MEZIOBOROVÝ VÝUKOVÝ KONCEPT AKUSTIKY A DIGITÁLNÍHO ZPRACOVÁNÍ ZVUKOVÉHO SIGNÁLU

Mgr. Daniel AICHINGER

Doctoral thesis

An interdisciplinary concept of teaching acoustics and digital audio processing

Abstract:

Disertační práce zkoumá možnosti modernizace výuky o zvuku a zvukové technice na středním stupni vzdělávání zavedením nového mezioborového výukového konceptu akustiky a digitálního zpracování zvukového signálu. Výchozím bodem návrhu konceptu je kritické didaktické zhodnocení a didaktická interpretace stávajících výukových konceptů akustiky nejčastěji používaných učebnic fyziky a vlastní formativní pedagogický výzkum v podobě dotazníkového šetření vstupních představ cílové skupiny žáků střední školy o zvuku a zvukových jevech, jejich fyzikálních modelech a veličinách pro popis zvuku. Hlavní část disertační práce tvoří vlastní výukový koncept rozdělený do čtyř kapitol. První kapitola se reviduje středoškolské formulace fyzikální akustiky a zavádí jednotný model zvuku objektivně popisovaného primárně veličinou akustický tlak a jejím hladinovým vyjádřením. Druhá kapitola pomocí tohoto modelu vysvětluje základy číslicového zpracování zvuku a analýzy digitálních zvukových signálů v časovém i ve frekvenčním oboru. Třetí kapitola objasňuje základní principy funkce digitální akustické měřicí a záznamové techniky. Zaměřuje se zejména na měření akustického tlaku pomocí elektretových kapacitních snímačů použitých dále ve čtvrté kapitole při návrhu počítačem řízeného a vyhodnocovaného měření rychlosti zvuku. Modernizaci této tradiční středoškolské laboratorní úlohy zahrnuje jak měření rychlosti zvuku metodou vyhodnocování časového zpoždění na dráze mezi dvěma snímači akustického tlaku, tak i metodami založenými na vyhodnocování jevů vznikajících při snímání harmonicky kmitajícího zdroje zvuku dvěma různě vzdálenými senzory a analýze záznamů akustického tlaku ve zvukovém poli stojatého zvukového vlnění vybuzeného testovacím signály v trubicových akustických interferometrech. Celý koncept kromě jednotného modelu zvuku propojuje metodika použití digitální počítačové techniky a zvukového softwaru pro kvantitativně vyhodnocované experimenty a měření v akustice. Každá kapitola je doplněna demonstračními experimenty, ukázkami a praktickým workshopem s žákovskými experimenty sloužícími jako příprava na projektovou výuku akustiky, v níž má u žáků dojít jak k tvůrčí aplikaci učiva konceptu, tak k dalšímu samostatnému utváření vědomostí a dovedností práce se zvukem.

Abstract:

Acoustics at secondary level schools in Czech Republic in present days is being taught as an appendix of the physics lessons dealing vibrations and waves. There are of course still many themes related to sound being taught in other school subjects. However this happens often in such a way, that pupils don't recognize the physics behind. Teaching methods and inconsistent concepts of sound used in different school subjects can't fully explain the origin, transmission and reception of sound. Examples for this are the human hearing threaded in biology, a different sound concept used in music lessons, speech reception and production concepts as taught in language lessons and besides these just all the basic questions concerning daily sound phenomena in pupil's everyday life. Furthermore digital acoustic communication and sound processing plays an increasingly important role in our lives and shouldn't therefore be overlooked in the computer and multimedia lessons. This dissertation thesis presents an interdisciplinary education concept for teaching acoustics and its applications in digital signal processing at secondary level schools. The thesis is divided into two parts: Part one summarizes normative governmental and curricular requirements, analyzes school books and surveys pupil's conceptions about sound. Part two suggests a new concept of teaching acoustics consisting of 4 chapters: Chapter 1 explains basics of physical acoustics. Chapter 2 introduces pupils into digital sound processing and audio coding. Chapter 3 deals with computer audio interface based measurement systems, that enable students to carry out quantitative experiments and measurements described in chapter 4, devoted to measuring the speed of sound in air using interference phenomena and standing sound waves in tubes. Each chapter contains a workshop with instructed experiments near to real life applications that enable students to examine different set-ups, modify parameters and to hear and visualize the results. This helps the pupils to get the feel for the examined acoustic phenomena, improve their understanding of sound, motivates them to systematically try out and encourage them to use the knowledge and mastered skills in a productive way. Finally pupils have to solve problem situations in their own acoustic and audio projects.

Keywords

akustika, zvuk, akustický tlak, senzor, mikrofon, kalibrace, zvuková karta, žákovský experiment, projektová výuka, výuka, výukový koncept, sluch, maskování, maskovací křivka, kódování zvuku

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 7. 2015

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Dr. Ing. Karel Rauner

University of West Bohemia

Faculty of Education

Doctoral programme / field:
Specialization in Pedagogy / Theory and Methodology of Teaching Physics