксперимент проведут в 14 регионах. Правила отбора регионов-участников определит Минпросвещения. В постановлении говорится, что цифровая образовательная среда — совокупность условий для реализации образовательных программ начального общего, основного общего и среднего общего образования с применением электронного обучения, дистанционных образовательных технологий. Таким образом, ЦОС должна помочь школьникам в полном объёме освоить учебную программу независимо от того, где они живут — в крупном мегаполисе или небольшом посёлке.

Для этого в школы проведут высокоскоростной Интернет, оснастят их компьютерами и презентационным оборудованием. Онлайн-обучение будут строить на одной платформе, где будут использовать российское программное обеспечение. В одной системе будет аккумулированы уроки, учебные пособия, электронный журнал, чаты для общения родителей, документооборот, финансово-хозяйственное планирование и прочее. Проект также предполагает интеграцию государственных информационных систем, сервисов и ресурсов с платформой ЦОС.

Перейдёт ли обучение полностью в дистант?

Такие опасения родители выражают с первого дня обсуждения проекта создания цифровой образовательной среды. Однако в Минпросвещения заверили, что дистанционное обучение — это прежде всего инструмент для повышения качества образования. «Мы за традиционную систему образования и не допустим, чтобы дистанционное обучение заменило учителя, общение учеников между собой», — заявил глава ведомства Сергей Кравцов, цитирует его сайт министерства.

Как отмечают в Минпросвещения, одна из главных задач ЦОС — обеспечить учителей верифицированным электронным контентом, который помогал бы им сделать традиционные школьные уроки более качественными, глубокими и интересными. Опыт прошедших месяцев показал, что одним из минусов онлайн-обучения стало отсутствие единой образовательной площадки, где были бы загружены учебные пособия с тестами и заданиями. Из-за этого одни школы использовали порталы ведущих российских вузов, другие — разработки российских IT-компаний, третьи — сразу несколько платформ, соцсети и электронную почту. Справиться с таким объёмом могли далеко не все педагоги и ученики. Проект позволит соединить необходимые для обучения сервисы в одной системе.

Таким образом, у учителя под рукой будут лучшие методики. Школьникам ЦОС даст возможность не выпасть из учебного процесса во время болезни или чрезвычайной ситуации. «Благодаря видеосвязи они получат возможность виртуально посетить уроки лучших учителей страны, а дети из разных регионов смогут стать частью одной научной команды, которая объединит увлечённых одной темой ровесников и их руководителя, проживающих за тысячи километров друг от друга», — пояснила глава Комитета Совета Федерации по науке, образованию и культуре Лилия Гумерова.

Наконец, родителям не нужно будет тратить время, обсуждая успеваемость и поведение детей в нескольких чатах. ЦОС даст им возможность участвовать в родительских собраниях в онлайн-формате.

Когда будет устранено цифровое неравенство в образовании и устойчивый Интернет станет доступным во всех школах страны?

В рамках ЦОС будет отработан перечень материально-технических условий, которым должна соответствовать современная школа — наличие и скорость Интернета, локальные сети в школе, требования к технике (компьютеры, планшеты, WI-FI).

Планируется, что до 2024 года в регионах выровняют ситуацию, чтобы ученикам из глубинки больше не пришлось лазить на деревья, чтобы выйти в Интернет. В 2024 году, согласно нацпроекту «Образование», цифровая образовательная среда будет внедрена уже по всей стране. Онлайн-технологии, повторяют в Минпросвещения, не изменят существующую образовательную модель, они лишь помогут заинтересовать школьников предметом и подготовиться к ЕГЭ, а также обеспечат непрерывность обучения во время всплесков инфекционных заболеваний.

В ближайших планах Минпросвещения — вместе с Министерством цифрового развития определить детализированный состав платформы ЦОС, утвердить перечни реестров, определить требования к информационно-коммуникационной платформе и поставщикам образовательного контента.

