Образовательные возможности ГИС-технологий при изучении географии в школе

Федоровских А.В.; Уральский государственный педагогический университет, Средняя общеобра- зовательная школа № 2 города Реж Свердловской области, E-mail: anastasiya-orekhova@yandex.ru

Educational opportunities of GIS in the study of geography at school

ГИС-технологии вооружают учащихся разнообразными умениями работы с географическими картами, способствуют переходу от традиционной к цифровой школе, в которой результат образования достигается на эффективном применении цифровых технологий. Это утверждение подчеркивает фундаментальную роль картографических знаний и умений и отражает специфику усвоения учащимися содержания школьной географии. В концепции развития географического образования (2016) ГИС-технологии определены в качестве современных средств, позволяющих преподносить информацию максимально доступным для восприятия способом.

Цифровые технологии активно внедряются во все сферы человеческой деятельности: криптовалюта, искусственный интеллект, виртуальная реальность, облачные сервисы, QR-коды, дашборды… На разных этапах развития общества этот период был связан сначала с компьютеризацией, потом с информатизацией, а сегодня – с цифровизацией разных областей нашей жизни, включая и сферу образования.

Цифровизация — это неотъемлемая составляющая школьного образовательного процесса. В Законе РФ «Об образовании» (2013 г.) цифровизация связана с организацией электронного обучения и функционированием в образовательной организации информационно-образовательной среды (ИОС). Согласно требованиям Федерального государственного образовательного стандарта ИОС понимается как открытая педагогическая система, включающая комплекс информационных образовательных ресурсов, в том числе цифровые образовательные ресурсы, совокупность технологических средств информационных и коммуникационных технологий: компьютеры, иное ИКТ оборудование, коммуникационные каналы, систему современных педагогических технологий, обеспечивающих обучение в современной информационно-образовательной среде [16].

Процессы, связанные с цифровизацией, активно развиваются и в системе школьного географического образования. Образовательная роль и ценность школьной географии в этом плане определяется тем, что большая часть информации, которую для разных целей применяет человек, так или иначе связана с пространством. Она отражает важные для изучения и понимания окружающего мира глобальные, региональные, локальные черты и особенности, пространственную дифференциацию и интеграцию развивающихся в этом пространстве событий, явлений и процессов.

Необходимость выявления закономерностей и изучения особенностей развития информационных процессов в географическом пространстве на разных уровнях его организации способствовала появлению в географической науке ГИС — геоинформационных технологий [1-3, 8, 10-11]. Термин ГИС расшифровывается как Географическая Информационная Система, первоначально он применялся для обозначения информационных систем, предназначенных для решения только географических задач [5], но постепенно широта их использования возросла кардинальным образом. Повсеместное применение ГИС, в рамках которых с помощью цифровых карт, данных дистанционного зондирования, статистики, материалов полевых экспедиционных наблюдений, прочих геоданных и информационных ресурсов могут быть изучены географические объекты, социально-экономические и многие другие явления и процессы, привела к расширению содержания данного понятия и связанного с ним научно-прикладного направления.

В научной литературе известны десятки определений понятия «геоинформационная система» (А.М. Берлянт, Л.Е. Гуторова, А.В. Железняков, Д.В. Новенко, А.В. Кошкарев, И.Г. Семакин, А.В. Симонов, Т.С. Тикунов, Н.Д. Угринович и др.). Мы разделяем точку зрения А.М. Берлянта и считаем, что ГИС — это «информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку и представление информации о пространственных объектах, позволяющая моделировать системы пространственных объектов и учитывать их сложные взаимосвязи и взаимодействие, являясь мощным инструментом анализа различных природных и социально-экономических систем» [1].

