авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Крейдер, Оксана Александровна

Информационная среда использования

ГИС­технологий в образовании

Москва

Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru

2006

Крейдер, Оксана Александровна

Информационная среда использования ГИС­технологий в

образовании : [Электронный ресурс] : Дис. ... канд. техн.

наук

 : 05.13.01. ­ Дубна: РГБ, 2006 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям) Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/06/0272/060272049.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Крейдер, Оксана Александровна Информационная среда использования ГИС­технологий в образовании Дубна  Российская государственная библиотека, 2006 (электронный текст) 61:06-5/ Государственное образовательное учреждение Московской области Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

На правах рукописи

КРЕЙДЕР Оксана Александровна ИНФОРМАЦИОННАЯ СРЕДА ИСНОЛЬЗОВАНИЯ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ В ОБРАЗОВАНИИ Специальность: 05.13. Системный анализ, управление и обработка информации (образование, природопользование, муниципальное управление) ДИССЕРТАЦР1Я диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Е.Н. Черемисина ДУБНА Оглавление Введение Глава 1. Анализ состояния существующей практики применения геоинформационных технологий в образовании 1.1. Основные тенденции развития современных ГИС-технологий 1.2. Анализ практики применения геоипформационпых технологий в отечественном п зарубежном образовании 1.3. Использование информационной среды в образовании Глава 2, Научно-методические положения построения информационной среды использования ГИС-технологий на коллекции предметных задач 2.1. Проблемно-ориентированный подход в подготовке специалистов различных направлений 2.2. Технология декомпозиции предметных задач для сведения их к последовательности формальных операций 2.3. Методы реализации формальных операций на основе аппарата распознавания Глава 3. Концепция построения информационной среды использования ГИС технологий для подготовки специалистов различных направлений в рамках непрерывного образования 3.

1. Основные требования к построению информационной среды использования ГИС-технологий в образовании 3.2. Интерфейс ипформационной среды использования ГИС-технологий в образовании 3.3. Методика применения информационной среды для подготовки специалистов различных направлений Глава 4. Примеры использования результатов исследований диссертационной работы 4.1. Программы учебных курсов для подготовки специалистов различных направлений 4.2. Использовапие техпологии декомпозиции в задаче создания электронного атласа условий освоения миперальпо-сырьевой России 4.3. Примеры из коллекции предметных задач для обучения школьников Заключение Литература Введение В последнее время геоинформационные системы (ГИС) рассматриваются в качестве эффективного инструмента анализа различных типов данных при исследовании особенностей развития регионов и выработки комнлексных решений. В настоящее время ГИС занимают одно из ведущих мест среди различных информационных технологий в сфере управлепия, планирования и хозяйствования. Геоинформационные технологии, предлагая повые 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, нолитического 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 нрогнозирования, 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 нриоритетным направлением.

Для нодготоБКи снециалистов такого рода необходимо иснользовать 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 демопстрировать важность изученного материала в будущей нрофессиональной деятельности и потому имеет огромное значение для образовательного процесса.

Таким образом, разработка информационной среды (ИС) использования ГИС-технологий в подготовке студентов различных нанравлений является актуальным направлением в области иснользования современных информационных технологий в образовании.

Цель исследования Целью исследования является разработка информационной среды использования ГИС-технологий для подготовки специалистов различных направлепий.

Задачи исследования В соответствии с целью исследования в работе решаются следующие задачи.

1. Проведение анализа существующей нрактики использования ГИС технологий в отечественном и зарубежном образовании.

2. Определение спектра предметных задач, решение которых необходимо для подготовки епециалиетов различных нанравлений.

3. Разработка унифицированной технологии декомпозиции предметных задач для их сведения к последовательности формальных операций и решения в среде ГИС.

4. Разработка концепции и макета информационной среды иснользования ГИС в обученни снециалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач.

5. Разработка коллекции предметных задач для изучения учебных дисциплин в курсах: «Информатика», «Теория принятия решений», «ГИС в экологии», «ГИС в природопользовании», «Информацнонные 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 машинонисного текста, 25 иллюстраций.

Снисок литературы включает 54 наименования.

В первой главе проведен анализ нодходов к обучению снециалистов па основе ГИС, используемых в практике отечественного и зарубежного образования.

В первом разделе нриведены осгювные тенденции развития современных ГИС технологий.

В разделе проведен краткий обзор отечествепных и зарубежных ГИС, наиболее достунных на Российском рынке, которые были расемотрены с позиций их возможностей, степени открытости, уровня требований к аннаратному обеснечению, стоимости, потребностей отечественных нользователей 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.

проведен анализ практики применения ГИС Во втором разделе 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 нодготовленным 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 иснользования ГИС технологий как инструмента для решения прикладных задач.

Третий раздел посвящен обзору достижений современных информаци онных технологий в образовании.

Появление персональных компьютеров и доступа в глобальную сеть Ин тернет привнесло в сферу образования не только новые технические, но и дидак тические возможности, которые заключаются в простоте диалогового общения, доступе к гигантским объемам информации, возможности визуализации. При менение графических объектов в образовательных комньютерных системах по зволяет не только увеличить скорость передачи информации обучаемому и по высить уровень ее понимания, но и способствует развитию интуиции, профес сионального 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.

приводится перечень предметпых задач, набор В первом разделе формальных операций для их реализации в рамках общей схемы постаповки и решения.

в работе предлагается общая схема постановки и решения нредметных задач, используемых для нодготовки снециалистов различных направлений в рамках ИС.

Для реализации этапов схемы постановки и решения предметных задач в диссертации разработан перечень формальных операций, который может расши ряться в процессе решения и накопления предметных задач. Каждая формальная операция должна иметь свою формулировку, методы и алгоритмы вынолнения, программное и методическое обеснечение.

приводится описание технологии декомнозиции Во втором разделе 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 поста1ювки и решения предметпых задач, указан1юй в разделе 2.1.

Результатом этапа формализации предметной задачи является определе ние набора формализованных задач, которые далее сводятся к последовательно сти формальных операций. Завершающим этапом технологии декомпозиции яв ляется формирование технологического паспорта задачи.

Третий раздел посвящен методам реализации формальных онераций, 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 а^ - это объекты, мера сходства //(о*,а!^)между которыми равна нулю. Эти объекты должны легко раснознаваться, 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 обучепии, реализованного на основе Web-технологий.

Приведенные требования и структура информационной среды определяют принципы построения пользовательского интерфейса.

В диссертации разработана структура пользовательского интерфейса, ко торый состоит из административного и функционального блоков.

Предлагаемая структура интерфейса является универсальной и может быть адаптирована для любого образовательного учреждения.

В третьем разделе приведепа методика применения информационной среды использования ГИС для подготовки специалистов различных направле ний. Основным нодходом в подготовке специалистов различных нанравлений является проблемно-задачный нодход, реализованный в коллекции предметных задач.

Для обеспечения образовательного процесса в ИС определены типы поль зователей: 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 качест ва освоения учебного материала К^.^^ определяется двумя составляюшими: пра вильностью и временем выполнения задания.

В четвертой главе иллюстрируются примеры использования результатов исследований диссертационной работы.

содержит описание разработанных программ учебных Первый раздел курсов для подготовки специалистов.

Для обеспечепия образовательного нроцесса 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 дополпительного образования.

Каждый разработанный учебный курс содержит теоретический раздел, контрольные вопросы для самопроверки, набор практических заданий и коллекцию предметных задач, примеры которых будут приведены ниже.

