Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния существующей практики применения геоинформационных технологий в образовании 14
1.1. Основные тенденции развития современных ГИС-технологий 14
1.2. Анализ практики применения геоинформационных технологий в отечественном и зарубежном образовании 21
1.3. Использование информационной среды в образовании 26
Глава 2. Научно-методические положения построения информационной среды использования ГИС-технологий на коллекции предметных задач 30
2.1. Проблемно-ориентированный подход в подготовке специалистов различных направлений 30
2.2. Технология декомпозиции предметных задач для сведения их к последовательности формальных операций 43
2.3. Методы реализации формальных операций на основе аппарата распознавания 49
CLASS Глава 3. Концепция построения информационной среды использования ГИС- технологий для подготовки специалистов различных направлений в рамках непрерывного образования CLASS 62
3.1. Основные требования к построению информационной среды использования ГИС-технологий в образовании 63
3.2. Интерфейс информационной среды использования ГИС-технологий в образовании 75
3.3. Методика применения информационной среды для подготовки специалистов различных направлений 83
Глава 4. Примеры использования результатов исследований диссертационной работы 90
4.1. Программы учебных курсов для подготовки специалистов различных направлений 90
4.2. Использование технологии декомпозиции в задаче создания электронного атласа условий освоения минерально-сырьевой России 101
4.3. Примеры из коллекции предметных задач
для обучения школьников 108
Заключение 118
Литература 119
- Основные тенденции развития современных ГИС-технологий
- Проблемно-ориентированный подход в подготовке специалистов различных направлений
- Основные требования к построению информационной среды использования ГИС-технологий в образовании
- Программы учебных курсов для подготовки специалистов различных направлений
Введение к работе
В последнее время геоинформационные системы (ГИС) рассматриваются
в качестве эффективного инструмента анализа различных типов данных при исследовании особенностей развития регионов и выработки комплексных решений. В настоящее время ГИС занимают одно из ведущих мест среди различных информационных технологий в сфере управления, планирования и хозяйствования. Геоинформационные технологии, предлагая новые эффективные подходы к анализу и решению территориальных проблем, продолжают завоевывать все большую популярность и официальное признание в нашей стране, а цифровая пространственная информация начинает играть все более важную роль в задачах социально-экономического, политического и экологического развития и управления природным, производственным и трудовым потенциалом в национальных интересах.
Зарубежный и отечественный опыт эксплуатации различных ГИС
свидетельствует о том, что необходимость анализа географического
расположения явлений и объектов, их количественных и качественных
характеристик при помощи карты возникает у представителей различных
отраслей народного хозяйства. Средства, предоставляемые
геоинформационными технологиями, позволяют использовать новые эффективные подходы к решению широкого спектра задач в сфере социально-экономического, политического и экологического развития, управления, анализа и прогнозирования, недоступных другим компьютерным технологиям.
Необходимость использования ГИС в решении различного рода задач вызывает нарастающий спрос на качественные, надежные и удобные ГИС и, соответственно, на специалистов в области геоинформационных технологий различного уровня - как разработчиков программного обеспечения (ПО), так и высококвалифицированных пользователей.
В связи с этим, обучение геоинформационным технологиям, создание учебных и обучающих ГИС-систем, утверждение государственных стандартов по специализации «ГИС» для подготовки бакалавров, специалистов, магистров в
различных областях народного хозяйства является сегодня приоритетным направлением.
Для подготовки специалистов такого рода необходимо использовать современные информационные и телекоммуникационные технологии. Построение информационно-образовательной среды на основе современных информационных технологий привносит в учебный процесс новые возможности: сочетание высокой экономической эффективности и гибкости учебного процесса, широкое использование информационных ресурсов, существенное расширение возможностей традиционных форм обучения, а также возможность построения новых эффективных форм обучения.
Модернизация современного образования, в целом, направлена на поиск эффективных путей подготовки специалистов, одним из которых является технологизация образовательного процесса на основе проблемно-задачного подхода. Применение проблемно-задачного подхода в подготовке специалистов на основе ГИС-технологий позволяет демонстрировать важность изученного материала в будущей профессиональной деятельности и потому имеет огромное значение для образовательного процесса.
