Support of the educational process in modern climatology within the web-GIS platform «Climate».pdf Введение Необходимость освоения новых информационно-вычислительных технологий и навыков работы в распределенных междисциплинарных коллективах в наши дни обострена общей для всех научных направлений проблемой подготовки высококвалифицированных кадров. Современным исследованиям в области естественных наук вообще и особенно в климатологии свойственна междисциплинарность, которая требует обеспечения возможности оперативной работы с результатами, данными и моделями, полученными специалистами в смежных областях и территориальноудаленных организациях. Именно этим объясняется бурное развитие в последнее десятилетие распределенных информационно-вычислительных технологий в этой области знаний. Объединяя работу с данными и моделями, IT-технологии образуют современную инфраструктуру наук об окружающей среде [1], изменившаяся специфика которой требует и нового подхода к подготовке кадров. Студенты должны не только иметь достаточный уровень владения инструментами информационно-вычислительных технологий, но и обладать навыками удаленной работы в распределенных коллективах. Также назрела необходимость информатизации образовательной сферы вследствие развития информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) и их интенсивного использования в оперативно-производственной и научно-исследовательской деятельности выпускника. Все эти факторы формируют необходимость внедрения и активного использования электронных сред обучения [2]. Элементом интегрированной информационно-вычислительной инфраструктуры для поддержки моделирования и мониторинга региональных климатических изменений выступает созданная в рамках выполнения объединенным коллективом Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН и Томского государственного университета госконтракта № 07.514.11.4044 [3] информационно-вычислительная веб-ГИС платформа «Климат» (http://climate.scert.ru/), при разработке которой специальное внимание было обращено на реализацию возможности организации профильного образовательного процесса на ее основе. Веб-ГИС платформа использует современные технологии обработки геофизических данных, позволяющие интегрировать различные технологические решения для получения, организации и обработки тематических информационных ресурсов [3, 4]. Помимо проведения непосредственных исследований геофизических данных, платформа нацелена на обучение основам исследования изменений регионального климата и климатообразующих факторов. В рамках платформы образовательный процесс поддерживается подготовленными на базе системы дистанционного обучения Moodle (www.moodle.org) (Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment) тематическими образовательными материалами [5, 6]. Образовательный компонент платформы включает в себя учебные курсы, состоящие из лекций по климатическому, экологическому и метеорологическому моделированию и соответствующих лабораторных работ по основам анализа современных и возможных в будущем климатических изменений на территории Сибири. Интерактивный доступ к ресурсам, предоставляемым платформой, обеспечивается через любой стандартный браузер с любого компьютера, имеющего выход в Интернет. Клиент-серверная архитектура платформы обеспечивает возможность организации обучения студентов и аспирантов практическим основам исследования климатических и экологических изменений. Открытая среда Moodle была выбрана для полноценной реализации дистанционного образовательного процесса на основе платформы «Климат». Она обладает широким набором возможностей: опции формирования и представления учебного материала; опции проверки знаний и контроля успеваемости; реализация оценивания работ в баллах; легкая организация модульного подхода в обучении; удобная расширенная обратная связь между педагогом и студентами, которая позволяет студентам выкладывать работы в электронном виде на сервере, получать рецензии преподавателя, исправлять ошибки и вновь отправлять документы на проверку, получать необходимые консультации дистанционно. Эти возможности особо важны, так как в случае дистанционного обучения в науках об окружающей среде зачастую преподаватель и студенты находятся в разных городах. Также к преимуществам среды Moodle, которые обусловили наш выбор данной среды для реализации образовательного компонента системы «Климат», можно отнести: · интуитивно понятный Web-интерфейс; · разграничение режимов доступа в систему, установку различных прав (преподаватель, тьютор, студент); · возможность редактирования участниками своих аккаунтов (личные данные, реквизиты); · поддержку различных структур курсов (календарный, форум, дерево); · наличие большого набора модулей-составляющих для курсов (форум, тетрадь, тест, ресурс, глоссарий, опрос, анкета, домашнее задание и др.); · возможность получения полного отчета по вхождению пользователя в систему и работе над различными модулями; · поддержку различных типов контента (HTML-текст; ссылка – ссылка на статью, книгу; закачанный файл – отображается любой файл, который закачан для курса и др.); · возможность создания базы данных вопросов для многократного использования в различных тестах; · поддержку различных видов вопросов в текстах: да/нет, выбор одного, выбор нескольких вариантов, вопрос в открытой форме, соответствие и др. Среда Moodle является удобным и привычным для преподавателя и студента интерфейсом, который позволяет использовать потенциал системы «Климат» для образовательного процесса. Результаты В настоящее время образовательные ресурсы платформы «Климат» построены на основе двух упомянутых выше учебно-методических пособий. Каждое из пособий трансформировано в интерактивный учебный курс. Учебный курс является ключевым понятием системы дистанционного обучения Moodle и представляет собой набор учебных материалов, оформленных в виде объектов (модулей): ресурсов курса (теоретической части) и элементов курса (практической части – лабораторных работ). Также курс при необходимости может включать в себя журнал успеваемости учащихся и журнал посещаемости. На данном этапе журнал успеваемости в рамках существующих курсов не ведется. Интерфейс образовательного компонента экспериментального образца платформы «Климат» представлен на рис. 1. Рис. 1. Интерфейс образовательного компонента Учебно-методическое пособие «Анализ региональных изменений климата» [5] в теоретической части рассматривает основные статистические приемы обработки и анализа метеорологических данных для количественной характеристики наблюдающихся региональных изменений климата. Выполняемый на основе платформы «Климат» комплекс из 6 лабораторных работ, рассчитанных на 12 академических часов, для изучения многолетнего режима атмосферных величин на территории отдельных регионов представляет собой практическую часть модулей курса. Второе пособие «Анализ прогнозируемых для базовых сценариев IPCC климато-экологических изменений в выбранном регионе» [6] предназначено для изучения возможных при реализации базовых сценариев МГЭИК [7] развития глобальных климатических изменений и их последствий в выбранном регионе. Основное внимание обращено на изучение взаимодействия отдельных компонентов климатической системы, ознакомление с основными климатическими сценариями МГЭИК и статистическими методами оценки влияния глобальных климатических изменений на некоторые параметры региональной климатической системы. После прохождения теоретической части модулей курса предусмотрена также выполняемая на базе платформы «Климат» практическая часть, состоящая из 2 блоков лабораторных работ, рассчитанных на 16 академических часов. Первый блок посвящен анализу влияния глобальных климатических изменений, прогнозируемых сценариями SRES [7], на параметры климатической системы в выбранном регионе. Второй блок содержит аналогичные исследования со сценариями RCP [8]. Последующие действия являются общими при выполнении всех лабораторных работ. После входа в веб-ГИС систему и перехода в окно задания параметров по кнопке «+» создается новый слой, в котором с помощью «Мастера создания картографического слоя» (шаг 1) задаются параметры исследования: метеорологическая характеристика, набор данных, уровень высоты, тип обработки данных, временной интервал. В следующем окне «Мастера» (шаг 2) задается область исследования, а далее (шаг 3) проводится проверка выбранных параметров и настройка графического вывода (рис. 2), т.е. выбирается тип представления результатов анализа (растр или векторное представление – контурные линии). Отметим, что «Мастер создания картографического слоя» дает возможность вернуться назад и изменить заданные параметры. Рис. 2. Диалоговое окно «Мастер задания картографического слоя» После проверки заданных параметров и настройки графического вывода запускается расчет заданной характеристики. Вычисления занимают от 5 до 15 мин в зависимости от величины заданного временного интервала. Полученное поле климатической характеристики автоматически появляется в поле «Слои». Поле представляет собой цветовую двумерную карту поверхности, где каждому цвету соответствует количественное значение характеристики. В качестве примера приведем сравнение полей температуры, полученных по данным реанализов NCEP/DOE AMIP II [9], ECMWF ERA-40 [10] и архива результатов расчетов климатической модели ИВМ РАН [11], выполненного в рамках лабораторной работы 1 курса «Анализ региональных изменений климата». Целью работы является количественная оценка наблюдаемых на территории Сибири изменений приземной температуры воздуха в период с 1980 по 2000 г. Выбор такого временного периода обусловлен наличием данных для всех реанализов. Область исследования – территория Сибири: долгота 55–130о в.