иллюстрируется технология сведения задачи к Во втором разделе последовательности формальных операций и примеры предметных задач, используемых для подготовки студеьггов различных направлений, переподготовке и курсов повышения квалификации.

В разделе рассматривается задача «Создание электронного атласа условий освоения минерально-сырьевой (МСБ) России», вынолненная в лаборатории Геоинформатики ВНИИ Геосистем Любимовой А.В., на нримере которой иллю стрируется технология декомпозиции.

Аналогично приведенному примеру декомпозиции предметных задач раз работаны практические задания, которые используются при подготовке студен тов различных направлений и применяются в качестве практикума курсов по вышения 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: эколо гия, география, а также для элективпого курса «Основы ГИС для школьников».

Основные результаты проведенных исследований сформулированы следующим образом:

1. Разработаны научно-методические основы для создания информационной среды использования ГИС-технологий в подготовке специалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач.

2. Модифицирована обшая схема постановки и решения предметных задач дополнением ее этапами разработки онтологии предметной области;

анализа, оценки и интерпретации полученных результатов.

3. Разработана технология декомпозиции предметных задач, позволяющая сведение их к иерархической последовательности формальных операций и обеспечивающая синтез новых задач различного уровня сложности.

4. Разработан алгоритм организации образов, позволяющий дополнять и улучщать исходный материал на основе моделирования экстремальных объектов в решении задач методами распознавания.

5. Разработана концепция построения информационной среды использования ГИС-техпологий в подготовке специалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач.

6. Разработан и частично реализован пользовательский интерфейс информационной среды использования ГИС технологий в образовании для университета «Дубна».

7. Разработаны программы практических запятий и лабораторные работы для учебных курсов: «Информатика», «Информационные системы и технологии», «ГИС», целыо которых является приобретение студентами навыков применения ГИС-технологий для решения различных предметпых задач.

8. Разработаны нрограммы 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, 9. 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 1. Разработана унифицированная технология декомпозиции предметных задач, отличаюшаяся возможностью сведения их к иерархической последовательности формальных операций для методического обеспечения информационной среды иснользования ГИС в образовании.

2. Разработан алгоритм организации образов для дополнения и улучшения эталонного материала для решения задач на основе ГИС.

3. 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 унифицирован ным методом сведения нредметных задач к набору формальных операций, кото рые содержат собственные алгоритмы и средства реализации и являются осно вой для синтеза новых задач различного уровня сложности.

п 2. Алгоритм моделирования экстремальных объектов позволяет до полнять и улучшать эталонный материал, что повышает эффективность и на дежность.

3. Построение информационной среды использования ГИС в образо вании предоставляет новые возможности организации учебного процесса и по зволяет расширение возможностей традиционных форм обучения.

Реализация и апробация работы Разработанная технология декомнозиции нредметно-ориентированных задач для решения их на основе набора формальных операций реализована в курсах: «Информатика», «Теория принятия решений», «Геоинформационные системы», «ГИС в экологии», «ГИС в нриродопользовании», «Информационные системы и технологии», «ГИС в муниципальном управлении», «Основы ГИС для школьников».

Учебно-методические рекомендации при подготовке специалистов различных направлений (экология и природопользование, геофизика, ииформационные системы, менеджмент) на основе информационной среды использования ГИС в образовании применепы на кафедре системного анализа и управления университета «Дубна».

Разработанные в диссертации методические положения использования ГИС в обучении нрименены для создания курса «Основы ГИС-технологий для школьников».

Создана коллекция предметпых 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 ноложения 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 (Егинет), 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 нолучены непосредственно автором. Разработка компонент информационной среды использования ГИС в образовании принадлежит автору. Разработка учебных программ и их внедрение в образовательный нроцесс проводилась при участии автора.

По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, из них 2 в соавторстве.

Автор выражает глубокую нризнательность научному руководителю Е.Н. Черемисиной, благодарит Т.Б. Прогулову, А.В. Любимову, И.Л. Снивака за ценные советы и участие в работе, А.В. Мурадяна за помощь в оформлении работы.

Глава 1. Анализ состояния существующей нрактнки применения геоин формационных технологий в образовании 1.1. 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, нопала в этого самого нротивника 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. Согласпо 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 щколе.

Геоинформатика и географические информационные системы», географическая информационная система (ГИС) — это совокуппость технических, программных и информационных средств, обеспечивающих ввод, хранение, обработку, мате матико-картографическое моделирование и образное интегрированное представ ление географических и соотнесенных с ними атрибутивных данных для реше ния проблем территориального плапировапия и управления. А в разделе «Общие функциональные требования к ГИС» указано, что «ГИС должны выполпять сле дующие основпые фупкции: функции автоматизированного картографирования (АК), функции пространственного анализа (ИА);

функции управления данными (УД)».

Прародителями ГИС выстунают: 1) автоматизированные системы обра ботки и комплексного анализа геоданных, построенные на базе систем автомати зированного проектирования (Computer Aided Design — CAD), 2) системы авто матизированного картографирования (Automated Mapping — AM), 3) системы управления объектами распределенной хозяйственной инфраструктуры (Facili ties Management — FM), 4) системы мелкомасштабного пространственного ана лиза, 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 раз виваются как автоматизированные интегрированные информационные системы, включающие подсистемы сбора, хранения данных, обработки данных (модели рования), представления информации и телекоммуникационную подсистему. На протяжении всей истории развития ГИС происходило постоянное увеличение пользователей систем этого класса. Связано это как с удешевлением анпаратного и программного обеспечепия, так и с расширением классов задач, решаемых с их помощью.

До последнего времени наиболее частым применением компьютерных ме тодов в работе с пространственными данными является подготовка карт к печа ти. ГИС широко также используются для создания электронных геологических карт и атласов различного содержания. Накопление, согласование и представле пие картографических и фактографических данных в электронном виде — пря мое пазначение всех без исключения геоинформационных систем. Такой вид деятельности в качестве основного содержания сосредотачивается на накопле нии данных, нолученных в результате различных исследований. В этом случае обеспечиваются только информационно-поисковые и презентационные потреб ности пользователя системы. Кроме того, компьютерную систему можно ис пользовать 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 объ ект, а как оболочка специализированных программных комплексов, предназна ченных для решения специфических задач, возникающих в связи с пространст венным раснределением природпых и антропогенных объектов. В качестве при мера можпо привести обработку геофизической или космической информации при рещении задач природопользования.

Каждое из перечислеппых выше нанравлений имеет свои задачи и про блемы, а также нрограммные и технологические средства, с помощью которых обеснечивается их решение.

Если рассматривать второе и третье направление, то среди геоинформаци онных систем можно выделить класс систем общего назначения, нредназначен ных, в основном, для ввода, хранения, первоначальной обработки, поиска и вы вода информации. Наиболее известной ГИС-системой общего назначения явля ется Arclnfo — ArcView разработки фирмы ESRI [1]. Другой класс геоинформа ционных 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 кру га задач, связанных с обработкой пространственных, в чаетпости, геолого географических данных [5]. В диссертации приведен краткий обзор зарубежных систем, причем наибольшее внимание уделено ГИС, представленным и доступ ным на отечественном рынке. Рассмотрение систем ведется не только с нозиций их возможностей, степени открытости, уровню требований к аппаратному обес печению, стоимости, но и с точки зрения потребностей отечественных пользова телей 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 феде ральном уровнях, комплексное многоаспектное изучение нриродно экономического потенциала в пределах регионов, инвентаризацию природных ресурсов, проектирование транснортных магистралей, экологический монито ринг, обеспечение безопасности человека и производства и т.д. Опыт использо вания позволяет констатировать широкую и ностоянно растущую сферу и эф фективность применения геоинформационных систем в профессиональной дея тельности современного специалиста.