Таким образом, разработка информационной среды (ИС) использования ГИС-технологий в подготовке студентов различных направлений является актуальным направлением в области использования современных информационных технологий в образовании.
Цель исследования
Целью исследования является разработка информационной среды использования ГИС-технологий для подготовки специалистов различных направлений.
Задачи исследования
В соответствии с целью исследования в работе решаются следующие задачи.
1. Проведение анализа существующей практики использования ГИС-технологий в отечественном и зарубежном образовании.
Определение спектра предметных задач, решение которых необходимо для подготовки специалистов различных направлений.
Разработка унифицированной технологии декомпозиции предметных задач для их сведения к последовательности формальных операций и решения в среде ГИС.
Разработка концепции и макета информационной среды использования ГИС в обучении специалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач.
Разработка коллекции предметных задач для изучения учебных дисциплин в курсах: «Информатика», «Теория принятия решений», «ГИС в экологии», «ГИС в природопользовании», «Информационные системы и технологии», «Основы ГИС для школьников».
Структура и краткое содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 123 страниц машинописного текста, 25 иллюстраций. Список литературы включает 54 наименования.
В первой главе проведен анализ подходов к обучению специалистов на основе ГИС, используемых в практике отечественного и зарубежного образования.
В первом разделе приведены основные тенденции развития современных ГИС технологий.
В разделе проведен краткий обзор отечественных и зарубежных ГИС, наиболее доступных на Российском рынке, которые были рассмотрены с позиций их возможностей, степени открытости, уровня требований к аппаратному обеспечению, стоимости, потребностей отечественных пользователей и выявленных в процессе эксплуатации недостатков.
В качестве итогов обзора ГИС, отмечается популярность Arcview, Mapinfo и ГИС INTEGRO обусловленная тем, что данные пакеты являются готовым набором средств для создания электронных карт различного назначения и комплексного решения прикладных задач.
Во втором разделе проведен анализ практики применения ГИС-технологий в отечественном и зарубежном образовании.
Наблюдается рост и развитие различных лабораторий и научно-исследовательских центров, занимающихся изучением и применением ГИС в различных сферах народного хозяйства. В ВУЗах создаются соответствующие подразделения и кафедры.
Требования к использованию ГИС и их внедрению в образовательный процесс подготовленным картографической секцией Учебно-методического объединения университетов России и закреплены в ГОСТах высшего профессионального образования по различным специальностям.
Анализ состояния существующей практики применения ГИС технологий в образовании зафиксировал недостаток теоретических и методических разработок в области использования ГИС технологий как инструмента для решения прикладных задач.
Третий раздел посвящен обзору достижений современных информационных технологий в образовании.
Появление персональных компьютеров и доступа в глобальную сеть Интернет привнесло в сферу образования не только новые технические, но и дидактические возможности, которые заключаются в простоте диалогового общения, доступе к гигантским объемам информации, возможности визуализации. Применение графических объектов в образовательных компьютерных системах позволяет не только увеличить скорость передачи информации обучаемому и повысить уровень ее понимания, но и способствует развитию интуиции, профессионального чутья, образного мышления.
Во второй главе рассматриваются научно-методические основы для создания информационной среды использования ГИС технологий в подготовке специалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач.
В первом разделе приводится перечень предметных задач, набор формальных операций для их реализации в рамках общей схемы постановки и решения.
В работе предлагается общая схема постановки и решения предметных задач, используемых для подготовки специалистов различных направлений в рамках НС.
Для реализации этапов схемы постановки и решения предметных задач в диссертации разработан перечень формальных операций, который может расширяться в процессе решения и накопления предметных задач. Каждая формальная операция должна иметь свою формулировку, методы и алгоритмы выполнения, программное и методическое обеспечение.
Во втором разделе приводится описание технологии декомпозиции предметных задач, которая обеспечивает сведение их к набору формальных операций.
На первом этапе декомпозиции происходит разработка онтологии задачи предметной области. Определяются термины, описывающие предметную область, осуществляя поиск и объединение информации из различных источников.
Этапы формулирования и формализации задачи реализуются по схеме постановки и решения предметных задач, указанной в разделе 2.1.
