Digitální technologie a technika Martin Dosedla
1. Úvod V současné době stále častěji slýcháme pojmy z oblasti digitální techniky či technologií. Mnoho z nás včetně žáků základních škol používá celou řadu zařízení, které se dají zařadit mezi ty digitální. Ne každý však dokáže využít všech možností těchto přístrojů a ještě méně z nás ví jak vlastně opravdu pracují a na jakém principu fungují. Součástí RVPZV (Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání) je i výuka využití digitálních technologií. Žáci na druhém stupni ZŠ by měli získat znalosti základů teorie různých technologií a seznámit se z jejich využitím v praxi v podobě zařízení, se kterými se mohou dnes běžně setkat. Tuto digitální techniku by si měly také prakticky vyzkoušet používat a osvojit si základní návyky při práci s ní. Tato práce předkládá stručný přehled principu digitálních zařízení a základních pojmů. Také uvádí konkrétní přístroje s nimiž by se mohli žáci seznámit a naučit se je efektivně ovládat. Dokument může sloužit jako pomůcka pro pedagogy. Ti, pokud se chtějí věnovat výkladu této problematiky a prakticky s žáky demonstrovat využití digitálních zařízení, by měli znát teorii a seznámit se s používáním konkrétních přístrojů. Samozřejmostí pak je i znalost obsluhy osobního počítače na nejlépe pokročilé uživatelské úrovni, protože mnoho z níže uvedených zařízení je možné s počítači propojit a tím zvýšit jejich využití.
2. Digitální technika a technologie Do této oblasti můžeme zařadit celou řadu zařízení a technologií se kterými se dnes již běžně setkáváme. Jsou to v první řadě určitě osobní počítače a prakticky téměř všechny periferní zařízení k nim připojované. Jsou to mobilní telefony, kterými disponuje drtivá většina žáků na druhém stupni základních škol. Jsou to pojmy jako GSM, USB, DVD, digitální fotoaparáty a kamery, CD i MP3 přehrávače, PDA, WiFi i obecně počítačové sítě, bluetooth a spousta dalších a dalších. V této kapitole se tedy podíváme na principy činnosti alespoň těch nejpoužívanějších i s praktickými příklady jejich využití při výuce. Tedy toho co si s žáky vyzkoušet.
2.1 Digitální signál a digitální záznam Ještě než se začneme zabývat konkrétními technologiemi a zařízeními bylo by vhodné se seznámit s obecným významem pojmu „digitální“. Nemá smysl zacházet do některých detailních popisů, ale minimálně pedagog by měl znát tyto pojmy a být schopen vysvětlit je žákům. Opakem digitálního signálu je signál spojitý. Spojitý signál je definován jako spojitá funkce v čase a může nabývat neomezeného množství hodnot. Oproti tomu digitální signál se získá ze spojitého jeho vzorkováním a kvantováním. Zjednodušeně jde o to, že v určitých rozestupech bereme vzorky signálu a vytváříme tak diskrétní (nespojitý) signál. Pokud tedy digitalizujeme nějaký spojitý signál dochází vždy k určité ztrátě kvality (ztrátě informace). V digitální technice a mikroprocesorových logických obvodech pak signál může nabývat dvou hodnot – logické 0 a logické 1. Tím je pak reprezentována hodnota nebo velikost jednoho bitu, který nese požadovanou informaci. Všechny digitální zařízení pak pracují právě s digitálním signálem a jeho logickými úrovněmi 0 a 1. Pokud chceme digitální signál zaznamenávat jako informaci. Ukládat data, zvuk nebo video digitálně, je nejprve třeba jej právě digitalizovat a pak již zaznamenávat ve formě nul a jedniček. Tyto informace se pak většinou nezaznamenávají přímo ale dochází k dalšímu kódování a případně kompresi.
2.2 Digitální zařízení a technologie V této kapitole popisuji jednotlivé přístroje využitelné při výuce digitální techniky na 2. stupni základních škol. Nejprve vždy stručně (a zjednodušeně) vysvětlím princip funkce a pak navrhnu jejich možné praktické využití a vyzkoušení některých možností s žáky.