Под географической информационной системой (ГИС) будем понимать аппаратно — программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображепие и распространение прострапственно - координи рованной информации, интеграцию данных, знаний и информации о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, нрогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества [30].

Выделены функциональные возможности современных геоинформацион ных систем, которые позволяют осуществлять: ввод данных либо путем импорта из существующих источников, либо с помощью цифрования источников дан ных;

преобразование данных, включая конвертирование данных из одного фор мата в другой;

хранение, манипулирование и управление данными во внутрен них и внещних базах данных;

картометрические операции, включая вычисление расстояний между объектами;

обработку данных геодезических измерений;

опе рации оверлея;

пространственный анализ, обеспечивающий анализ размещения, связей и иных пространственных отнощений объектов муниципального образо вания;

пространственное моделирование;

визуализация исходных, производных или итоговых данных и результатов обработки;

вывод данных, графической, табличной и текстовой документации, в том числе ее тиражирование, докумен тирование, или генерацию отчетов в целом;

обслуживание процесса принятия решения, ГИС интегрируют технологии работы с базами данных, процедуры мате матического анализа и методы образно-картографического представления ре зультатов применительно к задачам накопления, обработки и представления разнообразной пространственно-распределенпой (геопространственной) инфор мации[11].

Такого рода информация часто является решающей для обеспечепия со циально-экономического развития, нланирования и управления территориями, решения разнообразных региональных проблем.

ГИС-технологии обеспечивают единообразную (пространственную) уни фикацию такой информации и ее многоцелевое использовапие и интерпретацию, что дает право назвать ГИС одним из универсальных интегрированных инфор мационно-технологических средств.

Поэтому в настоящее время ГИС, а также геоинформационные знания и навыки, становятся одним из наиболее востребованных товаров па региональном информационно-технологическом рынке России.

Вместе с тем, развитие и использование ГИС-технологий и их приложе ний в пашей страпе находится пока па явпо недостаточном уровне, несоизмери мом с теми объемами работ и кругом нроблем, которые существуют в регионах, и которые целесообразно решать с помошыо ГИС (автоматизированный нри родный и городской кадастры, развитие территориальной инфраструктуры, ра циональное ресурсопотребление и экологический мониторинг, региональное планирование и управление территориями и т.д.).

В качестве одной из главных причин такого состояния следует выделить недостаточный уровень профессионального освоепия ГИС-технологий в регио нах и отсутствие опыта выполнения комплексных и отраслевых ГИС-нроектов различного территориального охвата (город, область, регион и т.д.). В свою оче редь, это связано с отсутствием надлежащей системы профессиональной подго товки и переподготовки кадров в области ГИС-технологий и их иснользования.

В результате нроведенного обзора обнаружено немало проблем и препят ствий на пути внедрения ГИС в образование. Помимо кардиналыюго повышения уровня профессионального геоинформационного образования среди специали стов, занятых разработкой, созданием и использованием ГИС, не менее острой проблемой остается геоинформационное просвещепие и повышение уровня гео информационной грамотности среди лиц, принимающих решения па различных уровнях административного или отраслевого унравления.

Обобщая сложившуюся ситуацию в области геоинформационного образо вания и обучения, обсуждая пути и возможпости его дальнейшего становления и развития в общенациональных интересах, следует с сожалением констатировать, что количество образованного и обученного персопала, уровень которого в со стоянии обеспечить нрофессиональное освоение и использование ГИС технологий и цифровых геопространственных данных, но общему признанию не соответствует существующим потребностям. В свою очередь, потребность в нрофессиональных кадрах в области геоинформатики и ГИС увеличивается го раздо быстрее, чем растут бюджетные ассигнования на развитие геоинформаци онного образования и обучения.

В главе отмечается, что геоинформационное образование имеет много специфических черт, которые отличают его от иных нанравлений подготовки.

Это и междисциплипарпый характер, и весомая инженерно-технологическая со ставляющая, и широкий спектр приложепий, и высокая информационная насы щенность и т.д. Эти и другие черты объективно создают в совокупности целый перечень проблем, которые сдерживают его развитие. Более того, эти проблемы в настоящее время, несмотря на очевидные успехи в освоении и раснростране нии ГИС-технологий на всех уровнях, по ряду причин еще более обострились, вызывая у некоторых специалистов пессимизм и неверие в возможность их ско рого решения.

Однако нынешний этап развития геоипформатики и ГИС в России, сов павший с коренными преобразованиями общества, тем и интересен, что, обост ряя проблемы динамичного развития геоинформационного образования, он пре доставляет ему и новые возможности, учет, оценка и грамотное использование которых становится приоритетным нанравлением координированных действий всего нашего геоинформационного сообщества.

Среди этих проблем особое место запимает анализ тенденций в потребно стях и адекватного соответствия предлагаемого и имеющегося числа дипломи рованных специалистов и их павыков потребностям рынка труда в области ГИС и геоинформатики.

Как показывает мировой опыт, развитие ГИС-технологий и цифровых геопространствепных данных, расширение области их применения приводят к формированию особого рода общественной деятельности и образованию само стоятельную отрасль производства и потребления, так называемой геоинформа ционной (ГИС) индустрии. В развитых в геоииформационном отиощении стра нах, равно как и в ряде международных организаций геоинформационного на правления это находит отражение в формировании программ создания и разви тия геоинформационной инфраструктуры (ГИИ), являющейся, по сути дела, ма териальной основой становления и функционирования ГИС-индустрии. В состав ГИИ и, соответственно, в сферу интересов государства, заинтересованного в скорейщем формировании ГИС-индустрии, входят и интеллектуальные (трудо вые) геоинформационные ресурсы.

В России, по-видимому, острой необходимости в организации целевой щирокомасштабной профессиональной геоинформационной подготовки специа листов объективно пока нет (сказывается отсутствие в стране ГИС-индустрии как таковой). Вместе с тем, организация подготовки специалистов, обладающих, если не интегрированным, то хотя бы достаточно широким набором согласован ных геоинформационных знаний и практических навыков, в нынешней ситуации может оказаться весьма полезным и даже необходимым этапом именно сейчас, когда такая индустрия (хочется надеяться) все же нарождается. Более того, именно такие специалисты больше всего могут способствовать ее становлению.

Для развертывания подобной работы сложились объективные условия, имеется существенный интеллектуальный потенциал, формируется хорошая технологи ческая база, наконец, имеется опыт межотраслевого взаимодействия в рамках ГИС-Ассоциации.

Все это дает основание надеяться на скорейшую разработку общими уси лиями специальной программы работ по оргапизации профессиональных учеб ных курсов «геоинформационного доучивания» дипломированных снециали стов, построенного на междисцинлинарном подходе, работа которых будет спо собствовать формировапию рынка геоинформационных образовательных услуг.

Проведенный обзор позволил обосновать актуальность разработки мето дики и технологии многоцелевого применения ГИС в образовании на основе единого системного подход [14]. Осповные исследования разработки направле ны на разработку принцинов методики и технологии применения ГИС техноло гий для решения прикладных задач;

разработку коллекции прикладных задач для применения их в учебном процессе [15].

