Гуторова Л.Е. Преподавание геоинформатики в вузе // Педагогическая информатика. 2003. №2. С. 21-31

Характерная черта развития человечества на протяжении последних десятилетий - процесс перехода к информационному сообществу - определяет необходимость подготовки студентов к вступлению в жизнь, в которой любая профессиональная деятельность будет связана с информатикой, информационными и коммуникационными технологиями (ИКТ). Понимание важности данной подготовки получило отражение в целях изучения образовательной области "Информатика" в вузах различной прикладной направленности (в блоке естественно -математических дисциплин).

Необходимо отметить, что вопросу изучения ИКТ в вузе с целью профессиональной подготовки посвящается большое количество работ, публикаций и выступлений на различных совещаниях, конференциях и форумах. Однако почти без внимания остается новый и перспективный вид информационных технологий - геоинформационные технологии (ГИТ). Сегодня ГИТ играют все более важную роль в задачах социально-экономического, политического и экологического развития и управления в природной, производственной и трудовой сферах страны. Геоинформационные технологии захватывают все большие сферы влияния информационных технологий, увеличивается спрос на рынке труда на с пециалистов, владеющих общими теоретическими и общими практическими сторонами работы с пространственной информацией. Следовательно, существует социальный заказ на специалистов различного направления, которые бы владели навыками применения геоинформационных технологий в своей профессиональной деятельности. В тоже время, с нашей точки зрения, вопрос обучения студентов вузов различной прикладной направленности геоинформационным технологиям и элементам геоинформатики остается слабо разработанным.

Этот вывод подтверждается высказываниями многих ученых. Например, И.К. Лурье [1] считает, что в области геоинформационной подготовки в настоящее время преобладает самообразование. Такое положение обусловлено, прежде всего, тем, что геоинформатика большей частью сформировалась уже после становления технологии, на стыке нескольких отраслей знаний: географии, картографии, общей информатики, теории информационных систем, теории информации и других дисциплин [2]. Это в свою очередь привело к известной неопределенности в составе изучаемых вопросов базовых учебных курсов по геоинформатике в учебных заведениях различной отраслевой направленности. На сегодняшний день не найдено однозначных ответов на вопросы: «Чему учить?» (например, учить теории ГИС и техническим вопросам их создания или же геоинформационным методам исследования окружающей действительности?) и «Как учить?» (например, как должно распределяться учебное время между теорией и практикой).

Особо отметим высказывания специалистов об отсутствии методических разработок, общих методических подходов для вузов общей прикладной направленности к преподаванию геоинформатики ([3, с. 53], [4, с. 48]). Анализ состояния преподавания геоинформатики позволил выявить наличие большого количества проблем в геоинформационном непрерывном образовании, многообразие учебных планов и программ и отсутствие единой концепции их разработки, слабую обеспеченность учебно-методической литературой.

Такое состояние современного геоинформационного образования в России, с нашей точки зрения, обусловлено целым рядом причин. Недостаточно координированная организационная работа на государственном уровне, отсутствие единой концепции геоинформационного образования, различные интересы и политика в отраслевых ведомствах и министерствах - вот неполный перечень причин возникновения проблем в геоинформационном образовании. Они сдерживают финансовые вложения в геоинформационное образование, развитие геоинформационных технологий и становление цивилизованного рынка геоинформационных услуг, не позволяют достичь высокого уровня информационного обеспечения в области образования, затрудняют разработку и стандартизацию единой системы непрерывного геоинформационного образования.

Однако в настоящее время имеются некоторые успехи 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, А.М. Берлянта, В.С. Тикунова и др. Проблемам обучения геоинформатике посвящаются специальные конференции, разделы журналов, статьи. Обсуждаются как общие проблемы, возникающие при изучении геоинформатики и геоинформационных технологий, так и конкретные учебные курсы. Отметим, что первыми 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. В 1995 г. был утвержден Государственный образовательный стандарт по специальности 071900 «Информационные системы (по областям применения)» [5], на базе которого учебно-методическим объединеним университетов по географии подготовлен и утвержден стандарт по геоинформационным системам. В данном документе, основанном на результатах мониторинга состояния геоинформационного образования в России [4], определены модели ГИС-образования, содержание образовательных уровней бакалавра и магистра геоинформатики. В дальнейшем были разработаны концепции высшего геоинформационного образования ([6], [1, с. 87]), Государственные образовательные стандарты среднего и высшего профессионального образования для специальностей с дополнительной подготовкой в области ГИС [7], учебные программы ([8], [9], [10]), созданы учебные пособия ([2], [12], [13], [14]), методическое и программное обеспечение для обучения географов, экологов, экономистов, юристов, биологов, железнодорожников, социологов и т.д.