Результатом этапа формализации предметной задачи является определение набора формализованных задач, которые далее сводятся к последовательности формальных операций. Завершающим этапом технологии декомпозиции является формирование технологического паспорта задачи.
Третий раздел посвящен методам реализации формальных операций, одним из которых является аппарат распознавания.
В данной работе предлагается формализация знаний эксперта об исходных данных предметной задачи, когда представленный материал обучения неполон. Для дополнения и улучшения материала обучения предлагается построение экстремальных объектов. Экстремальные объекты атх - это объекты,
мера сходства //(о*,ачх)между которыми равна нулю. Эти объекты должны легко распознаваться, так как находятся в вершинах пространства косвенных свойств.
Третья глава посвящена концепции построения информационной среды (ИС) использования ГИС-технологий для подготовки специалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач.
В первом разделе сформулированы основные требования к построению ИС использования ГИС-технологий в образовании, разработка которой предназначена для подготовки специалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач. Цель создания такой среды - предоставление инструментария для решения описанных в разделе 2.1. предметных задач. Использование ГИС-технологий в подготовке специалистов различных направлений позволяет более эффективно осваивать различные учебные дисциплины.
Разработанные во второй главе научно-методические положения позволили сформулировать требования к построению ИС использования ГИС в подготовке специалистов.
На основе сформулированных требований определена структура информационной среды обучения ГИС-технологиям.
Во втором разделе приводится описание интерфейса ИС использования ГИС в обучении, реализованного на основе Web-технологий.
Приведенные требования и структура информационной среды определяют принципы построения пользовательского интерфейса.
В диссертации разработана структура пользовательского интерфейса, который состоит из административного и функционального блоков.
Предлагаемая структура интерфейса является универсальной и может быть адаптирована для любого образовательного учреждения.
В третьем разделе приведена методика применения информационной среды использования ГИС для подготовки специалистов различных направлений. Основным подходом в подготовке специалистов различных направлений является проблемно-задачный подход, реализованный в коллекции предметных задач.
Для обеспечения образовательного процесса в ИС определены типы пользователей: администраторы, технологи, гости, обучающие, обучающиеся.
Критерий качества освоения учебного материала обучающимся на основе информационной среды использования ГИС сводится к качеству решения задачи предметной области. Исходя из характеризующих признаков обучающегося (не должен делать ошибок и решать задачу за минимальное время) критерий качества освоения учебного материала Ккач определяется двумя составляющими: правильностью и временем выполнения задания.
В четвертой главе иллюстрируются примеры использования результатов исследований диссертационной работы.
Первый раздел содержит описание разработанных программ учебных курсов для подготовки специалистов.
Для обеспечения образовательного процесса в информационной среде использования ГИС-технологий в подготовке специалистов различных направлений автором были разработаны программы учебных курсов, которые используются для обучения школьников старших классов, студентов специальностей экологии, геофизики, информационных систем, а также специалистов в области экологии, природопользования, муниципального управления в рамках курсов повышения квалификации дополнительного образования.
Каждый разработанный учебный курс содержит теоретический раздел, контрольные вопросы для самопроверки, набор практических заданий и коллекцию предметных задач, примеры которых будут приведены ниже.
Во втором разделе иллюстрируется технология сведения задачи к последовательности формальных операций и примеры предметных задач, используемых для подготовки студентов различных направлений, переподготовке и курсов повышения квалификации.
В разделе рассматривается задача «Создание электронного атласа условий освоения минерально-сырьевой (МСБ) России», выполненная в лаборатории Геоинформатики ВНИИ Геосистем Любимовой А.В., на примере которой иллюстрируется технология декомпозиции.
Аналогично приведенному примеру декомпозиции предметных задач разработаны практические задания, которые используются при подготовке студен-
тов различных направлений и применяются в качестве практикума курсов повышения квалификации для дополнительного образования.
В третьем разделе приведены примеры из коллекции предметных задач, используемых для обучения школьников.
В разделе приводятся следующие задачи: «Экология города», «Изучение отображения смены времен года на космических снимках», «Льды Мирового океана», «Изучение природных зон по космическим снимкам», «Школьный двор», «Лучшая школа», «Поиск погибшего корабля».
Задачи разработаны для подготовки школьников по дисциплинам: экология, география, а также для элективного курса «Основы ГИС для школьников».