Геоинформационные системы получили сегодпя в мире достаточно широкое нрименение. Они используются для решения паучных и практических задач, включая планирование и управление на муниципальном, региональном и федеральном уровнях, комплексное многоаспектное изучение природно экономического потенциала в пределах регионов, инвентаризацию природпых ресурсов, проектирование транспортпых магистралей, экологический мониторинг, обеспечепие безопасности человека и нроизводства и т.д. Опыт использования позволяет констатировать широкую и постоянно растущую сферу применения геоинформационных технологий в профессиональной деятельности современного специалиста, ГИС пакеты делятся па программы профессиопального и настольного типов. К профессиональным ГИС относятся широко известные разработки фирм INTERGRAPH, ESRI, CDS и др. Это мощные системы, созданные первоначально для рабочих станций и сетевого использования. Такие системы поддерживают многочисленные приложения.

ГИС настольного типа ориентированы на персональные компьютеры (ПК). К ним относятся зарубежные Atlas GIS, Maplnfo, ArcView, MicroStation Geographies, WinGIS и отечественные Geograph/Geodraw, Sinteks/Tri, ГИС ИНТЕГРО.

В качестве итогов обзора, отмечается, что сфера применения настольных ГИС очень разнообразна — от обучения основам геоинформационных технологий до создания собственных электронных карт и персональных ГИС.

Именно ориентация настольных ГИС, таких как ArcView, Maplnfo и ИНТЕГРО на обучение позволяет сделать выбор в их пользу в качестве основы для разработки информационной среды использования ГИС в образовании.

В целом можно сказать, что индустрия ГИС активно впитывает новые веяния, изменяется, эволюционирует и развивается, что является индикатором, свидетельствующем о большом потепциале отрасли.

1.2. Анализ практики применения геоинформационных технологий в отечественном и зарубежном образовании Геоинформационные технологии, предлагая повые эффективные подходы к анализу и решению территориальных проблем, продолжают завоевывать все большую популярность и официальное нризнание в нашей стране, а цифровая геопространственная информация начинает играть все более важную роль в за дачах социально-экономического, политического и экологического развития и управления нриродным, производствепным и трудовым потенциалом в пацио нальных интересах.

Вместе с тем, многие ведомства и организации все чаще вынуждены при знать, что они не обладают квалифицированными кадрами, знающими как ис пользовать ГИС-технологии, какие данные могут потребоваться для исследова ний или принятия решений. Они также не владеют современными аппаратно программпыми средствами работы с цифровыми геопрострапственными данны ми, не знают, как эффективно их поддерживать или архивировать.

Еще песколько лет назад уровень и темпы развития ГИС и геоинформати ки в России определялись наличием и доступностью современпых аппаратно программных средств, то сейчас, в условиях быстро формирующегося цивилизо ванного рынка ГИС-технологий, это развитие будет зависеть от наличия и дос тупности образовательных программ в области геоинформатики и ГИС.

Разумеется, постановка высокоэффективного ГИС-образования - не един ственное условие дальнейщего прогресса в этой области. Недостаточно коорди нированная, а порою просто невнятная, организационная работа на государст венном уровне, отсутствие единой системы производства, обновления, распро странения и использования цифровых геопространственных данных - эти нро блемы являются не менее важными и актуальными. Но совершенно очевидно, что и эти проблемы могут успешно решаться только профессиональными кадра ми, владеющими современными геоинформационными знаниями и навыками.

Помимо кардинального новышения уровня профессионального геоин формационного образования среди специалистов, занятых разработкой, создани ем и использованием ГИС, не менее острой нроблемой остается геоинформаци онное просвещение и повышение уровня геоинформационной грамотности сре ди лиц, принимающих решения на различных уровнях административного пли отраслевого управления. Ноэтому следует подчеркнуть, что отсутствие или не достаточный уровень геоинформационных знаний, в равной стенени болезненно сказывается на деятельности и результатах работы как профессиональных спе циалистов, активно интересующихся геоинформатикой и вовлекаемых в процесс создания или использования ГИС, так и той части специалистов и руководителей различного ранга, от которых зависит принятие решений о выполпении про грамм и проектов развития или освоения ГИС.

Обобщая сложившуюся ситуацию в области геоннформационного образо вания и обучения и обсуждая пути и возможпости его дальнейшего становления и развития в общенациональных интересах, следует с сожалением констатиро вать, что количество образованного и обученного нерсонала, уровень которого в состоянии обеснечить профессиональное освоепие и использование ГИС технологий и цифровых геопространственных данных, по общему признанию не соответствует существующим потребностям. В свою очередь, потребность в профессиопальных кадрах в области геоинформатики и ГИС увеличивается го раздо быстрее, чем растут бюджетные ассигнования на развитие геоинформаци онного образования и обучения.

у геоинформационного образования, безусловно, есть много снецифнче ских черт, которые отличают его от иных нанравленнй нодготовки. Это и меж дисцинлинарный характер, и весомая инженерно-технологическая составляю щая, и широкий снектр нриложений, и высокая информационная насыщенность и т.д. Эти и другие черты объективно создают в совокунности целый неречень нроблем, которые сдерживают его развитие. Более того, эти нроблемы в настоя щее время, несмотря на очевидные успехи в освоении и распространении ГИС технологнй на всех уровнях, но ряду причин еще более обострились, вызывая у некоторых специалистов пессимизм и неверие в возможность их скорого реще ния.

В настоящее время, подготовка специалистов высшей квалификации в области цифровой картографии и ГИС-технологий ведется в нескольких российских университетах (Москва, Санкт-Петербург, Иркутск, Ижевск, Саранск, Тверь, Саратов и др.). Немало делается для ГИС-образования и в других университетах: Алтайском, Воронежском, Тамбовском, Казанском, Пермском, а также в вузах ближнего зарубежья: Киева, Минска, Ташкента, Баку, Харькова и др. Почти в четверти вузов ГИС преподают в составе общеобразовательных учебных дисциплин, треть имеют снециализацию по геоинформатике [14].

Наблюдается рост и развитие различных лабораторий и научно исследовательских центров, занимающихся изучением и нрименением ГИС в различных сферах народного хозяйства. В ВУЗах создаются учебные нодразделения, кафедры геоинформационных систем и технологий.

Сегодня специалисты в области геоинформационных технологий востребованы обществом и имеют нрекрасные перспективы получения интересной, достаточно престижной и хорощо онлачиваемой работы. Курсы по изучению ГИС и связанным с ними технологиям нользуются высокой популярностью во всех развитых странах.

По данным экспертов компапии «Дата+» в России число учебных нрограмм в вузах, способных дать квалифицированное ГИС-образование, исчисляется единицами, в то время, как в США ведется более нятисот подобных курсов, а в Канаде и Англии — свыше 70 и 50 соответственно [17].

в результате повышенного интереса к ГИС только в США сейчас более тыс. студентов различной специализапии ежегодно прослушивают минимум один курс по основам или прикладным аспектам ГИС. Регулярные учебные занятия по ГИС проводятся примерно в 1 000 высших учебных заведений во многих странах, а общее число университетов и колледжей, в которых применяется ГИС, близко к 3,5 тысячам. А, к примеру. Министерство образования и обучения провинции Онтарио, Канада, предоставило доступ к лицензиям Arc View каждой из 800 средних школ.

Отмечается, что в России наилучшие условия для эффективного использования геоинформационных технологий в образовании имеются там, где налажено наиболее разумное сотрудничество между вузами, органами власти, ведомствами и коммерческими фирмами (в первую очередь тут можно назвать петербургский, петрозаводский и саратовский университеты).