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.).

Проанализируем некоторые методические подходы обучения геоинформатике в целом в вузе.

В ряде стран геоинформационное образование делится на два вида: академическое (обучение студентов университетов и колледжей с высшим образованием) и коммерческие курсы, организуемые частными компаниями для обучения своих специалистов [15, с. 23]. В нашей стране курсы по геоинформатике на основе анализа содержания программ, места курсов в системе образования и времени, отведенного на изучение вопросов геоинформатики, можно разделить по тематической направленности (пользователи ГИС, проектировщики и разработчики ГИС), продолжительности (спецкурс, основной курс, включение вопросов ГИТ в существующие курсы, курсы повышения квалификации) и уровню подготовки (среднее образование, среднее специальное образование, высшее образование, послевузовское образование).

Анализ программ и методических подходов к преподаванию геоинформатики в рамках профессионального образования позволил выделить следующие модели обучения студентов: 1) подготовка разработчиков ГИС, ведущих адаптацию специализированного программного обеспечения и разработку ГИС-приложений; 2) обучение пользователей ГИС в различных отраслях; 3) переподготовка специалистов, работающих в организациях, которые переходят на использование новых информационных технологий для оперативного решения производственных задач (в настоящее время это земельные комитеты разных уровней, комитеты по экологии, администрации и др.).

Проведенный ниже анализ курсов по геоинформационной тематике позволяет сделать вывод об отсутствии единого подхода к их разработке. Так в ряде неспециализированных вузов к курсам по геоинформационной тематике отнесены «…геодезия, картография, фотограмметрия и дешифрование снимков, информационные измерительные системы» [3, с. 53]. В специализированных вузах читают курсы «Введение в ГИС», «Геоинформатика», «Теория и методология ГИС», «Проектирование ГИС», «Технические средства ГИС». Во многих вузах предлагается не выделять отдельный курс по геоинформатике, а вносить соответствующие изменения в уже читавшиеся курсы: «Базы данных и базы знаний», «Компьютерная графика», «Обработка изображений», что, однако, не позволяет создать целостное представление о предмете. В классических университетах обучение геоинформатике направлено на использование ГИС в научных и прикладных задачах, в то время как технические вузы ориентируются на техническую и технологическую стороны разработки и эксплуатации ГИС.

Для сравнительного анализа разделим курсы по геоинформатике для студентов (и соответственно методические подходы к преподаванию) на две группы, положив в основу деления фундаментальный принцип В.С . Леднева о «двойном» вхождении образовательной области в содержание образования: как объекта изучения и как аспекта изучения окружающего мира.

Первая группа - это курсы, в которых геоинформационные технологии выступают как средство обучения в вузах и школах в преподавании таких дисциплин, как «Экономическая география», «Физическая география», «Экология» , «Биология», «Общая геология», «Палеонтология», «Минералогия», «Основы безопасности жизнедеятельности», «Экономика», «История» и др. Такой подход предполагает высокий уровень знаний и умений в области геоинформатики у преподавателей и учителей-предметников. Примерами могут служить курсы «Использование геоинформационно-моделирующих систем в экологическом образовании» [16] для студентов Северского государственного технологического института, «Геоинформационные технологии как средство интеграции знаний по информатике и географии» [17] для студентов Тольяттинской академии управления и разработки общих и специальных курсов, в основе которых лежат ГИС, для повышения эффективности экологической компоненты географического образования студентов Казанского государственного педагогического университета [18]. Однако, таких курсов пока очень мало. Это обусловлено и слабой геоинформационной подготовкой преподавателей, и отсутствием методических разработок применения ГИТ в обучении.