ГИС характеризуются предметной областью информационного моделирования, имеют широкую проблемную ориентацию, что определяется решаемыми задачами научного, познавательного и прикладного характера. Важнейшими среди них выступают такие как изучение и инвентаризация природных ресурсов, в том числе их кадастр, анализ и оценка, мониторинг, управление, планирование, поддержка принятия решений, связанных с познанием, освоением и преобразованием геосистем различного типа и уровня организации. Существенно то, что многие из этих задач связаны с решением более общих социальных проблем в области оптимизации природопользования, региональных систем экономики, градостроительства и т.д., что подчеркивает не только научную, но и социальную ценность географической информации.

ГИС-технологии всё активнее внедряются в систему школьного географического образования. В концепции современного географического образования ГИС-технологии определены «в качестве современных средств, позволяющих преподносить информацию максимально доступным для восприятия способом» [7, с. 5]. Заметим, что проектирование ИОС в системе школьного географического образования во многом связано именно с применением ГИС-технологий, обеспечивающих сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение упорядоченной и скоординированной, чрезвычайно емкой и разнообразной геоинформации. В методической системе обучения географии они относятся к категории инновационных «средств обучения».

Характеризуя средства обучения географии, В.П. Голов отмечает, что во многих случаях назначение этих средств — обеспечение наглядности обучения — особенно важно в связи с тем, что учащиеся нередко должны усваивать знания об объектах и явлениях, недоступных для непосредственного восприятия [9]. Следует отметить, что в новой ИОС применение наглядных образов в процессе обучения учащихся географии превращается из вспомогательного, иллюстрирующего приема в ведущее продуктивное методическое средство благодаря компьютерной визуализации учебной географической информации [14]. Созданные с применением ГИС-технологий визуальные модели географических объектов, процессов или явлений позволяют ввести определение понятия, опираясь на визуальное восприятие учащихся, благодаря чему понятие подкрепляется хорошо осмысленным, наглядно представленным и структурированным образом соответствующего географического объекта или процесса; визуально представить термин; представить в очевидной форме скрытые географические связи, особенно причинно-следственные, закономерности и тренды; изложить наглядно трудно воспринимаемые положения теоретических знаний; показать взаимосвязи и взаимозависимости между геокомпонентами, процессами и явлениями; проследить ход рассуждений, приводящих к искомому заключению; выявить подсказку к решению поставленной задачи.

Один из примеров таких учебных задач иллюстрируют карты на рисунке 1. Соответствующее задание (для 6-го класса) звучит так: «Используя рис. 1(а) и 1(б), измерь расстояние от Москвы до Санкт-Петербурга; получившееся расстояние занеси в таблицу. Сравни полученные результаты с действительным расстоянием между этими городами. Сформулируй вывод».

Перечень геоинформационных систем, которые могут применяться в школьном географическом образовании, разнообразен. В нем можно насчитать более двух десятков программ. Наиболее распространенными являются программы Esri семейства ArcGIS с различными программными пакетами – настольные продукты ArcView, ArcEditor, ArcInfo, облачная платформа ArcGIS Online и др. Функциональные возможности этой программной платформы имеют средства создания и редактирования цифровых векторных и растровых карт, выполнения измерений и расчетов по цифровой карте, оверлейных операций, построения ЗD-моделей, обработки растровых данных, например, данных дистанционного зондирования, цифровых космических снимков, средства тематического картографирования, подготовки карт к изданию и публикации, инструментальные средства для деятельности учащихся с базами данных.

С точки зрения методики обучения географии эффективность учебного процесса с применение ГИС связана с формированием различных способов учебной деятельности, необходимых для решения географических задач. К ним относятся поиск и анализ географической информации, имеющейся на цифровой карте, масштабирование, определение по карте расстояний, направлений, высот точек, географических координат, местоположения, протяженности и площади географических объектов. Сюда же относятся способы сопоставления, наложения и сопряженного анализа карт разного содержания для одной территории с целью составления описаний свойств и характеристик географических объектов, выявления взаимосвязей и взаимозависимостей геокомпонентов, например, между климатом и рельефом, климатом и растительностью, установление причинно-следственных связей, умение прогнозировать различные географические процессы. Кроме того, с применением ГИС учащимся предоставляется возможность построения трехмерной модели местности и создание собственных цифровых карт на базе имеющихся тематических слоев, редактирование цифровых контурных карт, подготовка карт к презентации (выполнение компоновки карт) – особо ценные функции ГИС, способствующие развитию у школьников пространственного географического мышления.