Анализ существующего положения в области использования гсоинформационных технологий в школах некоторых стран Западной, Восточной Европы и России демонстрирует статистика компании AgiSoft, которая является разработчиком пакетов данных для GIS Atlas (рис.1.).

100% 89,00% 92,00% 90% 80% 70% 56,00% 60% -I 51,00% I п 50% 32,00% 40% 30% 20% 3,00% 0,90% 10% 0% и;

S о е О I о:

Q. оо Q. Q. о Ш о.

Рис.1. Относительное количество школ, использующих более одной ГИС.

Требования к использованию ГИС и внедрению их в образовательный процесс закреплены в ГОСТах высшего профессионального образования по различпым специальностям: 351400 «Прикладная информатика (по областям)», 071900 «Информационные системы (по областям) [9], 013100 «Экология», 011200 «Геофизика», утвержденных приказом Министерства образования Российской Федерации. Образовательный стандарт 071900 «Информационные системы (по областям) лег в основу стандарта подготовки геоипформатиков но специальности 071900 - геоинформационные системы, подготовленного картографической секцией Учебно-методического объединения университетов (УМОУ) России. [4] Получение ГИС образования открывает широкие возможности для получепия теоретической и практической подготовки по комплексу дисциплин, необходимых при разработке и применении информационных технологий. В нроцессе обучения формируются знания и умения по физической и социально экономической географии, ландшафтоведению, экологии, почвоведепию, геологии, геодезии, картографии, а таюке по специальным дисцинлинам, таким как геоинформатика, аппаратно-программные средства ГИС, дистанционные методы исследований, фотограмметрия, топография, основы земельных отношений, землеустройство, земельный кадастр земельное право, планировка и инфраструктура паселенных пунктов, оценка земель и недвижимости и другие.

На нынешнем этапе формируется целая группа геоинформационных профессий: ГИС-менеджер, ГИС-аналитик (постановка и выполпепие задач), ГИС-специалист (проектирование и эксплуатация ГИС), ГИС-программист (системное сопровождение и разработка прикладных программ), ГИС-техник (эксплуатация ГИС) [7].

Вынускники специализации ГИС будут работать в системе Государственного комитета по земельным ресурсам, геодезии и картографии, его территориальных органах, подведомственных научных, производственных, учебных нредприятиях и организациях, в подразделениях землеустроительной службы, в ВУЗах.

В настоящее время имеются некоторые уснехи в области становления и развития геоинформационного образования в нашей стране. О необходимости развития системы такого образования говорится в работах многих ученых, в том числе И.К. Лурье, А.В. Симонова, Е.Г. Капралова, Ю.Ф. Книжникова, А.В.

Кошкарева, С.Н. Сербенюка, A.M. Берлянта, B.C. Тикунова и др. Проблемам обучения геоинформатике посвяшаются специальные конференции, разделы журналов, статьи. Обсуждаются как обшие нроблемы, возникающие нри изучении геоинформатики и геоинформационных технологий, так и конкретные учебные курсы. Отметим, что нервыми стали изучать геоинформатику и геоинформационные технологии на факультетах географического профиля ряда классических университетов. Сегодня к ним присоединяются ряд педагогических и технических вузов. В рамках ГИС-Ассоциации создан Комитет по непрерывному геоинформационному образованию, в задачи которого входит обсуждение и координация работы по разработке государственных образовательных стандартов в области геоинформатики по различным областям применения. Разработаны конценции высшего геоинформационного образования [37].

Обобщая ситуацию в области высшего геоинформационного образования, можно сделать вывод о том, что в нашей стране оно находится на начальной стадии становления. Особо отметим, что в основном геоинформационное образование касается студентов профилирующих специальностей (геологов, географов, биологов, экологов и т.п.).


1.3. Использование информационной среды в образовании В разделе проведен анализ содержания некоторых курсов для студентов вузов различной прикладной направлепности. Были рассмотрены следующие программы:

1. Программа курса «Геоинформационные системы» [39] (рассчитана на студентов природоведческих факультетов Пущинского государственного университета) 2. Программа спецкурса «Введение в геоинформационные системы»

(Запорожский Государственный университет).

3. Рабочая программа курса «Геоинформационные системы в муни ципальном управлении» [40] (предназначена для обучения студентов специаль ности 061000 «Государствеипое и муниципальное унравление« Таганрогского государственного радиотехнического университета) 4. Программа базового курса «Геоинформационные системы» (для студентов старших курсов Сибирской государственной геодезической академии специальностей «Фотограмметрия и дистанционное зондирование», «Информа ционные системы«, «Экономика и управление на предприятии«, «Инженерная геодезия«) 5. Программа курса по выбору «ГИС и компьютерное моделирова пие» (для студентов геологического факультета Воронежского государственно го университета) В таблице 1 представлены укрупненные тематические блоки и нали чие/отсутствие данного блока в той или иной программе.

Таблица 1. Анализ содержания курсов Название тематического блока 1 2 3 Введение в геоинформатику.. _ + Введение в ГИС + + + + Виды ГИС +. + + Аннаратное обеспечение ГИС + _..

Общие принципы построения моде лей данных в геоинформатике Особенности организации данных в геоинформатике Организация пространственной ин формации в ГИС Теоретические вопросы СУБД +. + + Организация атрибутивной инфор мации в ГИС Технология моделирования в геоин форматике Методическое обеспечение ГИС + Иснользование ГИС для решения за дач из некоторой прикладпой облас- + + + ти Анализ программ показал, что обучение геоинформатике в настоящее время проводится в основном на природоведческих факультетах классических университетов, а также показал отсутствие единого подхода к выделению ос новных содержательных линий и определению содержания курсов. Однако из таблицы 1 виден перечень вонросов, которые видимо должны освещаться нри изучении геоинформатики: общие вопросы ГИС, аннаратное обеспечение ГИС, организация и представления информации в ГИС, общие аналитические опера ции с объектами, применение ГИС для рещения различных прикладных задач (учитывая профиль специальности). Кроме того, анализ представленных про грамм показал наличие в пих общего недостатка - отсутствие четкого акцента на том обстоятельстве, что весь процесс создапия и работы с ГИС - это процесс мо делировапия системы пространственных объектов с соблюдением всех этапов моделирования (создание модели, работа с моделью, интерпретация результатов и принятие решений по управлению на основе получеппых результатов как но вого этапа моделирования в геоинформатнке).

Проведенный анализ учебных пособий по геоинформатике, во-первых, подтверждает существовапие отмеченной нами выще проблемы определения со держания курса геоинформатикн. Во-вторых, свидетельствует об эволюции взглядов на содержание обучения геоинформатике, а также подтверждает нащ вывод о том, что сегодня при обучении геоинформатике необходимо делать ак цент на линии формализованного представлепия пространственной информации и моделирования, который необходимо учитывать при построении курсов по геоинформатике для студентов вузов различной прикладпой нанравленности.

Интегрированное информационное нространство является основой совре менного управления и развития образования, основанного на использовапии электроппых ресурсов. Оно является подмпожеством единого информационного пространства отрасли, вследствие чего иногда его называют также единым ин формационным пространством образовательпого учреждения (ЕИОП ОУ) [46].

Отмечаются две конценции реализации информационно-образовательной среды (ИОС). Первая заключается в том, что ИОС должна являться частью (подмножеством) единого информационного образовательного пространства России. Эта концепция требует согласования стандартов и характеристик со стандартами российского образования, а также стандартами па передачу и обмен данными, которые разрабатывают головные организации в системе образования.