Вторая группа - это курсы, в которых геоинформатика и геоинформационные системы выступают как объект изучения. При этом необходимо отметить, что первоначально процесс изучения ГИТ происходил в основном на уровне профессионального образования, что касалось обучения как студентов, так и школьников 10-11 классов. Однако в последнее время происходит понимание важности обучения студентов и учащихся геоинформатике, что отражается в появлении курсов по геоинформатике для общеобразовательных школ и вузов различной прикладной направленности.

Проведем анализ содержания некоторых курсов для студентов вузов различной прикладной направленности.

Рассмотрим следующие программы:

1. Программа курса «Геоинформационные системы» [8] (рассчитана на студентов природоведческих факультетов Пущинского государственного университета)
2. Программа спецкурса «Введение в геоинформационные системы» (Запорожский Государственный университет) [19]
3. Рабочая программа курса «Геоинформационные системы в муниципальном управлении» [9] (предназначена для обучения студентов специальности 061000 «Государственное и муниципальное управление« Таганрогского государственного радиотехнического университета)
4. Программа базового курса «Геоинформационные системы» [21] (для студентов старших курсов Сибирской государственной геодезической академии специальностей «Фотограмметрия и дистанционное зондирование«, «Информационные системы«, «Экономика и управление на предприятии«, «Инженерная геодезия«)
5. Программа курса по выбору «ГИС и компьютерное моделирование» [22] (для студентов геологического факультета Воронежского государственного университета)

В таблице 1 представлены укрупненные тематические блоки и наличие/отсутствие данного блока в той или иной программе.

Таблица 1. Анализ содержания курсов

Таблица наглядно показывает, что изучение таких блоков, как «Введение в геоинформатику», «Общие принципы построения моделей данных в геоинформатике» и «Технология моделирования в геоинформатике» рассматривается не во всех курсах. Связано это очевидно с тем, что многие подменяют теоретические аспекты геоинформатики вопросами из области геоинформационных систем, вследствие чего теоретические вопросы моделирования пространственных объектов и явлений рассматриваются лишь в программах по курсам «Геоинформационные системы в муниципальном управлении» и «ГИС и компьютерное моделирование». Методическое обеспечение ГИС рассматривается лишь в одной из представленных программ, что говорит о специфичности данного вопроса (действительно , вопросы нормативно-правовых аспектов разработки ГИС, лицензирования и защиты информации в ГИС целесообразно изучать лишь при подготовке специалистов - разработчиков геоинформационных систем). Теоретические вопросы СУБД нашли свое отражение также не во всех программах. Связано это с тем, что многие вузы выносят их в отдельный курс «Базы и банки данных», что является целесообразным и с нашей точки зрения. Аппаратное обеспечение не выделено в явном виде в программах таких курсов, как «Введение в геоинформационные системы», «Геоинформационные системы в муниципальном управлении», «Геоинформационные системы». Однако рассмотрение вопросов ввода, вывода, хранения и сбора пространственной информации невозможно без изучения устройств ввода-вывода и источников информации, следовательно, данный тематический блок растворен в других блоках. Отметим также, что рассмотрение различных видов ГИС считают необходимым не все вузы (мы придерживаемся мнения, что знать отличия CAD-систем и MAPPING-систем от геоинформационных систем необходимо далеко не всем студентам).

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 основных содержательных линий и определению содержания курсов. Однако из таблицы 1 виден перечень вопросов, которые видимо должны освещаться при изучении геоинформатики: общие вопросы ГИС, аппаратное обеспечение ГИС, организация и представления информации в ГИС, общие аналитические операции с объектами, применение ГИС для решения различных прикладных задач (учитывая профиль специальности). Кроме того, анализ представленных программ показал наличие в них общего недостатка - отсутствие четкого акцента на том обстоятельстве, что весь процесс создания и работы с ГИС - это процесс моделирования системы пространственных объектов с соблюдением всех этапов моделирования (создание модели, работа с моделью, интерпретация результатов и принятие решений по управлению на основе полученных результатов как нового этапа моделирования в геоинформатике).