См. также

• Преобразование одномерных случайных сигналов в КПС
• Z-преобразование сигналов
• Аппроксимация функций, моделирующих сигналы
• Регрессионный анализ сигналов
• Обработка двумерных цифровых сигналов
• Распознавание двумерных сигналов
• Анализ сигналов на основе вейвлет-преобразования
• Свойства вейвлет-преобразования
• Вейвлетный кратномасштабный анализ
• КИХ фильтры
• БИХ фильтры
• Цифровые фильтры в каналах передачи одномерных сигналов
• Фильтры, реализующие метод наименьших квадратов
• Фильтры, реализующие разностные и интегральные операторы
• Рекурсивные частотные цифровые фильтры
• Адаптивная фильтрация цифровых данных
• Оптимальная линейная цифровая фильтрация
• Медианная фильтрация
• Методические ошибки цифровой фильтрации
• Восстановление цифровых сигналов

Задачи программы

Первое — ввод всяко-разно цифровой инфраструктуры — сервисов, систем и прочих подобных вещей. В совокупности это всё будет составлять платформу ЦОС. Т.е., физическую и программную основу самой возможности получать образование.

Второе — получение одобрения нововведений, на основании результатов эксперимента. Да, составители уже уверены в успехе, поскольку термин «апробация», применяющийся в ПП № 2040, подразумевает «одобрямс».

Третье — создание уже упомянутой платформы. Это можно сказать, внешнее техническое оснащение. На это нужны, как не трудно догадаться, деньги и другие ресурсы.

Четвёртое — оснащение школ всем необходимым оборудованием, в т.ч., создание локальных сетей, а также доступом к Всемирной сети. Это уже внутреннее оснащение, также требующее финансов.

Пятое — развитие разного рода информационных технологий. Тут всё будет завязано на паре-тройке государственных информационных порталов (систем).

Шестое — проверка того, в состоянии ли участники этого эксперимента выдержать подобное взаимодействие.

Седьмое и самое главное — проверка самой возможности получения школьного образования дистанционно, на Едином портале иже с ним.

Восьмое и последнее — осмысление возможности подключения к Единому порталу всевозможных меньших образовательных сервисов.

Введут ли в России дистанционное обучение?

С весны 2020 и до конца прошлого учебного года российские школы работали в режиме дистанционного обучения. В новом учебном году учебные заведения также время от времени переходят на дистанционку в связи со сложной эпидемиологической обстановкой. При этом ученики, родители и учителя нередко сталкиваются с различными сложностями: нехватка оборудования, отсутствие технологических средств для проведения онлайн-уроков, нехватка методических разработок для дистанционных занятий. Из-за этого в обществе возникло негативное отношение к дистанционному образованию.

Кроме того, в интернете начала появляться информация о том, что в России планируется полностью перейти к дистанционному обучению — такие сообщения также вызывают много вопросов как у учителей, так и у учеников и их родителей.

На самом деле перед ЦОС никогда не стояла задача полностью отказаться от традиционной системы обучения и упразднить необходимость посещения детьми школы — речь шла лишь о внедрении различных электронных и технических средств для повышения качества образования.

Также оживленную дискуссию вызвал законопроект № 957354-7. Его название — «О внесении изменения в статью 16 Федерального закона «Об образовании в РФ» в части определения полномочий по установлению порядка применения электронного обучения, дистанционных образовательных технологий при реализации образовательных программ». Многие подумали, что цель этой инициативы — перевести все школы на дистанционное обучение.

Однако один из авторов законопроекта, глава Комитета Совфеда по науке, образованию и культуре Лилия Гумерова объяснила, что перевод образовательных учреждений на дистанционный режим работы стал вынужденной неотложной мерой на период коронавируса. При этом выяснилось, что в российском законодательстве не описаны многие вопросы, касающиеся проведения онлайн-уроков. Новый законопроект направлен именно на восполнение ряда пробелов в действующих законах.

В частности, поправки уточнят полномочия Минпросвещения и Минобрнауки при реализации онлайн-программ в образовании. В результате министерства смогут прописать подробный регламент дистанционного обучения, а в случае чрезвычайной ситуации, когда обучение в школах нужно будет перевести в онлайн-формат, каждое образовательное учреждение будет иметь четкую и подробную инструкцию. По состоянию на январь 2021 этот законопроект не был рассмотрен даже в первом чтении.

Также на рассмотрении Госдумы находится законопроект № 963511-7, в котором предлагается сделать дистанционный формат обучения добровольным, за исключением случаев введения в регионе или стране режимов ЧС, ЧП или повышенной готовности. То есть переводить весь процесс обучения в онлайн-формат на постоянной основе в ближайшее время не планируется.

Дистанционное обучение в 2020-2021 учебном году

С 1 сентября 2020 года о внедрении всероссийского дистанционного формата работы школ объявлено не было. Руководства отдельных регионов и образовательных организаций принимают решение о целесообразном режиме учебы в зависимости от эпидемиологической обстановки. По состоянию на январь 2021 года возвращать всероссийский дистант (как это было весной 2020) не планируется.