Реализация второй концепции озпачает совместимость ИОС с междупародными стандартами в области информатизации и возможность иснользования зарубеж ных технологий и программного обеспечения для создания отечественных ИОС.

ИОС должна включать ресурсную, организационную, технологическую составляющие. Ресурсная среда включает информационные ресурсы двух клас сов: электронные и некомньютеризированные (библиотечный фонд);

кадровый иотенциал;

систему нереподготовки. В информационном обществе к информа ционным ресурсам относится все, что создает информационные технологии и информационные продукты и все, что способствует созданию и применению этих технологий. К некомпьютерным ресурсам относят музеи, библиотеки учеб ных заведений и различные фонды и хранилища [38]. Электронные (компьюте ризированные) ресурсы основаны на применении информационных моделей. В настоящее время необходимо различать три вида таких информационных моде лей: информационно-описательные, информационно-ресурсные и интеллекту альные [34]. Технологическая часть ЕИОП ОУ включает: набор стандартов в об ласти обучения, обмена и обработки информации, систему баз данных элек тронных ресурсов, систему телекоммуникационной связи, систему информаци онной поддержки.

Основные выводы по первой главе сформулированы следующим образом.

В результате проведенного анализа состояния существующей практики применения ГИС-технологий в образовании зафиксирован недостаток теоретических и методических разработок в области преподавания ГИС технологий, иллюстрирующих возможности геоинформационных технологий как инструмента для рещения прикладных задач.

В России число учебных программ в вузах, способных дать квалифициро ванное ГИС-образование, исчисляется единицами, в то время как, в США ведет ся более пятисот подобных курсов, а в Канаде и Англии - свыше 70 и 50 соот ветственно (по данным экснертов компании «Дата+»).

Достижения существующих информационных технологий, стремительное развитие в области региональных и глобальных систем телевидения, радиовеща ния, компьютерных сетей, а также высокоэффективных средств информатики открывают новые перспективы в сфере образования.

Глава 2. Научно-методические положения иостроеиия информацион ной среды использования ГИС-технологий на коллекции предметных задач 2.1. Проблемно-ориентированный подход в подготовке специалистов различных направлений В образовательных сферах, использующих современные информационные технологии, проблемно-ориентированный нодход начал иснользоваться более 10 лет назад. Известный нсихопедагогический принцип, сформулированный в «Психонедагогике» Э.Стоунса в виде «ОБУЧЕНИЕ КАК РЕШЕНИЕ ПРО БЛЕМ», равно как формула Д. Познера ОПЫТ + РЕФЛЕКСИЯ = РАЗВИТИЕ выполняют при нроблемно-задачном подходе обучения специалистов различных направлений роль первоосновы, формулируемой древпими как поп посеге prima lex. Не менее важным является то, что такой подход активизирует сферу когнитивных способностей, на стороне которой - значительная часть всех спо собностей вообще. В систематическом формировании при обучении проблемно ориентированного мыщления снециалисты видят реальные возможности для расщирения «ПРОСТРАНСТВА МЫШЛЕНИЯ». «Взращивание» такого нового стиля мышления, такого гибкого междисциплинарного «нрочтения» задачи должно начинаться достаточно рано и систематически продолжаться в течение всех лет обучения.

Одним из наиболее важных аспектов современного информационного об щества - умение точно ставить и эффективно решать задачи из некой предмет ной области. Этому нужно учить и учиться. Модернизация образования совре менного общества нацелена на ноиск эффективных нутей подготовки высоко квалифицированных снециалистов различных направлений. Одним из направле ний является технологизация образовательного процесса на основе проблемно задачного подхода, который необходимо использовать при подготовке специа листов различных направлений. Обучение на основе задач, связанных со специ альностью обучаемых, нозволяет демонстрировать важность изученного мате риала в будущей профессиональной деятельности и потому имеет огромное зна чение для образовательного нроцесса. Проблемно-задачный подход направлен.

прежде всего, на ностижение учащимся сути предмета, а не его содержания и на инициирование работы мысли и воображения студента. Иснользование практи ческих предметных задач в образовании - это нацеленность на создание ситуа ций, в которых естественно-математические знания выступают средством ре шения практических задач. Это задача не в традиционном, академическом»

смысле, а некая «жизненно-имитационная» ситуация, в которой обучающиеся видят «нользу» научных знаний в обыденной, повседневной окружающей их действительности. Часто такая задача носит межнредметный характер. Задачные ситуации, возникающие при рещении указанного типа задач, направлены на оз накомление обучающихся с ностоянно увеличивающимся технологическим ас пектом. Решение этого рода задач обуславливает пе только изменение, «продви жение» в развитии познавательно-практического опыта, по и стаьювление систе мы ценностей, в основе которой взаимодействие общества и природы, человека и природы.

В разделе приводится сравнительный анализ использования традиционного и проблемно-задачного подхода в образовании.

Традиционный подход Проблемно-заданный подход - Фиксирует новую тему занятия. - Участвует в постановке новой - Воспринимает, анализирует, запоми- учебной задачи, ее формализации;

нает предметную информацию, при- выявляет идею, гипотезу ее решения, чем пе задумывается над процессом предлагает свои варианты решения, попимания - нонимает так, как удает- свое видение нроблемы.


ся. - Учится в каждой учебной задаче - Сопоставляет свои знания с выска- выбирать и оценивать метод реше зываниями других учащихся, допол- ния, анализировать и интерпретиро пяет или уточняет их. вать результат.

- Выполняет задания, одинаковые для - Выполняет задания дифференциро всех;

при выполнении задания ориен- ванного типа.

тируется на результат - правильпый - Апализирует проделанную работу с ответ. точки зрения предметной области, правильности гипотезы и полученно го результата Формулирование предметной задачи основано на определении ее про блемной области, включающей терминологию и систему понятий, абстрактное описание соответствующей материальной системы, определение адекватных мо делей и теорий, абстрактное описание требуемых в задаче характеристик объек тов реального мира, определение методов, алгоритмов и процессов решения за дачи.

В сфере образования использование геоинформационных технологий по зволяет обучающимся получать навыки работы, опыта решения предметных за дач. ГИС - это не просто одна из современных информационных технологий.

Это прогрессивный образ мыщления, 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 спо собная создавать, храпить и использовать данные о местоположении объектов, событий и явлений на земной поверхности (рис.2.1.).

ГИС Программный 4- Базы данных инструмент Пользователь Реальный мир Результат Рис.2.1.

ГИС даёт очень наглядные и быстрые ответы на следующие вопросы:

• Что находиться в данном месте? Месторасположение в этих вопро сах может быть описано различными способами, например, адрес или наимено вание места, почтовый индекс, географические координаты (широта и долгота) и т.д.

• Где это? Эти вопросы противоположны первым и требуют про странственного анализа.

• Что здесь изменилось за определённое время?

• Какие пространственные зависимости существуют? Что если?

ГИС в целом выполняет пять основных процедур с данными: ввод, мани пулирование, управление, занрос и анализ, визуализацию.

Географические изображения для исиользования в ГИС вводятся в век торном или растровом виде нанрямую, если такие данные уже существуют в нодходящем цифровом формате, либо с помощью дигитайзера или сканера. Ка ждый элемент или объект изображения имеет географическую привязку. Тем самым, любые свойства и характеристики этих объектов или элементов имеют ссылку на местоноложение. Понятно, что число и разнообразие свойств и харак теристик зависит только от потребностей нользователя (и возможностей, конеч но). Любая информация, которая содержит прямые или косвенные сведения о названиях, географических или других координатах, ссылки на адрес, ночтовый индекс, избирательный округ, номер участка, километровый столб и т. н., может быть включена в ГИС.