Как уже отмечалось выше, по нашему мнению, при построении курсов по геоинформатике в вузах различной прикладной направленности и в общеобразовательной школе акцент должен быть сделан на вопросах формализации и моделирования пространственной информации. Наш вывод подтверждается сравнительным анализом предлагаемых учебных пособий по геоинформатике для студентов вузов, выполненный по методике, предложенной С.В. Русаковым [23]. Для выполнения анализа будем руководствоваться следующими качественным и количественным принципами:

1. наличие основных содержательных линий геоинформатики, степень и глубина их освещения;
2. доля страниц, раскрывающих содержательную линию в данном пособии.

Прежде всего, выделим основные блоки и определим их содержание:

1. Введение в геоинформатику
   Геоинформатика как наука. Предмет и методы геоинформатики. Связь геоинформатики с другими науками.
2. Введение в ГИС
   Геоинформационные системы как один из видов информационных систем. История развития ГИС. Классификация ГИС. Составные части ГИС. Проектирование ГИС. Построение схемы обобщенной ГИС. Программные средства для создания ГИС. Области применения ГИС.
3. Сбор и ввод пространственной информации
   Сбор пространственных данных в геоинформатике. Источники данных. Технологии ввода информации. Редактирование данных.
4. Формализованное представление пространственной информации
   Базовые модели данных в геоинформатике. Особенности организации пространственной информации в ГИС. Пространственный объект. Пространственные и атрибутивные свойства объектов. Формализованное представление пространственных объектов. Модели пространственных свойств. Модели атрибутивных свойств. Интеграция данных. Послойный принцип организации моделей. Карта как модель пространственных данных. Цифровая модель рельефа.
5. Анализ данных и моделирование в геоинформатике
   Алгоритмы и технологии преобразования форматов и представления данных. Трансформация проекций и системы координат. Операции вычислительной геометрии. Оверлейные операции. Генерализация. Пространственный анализ. Семантические и пространственные запросы. Методы математической статистики для анализа пространственных данных. Сетевой анализ.
6. Вывод и визуализация информации
   Методы и технологии визуализации информации. Карты как результат и средство визуализации. Технические средства визуализации информации.

На основе указанных принципов проведен сравнительный анализ нескольких учебных пособий, которые далее будем обозначать следующим образом:

• У1: «Геоинформатика», авторы А.В. Кошкарев и В.С. Тикунов [12];
• У2: «Введение в ГИС», авторы Н.В. Коновалова и Е.Г. Капралов [14];
• У3: «Геоинформационные системы и технологии», автор В.Я. Цветков [20];
• У4: «Географические информационные системы. Основы», автор Майкл Н. ДеМерс [11];
• У5: «Геоинформационные системы», авторы Л.М. Бугаевский и В.Я. Цветков [13];
• У6: «Геоинформатика», авторы А.Д. Иванников и др. [2];

Результаты анализа представлены в таблице 2 «Долевое распределение страниц учебных пособий по содержательным линиям».

Таблица 2. Долевое распределение страниц учебных пособий по содержательным линиям

Данные таблицы 2 в виде диаграммы представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Долевое распределение страниц учебных пособий по содержательным линиям

Из рисунка 1 видно, что с течением времени (период от 1993 г. до 2000 г.) происходит возрастание роли линий формализации пространственной информации и моделирования и снижение роли тем, касающихся общих вопросов геоинформационных систем.

Укрупненные разделы геоинформатики представлены в таблице 3 «Долевое распределение страниц учебных пособий по укрупненным содержательным линиям» и на рисунке 2.

Таблица 3. Долевое распределение страниц учебных пособий по укрупненным содержательным линиям

Рисунок 2 наглядно показывает отмеченные тенденции.

Рисунок 2. Долевое распределение страниц учебных пособий по укрупненным содержательным линиям геоинформатики

Для попарного сравнения рассматриваемых учебных пособий подсчитаны коэффициенты корреляции, представленные в таблице 4.

Таблица 4. Коэффициенты корреляции между рассматриваемыми учебными пособиями

Из таблицы 4 видно, что пособия 1-3 тематически очень близки (минимальный коэффициент корреляции между учебными пособиями «Геоинформатика» (авторы А.В. Кошкарев и В.С. Тикунов [12]) и «Введение в ГИС» (авторы Н.В. Коновалова и Е.Г. Капралов [14]) составляет 0,85) , а пособия 4-6 заметно отличаются от них (максимальный коэффициент корреляции между пособиями «Геоинформационные системы и технологии» (автор В.Я. Цветков [20]) и «Географические информационные системы. Основы» (автор Майкл Н. ДеМерс [11]) составляет 0,47). Отметим также, что в пособиях с одинаковым названием «Геоинформатика», изданных в 1993 и 2001 гг. ([12], [2]), подходы к освещению основных блоков геоинформатики существенно отличаются.