PC a periferní zařízení Prvním digitálním zařízením o kterém je třeba se zmínit je PC (osobní počítač). Pokud vyučujeme běžně informační výchovu, učíme tak žáky i zacházet právě s tímto digitálním zařízením. Cílem tohoto příspěvku není věnovat se popisu a funkci počítače a jeho praktická využití jsou opravdu velmi široká. Dále se tedy spíše zaměřím na využití PC s souvislosti s dalšími digitálními zařízeními. Mezi periferní zařízení řadíme prakticky vše co můžeme s počítačem propojit a využívat. Jsou to tiskárny, scannery, LCD obrazovky, a spousta další techniky. CD, DVD CD (compact disc) i DVD (digital video/versatile disc) řadíme mezi optická záznamová média. Průměr médií je u obou technologií 120 mm nebo 80 mm. Na těchto discích jsou informace (data, audio i video) zaznamenány ve formě důlků nebo plošek. U „ROM“ lisovaných a u „R“ vypalovaných pomocí laseru. Při čtení se pomocí optické soustavy zostří laserový paprsek na odraznou vrstvu s důlky. Po odrazu se vrací zpět a polopropustným zrcadlem je odbočen na fotodiodu. Intenzita odraženého paprsku je různá podle odražení (od důlků – „pit“ nebo plošek – „land“) a rozeznávají se dva stavy 0 a 1. Zápis na jednou zapisovatelná média (R – recordable) probíhá opět laserovým paprskem. Disk má na vrstvě zlata nanesenou organickou vrstvu krytou polykarbonátovým základem. Laserový paprsek projde polykarbonátem a propálí organickou vrstvu až k vrstvě zlata a tím vzniká důlek (pit). Takto vypálený důlek není samozřejmě tak kvalitní jako důlek lisovaný, ale pro čtení je rozdíl odrazů dostatečný. Přepisovatelná „RW - rewritable“ média při záznamu nevypalují důlky, ale mění krystalickou strukturu na amorfní a zpět. Při místním ohřátí laserovým paprskem se změní struktura v tomto místě. Pokud se ohřeje méně, vrátí se do původního stavu. Paprsek čtecího laseru se od
místa s amorfní strukturou odráží méně než od místa s fází krystalickou, jsou tedy rozlišeny dva stavy - nula a jednička. CD má standardně kapacitu 650 nebo 700 MB. U CD jsou data ukládána vždy pouze na jedné straně v jedné datové vrstvě. DVD může mít datové obě strany disku a to v jedné (DVD-5) nebo dvou (DVD-9) vrstvách. Kapacity DVD se tak pohybují od 4,7 GB do 17 GB. Vyšší kapacity u DVD oproti CD jsou dosaženy díky vyšší hustotě záznamu využitím menších rozměrů důlku. To je umožněno díky užšímu laserovému paprsku – kratší vlnová délka. Další zvyšování kapacit pak u HD DVD a BlueRay disků je pět umožněno dalším zkrácením vlnové délky paprsku (HD-DVD 405nm, oproti DVD 650nm). CD, DVD – praktické využití K praktickému procvičení je vhodné využít osobní počítač s CD nebo DVD vypalovací mechanikou a nainstalovaným SW. K vypalovací mechanice je většinou dodáván i takový program. Například Nero Burning ROM. V této oblasti je možné využít i jiných zdarma dostupných aplikací (např. na http://www.stahuj.cz/multimedia/vypalovani_cd/). V programu žáky naučíme vypalovat nejen klasické datové disky s vlastními soubory (obrázky, dokumenty, apod.), ale i audio disky s hudbou (a případně i DVD disky s videem). Žáky tak můžeme naučit pracovat s CD a DVD médii na několika úrovních. Naučit je vytvářet takové disky a také přehrávat a číst z nich. Také je vhodné je informovat o zásadách práce, protože disky jsou citlivé na poškrábání. Zde se navíc hodí uvést i informace týkající se legálnosti či nelegálnosti kopií. MP3, MPEG MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3) je formát souboru a zároveň komprese zvuku. Jedná se o ztrátovou kompresi kdy se oproti např. klasickému Audio CD vypouští celá řada informací. Kompresní algoritmus se snaží na základě mnoha poznatků a parametrů lidského ucha odstranit informace, které by posluchač stejně pravděpodobně neslyšel. V závislosti na stupni komprese tak lze docílit poměrně kvalitního zvuku při značném snížení velikosti souborů. Po této ztrátové kompresi je ještě provedena klasické bezeztrátová komprese, která dále sníží objem dat. Základními parametry komprese jsou vzorkovací frekvence (…, 32 kHz, 44 kHz, 48 kHz, …) a datový tok (…, 128 kbps, 160 kbps, 192 kbps, …). Při rozumném nastavení středních hodnot se velikost souboru sníží až desetinásobně.