Средства манинулирования нредставляют собой различные способы нре образования и выделения данных, например, приведение всей геоинформации к единому масштабу и проекции для удобства совместной обработки. Для хране ния, структурирования и управления данными в ГИС чаще всего иснользуются реляционные базы данных, где для связывания таблиц служат общие ноля.

Занрос и анализ в ГИС можно выполнять на разных уровнях сложности:

от простых вопросов - где находится объект и каковы, его свойства (для чего нужно просто щелкнуть но объекту мышью), до поисков по сложным шаблонам и сценариям вида «а что если...». Очень важны в ГИС средства анализа близости и наложения объектов. Первый инструмент связан с выделением буферных зон вокруг заданных объектов по комбинации различных нараметров (например, выделить населенные нункты, расноложенные не далее двух километров от ав тодороги). Второй - позволяет рассчитывать пересечение, объединение и другие сочетания двух и более площадных объектов, расположенных в разных темати ческих слоях (так называемые оверлейные операции).

Результаты наложения можно просто отображать на экране или же созда вать новые объекты с любыми наборами атрибутивных характеристик. Развитые средства визуализации позволяют ГИС легко управлять отображением данных.

Традиционным результатом обработки и анализа пространственных данных яв ляется карта, которая легко дополняется отчетными документами, трехмерными изображениями, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими мультиме дийными средствами. Кроме базовых онераций, ГИС имеет и сиециальные груп пы функций, реализующих задачи прокладки маршрута, поиска кратчайших рас стояний, пространствегнюй статистики и т. д.

На сегодняшний день ГИС-технологии широко используются в решении следующих задач:

• анализ состояния и прогноз развития минерально-сырьевого ком плекса (МСК);

• мониторинг недр и недропользователей, мониторинг экологических ситуаций;

• создание экологических атласов и атласов минеральных ресурсов регионов;

• анализ перспективности месторождений и территориальный анализ;

• оценка состояния окружающей среды;

• ведение многоцелевых кадастров, зонирование территорий, мони торинг земель и землеустройства;

• поддержка принятия управленческих решений;

• разработка и применение методов цифровой фотограмметрии и ав томатизированного дешифрирования аэрокосмической геоииформации и др.

Общая формальная схема процесса постановки и решепия задачи состоит из следующих этапов:

1) формулировапия предметной задачи;

2) формализации задачи;

3) выбора способа решения;

4) решения задачи на ЭВМ;

5) формального анализа результатов;

6) содержательной интерпретации результатов.

Предметную задачу формулирует специалист па языке предметной облас ти. Формализацией задачи занимаются системный аналитик и предметник. Вы бор способа решения — за прикладным математиком. Решает задачу на ЭВМ тех нолог. Формальный анализ результатов производит системный аналитик. Со держательную интерпретацию — специалист-предметник [40].

ii [[ Задача решается с использованием j! " информационной системы „,,I, ;

;

Предметная Выбор способа Формализация задача решеиия Системный аналитик и прикладной Специачист— математик предметник Решение задачи Формальный Интерпретация Технолог аналнз результатов результатов Предметник Системный аналитик Рис.2.2. Общая схема постановки и решения предметных задач Формулирование предметной задачи включает указание: цели (предвос хищепие в мышлении результата деятельности, нет смысла говорить о задаче, если четко не сформулирована цель);

представлений о модели объекта исследо вания;

исходных данных;

ожидаемого результата и формы его представления (результат должен быть конкретным и соответствовать цели);

критериев оценки ожидаемого результата (от критерия оценки результата зависит выбор подхода к решению задачи, он может быть количественным или качественным), его отсут ствие приводит к случайному выбору метода решения задачи и к последующей неинтерпретируемости результата). Если задача сформулирована на языке пред метной области, ты считается, что дана содержательная постановки задачи, если па математическом языке - математическая постановка задачи. В зависимости от того, какая постановка задачи дана, существуют различные последовательности их решения. Таким образом, формулирование задачи должно быть основано на определении ее проблемной области, включающем ее терминологию и систему понятий, абстрактное описание соответствующей материальной системы, онре деление адекватных моделей и теорий, абстрактное описание требуемых в зада че характеристик объектов реального мира, определепие методов, алгоритмов и процессов решения задачи.

Формализация задачи состоит в описании задачи формальными средст вами (символами математики и математической логики) цели, объектов и свойств, способов вычисления свойств, построении числовой модели (матрицы) данных для решения задачи, формализации требований к результату, проверке согласованности требуемого результата с целью. Систему таких символов и пра вил обращения с ними называют формализмом данной предметной области. Он номогает производить логические заключения, подсчеты и др. операции непо средственно с символами, формулами, выступающими как бы заместителями тех понятий, какими мы оперируем. Нередко одна и та же формула применяется для описания разных явлений. Поэтому формализованный язык обязательно требует объяснения (интерпретации).

Таким образом, формализация задачи - это, по сути, построепие формаль пой системы, соответствующей исходной неформальной и представляющей со бой ее информационную модель. Частным, хотя не единственно возможным ва риантом описания такой модели, является математическое. Из сказанного стано вится понятна важность формализации как этапа решения задачи на компьютере:

именно он определяет принциниальную разрещимость задачи (существование алгоритма ее решения), эффективность использования ресурсов компьютера (объема памяти и времени работы централыюго процессора), точпость модели рования.

Процесс выбора способа решения задачи включает все этапы анализа данных и корректировки информации, а также определение алгоритма рещения задачи, обеспечивающего получепие требуемого результата. ГИС являются хо рошей средой для внедрения методов искусственного интеллекта и экспертных систем. Это вызвано, с одной стороны, разнообразием и сложностью данных в ГИС, с другой — наличием большого числа аналитических задач при использо вании ГИС. Одновременно с этим, большинство проблем и задач в ГИС слабо структурировано и слабо формализовано. После того как способ решения вы бран, можно говорить о том, что выполнена ностановка задачи. Выбор методов определяется спецификой предмета, накоплепными знаниями о нем, целью ис следования, а также зависит от того, какие стороны и свойства предмета пред стоит анализировать. Учет всех этих факторов обеспечивает эффективность применения методов.

На этане решения задачи осуществляется преобразование схемы в техно логическую, программно реализуемую схему решения задачи и прохождепие этой схемы на ЭВМ.

Работа по решению прикладной задачи на компьютере про ходит через следующие этапы: постановка задачи;

математическая формализа ция;

построение алгоритма;

составление программы на языке программирова ния;

отладка и тестирование программы;

проведение расчетов и анализ полу ченных результатов. Эту последовательность называют технологической непоч кой решения задачи на компьютере. Процесс исследования поведения какого либо объекта или системы объектов на компьютере можно разбить на следую щие этаны: построение содержательной модели объекта — построение матема тической модели объекта — ностроение информационной модели и алгоритма — кодирование алгоритма на языке программировапия — компьютерный экспе римент.

Затем проводится формальный анализ нолученных т.е.

результатов, проверка соответствия результата критериям оцепки результата. Содержатель ная интерпретация результатов состоит в согласовании результатов с целью ис следования, сформулированными требованиями к результату и в принятии ре шения об использовании результатов либо об уточнении модельных нредставле ний и формулировки задачи.