Основные результаты проведенных исследований сформулированы следующим образом:
Разработаны научно-методические основы для создания информационной среды использования ГИС-технологий в подготовке специалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач.
Модифицирована общая схема постановки и решения предметных задач дополнением ее этапами разработки онтологии предметной области; анализа, оценки и интерпретации полученных результатов.
Разработана технология декомпозиции предметных задач, позволяющая сведение их к иерархической последовательности формальных операций и обеспечивающая синтез новых задач различного уровня сложности.
Разработан алгоритм организации образов, позволяющий дополнять и улучшать исходный материал на основе моделирования экстремальных объектов в решении задач методами распознавания.
Разработана концепция построения информационной среды использования ГИС-технологий в подготовке специалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач.
Разработан и частично реализован пользовательский интерфейс информационной среды использования ГИС технологий в образовании для университета «Дубна».
Разработаны программы практических занятий и лабораторные работы для учебных курсов: «Информатика», «Информационные системы и технологии», «ГИС», целью которых является приобретение студентами навыков применения ГИС-технологий для решения различных предметных задач.
Разработаны программы учебных курсов «ГИС в экологии», «ГИС в природопользовании» и «Информационно-аналитические системы поддержки принятия решений» для повышения квалификации специалистов в области экологии, природопользования, охраны окружающей среды и муниципального управления.
Разработан учебный курс «Основы ГИС для школьников» и коллекция предметных задач для ознакомления школьников с возможностями ГИС-технологий и использованием их при изучении географии, экологии, информатики.
Научная новизна
Разработана унифицированная технология декомпозиции предметных задач, отличающаяся возможностью сведения их к иерархической последовательности формальных операций для методического обеспечения информационной среды использования ГИС в образовании.
Разработан алгоритм организации образов для дополнения и улучшения эталонного материала для решения задач на основе ГИС.
Разработана концепция создания информационной среды, направленная на интеграцию информационно-образовательных, методических и программных ресурсов в единую, открытую и развивающуюся информационно-образовательную среду.
Защищаемые положения
1. Разработанная технология декомпозиции является унифицированным методом сведения предметных задач к набору формальных операций, которые содержат собственные алгоритмы и средства реализации и являются основой для синтеза новых задач различного уровня сложности.
Алгоритм моделирования экстремальных объектов позволяет дополнять и улучшать эталонный материал, что повышает эффективность и надежность.
Построение информационной среды использования ГИС в образовании предоставляет новые возможности организации учебного процесса и позволяет расширение возможностей традиционных форм обучения.
Реализация и апробация работы
Разработанная технология декомпозиции предметно-ориентированных задач для решения их на основе набора формальных операций реализована в курсах: «Информатика», «Теория принятия решений», «Геоинформационные системы», «ГИС в экологии», «ГИС в природопользовании», «Информационные системы и технологии», «ГИС в муниципальном управлении», «Основы ГИС для школьников».
Учебно-методические рекомендации при подготовке специалистов различных направлений (экология и природопользование, геофизика, информационные системы, менеджмент) на основе информационной среды использования ГИС в образовании применены на кафедре системного анализа и управления университета «Дубна».
Разработанные в диссертации методические положения использования ГИС в обучении применены для создания курса «Основы ГИС-технологий для школьников».
Создана коллекция предметных задач для изучения дисциплин в университете «Дубна»: «Информатика», «Теория принятия решений», «ГИС», «Информационные системы и технологии». В рамках переподготовки и повышения квалификации в области современных информационных технологий работников муниципальной сферы, экологов и др. разработаны учебные курсы: «ГИС в экологии», «ГИС в природопользовании», «ГИС в муниципальном управлении».
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях, бизнесе», Гурзуф, 2004;
VIII Международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении», Санкт-Петербург, 2004; Городской школьной конференции «Шаг в науку», Дубна, 2004; Международной выставке информационных технологий «CeBIT 2005», Ганновер (Германия), 2005; Международной конференции «ГИС в прикладных исследованиях», Асьют (Египет), 2005; Международной конференции «Математика, компьютеры, образование», Дубна, 2006.
