Опыт адаптации материалов учебных курсов Esri к учебному процессу в вузе

Adaptation of Esri training courses materials to higher education process in Russia. Teaching experience of Tyumen State Oil and Gas University

В статье представлены составляющие разработанной автором методики обучения студентов основам создания и использования электронных карт и геоинформационных технологий. Основой методики служат материалы курсов профессионального обучения компании Esri, переработанные и дополненные с позиций актуальных в современной педагогике деятельностного и технологического подходов к обучению.

Необходимым компонентом профессиональной компетентности выпускников вузов, будущая профессиональная деятельность которых связана с использованием пространственной информации, является владение геоинформационными технологиями. Для обучения им в вузах используются предоставляемые производителями программных продуктов (вендорами) программное обеспечение и учебно-методические материалы курсов профессионального обучения. Наш российский опыт использования таких курсов, а именно «Введение в ArcGIS», «Введение в ArcGIS II» и «Spatial Analyst», разработанных компанией Esri, показал целесообразность их переработки для интегрирования в учебный процесс в вузе.

Использование учебных материалов Esri [1, 2, 3] для обучения в вузе имеет ряд положительных сторон, типичных для качественных вендорных курсов изучения информационных технологий [4]: а) это полностью готовый учебно-методический комплект, включающий в себя материалы для изучения теоретических основ технологии и ее практического освоения; б) содержание курсов имеет практико-ориентированный характер и представлено в виде задач; в) возможно получение учебно-методической и программно-технической поддержки дистрибьюторов. Наш опыт использования курсов Esri выявил и недостатки при их использовании в учебном процессе в вузе, также типичные для вендорных курсов: а) они не предполагают системного изучения геоинформационного картографирования, являющегося одной из теоретических основ технологии, и поэтому уступают по содержанию вузовским учебникам; б) они не предусматривают самостоятельную работу студентов; в) единственным методом обучения является метод решения задач по пошаговой инструкции. Этот метод позволяет эффективно освоить отдельные функции программных продуктов, но не предназначен для формирования понимания способов решения задач и умений решать их самостоятельно. Кроме того, подробное описание способов выполнения операций является в ряде случаев избыточным и приводит к нерациональному использованию учебного времени. В результате изучения вендорных курсов у студентов формируются преимущественно механические, не подкрепленные полноценной связью с теорией и неосознанные умения выполнять отдельные операции с данными в программном продукте или простые задания по образцу. При необходимости самостоятельно решать задачи, отличающиеся от описанных в инструкции, студенты зачастую испытывают трудности и растерянность.

Названные недостатки значимы только при использовании вендорных курсов в вузе, и не существенны при их применении по их прямому назначению – для краткосрочного обучения специалистов-производственников, которые сразу по окончании курсов интенсивно используют технологию в своей профессиональной деятельности. Приобретаемый ими практический опыт быстро дополняет полученные на курсах знания и умения и служит основой уверенной самостоятельной работы. В отличие от специалистов, студенты должны овладеть ГИС-технологией в процессе учебной деятельности, когда ограничены число учебных задач и учебное время. Поэтому методика их обучения должна отличаться от методики вендорных курсов. Автором для работы со студентами разработан лабораторный практикум «Основы создания и использования электронных карт в программных продуктах семейства ArcGIS», в котором применены некоторые оригинальные методические решения, показавшие свою эффективность на практике.