При этом в школах должны соблюдаться все рекомендации по организации работы образовательных учреждений в условиях сохранения рисков распространения коронавирусной инфекции, перечисленные в Постановлении главного государственного санитарного врача РФ № 16 от 30.06.2020.

Что это значит для EdTech-рынка и для учеников

Важная часть и ЦОС, и платформы СЦОС — образовательный контент для школ и университетов. Кто и как будет его создавать? Будет ли в этих цифровых средах место решениям, разработанным в EdTech-компаниях?

Похоже, что да. Но на определённых условиях.

«Мы открыты к частным предложениям. Но нам нужно понимать, что те методики, то содержание, которые предлагаются, действительно соответствуют федеральному государственному стандарту… Библиотека верифицированного контента и сервисов ЦОС будет состоять из двух блоков. Первый — бесплатный и общедоступный контент по всей школьной программе, разбитый по классам, темам, уровням сложности в помощь ученикам и учителям. Там будут задания с возможностью автоматической проверки, видеоматериалы, интерактивные презентации. Второй блок — это высокотехнологический „опциональный“ — то есть дополнительный — контент от представителей EdTech-индустрии. Он будет размещаться в специальном разделе — «Маркетплейсе». Весь этот контент в обязательном порядке пройдёт экспертизу», — рассказывал в интервью министр просвещения Сергей Кравцов.

Иными словами, чтобы образовательный контент для школьников попал в «Маркетплейс» ЦОС, он для начала должен будет пройти экспертизу. государственной экспертизы контента и формирования его поставщиков ещё не утверждён. Предполагается, что заключение государственной экспертизы о включении контента в библиотеку будет действовать три года.

Вузовский портал СЦОС уже включает в себя курсы не только университетов, но и частных игроков рынка онлайн-образования. Правда, они там пока в меньшинстве: видимо, платформа ориентирована всё-таки прежде всего на обмен своими курсами между вузами в формате виртуальной академической мобильности.

Технологии ЦОС в школах и платформа СЦОС для студентов предполагаются бесплатными для пользователей. За контент для базового блока ЦОС заплатит государство: разработчик «Моей школы» Федеральный институт цифровой трансформации образования закупит образовательные материалы по 46 предметам для 1–11 классов на 800 млн рублей.

Задачи

• Сформировать системный подход к формированию единого образовательного пространства России на основе современных технологий
• Реализовать национальную платформу единого российского образовательного пространства с возможностью дистрибуции и контроля над использованием электронного образовательного контента
• Разработать методы и алгоритмы динамической адаптации образовательного процесса под индивидуальные особенности обучающихся
• Обеспечить доступ к защищенной российской электронной образовательной среде с любой точки планеты любому заинтересованному лицу
• Создать механизмы содействия патриотическому воспитанию граждан, формированию у детей общегражданской идентичности, развития культурных особенностей народов России, продвижения русского языка, сохранения и развития национальных языков коренных народов России.

Z-преобразование

Основная статья: Z-преобразование сигналов

Для анализа дискретных сигналов и систем широко используется z-преобразование, которое является обобщением дискретного преобразования Фурье. Этим преобразованием произвольной непрерывной функции s(t){\displaystyle s(t)\,\!}, равномерно дискретизированной и отображенной отсчетами sk=s(kt){\displaystyle s_k = s(k t) \,\! }, ставится в соответствие степенной полином по переменной z{\displaystyle z \,\! } или по переменной z−1=1z{\displaystyle z^{-1} = \frac{1}{z} \,\! }, последовательными коэффициентами которого являются отсчеты функции:

где z=σ+jv=r⋅e−j{\displaystyle z = \sigma + jv = r \cdot e^{-j} \,\! } – произвольная комплексная переменная.

Это преобразование позволяет использовать всю мощь дифференциального и интегрального исчисления, алгебры и прочих глубоко развитых разделов аналитической математики.

Системы обычно описываются линейными разностными уравнениями с постоянными коэффициентами:

Этим уравнением устанавливается, что выходной сигнал y(k){\displaystyle y(k) \,\! } системы в определенный момент ki{\displaystyle k_i \,\! } (например, в момент времени kiΔt{\displaystyle k_i \Delta t \,\!}) зависит от значений входного сигнала x(k){\displaystyle x(k) \,\! } в данный момент (ki){\displaystyle (k_i) \,\! } и предыдущие моменты (ki−n){\displaystyle (k_i-n) \,\! } и значений сигнала y(k){\displaystyle y(k) \,\! } в предыдущие моменты (ki−m){\displaystyle (k_i-m) \,\! }.