Публикации и личный вклад
Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором в 2000-2005 гг. Основные теоретические, методические и технологические результаты получены непосредственно автором. Разработка компонент информационной среды использования ГИС в образовании принадлежит автору. Разработка учебных программ и их внедрение в образовательный процесс проводилась при участии автора.
По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, из них 2 в соавторстве.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю Е.Н. Черемисиной, благодарит Т.Б. Прогулову, А.В. Любимову, И.Л. Спивака за ценные советы и участие в работе, А.В. Мурадяна за помощь в оформлении работы.
Основные тенденции развития современных ГИС-технологий
Географические информационные системы появились в 1960х годах как инструмент для отображения географии Земли и расположенных на ее поверхности объектов, используя компьютерные базы данных. Следы самой первой геоинформационной системы теряются в недрах Министерства обороны США, сотрудники которого использовали ГИС для того, чтобы ракета, летящая в сторону противника, попала в этого самого противника как можно точнее. Правда, существует и альтернативная версия - согласно ей, первая ГИС была создана в Канаде.
Основной прорыв произошел с появлением персональных компьютеров. ГИС быстро адаптировались к этой новой, более дешевой платформе и цена систем начала падать по мере того, как число пользователей и организаций, которые могли бы позволить себе ГИС, увеличивалось. Согласно Dataquest, мировой рынок ГИС-продуктов и услуг составил в 1997 году 2,5 млрд. долларов, разделенный примерно пополам между продажами в Северной Америке и во всем остальном мире, и растущий примерно на 15% в год.
Согласно определению, данному в отраслевом стандарте Минобразования России ОСТ ВШ 02.001-97 «Информационные технологии в высшей школе. Геоинформатика и географические информационные системы», географическая информационная система (ГИС) — это совокупность технических, программных и информационных средств, обеспечивающих ввод, хранение, обработку, мате-матико-картографическое моделирование и образное интегрированное представление географических и соотнесенных с ними атрибутивных данных для решения проблем территориального планирования и управления. А в разделе «Общие функциональные требования к ГИС» указано, что «ГИС должны выполнять следующие основные функции: функции автоматизированного картографирования (АК), функции пространственного анализа (ПА); функции управления данными (УД)» Прародителями ГИС выступают: 1) автоматизированные системы обработки и комплексного анализа геоданных, построенные на базе систем автомати зированного проектирования (Computer Aided Design — CAD), 2) системы автоматизированного картографирования (Automated Mapping — AM), 3) системы управления объектами распределенной хозяйственной инфраструктуры (Facilities Management — FM), 4) системы мелкомасштабного пространственного анализа, 5) системы управления базами данных. История развития ГИС так или иначе связана с наследованием и развитием свойств, характеристик, функций и структуры этих классов информационных систем. С начала 90-х годов ГИС развиваются как автоматизированные интегрированные информационные системы, включающие подсистемы сбора, хранения данных, обработки данных (моделирования), представления информации и телекоммуникационную подсистему. На протяжении всей истории развития ГИС происходило постоянное увеличение пользователей систем этого класса. Связано это как с удешевлением аппаратного и программного обеспечения, так и с расширением классов задач, решаемых с их помощью.
До последнего времени наиболее частым применением компьютерных методов в работе с пространственными данными является подготовка карт к печати. ГИС широко также используются для создания электронных геологических карт и атласов различного содержания. Накопление, согласование и представление картографических и фактографических данных в электронном виде — прямое назначение всех без исключения геоинформационных систем. Такой вид деятельности в качестве основного содержания сосредотачивается на накоплении данных, полученных в результате различных исследований. В этом случае обеспечиваются только информационно-поисковые и презентационные потребности пользователя системы. Кроме того, компьютерную систему можно использовать как инструмент самостоятельного исследования, такого же важного как химический анализ образцов или геофизическая съемка территории. В этом случае геоинформационная система должна выступать не как самоценный объект, а как оболочка специализированных программных комплексов, предназначенных для решения специфических задач, возникающих в связи с пространственным распределением природных и антропогенных объектов. В качестве примера можно привести обработку геофизической или космической информации при решении задач природопользования.
Каждое из перечисленных выше направлений имеет свои задачи и про блемы, а также программные и технологические средства, с помощью которых обеспечивается их решение.