В качестве научно-педагогической основы разработанной методики нами использованы актуальные в современной педагогике деятельностный и технологический подходы к обучению. Согласно деятельностному подходу, процесс обучения представляет собой организованную педагогом самостоятельную учебную деятельность учащихся. Целью обучения является не набор знаний, умений и навыков в определенной области знаний, а готовность выполнять будущую профессиональную деятельность, представляющая собой умение решать составляющие ее задачи. Поэтому проектирование целей и содержания профессионального обучения осуществляется на основе анализа задач деятельности действующего специалиста, а методы обучения должны формировать умение самостоятельно решать эти задачи. Основоположник деятельностного подхода в отечественном профессиональном образовании Н.Ф. Талызина так описывает проектирование его целей и содержания: «для обоснования целей обучения необходимо выделить основную систему типовых задач, соответствующих системе основных обобщенных видов деятельности будущего специалиста. Каждая задача предполагает умение, необходимое для ее решения, а каждое умение предназначается для решения соответствующего класса задач. Корректное выделение и анализ умений, диктуемых стоящими перед специалистом задачами, позволяет однозначно определить объем и содержание знаний, входящих в эти умения» [5]. Согласно технологическому подходу, процесс обучения должен быть организован подобно технологическому процессу на производстве и обладать свойствами технологии: 1) цели обучения должны быть определены однозначно и диагностично, должны иметься объективные критерии их достижения и средства измерения этих достижений, 2) должны иметься средства диагностики промежуточных результатов процесса обучения, 3) результат обучения на «выходе» должен достигаться гарантировано всеми учащимися, он должен соответствовать поставленным целям обучения и должен быть дифференцирован по нескольким уровням обученности, 4) методика обучения должна быть воспроизводима любым педагогом при любом составе учащихся.

Рассмотрим с позиций деятельностного и технологического подходов особенности трех основных составляющих разработанной методики: целей, содержания и методов обучения.

В данной методике общей целью обучения служит не освоение отдельных функций программных продуктов, а формирование готовности самостоятельно использовать ГИС-технологию в будущей профессиональной деятельности, умение решать типовые задачи деятельности ГИС-специалиста (на уровне пользователя). Поэтому процесс обучения построен как процесс последовательного освоения этих задач, формирования знаний и умений, необходимых для их решения. Для проектирования процесса обучения отдельные типовые задачи нужно было выделить из единого процесса реальной профессиональной деятельности, в которой они осуществляются интегрировано и цельно для выполняющего их ГИС-специалиста, и определить последовательность обучения им. Такое разделения деятельности на отдельные задачи выполнено на основе наблюдения процесса ее освоения в учебных и в производственных условиях. Были выделены следующие относительно самостоятельные типовые задачи деятельности ГИС-специалиста, соответствующие пользовательскому уровню владения технологией: 1) просмотра готовой электронной карты, 2) пользовательского редактирования компоновки готовой электронной карты, 3) проецирования и пространственной привязки данных, 4) создания и редактирования векторных данных; 5) анализа пространственных данных, 6) картографического моделирования при поиске решения практических задач. Эти задачи последовательно осваиваются ГИС-специалистом в процессе его работы и в такой же последовательности должны осваиваться в процессе обучения. Освоение каждой последующей задачи возможно только при умении решать предыдущие. Выполнение каждой из задач состоит из определенного набора элементарных операций в программном продукте, и эти операции подробно прописаны в материалах вендорных курсов.

Умение решать каждую их задач требует владения соответствующими ей знаниями трех типов: а) фундаментальными знаниями основ картографии, б) знаниями ГИС-технологии, в) знаниями способов решения задачи. Знания первого типа изложены в имеющихся учебниках, знания второго типа – в имеющихся учебных пособиях, в том числе вендорных. Знаниям третьего типа в существующих учебных изданиях не уделяется достаточно внимания, между тем именно они служат основой осознанного использования технологии при решении практических задач. В учебных пособиях «Введение в ArcGIS II»[2], «Spatial Analyst» [3], в учебниках И.К. Лурье [6] и М.Н. ДеМерса [7] имеются описания способов решения задач методом картографического моделирования в целом, но отсутствуют учебные задания для освоения этих способов. В нашей методике знания всех трех типов составляют теоретическое содержание обучения, оно структурировано, так же как и в вендорных курсах, в соответствии с последовательностью перечисленных выше учебных задач. Но, в отличие от материалов вендоров, в соответствии с технологическим подходом к обучению, по каждой теме нами разработаны задачи не одного, а трех уровней сложности:

1. Репродуктивного – для освоения отдельных операций в ArcGIS и способов решения типичных задач; они представляют собой подробную пошаговую инструкцию по выполнению задания. Задачи этого уровня идентичны задачам вендорных курсов.
2. Репродуктивного – для формирования умения самостоятельно решать задачи такого же типа, что и первого уровня, по их образцу; представляют собой аналогичные им задачи без описания решения.
3. Продуктивного – для формирования умения решать самостоятельно любые задачи данной тематики, это задания повышенной сложности.