д., широта 50–75о с.ш. Тип графика: растр. Поля температуры, полученные по разным наборам данных, представлены на рис. 3. Видно, что реанализы ERA-40 и NCEP/DOE дают схожую пространственную картину. Пространственное распределение и значения температуры, рассчитанные по архиву INMCM4, существенно отличаются от первых двух. T_av_summer_ERA-40 T_av_summer_NCEP T_av_summer_INM ERA-40 NCEP/DOE AMIP II INMCM4 Рис. 3. Средняя приземная температура лета (июнь–август) за период 1980–2000 гг. по данным разных реанализов Для получения значения характеристики в отдельной точке соответствующего растра достаточно нажать на панели инструментов кнопку «i», навести курсор на интересующую точку и нажать левую кнопку мыши. В открывшемся окне будет отражена информация о координатах выделенной точки и количественном значении рассчитанной климатической характеристики. Кроме того, рассчитанные значения сохраняются в файле формата netCDF и могут быть использованы в дальнейшей работе. Образовательный модуль платформы «Климат» был протестирован на кафедре метеорологии и климатологии ТГУ. Два студента третьего курса геолого-географического факультета Томского государственного университета кафедры метеорологии и климатологии были зарегистрированы в системе и записаны на оба образовательных курса. После вводного занятия по пользованию системой студенты приступили к самостоятельному прохождению курсов. Один из студентов проходил обучение на рабочем месте, непосредственно в контакте с разработчиками платформы «Климат», второй проходил обучение дистанционно. После ознакомления с теоретической частью учебного курса «Анализ климата будущего» студенты выполнили лабораторные работы по анализу динамики количества осадков и экстремальных климатических характеристик приземной температуры воздуха и количества осадков на территории Сибири в период последних десятилетий и сформировали отчеты по ним. В ходе выполнения первого блока лабораторных работ студенты провели анализ влияния глобальных климатических изменений, задаваемых сценариями SRES МГЭИК [7], на параметры климатической системы, сравнили полученные карты с картами контрольного сценария. Они проследили динамику полей метеорологических параметров (температуры воздуха, удельной влажности, давления, ветра, осадков), а также распределение растительности и лесного покрова. В рамках выполнения лабораторных работ студентами для выбранных сценариев были построены карты распределения значений климатических параметров, определенных условиями лабораторных работ, построены сравнительные таблицы точечных значений, сделан анализ полученных материалов, сформулированы выводы и подготовлены отчеты. В ходе выполнения второго блока лабораторных работ обучаемые провели все вышеописанные исследования для нового сценария RCP8.5 [8], предложенного МГЭИК, и также подготовили отчеты. Пример отчета приведен на рис. 4. otchet1.bmp Рис. 4. Внешний вид отчета по лабораторной работе Авторы учебных курсов проверили и оценили отчеты о выполнении лабораторных работ и, задав студентам несколько вопросов по теме, убедились, что соответствующий материал был усвоен. В ходе обучения студенты освоили современные методы статистической обработки климатической информации, ознакомились с базами данных МГЭИК. Также обучаемые получили представление о специфике климатических изменений в заданном регионе и их влиянии на экосистемы и ознакомились с прогнозами возможных изменений глобальных климатических характеристик в ближайшее столетие. Заключение Тестирование образовательного модуля платформы «Климат», проведенное на кафедре метеорологии и климатологии ТГУ, показало, что созданный образовательный ресурс является эффективным инструментом обучения студентов и аспирантов направления 021600 «Гидрометеорология» методам статистической обработки и визуализации архивов данных, применяемым для анализа современных и прогнозируемых климатических изменений. В настоящее время ведется пополнение архива геофизических данных результатами, полученными на основе использования встроенных в платформу моделей, а также доступными (в том числе в Интернете) новыми данными наблюдений и моделирования. Также на базе информационно-вычислительной веб-ГИС платформы «Климат» разрабатываются новые интерактивные образовательные курсы: «Климатическое и экологическое моделирование»; «Мезомасштабное метеорологическое моделирование и перенос загрязнений». Оба курса будут включать лекции, лабораторные работы, контрольные вопросы и литературу для самоподготовки и будут доступны в режиме он-лайн в сети Интернет.

Скачать электронную версию публикации