Если рассматривать второе и третье направление, то среди геоинформационных систем можно выделить класс систем общего назначения, предназначенных, в основном, для ввода, хранения, первоначальной обработки, поиска и вывода информации. Наиболее известной ГИС-системой общего назначения является Arclnfo — Arc View разработки фирмы ESRI [1]. Другой класс геоинформационных систем — специализированные. Они жестко привязаны к предметной области и нацелены на решение возникающих в ней задач, живут на ее языке и в соответствующей терминологии.
К настоящему времени в мировой и отечественной практике накоплен значительный опыт разработки и эксплуатации ГИС для решения широкого круга задач, связанных с обработкой пространственных, в частности, геолого-географических данных [5]. В диссертации приведен краткий обзор зарубежных систем, причем наибольшее внимание уделено ГИС, представленным и доступным на отечественном рынке. Рассмотрение систем ведется не только с позиций их возможностей, степени открытости, уровню требований к аппаратному обеспечению, стоимости, но и с точки зрения потребностей отечественных пользователей и выявленных в процессе эксплуатации недостатков.
Геоинформационные системы получили сегодня в мире самое широкое применение. Они используются для решения научных и практических задач, включая планирование и управление на муниципальном, региональном и федеральном уровнях, комплексное многоаспектное изучение природно-экономического потенциала в пределах регионов, инвентаризацию природных ресурсов, проектирование транспортных магистралей, экологический мониторинг, обеспечение безопасности человека и производства и т.д. Опыт использования позволяет констатировать широкую и постоянно растущую сферу и эффективность применения геоинформационных систем в профессиональной деятельности современного специалиста.
Проблемно-ориентированный подход в подготовке специалистов различных направлений
В образовательных сферах, использующих современные информационные технологии, проблемно-ориентированный подход начал использоваться более 10 лет назад. Известный психопедагогический принцип, сформулированный в «Психопедагогике» Э.Стоунса в виде «обучение как решение проблем», равно как формула д. познера опыт + рефлексия = развитие выполняют при проблемно-задачном подходе обучения специалистов различных направлений роль первоосновы, формулируемой древними как поп посеге -prima lex. Не менее важным является то, что такой подход активизирует сферу когнитивных способностей, на стороне которой - значительная часть всех способностей вообще. В систематическом формировании при обучении проблемно-ориентированного мышления специалисты видят реальные возможности для расширения «пространства мышления». «Взращивание» такого нового стиля мышления, такого гибкого междисциплинарного «прочтения» задачи должно начинаться достаточно рано и систематически продолжаться в течение всех лет обучения.
Одним из наиболее важных аспектов современного информационного общества - умение точно ставить и эффективно решать задачи из некой предметной области. Этому нужно учить и учиться. Модернизация образования современного общества нацелена на поиск эффективных путей подготовки высококвалифицированных специалистов различных направлений. Одним из направлений является технологизация образовательного процесса на основе проблемно-задачного подхода, который необходимо использовать при подготовке специалистов различных направлений. Обучение на основе задач, связанных со специальностью обучаемых, позволяет демонстрировать важность изученного материала в будущей профессиональной деятельности и потому имеет огромное значение для образовательного процесса. Проблемно-задачный подход направлен, прежде всего, на постижение учащимся сути предмета, а не его содержания и на инициирование работы мысли и воображения студента. Использование практических предметных задач в образовании - это нацеленность на создание ситуаций, в которых естественно-математические знания выступают средством решения практических задач. Это задача не в традиционном, академическом» смысле, а некая «жизненно-имитационная» ситуация, в которой обучающиеся видят «пользу» научных знаний в обыденной, повседневной окружающей их действительности. Часто такая задача носит межпредметный характер. Заданные ситуации, возникающие при решении указанного типа задач, направлены на ознакомление обучающихся с постоянно увеличивающимся технологическим аспектом. Решение этого рода задач обуславливает не только изменение, «продвижение» в развитии познавательно-практического опыта, но и становление системы ценностей, в основе которой взаимодействие общества и природы, человека и природы.
Формулирование предметной задачи основано на определении ее проблемной области, включающей терминологию и систему понятий, абстрактное описание соответствующей материальной системы, определение адекватных моделей и теорий, абстрактное описание требуемых в задаче характеристик объектов реального мира, определение методов, алгоритмов и процессов решения задачи.