MPEG-4 je standard vyvinutý MPEG skupinou (Moving Picture Experts Group) jako součástí ISO/IEC. Jedná se o standard pro kódování multimediálních dat (audia i videa). Kromě MPEG-4 existuje více MPEG standardů (MPEG-2, MPEG-3, …) a každý má své specifické využití. Z MPEG-4 vycházejí i moderní kompresní formáty jako je DivX. MPEG-2 je dnes využíván pro digitální televizi a s rozšířeními umožňuje i HDTV kvalitu (vysoké rozlišení). MP3, MPEG – praktické využití Žáci si mohou vyzkoušet převést zvuk (získaný z CD nebo nahraný přes mikrofon) do formátu MP3. K tomuto je možné využít některý freeware nebo i shareware program (http://www.slunecnice.cz/Win/Multimedia/Audio/Konverze-zvuku/). U MP3 je třeba se zmínit i o jejich praktickém využití, kdy díky menším souborům je možné na stejný prostor umístit více hudby. Velmi rozšířené jsou i MP3 přehrávače, které nahrazují klasické přenosné kazetové nebo CD přehrávače hlavně díky svým rozměrům a kapacitě. Vyzkoušení videokompresních formátů je možné nejlépe v kombinaci s digitální kamerou, ale i bez ní lze žáky seznámit alespoň s možnostmi práce s digitálním videem. Digitální fotoaparát Další typický digitální přístroj, který mnoho z nás využívá slouží přímo k digitalizaci obrazu světa. Digitální fotoaparát se od obyčejného liší tím, že místo filmu obsahuje elektronický snímací prvek (nejčastěji snímač CCD) a paměť nebo spíše paměťovou kartu (Compact Flash, Smart Media, xD kartu), na které jsou sejmuté snímky uloženy. Dá se tedy říci, že scénu před objektivem rovnou skenuje, převádí do podoby počítačového souboru. Základními parametry fotoaparátu je právě rozlišení snímacího prvku a dalšími pak samozřejmě kvalita optiky, paměť a optický ZOOM (možnost přiblížení scény). S přístrojem se fotí buď přes hledáček nebo přímo přes LCD displej. Výhodou je možnost mnoha různých nastavení a režimů při fotografování a okamžitá kontrola fotografie na displeji. Digitální fotoaparát pracuje buď v automatickém režimu, kdy si podle světelných podmínek nastavuje sám parametry pro docílení nejlepší kvality snímků. Nebo můžeme nastavovat jednotlivé parametry ručně. Těmito parametry jsou clona, čas a ISO. Clona udává míru zúžení otvoru objektivu. Čím větší clona tím je otvor propouštějící světlo více zmenšen (f2, f4, f16, ..). Čím je větší clona tím je také větší hloubka ostrosti snímku. Čas říká na jak dlouhou dobu zůstane
při pořizování snímku otevřena uzávěrka (kratší čas umožňuje např. fotit rychleji se pohybující objekty) a ISO značí citlivost snímacího prvku na světlo. Kombinací těchto parametrů můžeme docílit různých výsledků. Fotoaparát často umožňuje používat i tzv. motivové programy (sport, noc, makro, krajina, portrét, …) a podle jeho volby nastaví tyto parametry sám automaticky. Velkou výhodou digitálních fotoaparátů je hlavně možnost přenést snímek jednoduše do počítače a tam jej dále upravovat. Odstraňovat chyby, přidávat efekty či vytvářet fotomontáže. Digitální fotoaparát - praktické využití Pokud máme k dispozici digitální fotoaparát, máme opravdu celou řadu možností co žáky učit. V první řadě je třeba seznámit se s konkrétním přístrojem a jeho možnostmi. Žáky necháme vytvořit si několik snímků, kdy využijeme různého nastaveni (portrét, krajina, sport, …). Vytvořené fotografie si mohou žáci přenést do počítače a případně i vytisknout na tiskárně. Pokud máme k dispozici nějaký program na úpravu fotografií (např. Zoner PhotoStudio) můžeme upravovat a opravovat fotografie. Často je k digitálnímu fotoaparátu přiložen alespoň jednoduchý program, který pro základní práci s fotografií postačí. Pro vytváření složitějších fotomontáží je však již třeba výkonnějšího SW. I zde lze ale nalézt zástupce mezi volně dostupnými (GIMP, Paint.NET). Scanner a tiskárna Scanner je opět typickým zařízením sloužícím k digitalizaci obrazu. Osvětlená předloha je snímána za pomoci odraženého světla, které putuje do snímače (CCD) a tam s využitím fotoefektu je vyhodnoceno a převedeno na digitální signál. Parametrem scanneru je hlavně jeho optické rozlišení a barevná hloubka. Čím větší rozlišení tím je možné zachytit více detailů předlohy. Snímač pracuje jednoprůchodově nebo tříprůchodově, podle toho zda se snímají všechny tři základní barvy společně nebo zvlášť (RGB – červená, zelená, modrá). Mezi rastrovými tiskárnami rozeznáváme tři základní (nejpoužívanější) typy podle technologie tisku. Jehličkové – jehličky jsou vystřelována elektromagnety na základě signálu z počítače proti papíru přes barevnou pásku a ta se tak otiskuje v daných místech na papír. Inkoustové pracují s kapalnými inkoustem a kapičky o obsahu několika pl jsou soustavou trysek stříkány proti papíru. K tomu dochází na základě zahřátí inkoustu nebo piezoelektricky.
