CC BY
22
Изложенные выше примеры технических решений, базирующихся на идеологии разработки виртуальных средств в базисе инструментария LabVIEW для построения систем управления экспериментами, сбора и обработки данных в исследованиях по физике сегне-Литература
1. http://www.ni.com/
2. Рабаи Жан М., Чандракасан Ананата, Николич Боривож. Цифровые интегральные схемы/ Пер. с англ. - М.: «Вильямс», 2007. - 912 с.
3. Батоврин В.К., Бессонов А.С., Мошкин В.В., Петров А.Б., Сигов А.С. Информационное обеспечение в подготовке специалистов с использованием виртуальной лаборатории //Матер. Междунар. на-учн.-технич. шк. конф. Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию: - М. - МИРЭА, 2002. - С. 257-258.
4. http://www.atmel.com/products/AVR/.
5. http://www.cypress.com/.
6. http://www.st.com/stonline/.
7. http://www.analog.com/embedded-processing-dsp/processors/en/index.html.
8. http://www.xilinx.com/.
9. Пейч Л.И., Точилин Д.А., Поллак Б.П. LabVIEW для новичков и специалистов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 384 с.
10. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 880 с.
11. LabVIEW 8.5 вводный курс. http://digital.ni.com/worldwide/russia.nsf/web/all/
12. Индришенок В.И., Певцов Е.Ф., Исаков К.М., Рябов Ю.М. Практикум по автоматизации экспериментов на базе универсальной платы ввода-вывода и системы программирования LABVIEW // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: Матер. Всеросс. научн.-практич. конф. 25 ноября 2004 г. Оренбург, Россия. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2004. - С. 106-112.
13. Maleto M.I., Pevtsov E.Ph., Sigov A.S., Svotina A.P. Polarization switching and dielectric properties of PZT structures // Integrated Ferroelectrics . - 2002. - V. 43. - P.129-134.
14. Балмашов С.А., Горелов А.О., Знаменская Е.М., Певцов Е.Ф. Применение модулей National Instruments и программы LabView 7.1 в исследованиях электрофизических свойств тонкопленочных структур для устройств микро и наноэлектроники // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб. тр. Междунар. научн. -практич. конф. Москва, Россия. 18-19 ноября 2005 г. - М.: РУДН, 2005. - С. 310-317.
15. Pevtsov E., Sigov A., Pyzhova A., Gorelov A. The investigations of ferroelectric thin films in virtual measuring system // "Micro- and Nanoelectronics 2003" Proceedings of SPIE. - V.5401, 2004. - P. 520-524.
16. Хмельницкий И.В. Применение ПЛИС для исследования и тестирования ПЗС // 16-я Всеросс. межвуз. научн-технич. конф. студентов и асп.: Тез. докл. - М.: МИЭТ, 2009. - С. 103.
17. http://www.colinst.com/.
18. http://www.tse-systems.com/behavior/startle-response.htm.
тоэлектриков, в медико-биологических экспериментах и в промышленном контроле изделий полупроводниковой промышленности, подтверждают эффективность разработанного учебно-методического комплекса обучения.
УДК 550.3+551.5:629.78 ББК 26.2я73
ЭЛЕКТРОННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ РЕСУРС ИЗУЧЕНИЯ НАУКОЕМКИХ ДИСЦИПЛИН ПО ПРОФИЛЮ ГЕОКОСМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
В. А. Головко, к.ф.-м.н., доц., зав. лаб. ГУ НИЦ «Планета»
Тел.: (495) 483-3125; E-mail: golovko@planet.iitp.ru Т.В. Кондранин, д.ф.-м.н., профессор, первый проректор Тел.: (495) 408-4066; E-mail: kondr@kondr.rector.mipt.ru Кафедра Систем, устройств и методов геокосмической физики Московский физико-технический институт (государственный университет)
http://geo.mipt.ru/gva-group E-learning resource is implemented by using innovative approach based on application of interactive web-techniques, which provide more profound physical notions about the up-to-date complex scientific and applied field of knowledge closely related to the problem of global changes of the climate, i.e. the future of our planet.
Электронный образовательный ресурс реализован с использованием инновационного подхода, основанного на применении интерактивных веб-технологий, который обеспечивает существенное углубление физических представлений об актуальной мировоззренческой, сложной научной и прикладной предметной области, связанной с проблемами глобальных климатических изменений, т.е. будущим нашей планеты.
Ключевые слова: космический мониторинг, компьютерные и Интернет-технологии, e-learning, электронное обучение, компьютерный практикум.
Keywords: space monitoring, computer and internet technologies, e-learning, computer practicum
Введение
Одной из основных целей инновационных технологий образования является разработка новых наукоемких образовательных технологий, направленных на повышение эффективности учебного процесса при изучении сложных, междисциплинар -ных предметов. К ним, безусловно, относятся курсы лекций, семинаров и лабораторных работ, связанных с изучением наук о Земле и, в частности, разделов, посвященных проблеме формирования и изменчивости глобального и регионального энергетического баланса на планете Земля [1] и, как следствие, климатических изменений. Дело в том, что соответствующий набор дисциплин включает как фундаментальные разделы математики и физики, астрономии, механики сплошной среды, теории переноса излучения, так и специализированные курсы: физика атмосферы, палеоклиматология, дистанционное зондирование, физика Солнца и планет, информатика и др.