В сфере образования использование геоинформационных технологий позволяет обучающимся получать навыки работы, опыта решения предметных задач. ГИС - это не просто одна из современных информационных технологий. Это прогрессивный образ мышления, способ познания окружающего нас мира, инструмент, помогающий перестройке мировоззрения [16].
Для лучшего понимания задач, которые можно решать с помощью ГИС, рассмотрим самое простое определение - ГИС это компьютерная система способная создавать, хранить и использовать данные о местоположении объектов, событий и явлений на земной поверхности (рис.2.1.).
Основные требования к построению информационной среды использования ГИС-технологий в образовании
Построение информационной среды использования ГИС-технологий в образовании предназначено для подготовки специалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач в рамках непрерывного образования: среднее, высшее, дополнительное. Цель создания такой среды -предоставление инструментария для решения предметных задач. Использование ГИС-технологий в подготовке специалистов различных направлений позволяет более эффективно осваивать различные учебные дисциплины.
В работе информационная среда (ИС) использования ГИС-технологий в образовании определена как информационная система, объединяющей программные и технические средства, организационное, методическое и математическое обеспечение, предназначенное для повышения эффективности и доступности образовательного процесса подготовки специалистов различных направлений.
В работе информационная среда (ИС) использования ГИС-технологий в образовании определена как информационная система, объединяющей программные и технические средства, организационное, методическое и математическое обеспечение, предназначенное для повышения эффективности и доступности образовательного процесса подготовки специалистов различных направлений.
Анализ достоинств и недостатков, существующих ИС, дидактических традиций российской системы образования, а также современного состояния информационных технологий и средств телекоммуникаций, позволили сформулировать следующие принципы, на которых строится ИС:
Многокомпонентность— информационная среда представляет со бой многокомпонентігую среду, включающую в себя учебно-методические материалы, наукоемкое программное обеспечение, тренинговые системы, системы контроля знаний, технические средства, базы данных и информационно-справочные системы, хранилища информации любого вида, включая графику, видео и пр., взаимосвязанные между собой.
Интегральность — информационная компонента ИС должна включает в себя всю необходимую совокупность базовых знаний в предметных областях с выходом на мировые ресурсы, определяемых профилями подготовки специалистов, учитывать междисциплинарные связи, информационно-справочную базу дополнительных учебных материалов, детализирующих и углубляющих знания.
Распределенность— информационная компонента ИС оптимальным образом распределена по хранилищам информации (серверам) с учетом требований и ограничений современных технических средств и экономической эффективности.
Адаптивность— информационная среда должна не отторгаться существующей системой образования, не нарушать ее структуры и принципов построения, также должна позволить гибко модифицировать информационное ядро ИС, адекватно отражая потребности общества.
Сформулированные принципы построения ИС делают необходимым рассмотрение ее, с одной стороны, как части традиционной образовательной системы, а, с другой стороны, как самостоятельной системы, направленной на развитие активной творческой деятельности обучающихся с применением новых информационных технологий.
Разработанные во второй главе научно-методические положения общей схемы постановки и решения предметных задач, технологии декомпозиции предметных задач, методов реализации формальных операций позволили сформировать требования к построению ИС использования ГИС в подготовке специалистов: обеспечение процесса обучения специалистов на всех этапах непрерывного образования; иметь доступ к исходным данным различного рода; обеспечение реализации задачного подхода в обучении на основе коллекции предметных задач; обеспечение методической и справочно-информационной поддержки образовательного процесса; осуществление технологической реализации формальных операций на основе соответствующего программно-аппаратного обеспечения; обеспечение интеграции программно-аппаратных, методических, технологических и информационных ресурсов, взаимосвязанных между собой единым интерфейсом.
На основе сформулированных требований определена структура информационной среды обучения ГИС-технологиям, которая в отличие от известных подходов содержит методический модуль, представляющий дисциплины соответствующих специальностей, оговоренных Государственным образовательным стандартом. Специальность, по которой проводится обучение, является тем информационно-образовательным продуктом, который востребован обществом. Кроме методического модуля в ИС входят информационно-справочная база, интерактивные компоненты поддержки учебного процесса, базы данных и база знаний, функциональный и аналитический модули, средства доступа к локальным и глобальным сетевым ресурсам, ГИС-модуль, а также блок сопровождения и администрирования учебного процесса.