Z-преобразование этого уравнения, выраженное относительно передаточной функции системы H(z)=Y(z)X(z){\displaystyle H(z) = \frac{Y(z)}{X(z)} \,\! }, представляет собой рациональную функцию от переменной z{\displaystyle z \,\! } в виде отношения двух полиномов. Корни полинома в числителе называются нулями, а в знаменателе – полюсами функции H(z){\displaystyle H(z)\,\! }.

• Если все полюса лежат вне единичной окружности |z|=1{\displaystyle |z| =1 \,\! } на комплексной z{\displaystyle z \,\! }-плоскости (по модулю больше единицы), то система является устойчивой (не пойдет “вразнос” ни при каких входных воздействиях).
• Нули обращают в ноль H(z){\displaystyle H(z) \,\! } и показывают, какие колебания вовсе не будут восприниматься системой (“антирезонанс”).
• Полюса обращают H(z){\displaystyle H(z) \,\! } в бесконечность (такой сигнал на входе системы вызывает резонанс и неограниченное возрастание сигнала на выходе).

Систему называют минимальнофазовой, если все полюсы и нули передаточной функции лежат вне единичной окружности.

Кроме того, применение z-преобразования с отрицательными степенями z−1{\displaystyle z^{-1} \,\! } меняет положение полюсов и нулей относительно единичной окружности |z|=1{\displaystyle |z| =1\,\! } (область вне окружности перемещается внутрь окружности, и наоборот).

Применения DSP

Существует множество вариантов цифровых сигнальных процессоров, которые могут выполнять разные вещи в зависимости от выполняемого приложения. Некоторые из этих вариантов: обработка аудиосигнала, сжатие аудио и видео, обработка и распознавание речи, цифровая обработка изображений, радиолокационные приложения. Разница между каждым из этих приложений заключается в том, как цифровой сигнальный процессор может обрабатывать каждый вход. Существует пять различных аспектов, которые варьируются для каждого DSP: тактовая частота, размер ОЗУ, ширина шины данных, размер ПЗУ и напряжение входа/выхода. Все эти компоненты действительно будут влиять на формат вычислений, скорость, организацию памяти и ширину данных процессора.

Одной из известных архитектурных схем является гарвардская архитектура. Эта конструкция позволяет процессору одновременно обращаться к двум банкам памяти с помощью двух независимых наборов шин. Данная архитектура может выполнять математические операции, одновременно получая дополнительные инструкции. Другая архитектура – архитектура памяти фон Неймана. Так как в ней есть только одна шина данных, инструкции не могут быть загружены во время выполнения команд. Это создает пробку, которая, в конечном счете, замедляет выполнение приложений DSP. Хотя эти процессоры похожи на процессор, используемый в обычном компьютере, эти цифровые сигнальные процессоры являются специализированными. Это часто означает, что для выполнения задач DSP процессоры требуют использовать арифметику с фиксированной точкой.

Другим аспектом является дискретизация, т.е. преобразование непрерывного сигнала в дискретный сигнал. Одним из основных ее приложений является преобразование звуковых сигналов. Дискретизация аудиосигналов использует цифровые сигналы и импульсно-кодовую модуляцию для воспроизведения звука. Необходимо, чтобы люди слышали звук от 20 Гц до 20 кГц. Частоты дискретизации выше, чем около 50-60 кГц, не могут предоставить человеческому уху больше информации. При помощи этой технологии дискретные отсчеты аудиосигналов могут быть воспроизведены, используя различные фильтры с программным обеспечением DSP, АЦП и ЦАП.

Цифровая обработка сигналов широко используется в повседневных операциях и имеет важное значение для преобразования аналоговых сигналов в цифровые для многих целей. Я надеюсь, что эта статья предоставила информацию, достаточную, чтобы получить общее представление о том, что такое DSP процессоры, как они работают, и что они используются во множестве областей

Если у вас есть какие-либо вопросы или мысли, пожалуйста, оставляйте комментарии ниже!

Я надеюсь, что эта статья предоставила информацию, достаточную, чтобы получить общее представление о том, что такое DSP процессоры, как они работают, и что они используются во множестве областей. Если у вас есть какие-либо вопросы или мысли, пожалуйста, оставляйте комментарии ниже!