Laserové tiskárny využívají nabitého válce, kde laserový paprsek vybíjí místa tam, kde se má otisknout toner (prášek kterým se tiskne). Toner se zachytí ve vybitých místech a celý válec se pak otiskne na papír. Aby byl tisk stálý prášek se za vysoké teploty zažehlí do papíru. Barevné tiskárny obecně mají každou ze základních barev oddělenu zvlášť (CMY – azurová, purpurová, žlutá) a jejich mícháním či přetiskem dochází k vytvoření požadovaného odstínu barvy. Scanner a tiskárna – praktické využití Pokud má škola k dispozici tiskárnu i scanner, mohou si žáci oskenovat předlohu a pak ji vytisknout na tiskárně. Ke snímání je vždy ke scanneru dodán základní SW. Také je možné, podobně jako u digitálního fotoaparátu, využít některého z grafických programů a s předlohou dále pracovat. Mobilní telefony a GSM Mobilní telefony jsou jedním z nejvyužívanějších digitálních zařízeních i mezi žáky základních škol. Slouží dnes nejen ke komunikaci (telefonování, SMS), ale novější modely umožňují fotografování, přehrávání MP3 souborů nebo třeba připojení na internet. Mobilní sítě propojují jednotlivé účastníky, kdy každý má svoje identifikační číslo na tzv. SIM kartě. Přístroj se přihlásí k sítí (respektive nejbližší stanici) a v tu chvíli je viditelný v celé síti. V oblasti mobilních telefonů existuje mnoho pojmů jako jsou GSM (globální systém pro mobilní komunikaci), GPRS, WAP, SMS, MMS, EDGE, UMTS a mnohé další a nemá smysl je přímo technicky popisovat a vysvětlovat. Je však vhodné seznámit žáky alespoň s tím co se pod některými pojmy skrývá. Mobilní telefony a GSM – praktické využití Snad každý žák druhého stupně zvládá ovládání mobilního telefonu. Ne však každý v plné míře využívá jeho možností. Zaměřil bych se tedy zde spíše na nastavení a připojení mobilního telefonu k internetu (přístup k poště a informacím), na propojení mobilního telefonu s počítačem a ukázky synchronizace kontaktů, nahrávání souborů a aplikací (pokud to přístroj podporuje). Některé přístroje disponují již svým vlastním operačním systémem a
mají tak mnohem širší využití než jen telefonování a posílání textových zpráva dá se s nimi pracovat podobně jako s PDA přístroji. Počítačové (bezdrátové) sítě a internet Důležitost a rozšíření počítačových sítí stoupá stále na významu. Ať již se jedná o klasické lokální sítě, o internet jako globální síť nebo o moderní bezdrátové propojení. Sítě dělíme podle rozlohy na LAN (lokální) a WAN (rozlehlé). Kromě toho existují další typy, ty si ale můžeme dovolit nyní opomenout. Internet patří do rozlehlých sítí jedná se o decentralizovanou distribuovanou celosvětovou síť. Připojit k ní lze jakýkoliv počítač (ale i další zařízení). V internetu se využívá ke komunikaci sady protokolů TCP/IP a k adresaci IP adres. Každý počítač musí mít svoji 32b IP adresu a pomocí technik směrování se pak informace přenáší mezi jednotlivými uživateli. Zadá-li uživatel v prohlížeči adresu (např. www.google.com), zadává ji v doménovém tvaru. Tato adresa se musí nejprve převést pomocí DNS (domain name systém) na IP adresu a pak teprve může začít komunikace. K internetu se můžeme připojit mnoha způsoby - pomocí modemu, DSL, WiFi, nebo třeba kabelové televize. Internet poskytuje celou řadu služeb a k tomuto využívá aplikační protokoly. Protokol obecně definuje pravidla podle kterých mají stanice komunikovat. Nejznámější aplikační protokoly jsou http (pro přenos hypertextu na webu), ftp (přenos souborů), pop3, smtp (pro elektronickou poštu) a mnoho dalších. Lokální sítě mohou být propojeny buď kabeláží nebo bezdrátově. Nejpoužívanějším typem lokální sítě je Ethernet. Institut IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) jej definuje a standardizuje jako IEEE 802.3. Je zde definováno