Используемые задачи являются как переработкой заданий вендорных курсов Esri, так и разработками автора. Все студенты должны обязательно решить задачи 1-ого и 2-ого уровней, задачи 3-его уровня являются обязательными только для студентов, претендующих на оценку «отлично». Выполнять задачи разных уровней нужно обязательно последовательно, нельзя приступать к заданию более высокого уровня, не сдав предыдущее. Это обеспечивает систематизированное усвоение учебного материала и делает возможным как контроль усвоения материала студентами со стороны преподавателя, так и самоконтроль.

В соответствии с технологическим подходом контроль результатов обучения должен быть объективным, а критерии оценок студентов – однозначно определены. С этой целью в описании каждой лабораторной работы имеется таблица критериев оценок, дифференцированных по трем уровня усвоения (удовлетворительно, хорошо, отлично) и трем категориям: студент знает, понимает, умеет (рис. 1).

Для достижения цели формирования умения самостоятельно решать задачи было необходимо подобрать соответствующие методы обучения. Для первичного изучения функций программного продукта и способов решения задач эффективен применяемый в вендорных курсах метод пошаговой инструкции. Для того чтобы обеспечить повторение, закрепление, обобщение и систематизацию изученных способов решения задач каждого типа, мы дополнили этот метод введением сводных таблиц операций (рис. 2). Студенты должны заполнить их после выполнения заданий 1-ого уровня и предъявить на проверку преподавателю. При выполнении заданий 2-ого и 3-его уровней и задач следующего типа эти таблицы могут использоваться студентами. Это позволяет не повторять в пошаговой инструкции в следующих лабораторных работах описание изученных ранее операций и не заучивать их, что ведет к концентрации внимания на решении задачи именно изучаемого типа и более рациональному использованию учебного времени.

Отдельной учебной целью является формирование знаний и понимания способов решения задач и умений самостоятельно использовать и находить эти способы. Особенно актуальны эти умения при решении задач ГИС-анализа и картографического моделирования. Нами как элемент учебного процесса введено изучение способов решения этих задач аналитико-синтетическим методом. Этот метод заимствован нами из методики обучения математике [8]. Согласно ему, процесс решения задачи декомпозируется на отдельные подпроцессы: анализа условия задачи, поиска способа решения, реализации решения, оформления результата (рис. 3). Каждый из подпроцессов также может быть декомпозирован. Для каждого из подпроцессов составляется свой типовой алгоритм его выполнения, синтезирование таких алгоритмов дает обобщенный алгоритм решения задачи определенного типа. Выполнение каждого из подпроцессов представляет собой самостоятельную учебную задачу, результат решения которой должен быть представлен в виде таблицы, блок-схемы или карты (рис. 4, 5).

Так процесс анализа условия задачи включает в себя три подпроцесса:

1. определение выходных данных – результата решения задачи как картографического объекта, его пространственной и атрибутивной составляющей;
2. определение условий задачи как картографических или пространственных требований;
3. анализ имеющихся в условии задачи исходных (входных) данных.

На этапе анализа условия задачи типичным затруднением было непонимание студентами того, что из себя должен представлять результат решения задачи ГИС-анализа и как он может быть представлен картографически – как слой или отдельный объект карты. Также непонятным было, как условия задачи, описанные в виде текста, могут быть отображены на карте. Причиной непонимания являлось несформированное представление об окружающем мире как о наборе пространственных объектов и о карте как о модели реальных географических объектов. Эффективным для формирования понимания оказался прием декодирования текстовой информации в табличную форму. Заполняя таблицу, студент фактически описывает картографические модели искомого результата решения задачи и ее условий (рис. 6). В задачах 1-ого уровня таблицы анализа условия задачи даются заполненными и сопровождаются разъяснением в тексте лабораторной работы, а студент должен их понять и уметь объяснить. В задачах 2-ого уровня студент должен заполнить такие таблицы самостоятельно по образцу задач 1 уровня и уметь их объяснить. В задачах 3-его уровня студент самостоятельно составляет таблицы анализа условия задачи, их форма может отличаться от предлагаемых в инструкции. После выполнения такого анализа дальнейшее решение задачи становится осознанным и не сводится к исполнению отдельных изученных операций по образцу, а может сознательно планироваться.