Формирование указанных способов учебной деятельности учащихся затруднено, замедлено при использовании традиционных карт, поскольку основано на таких способах учебной деятельности, которые практически невозможно сформировать у школьников с помощью бумажных карт и атласов. Примером может служить прием наложения, сопоставления нескольких карт, порой имеющих разные масштабы. А этот способ учебной деятельности относится к числу важнейших в процессе обучения учащихся географии. Результаты наложения карт помогают понять, глубоко осмыслить учащимися, что наблюдаемые сходства пространственных проявлений географических процессов обусловлены действием реальных причинно-следственных связей. ГИС-технологии позволяют быстро решать такие задачи и помогают ученику провести системный анализ отдельных элементов и их взаимосвязей. Вследствие чего географические знания усваиваются учащимися сознательно, прочно, благодаря собственным познавательным усилиям, что развивает интеллектуально-эвристические способности ученика.

Один из примеров решения таких задач, относящийся к проблеме опустынивания, представлен на рис. 2. Задание к нему звучит так: Определи, какой природный процесс показан на рисунке. Напиши, что ты знаешь об этом географическом процессе? При затруднении обратись за помощью к Интернет-ресурсам. Сравни границы и определи площадь пустыни в разные годы. Определи, территории каких стран больше подвержены опустыниванию. Ответ запиши. Укажи причины опустынивания и сделай выводы. Предположи, каковы экологические последствия опустынивания для природы региона и человека? Укажи, как в современном обществе пытаются решить эту экологическую проблему? При затруднении обратись за помощью к Интернет-ресурсам.

Кроме того, ГИС-технологии обеспечивают возможность постоянного обновления цифровых карт на основе новых статистических материалов силами самих школьников под руководством преподавателя, в отличие от традиционных, статичных «бумажных» карт. Это означает, что у современного учителя появляется возможность обучать школьников географии, используя самую актуальную, быстро меняющуюся географическую информацию о природе, населении и хозяйстве и их взаимосвязях, рассматриваемых на разных уровнях организации географического пространства.

Теперь обратимся к анализу уникальных образовательных возможностей ГИС-технологий, способствующих достижению предметных, метапредметных и личностных результатов обучения учащихся географии. Развернутое обоснование целесообразности применения современных ГИС-технологий в области образования было представлено еще в 1995г. сотрудниками компании Esri (США), а затем она стала инициатором специальной глобальной программы поддержки образовательной сферы. Изучение и анализ методической [1-2, 6, 8, 15, 17-19, 21] и педагогической [4, 7, 13, 20] литературы дает основание сформулировать следующие образовательные функции ГИС-технологий. Эти функции рассматриваются в соответствии с основными направлениями обучения и развития учащихся.

Ведущая образовательная функция ГИС-технологий связана с познавательным и личностным развитием учащихся. Сюда относятся: формирование умений наблюдать, выделять географические элементы в предлагаемом изображении, определять их функциональные особенности; развитие наблюдательности и воображения; ускоренного во времени с помощью ГИС-технологий формирования понятий, складывающихся обычно в результате длительного анализа, обобщения, синтеза, систематизации фактов, явлений и наблюдений; развитие мышления, например, наглядно-действенного, наглядно-образного, интуитивного, творческого, теоретического, пространственного, визуального [14].