Темпы глобального потепления, наблюдающиеся за последние годы, заставили специалистов-климатологов пересмотреть прогнозы, сделанные в самом начале XXI века. Новый доклад 1РСС-2007 (Международной комиссии по изучению изменений климата), посвященный оценке текущего состояния земной климатической системы и прогнозированию ее изменений, гласит, что в «нашу планету заложена климатическая бомба»: в недалекой перспективе эти изменения могут привести к разрушительным и необратимым последствиям: таянью ледников, в том числе на полярных шапках, увеличению площади пустынь, затоплению больших прибрежных территорий и пр. Все это, безусловно, скажется на глобальной и
региональной экономике и жизни людей в целом.
Совершенствование инструментальных средств, в том числе связанных с использованием космических технологий, и постоянно возрастающий объем данных наблюдений позволяет сегодня с большей достоверностью представить обобщенную картину потепления на земном шаре и других важных изменений в климатической системе.
Электронный образовательный ресурс (ЭОР) «Инновационные научно-образовательные технологии» (Ьйр:/^ео. mipt.ru/gva-group/) разработан для изучения дисциплин по профилю Геокосмическая физика подготовки бакалавров, магистров и специалистов.
Радиационный баланс Земли (РБЗ) на верхней границе атмосферы (ВГА), количественно характеризующий обмен энергией между планетой Земля и космосом, является одним из ключевых факторов, ответственных за формирование и изменчивость климата. Пространственно-временное распределение составляющих РБЗ на ВГА лежит в основе формирования потоков энергии, которые управляют глобальной циркуляцией атмосферы и океанов, а также определяют протекание аномальных природных явлений [1,2].
Наряду с получением новых знаний по физическим основам РБЗ разработанный ЭОР включает элементы исследования долговременной изменчивости климата, предсказуемости изменений климата на временных масштабах от отдельных сезонов до межгодовых. Кроме того, серьезное внимание в ресурсе уделено рассмотрению различных аномальных природных явлений, интенсификация которых прямо или косвен-
но связана с проявлением процессов глобального потепления [3].
Структура ЭОР «Инновационные научно-образовательные технологии»
Последнее время, благодаря прогрессу компьютерных и Интернет-технологий, сфера образования активно развивает методологию е-1еагшп§ - электронного обучения. Электронное обучение способствует не только улучшению качества образования, но и расширению его доступности. В связи с этим предлагаемый компьютерный практикум основывается на веб-технологии, обеспечивающей дистанционное обучение через Интернет в реальном масштабе времени.
ЭОР реализован в виде веб-сайта с обширным информационным контентом, интерактивным практикумом и компьютерным тестированием знаний. Ресурс состоит из 8 основных разделов и нескольких приложений. Основные разделы можно условно сгруппировать в два блока. Меню первого блока приведено на рис. 1 (см. на 4 стр. обл.).
Первый раздел посвящен глобальным климатическим изменениям и содержит инструментальные доказательства текущего глобального потепления. Известно, что энергетической вклад антропогенной деятельности составляет ~10_6 от энергии излучения, поступающей от Солнца. Поэтому, несмотря на важность учета антропогенного фактора, для объяснения наблюдающегося глобального потепления климата, а также построения сценариев его эволюции основное внимание уделяется изложению физических основ природных процессов, определяющих изменчивость РБЗ.
Во втором разделе приведен обзор основных космических систем наблюдения. Этот раздел реализует удобную для обучения интерактивную флэш-технологию. На рис. 2 (см. на 4 стр. обл.) приведен интерактивный компьютерный плакат, отображающий современную космическую группировку средств наблюдения Земли из космоса. Для получения информации об интересующей космической системе достаточно навести курсор на изображение соответствующего спутника.
В третьем разделе можно ознакомиться с обзорами учебных пособий (оглавлением, избранными фрагментами глав) для облегчения подготовки к выполнению компьютерного практикума. На рис.3 (см. на 4 стр. обл.) приведено меню навигации для про-
смотра учебных пособий.
Четвертый раздел представляет собой набор компьютерных упражнений (компьютерный практикум), иллюстрирующих основные теоретические положения, изложенные в предыдущих разделах. В основу компьютерного практикума положена логическая последовательность: модель - алгоритм - программа. Обучение осуществляется путем проведения вычислительных экспериментов. На рис.4 (см. на 4 стр. обл.) приведен фрагмент подраздела «Обзор компьютерного практикума».