На рис.3.1. представлена структура модулей информационной среды использования ГИС-технологий в образовании.
Базы данных обеспечивают хранение картографической, фактографической информации, аэрофотоснимков, космоснимков, материалов наземных наблюдений, промежуточных результатов решения предметных задач, а также информацию о пользователях ИС. Реализация базы данных и созданного на ее основе Web-сайта должна обеспечивать пользователю быстрый и естественный поиск требуемых ресурсов при подготовке к занятиям, а также оперативный и надежный доступ к отобранным ресурсам непосредственно в процессе урока
Программы учебных курсов для подготовки специалистов различных направлений
Для обеспечения образовательного процесса в информационной среде использования ГИС-технологий в подготовке специалистов различных направлений автором были разработаны программы учебных курсов, которые используются для обучения школьников старших классов, студентов специальностей экологии, геофизики, информационных систем, а также специалистов в области экологии, природопользования, муниципального управления в рамках курсов повышения квалификации дополнительного образования.
Программа учебного курса «Основы ГИС для школьников» составлена для школьников 10-11 классов и внедрена в качестве элективного курса. Для обучения школьников необходимо использовать самые передовые технологии. Наиболее мощным инструментом по своим возможностям анализа и графического представления картографической информации являются геоинформационные системы (ГИС). Внедрение ГИС-технологий в школьное образование позволит существенно улучшить знания школьников. Умения работать с ГИС необходимы в самых различных областях планирования и управления на районном, городском, региональном и федеральном уровнях.
ГИС-технологий позволяют проводить сбор, хранение, анализ и картирование любых данных об объектах и явлениях на основе их пространственного положения. Эта современная компьютерная технология обеспечивает интеграцию баз данных и операций над ними, таких как их запрос и статистический анализ, с мощными средствами представления данных, результатов запросов, выборок и аналитических расчетов в наглядной легко читаемой картографической форме. Предметом исследования в ГИС могут являться как объекты и явления окружающего нас мира, так и данные, полученные в результате наблюдений и измерений в разных научных областях. Такие данные являются также составной частью учебных курсов и практических занятий в школах и высших учебных заведениях.
Программа изучения ГИС-технологий составлена таким образом, что помогает сформировать у школьников новый взгляд на мир, обеспечивающий его комплексное восприятие и лучшее понимание взаимосвязей между его составляющими. И, что тоже немаловажно, специалисты в этой области востребованы обществом и имеют прекрасные перспективы получения интересной, достаточно престижной и хорошо оплачиваемой работы.
Занятия курса строятся в форме лекций; повторение материала проходит в виде практических работ. Умения работать с программными продуктами приобретаются во время лабораторно-практических работ, индивидуальных консультаций. Контроль за работой учащихся выполняется при проверке практических работ.
Знания, умения, навыки школьников при изучении ГИС-технологий: знать основные определения: ГИС, электронная карта, база данных, масштаб, векторная и растровая модель данных; уметь классифицировать ГИС по назначению, масштабу территориальному охвату; знать основные форматы данных; уметь включать, выключать и производить настройку технических средств; уметь работать с готовыми ГИС-проектами; уметь создавать слои и объекты электронной карты (ЭК); уметь работать со слоями, изменять масштаб; уметь создавать твердые копии электронных карт; знать основные определения: банк данных, база данных, СУБД и др.; уметь объединять БД с ЭК; иметь понятия об организации запросов в БД. уметь формировать ГИС-проект и решать прикладные задачи .
В рамках курса разработаны предметные задачи для изучения на их основе других дисциплин, например, географии, истории и экологии, которые используют возможности ГИС-технологий для повышения качества визуализации учебных материалов и усвоения учебной программы.
Учебный курс «Информационные системы и технологии (ИСТ)» предназначен для студентов очного и заочного обучения направлению системный анализ и управление и реализован в виде электронного курса, который внедрен в систему дистанционного обучения. Целью курса «ИСТ» является освоение студентами системного подхода к проектированию, созданию применению компьютерных информационных технологий.