В отличие от традиционных и хорошо известных в теории и практике школьного географического образования средств обучения, ГИС-технологии уникальны с точки зрения развития у учащихся пространственного воображения, пространственного мышления, результатом которых более четко и наглядно выступают образы географических объектов и процессов. Эти образы достоверны, обладают признаками полноты, могут быть динамичны. Относительно простые образы отдельных географических объектов (холм, гора, равнина, река) интегрируются, объединяются мышлением в рамках конкретной территории, образуют более сложный образ большой территории, целого региона, страны. Мы специально выделяем образовательные возможности ГИС-технологий в развитии у учащихся пространственного воображения, мышления, выступающих базовыми элементами формирования географической картины мира учащихся, интегрирующей фундаментальные географические знания и способы научного географического познания.

Интересный опыт развития пространственного мышления с помощью ГИС-технологий отражен в работах Майкла Н. ДеМерса (одна из его базовых книг переведена на русский и издана компанией Дата+, см. [3]). По словам автора, «исследование Земли посредством ГИС основывается на человеческой способности мыслить пространственно; пространственное мышление требует умения выбирать, наблюдать, измерять, записывать и характеризовать то, что нам встречается, а мощные возможности современных ГИС позволяют показывать, описывать и численно представлять пространственные связи, что на протяжении долгого времени было основной задачей географов». Систематическое применение в учебном процессе ГИС-технологий способствует постепенному развитию пространственного мышления учащихся: развиваясь от класса к классу оно становится более широким по объему, менее наглядным и более абстрактным, но в то же время более содержательным [13, с.161].

На наш взгляд, еще одной существенной чертой пространственного мышления выступает его ценностно-смысловая нагруженность, отражающая систему личностных смыслов и отношений ученика, его субъектный опыт, связанный с изучением, моделированием географического пространства на разных уровнях его организации. Благодаря чему географические знания ученика, пронизанные системой личностных смыслов, установок, отношений, создают собственную для него географическую картину мира. А она, в свою очередь, влияет на формирование ментальности, направленность личности, регулирует сознание, поведение и деятельность человека в географическом пространстве. Отсюда следует, что включение ГИС-технологий в учебный процесс по географии стимулирует процессы самоопределения человека в географическом пространстве и в системе знаний о нем, порождает процессы смыслоопределения, что соответствует личностным образовательным результатам, задаваемым ФГОС.

К образовательным возможностям ГИС-технологий, связанным с познавательным развитием учащихся, также относится достижение новых образовательных (метапредметных) результатов, обеспечивающих готовность и способность учеников выполнять деятельность поисковой направленности. Это направление позволяет объединить различные способы учебной деятельности (эвристические, регулятивные, предметные географические), например, умение находить информацию, необходимую для решения проблемы, устанавливать причинно-следственные связи, выдвигать гипотезы на основе анализа, моделирования, прогнозирования географических ситуаций проблемного характера.

Не менее важной образовательной функцией ГИС-технологий является интенсификация различных компонентов и процесса обучения географии в целом. Во-первых, это проявляется в повышении мотивации учебной деятельности, например, за счет наглядной компьютерной визуализации учебной информации, применения в процессе урока анимационных роликов, процессов прогнозирования, моделирования, возможности управления, выбора режима учебной деятельности. Наиболее ценно, на наш взгляд то, что компьютерная визуализация учебной географической информации позволяет показать географические явления в движении, зафиксировать явления, отдаленные от учащихся, а иногда неповторимые или недоступные для непосредственного наблюдения в природе. Самым существенным является то, что ГИС-технологии позволяют отразить различную скорость развития географических процессов, их пространственно-временную динамику и результаты (рис. 3). Некоторые географические процессы могут быть показаны ускоренно, например, сокращение площади Аральского моря, другие, наоборот, замедленно, например, сближение литосферных плит, замыкание геосинклинали и ее последствия. Низкая заинтересованность современного школьника в учении является серьезной проблемой основной школы, и внедрение ГИС-технологий с их средствами продвинутой визуализации и анализа, в определенной степени, способствует ее решению.