Наиболее сложным этапом решения задач картографического моделирования является этап поиска решения задачи. Его выполнение требует не только знаний приемов картографического метода исследования и ГИС-анализа, но и знаний исследуемых географических явлений и процессов и опыта применения ГИС-технологии. Но в качестве эффективного приема поиска решения задачи используется прием составления блок-схемы решения задачи (рис. 7). Этот прием описан М.Н. ДеМерсом [6] и в методических указаниях вендерных курсов [2, 3], но в них внимание на нем не акцентируется и он не воспринимается как один из обязательных этапов решения задачи. Нами составление блок-схемы решения рассматривается как обязательная учебная задача, предшествующая составлению плана решения задачи. При решении задач 1-ого уровня студентам, наряду с готовым описанием решения задачи дается и его готовая блок-схема. Такое дублирующее представление позволяет формировать понимание способа решения задачи определенного типа. При решении задач 2-ого уровня, по образцу задач 1-ого уровня, студенты должны составить блок-схему решения конкретной задачи самостоятельно. Варьирование условий задач 2-ого уровня требует некоторых изменений в составляемых блок-схемах. Это служит предпосылкой для составления обобщенного алгоритма решения задач определенного типа. В задачах 3-его уровня студенты должны самостоятельно составить блок-схему решения любой задачи этого типа.

Таким образом, отличительными чертами разработанной автором методики обучения основам создания и использования электронных карт в программных продуктах семейства ArcGIS являются:

• Проектирование цели обучения как готовности к выполнению задач профессиональной деятельности ГИС-специалиста.
• Формирование знаний и понимания способов решения задач как самостоятельной цели обучения.
• Диагностируемое определение результатов обучения по трем уровням усвоения и трем категориям «знание, понимание, умение».
• Проектирование содержания обучения как знаниевой основы, необходимой для решения задач деятельности ГИС-специалиста.
• Проектирование содержания обучения в виде системы профессионально-ориентированных задач трех уровней освоения технологии.
• Применение методов систематизации учебного материала (заполнение таблиц операций) и методов формирования знаний и понимания способов решения задач (декодирование, составление блок-схем).

В рассмотренном учебном курсе не изучаются вопросы проектирования баз геоданных, что объясняется нехваткой учебного времени для изучения этих тем. Разработанная автором методика обучения была использована при обучении четырех групп студентов различных специальностей (около 85 человек) и доказала свою работоспособность и эффективность. Выполненная переработка учебно-методических материалов Esri позволила успешно интегрировать их в учебный процесс в вузе и может быть также полезна при профессиональном обучении.

Литература

1. Что такое ArcGIS? – М.: Дата+, 2004. – 129 с.
2. ArcGIS 9. Начало работы. — М.: Дата+, 2004. – 272 с.
3. ArcGIS 9. Spatial Analyst. Руководство пользователя. — М.: Дата+, 2001. – 219 с.
4. Шухман А.Е. Подходы к интеграции авторизованных учебных курсов ведущих производителей программного обеспечения в российскую систему образования: Материалы Шестой открытой Всероссийской конференции «Преподавание информационных технологий в России». – http://rc.edu.ru.
5. Талызина Н.Ф. и др. Пути разработки профиля специалиста – Саратов: Изд. саратовского ун.1987. –176с.
6. Лурье И.К. Основы геоинформационного картографирования: Учебное пособие. – М.: МГУ, 2001. – 143с.
7. ДеМерс М.Н. Географические информационные системы. Основы/Пер. с англ. – М.: ДАТА+, 1998. – 490 с.
8. Епишева О.Б., Крупич В.И. Учить школьников учиться математике: формирование приемов учебной деятельности. – М.: Просвещение. 1990. – 128 с.

Рис. 1. Пример критериев оценок лабораторной работы	Рис. 2. Пример таблицы операций	Рис. 3. Алгоритм решения задачи анализа
Рис. 4. Алгоритм решения задачи картографического моделирования	Рис. 5. Алгоритм решения задачи оптимального размещения объектов	Рис. 6. Таблицы анализа условия задачи картографического моделирования
Рис. 7. Пример блок-схемы решения задачи методом картографического моделирования