několik typů podle rychlostí i použitého přenosového média (kabeláže). Klasický Ethernet pracuje na koaxiálním kabelu rychlostí 10Mbps, novější verze pak využívají kroucené dvoulinky nebo optického kabelu a dosahují rychlostí 100Mbps až 10Gbps. K propojení počítačů je třeba instalovaná síťová karta a případně nějaký centrální propojovací prvek (hub, switch, …). Mezi bezdrátovými technologiemi je neznámější WiFi (802.11). Zde se k přenosu využívá elektromagnetických vln. Cílem je propojení LAN, připojení přenosných zařízení i připojení k internetu. Počítače vybavené wifi rozhraním se připojují k přístupovému bodu (AP), který plní podobnou funkci jako hub v ethernetu. Vysílač tedy pokrývá určitou oblast signálem a vytváří tak buňku. Wifi pracuje v pásmu 2,4 nebo 5 GHz a podle verze umožňuje rychlosti od 11Mbps (802.11b) do 540Mbps (802.11n).
Počítačové (bezdrátové) sítě a internet – praktické využití V oblasti internetu je vhodné jistě procvičovat více než teorii praktické využití jeho služeb. Efektivní vyhledávání pomocí vyhledávačů i katalogů, pohyb na webu. Založení emailové schránky a práce s ní. Posílání elektronické pošty včetně příloh (například fotek pořízených digitálním fotoaparátem) či přenos souborů. V lokálních sítích se pak zaměřit opět na jejich praktické využití. Tedy jednoduché propojení několika počítačů s využitím kabelu nebo bezdrátově. Při využití malého centrálního prvku – routeru je možné vše vyzkoušet. Určitě ale pak žáky naučit nastavit sdílení souborů a tiskáren v takové malé sítí a ukázat jim tak prakticky výhody propojení počítačů.
2.3 Další možné oblasti zaměření při výkladu a výuce
Kromě výše uvedené techniky a technologií je možné zavést výklad na mnoho dalších témat digitálního světa. USB (universální sériová sběrnice) pro připojování mnoha různých zařízení se využije v praxi i pro scannery, tiskárny, digitální fotoaparáty apod. PDA (personal digital asistent) je vlastně kapesním počítačem. Dnes takovým způsobem může sloužit i mobilní telefon s operačním systémem. Důležitá je opět jeho možnost propojit s PC a přenášet kontakty, poznámky a další. Využití digitální kamery i její princip je do jisté míry podobný digitálnímu fotoaparátu. Pokud je k dispozici digitální kamera bude pro žáky jistě zajímavé natočit si vlastní video a to si pak na počítači zpracovat. Zde bych ale již podrobnější látku a praktické provedení viděl spíše v nějakém kroužku než přímo v hodině výuky informatiky. E-book neboli elektronické knihy. Existuje několik formátů pro vytváření knih a jejich ukládání v elektronické podobě. Jejich výhodou je dobrá přenositelnost a univerzálnost. Již dnes existují některá přenosná zařízení umožňující prohlížet si takový soubor bez osobního počítače. Nejznámějším formátem je asi PDF. Žáci si mohou prakticky vyzkoušet převést dokumenty vytvořené třeba v MS Word do tohoto formátu a vystavit je třeba na internetu.
3. Závěr Při výuce digitálních technologií a digitální techniky se dá zaměřit na celou řadu zařízení a oblastí. K takové výuce je zapotřebí splnit dva předpoklady. Technické zabezpečení a znalosti lektora. Bez technického vybavení můžeme pouze přednášet teorii a žáci si sami prakticky nemohou vyzkoušet práci s těmito zařízeními. Pokud vyučující nemá potřebné teoretické znalosti tak nemůže ani takovou výuku aplikovat. V praxi vidím výhodnější zaměřit se na praktické používání zařízení a jednoduché seznámení žáků s pojmy, než na podrobné technické popisy principů některých technologií. Tyto popisy navíc vyžadují často hlubší znalosti z některých dalších oblastí (např. fyziky) a pro žáky je jistě zajímavější i užitečnější když umí techniku prakticky efektivně využívat, než když jen znají vnitřní princip funkce.