Вот один из примеров учебных заданий (для 7-го класса), представленный на рисунке 3. Оно формулируется следующим образом: Определи географические координаты Аральского моря-озера. Сравни очертания водного объекта в разные годы. Определи, как происходило усыхание озера за последние 40 лет. Укажи причины усыхания и сделай выводы. Предположи, каковы экологические последствия резкого обмеления озера для природы региона и человека? Укажи, как в современном обществе пытаются решить эту экологическую проблему? При затруднении обратись за помощью к Интернет-ресурсам. Объясни тот факт, что на дне Аральского моря в Казахстане обнаружено древнее погребение – остатки мавзолея, возведенного примерно в XI-XIV вв. О чем говорит его наличие на бывшем дне озера.

Во-вторых, ГИС-технологии позволяют углублять межпредметные связи при решении учебно-познавательных задач в процессе интеграции учебного содержания различных предметов. Так, например, внедрение ГИС-технологий в школьное образование может послужить средством интеграции информатики с географией. В методике обучения географии известны примеры применения ГИС-технологий в создании интегрированного учебного проекта при обучении учащихся другим предметам, например литературе [18]. Необходимо отметить и тот факт, что применение ГИС-технологий на системной основе способствует формированию информационной компетентности учащихся – одного из ключевых результатов освоения основной образовательной программы, зафиксированной во ФГОС.

В дополнение к указанным образовательно-развивающим возможностям ГИС-технологий как инновационного средства процесса обучения учащихся географии отметим ускорение во времени процессов вычислительных операций и нахождения учащимися необходимой географической информации. Так в традиционном обучении для измерения расстояний и площадей по карте нужны специальные инструменты – линейка, транспортир, курвиметр, сетка или планиметр. Тогда как с применением инструментария ГИС процесс измерения расстояний и площадей приобретает автоматизированный характер, что ускоряет процесс нахождения значений, позволяет сосредоточить внимание учащихся на интерпретации географической сущности полученных результатов. Приведенный тезис реализует принцип временной эффективности обучения. Сущность указанного принципа состоит в том, что время, затрачиваемое на усвоение базового содержания, снижается за счет применения обобщенных способов учебной деятельности и грамотного применения комплекса видов представления и обработки учебной информации.

Полученные в результате обучения знания и навыки можно использовать и для выполнения разнообразных исследований и проектных заданий, таких, как показано на рис. 4. Вот соответствующее задание (для 8-го класса): используя 3D модель Алапаевского района, смоделируйте горнолыжный комплекс и предложите клиентам 3 разных величины уклона: новичок, любитель, профессионал.

Примеры других исследовательских работ, в числе прочего способствующих расширению знаний, привлечению внимания и интереса учащихся к изучению своего региона, а также навыкам коллективного творчества, приведены на рисунке 5.

Подводя итоги, укажем, что образовательный потенциал ГИС-технологий будет реализован в полной мере только в том случае, если в процессе обучения организовать активную учебно-познавательную деятельность учащихся при решении учебных географических задач [12]. ГИС-технологии при систематическом их применении выступают мощным ресурсом обновления содержания школьной географии, методов обучения, а значит, могут существенно повлиять на методическую систему обучения географии в целом в плане повышения качества и эффективности ее функционирования, направленности на достижение новых образовательных результатов, задаваемых целями электронного обучения учащихся.

Об авторе
Анастасия Владимировна Федоровских, магистрант факультета естествознания, физической культуры и туризма Уральского государственного педагогического университета, г. Екатеринбург; учитель географии муниципального автономного общеобразовательного учреждения «Средняя общеобразовательная школа № 2», г. Реж, Свердловская область; e-mail: anastasiya-orekhova@yandex.ru.

Ее рассказ об опыте преподавания географии в школе с использованием возможностей геоинформационных технологий привлек интерес и внимание многочисленных участников 26-й конференции Esri в России и СНГ, прошедшей в виртуальном формате в ноябре 2020 года.