Для решения предметных задач и использования их для подготовки спе циалистов различпых паправлений в рамках непрерывного обучения необходи мы некоторые дополнения к общей схеме постановки и рещения задач.

На взгляд автора, использование ГИС в подготовке специалистов на осно ве предметных обучающих задач онределяет связь с такими областями как эко логия и природопользование, защита окружающей среды и муниципальное унравление, геолого-разведочные исследования и т.н. В этой связи, автором раз работана общая схема постаповки и решения таких задач на основе модифика ции традиционной схемы постановки и решения прогпозпо-поисковых задач.

Традиционная схема прогнозно-поисковых исследовапий, разработанная в лаборатории геоинформатики ВНИИГеосистем под руководством д.т.п. Череми синой Е.Н. (рис.2.3.), включает такие этаны как:

• формулирование задачи, • формализация задачи, • выбор способа решения, • решение задачи, • интерпретация результатов.

Модифицироваппая схема постановки и решения предметных задач, раз работанная автором включает первоначальный анализ априорной информации и разработку онтологии предметной области, после чего формулируется предмет ная задача, ее цель, исходные данные, модель, результат, критерий оценки ре зультата.

На этапе формализации выбирается формальный язык описания сформу лированных целей, данных, моделей, результата и критерия оценки.

Выбор метода решения и само решения объединены в один этап, в рамках которого происходит формирование техпологической цепочки реализации ре шения задачи и происходит само решепие задачи.

Еще одним дополпением к традиционной схеме постановки и решения прогнозно-поисковых задач является этап анализа и интерпретации полученных результатов, который включает необходимую компопепту оценки полученного результата, выявлении ошибок и их исправление, припятие решения о правиль ности или необходимости уточнения формулировки, изменения модели. На дан ном этапе важпа интернретация получепных результатов на языке предметной области.

Обучающийся определенного направления и уровня обучения должен по пять, что он делал, что он получил, зачем это нужно и.т.п.

Выбор способа Формулирование Формализация Интерпретация Решение геологической решения задачи геологической задачи результатов задачи задачи Формулирование Формализация Анализ и визуа- Составле- Согласование цели лизация для оп цели ние техно- результатов с ределения каче- логиче- целью ства данных и ской схе Описание исход Определение корректировки мы обра ных данных Принятие ре объектов, цифровой моде- ботки шения о даль свойств нейшем ис _L пользовании Формулирование Анализ и транс- Прохож Определение результата формация дан модели дение тех способов вычис ных для решения нологиче J_ ления свойств задачи ской схе Формулирование мы на результата 1 ЭВМ Формирование Выбор метода формулирование решения ТОС Формаль критерия оценки ный ана результата лиз ре Согласование зультата результата с це относи лью тельно критерия Формализация критерия оценки результата Рис.2.3. Традиционная схема прогнозно-поисковых исследований.

Этаны модифицированной схемы постановки и решения предметных за дач для подготовки специалистов различных нанравлений приведены на рис.2.4.

Более подробно необходимо рассказать о разработке онтологии нредмет ной области. Онтология нредставляет собой совокунность терминов и взаимо связанных определений, относящихся к некоторой нредметной области и выпол няющих нормативную функцию. Принципы онтологии включают онисание объ ективных элементов действительности в единых, строго определенных образцах (терминах, моделях и др.);

использование ограниченного количества базовых ка тегорий (сущностей), на основе которых конструируются все остальные поня тия;

внутреннюю полпоту и логическую непротиворечивость. Одним из пре имуществ использования онтологии является системный подход к изучению нредметной области, обеспечивающий систематичность, единообразность и воз можность восстановления недостающих логических связей.

Формули- Формализация Выбор метода и Анализ и ин Анализ апри предметной ровка пред- решение предмет- терпретация орной инфор метной за- ной задачи результатов мации о пред- задачи дачи метной облас ти I I I I Формули- Визуализация и Изучение он- Формализация Согласование ровка цели построение циф тологии пред- результатов с цели ровой модели задачи метной облас- моделью рельефа ти Определение ± Описание объектов, исходных Анализ апри- свойств Анализ данных и Принятие ре орных пред- данных определение каче- шения о пра положений ства вильности Формализация формулиро- результата модели вание моде ли Формирование и Согласование прохождение тех- Принятие ре результата с нологической це- шения о необ формулиро целью почки решения ходимости вание ре уточнения зультата модели и Формализация формулировки требований к формулиро- задачи результату вание тре бований к результату — введенные дополнения к традиционной схеме прогнозно поисковых исследовании.

Рис.2.4. Моднфицироваппая схема постановки и решения предметных за дач.

Следующие этапы формулировки, формализации, выбора способа и реше ния задач аналогичны традиционной схеме.

Интернретация результатов составляет неотъемлемую часть научного описания любого фактического материала. Во всякой работе важно не только зарегистрировать факт, по и объяснить его, определить его место в системе дру гих фактов. При обсуждении и изложении сложных дискуссионных вопросов вполне возможны разные интерпретации одпого и того же факта, что зависит часто от различных теоретических копцепций специалистов, их знаний, личного опыта. На последпем этапе схемы особо выделеп апализ полученного результата РОССИЙСКАЯ швлттШ с целью принятия решения о его правильности или необходимости уточнения модели и изменении формулировки. Дальнейшая интерпретация полученных ре зультатов позволит закрепить знания, умения и навыки обучающегося в кон кретной предметной области. Процесс интерпретации полученных результатов можно коротко онисать как анализ данных, целью которого является получение как можно большего объема информации о процессах, к которым данные имеют (или предположительно могут иметь) отношение. Интерпретация результата, как количественного, так и качественного, подразумевает ответы на следующие во просы: Каковы причины полученных результатов (т. е., почему получепы имеп но эти результаты)? При этом имеются в виду не только причины методического характера. Если полученные данные достоверны, следует задать вопросы о при чинах, обусловивших наблюдаемые явления. Соответствуют ли полученные ре зультаты поставленной цели? Если да (нет), то почему? Должен быть поставлен вопрос о том, что практически означает полученный результат.

Для реализации этапов приведепной схемы постановки и решения пред метных задач в диссертации разработан перечень формальных онераций.

Формальные операции обеспечивают формальное описание предметной задачи, которое может быть сохранено в базе знаний для дальнейшего использо вания другими пользователями, а может быть передано системам, которые по формальному описанию задачи, используя свои дополнительные знания, в том числе нроцедурные, могут находить решения ноставленной задачи.

Для перечислеппых выше предметных задач, которые используются в подготовке специалистов различных направлений на основе использования ГИС-технологий разработан перечень формальных онераций, включающий не сколько блоков:

• ввод и коррекцию исходных данных;

преобразование, или транс формация данных, включая конвертирование данных из одного формата в дру гой, трансформацию картографических проекций, изменение систем координат;

• визуализация исходных, нроизводных или итоговых данных и ре зультатов обработки, включая картографическую визуализацию, проектирование и создание (генерацию) картографических изображений, построение тематиче ских карт, формирование ТОС;

• хранение, манинулирование и управление данными во внутренних и внешних базах данных, привязка баз данных, коррекция космических, аэро-, фотоснимков, формирование характеристик, анализ характеристик;

• картометрические операции, включая вычисление расстояний меж ду объектами в проекции карты или на эллипсоиде, длин кривых линий, нери метров и площадей полигональных объектов;

онерации обработки данных геоде зических измерений;



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.