Проведенный анализ учебных пособий по геоинформатике, во-первых, подтверждает существование отмеченной нами выше проблемы определения содержания курса геоинформатики. Во-вторых, свидетельствует об эволюции взглядов на содержание обучения геоинформатике, а также подтверждает наш вывод о том, что сегодня при обучении геоинформатике необходимо делать акцент на линии формализованного представления пространственной информации и моделирования, который необходимо учитывать при построении курсов по геоинформатике для студентов вузов различной прикладной направленности.

Литература

1. Лурье И.К. Обучающие ГИС для наук о Земле // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. 1998. № 1(13). С. 86-89.

2. Геоинформатика / А.Д. Иванников, В.П. Кулагин, А.Н. Тихонов, В.Я. Цветков. М.: МАКС Пресс, 2001. 349 с.

3. Анализ анкеты "ГИС-Образование" // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. 1996. № 3(5). С. 53.

4. Берлянт А.М. Государственный образовательный стандарт по геоинформационным системам и проблемы деятельности Комитета ГИС-Образование ГИС-Ассоциации // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. 1997. № 1(8). С. 48 - 49.

5. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по специальности 071900 "Информационные системы (по областям применения)". М., 1995 г.

6. Писецкий В.Б. Концепция геоинформационного образования в геолого-геофизической отрасли // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. 1998. № 2(14). С. 85 - 86.

7. Чукмаров И.А. Государственный образовательный стандарт среднего профессионального образования // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. 2000. №3(25).

8. Программа учебного курса "Геоинформационные системы". Пущино: Пущинский госуниверситет, 1998.

9. Рабочая программа по дисциплине "Геоинформационные системы в муниципальном управлении". Таганрог: ТГРУ, 1998.

10. Шайтура С.В. Учебная программа по курсу "Геоинформатика" http://schgis.by.ru/index.html

11. ДеМерс Майкл Н. Географические информационные системы. Основы: Пер. с англ. М.: Дата+, 1999. 490с.

12. Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика / Под ред. Д.В. Лисицкого. М.: "Картгеоцентр" - "Геодезиздат", 1993. 213 с.

13. Бугаевский Л.М., Цветков В.Я. Геоинформационные системы: Учебное пособие для вузов. М.: Златоуст, 2000. 222 с.

14. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС: Учебное пособие. М.: Библион, 1997. 160 с.

15. Лурье И.К. Теория и практика создания обучающих ГИС для географических исследований: Дис.…д-ра географических наук. М., 1998.

16. Носков М.Д., Жиганов А.Н., Истомина Н.Ю. Использование геоинформационно-моделирующих систем в экологическом образовании // http://ito.edu.ru/2002/II/1/II-1-779.html

17. Хасаншина Н.З. Геоинформационные технологии как средство интеграции знаний по информатике и географии // http://www.bitpro.ru/ITO/2002/II/3/II-3-475.html

18. Тагирова С.Б. Использование ГИС-моделирования и ГИС-технологий в экологическом образовании // http://www.cctpu.edu.ru/conf/sec2/tez25.html

19. Тематический учебный план спецкурса "Введение в геоинформационные системы" // http://www.zsu.zp.ua/gis/index.htm

20. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998. 288 с.

21. Карпик А.П. Геоинформационное образование в Сибирской государственной геодезической академии. Перспективы и возможности развития // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. 2000. №3 (25). С. 47.

22. Иванов Д.А. ГИС и компьютерное моделирование на геологическом факультете Воронежского государственного университета // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. 1999. № 1(18).

23. Русаков С.В. Сравнительный анализ тенденций в преподавании общеобразовательного курса информатики // Региональные проблемы информатизации образования: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Часть 2. г. Пермь. 6-8 апреля 1999 г. Пермь: Пермский региональный Институт педагогических информационных технологий, 1999. С. 86-87.