Литература

1. Берлянт, А. М. Картография: Учебник для вузов / А. М. Берлянт. – М.: Аспект Пресс, 2002. – 336 с
2. Гуторова, Л. Е. Основы геоинформатики и геоинформационных технологий: Электронный учебник по курсу «Основы геоинформатики и ГИТ» для студентов педагогических вузов [Текст] / Л.Е. Гуторова. – Нижний Тагил: НТГСПА, 2004
3. ДеМерс, Майкл Н. Географические Информационные Системы. Основы.: Пер. с англ. – М. : Дата+, 1999. – 471с.
4. Закон об образовании в Российской Федерации : [федер. закон : принят Гос. Думой 21 декабря 2012 г., одобрен Советом Федерации 26 декабря 2012 г.]. – М.: Издательский Дом «Ажур», 2013. – 172 с.
5. Информатика и информационные технологии. Учебник для 10–11 классов / Н.Д. Угринович. – 3-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. – 511с.
6. Капустин В.Г. ГИС-технологии как инновационное средство развития географического образования в России // Педагогическое образование. – 2009. — №3. с. 68-76
7. Концепция развития географического образования в Российской Федерации [Текст] https://docs.edu.gov.ru/document/54daf271f2cc70fc543d88114fa83250 (дата обращения: 10.12.2020)
8. Крейдер, О. А. Информационная среда использования ГИС-технологий в образовании [Текст] // Фундаментальные исследования. – 2007. — №2 – 63 с.
9. Методика обучения географии в средней школе: Пособие для учителя / Под ред. И. С. Матрусова. – М.: Просвещение, 1985. – 256 с.
10. Новенко, Д.В. Использование геоинформационных технологий в школьном географическом образовании [Текст] / Д.В. Новенко // «География в школе». — 2007. — №7. с. 36-40.
11. Новенко, Д.В., Железняков, А.В. и др. Информационный геокомплекс, предназначенный для использования в процессе обучения географии в общеобразовательной школе и включающий программный инструмент для работы с цифровыми географическими картами, комплект цифровых географических карт и снимков, полученных с искусственных спутников Земли. Методические рекомендации [Текст] / А.В. Железняков, Д.В. Новенко и др. – М. — 2008. – 78 с.
12. Орехова А.В., Поздняк С.Н. Формирование геоинформационной компетентности учащихся на основе применения ГИС-технологий // Педагогическое образование в России. – 2013. – №2. – С. 121-128.
13. Петрова, Н. Н. Методика преподавания географии в дифференцированной школе: методическое пособие для учителей географии [Текст]/ Н. Н. Петрова. – М.: ООО «Блик и Ко», 2000. – 334с., с.161
14. Резник Н.А. Методические основы обучения математике в средней школе с использованием средств развития визуального мышления. – Дисс. на соискание уч. степени д-ра пед. наук. – Санкт-Петербург, 1997. – 500 с.
15. Рогачёв А.В. Цифровая картография. Геоинформатика // География, 1999. — № 4. – С. 1-2
16. Федеральный государственный образовательный стандарт среднего (полного) общего образования / Мин-во образования и науки Рос. Федерации. – М.: Просвещение, 2013. – 63 с.
17. Финаров Д.П. ГИС: отбор содержания и методика их изучения в школьном курсе Географии России // География в школе, 2005. — №5. – с. 56-58
18. Хасаншина, Н. З. Теория и методика использования учебных геоинформационных систем в профильной подготовке школьников : дис. … канд. пед. наук : 13.00.08 / Хасаншина Нафиса Закиевна. – Тольятти, 2004. – 180 с.
19. Цыпина Э.М. Тематические карты и геоинформационные системы для всех.// География. — 1991. — № 9. с. 20-24
20. Чернобай Е.В., Методические основы подготовки учителей к проектированию учебного процесса в современной информационной образовательной среде. – автореф. дис… докт. пед. наук/Е.В. Чернобай. – М.: [б.и.], 2012. – 50 с.
21. Юртаев А.А. Использование ГИС-технологий в подготовке будущих учителей географии // География в школе. – №6. – 2012. – С. 55-58