В обзоре приведены краткие сведения о каждой выполняемой работе (теормини-мум), примеры заданий, скриншоты компьютерного практикума и контрольные вопросы. Для некоторых виртуальных лабораторных работ доступны видеоуроки. Предварительное ознакомление с контентом обзора значительно облегчает выполнение самого компьютерного практикума. Для выполнения упражнений компьютерного практикума необходимо получить регистрационные реквизиты (имя пользователя и пароль). До начала выполнения работ следует протестировать используемый компьютер на наличие необходимых компонентов для воспроизведения мультимедийного контента. Если все тесты пройдены успешно, можно перейти к выполнению упражнений компьютерного практикума. В противном случае, необходимо доустановить недостающие компоненты, следуя отображаемым на экране монитора рекомендациям.
Основные разделы второго блока меню приведены на рис.5 (см. на 4 стр. обл.). Этот блок начинается с раздела «Тестирование знаний».
Тестирование знаний
В последнее время наряду с традиционными формами контроля в учебном процессе активно используются компьютерные тесты, позволяющие провести в интерактивном режиме объективную оценку знаний студентов. При этом необходимо отметить, что тестирование - это лишь одно из педагогических средств, используемых преподавателем для контроля знаний учащегося. Устные и письменные экзамены, зачетные опросы студентов, рефераты и другие формы контроля могут использоваться наряду с тестами. У каждой из этих форм есть свои преимущества и недостатки.
Главное преимущество тестов заключается в том, что они позволяют провести объективную независимую оценку уровня под-
Образовательная среда
готовленности студентов в соответствии с едиными образовательными требованиями. С помощью комплексных компьютерных тестов можно достаточно полно проверить уровень подготовленности по материалу учебной дисциплины в отличие от обычных форм аттестации, при которых студент отвечает только на те несколько вопросов, которые ему случайным образом достались в билете. Профессионально подготовленный тест, предназначенный для контроля знаний, становится своего рода «измерительным прибором», с помощью которого тестируемый может получить надежную информацию об уровне своей подготовки.
Достаточно важным моментом при создании теста является выбор формы тестовых заданий. Тестовые задания, используемые чаше всего, имеют закрытую форму, при которой студенту представляется возможность выбрать правильный ответ из нескольких предложенных. Их также называют заданиями множественного выбора, или заданиями с выбором правильного ответа. Процедура проверки этих заданий оказывается достаточно простой и занимает мало времени, поэтому такие задания наиболее часто используют при массовых тестированиях. Важно, что при этом легко реализуется унифицированная форма заданий, позволяющая сконцентрировать внимание учащихся исключительно на содержании вопросов и минимизировать ошибки, связанные с неправильным пониманием инструкции. На рис.6 (см. на 4 стр. обл.) приведено меню навигации по различным подразделам тестирования знаний.
Первым подразделом тестирования является тест IQ (intelligence quotient - коэффициент интеллекта). Поскольку в понятие интеллекта традиционно включается способность к логичному мышлению и наличию пространственного воображения, то в тест традиционно включаются «логические», «вербальные» и «геометрические» задачи. Несмотря на то, что в последнее время стандартный набор задач тестирования, предложенных Г. Айзенком (Hans Eysenck) -«самым знаменитым исследователем IQ», подвергается жесткой, но справедливой критике в связи с имеющимися ошибками, сам подход к тестированию интегральных способностей учащегося может быть полезен. Второй и третий подразделы содержат тесты на знание общего мироустройства, речь идет о современных представлениях о Вселенной и Солнечной системе, в
частности. Четвертый подраздел является основным и посвящен результатам исследования Земли из космоса.
Галерея видеоклипов
Одним из наиболее эффективных способов обучения является демонстрация мультимедийных презентаций и учебно-научных видеофильмов, подготовленных с привлечением новейших технологий. Галерея видеоклипов представляет следующий раздел блока. На рис.7 приведен фрагмент навигационного меню галереи видеоклипов.
Традиционно просмотр и обсуждение научных видеофильмов вызывает повышенный интерес со стороны студентов, что способствует быстрому и легкому усвоению изучаемого ими материала.
Завершают блок разделы, содержащие основные публикации и презентации по рассматриваемой проблематике в рамках геокосмической физики.
1. Радиационный баланс Земли Из-за наклона земной оси полярные регионы
нагреваются солнцем весьма неравномерно. Снег, лед и облака отражают значительную часть солнечного излучения. Поглощенное коротковолновое солнечное излучение нагревает Землю, которая в свою очередь излучает энергию в тепловой длинноволновой области спектра. Таким образом, в любой заданный момент времени одни регионы Земли охлаждаются, а другие нагреваются. Сокращение ледового покрова в Арктике увеличивает площадь открытой воды, которая эффективно поглощает , солнечное излучение. Следовательно, степень ледового покрытия Арктики влияет на ее температуру и как следствие на среднюю температуру Земли.
2. Криосфера Земли На изображениях, полученных спектрорадио-
метром MODIS космической системы EOS, хорошо видны несколько островных образований. Наиболее высокое - это остров Росса, там находится станция Мак-Мердо. Мы также видим уникальное событие - отрыв огромнейшего айсберга В-15А. Шельфовые ледники замедляют сползание континентального льда в океан. Современное потепление вызывает рост пресных озер на шельфовых ледниках. Пресная вода разрушает шельфовые ледники, увеличивая ледяные трещины. На изображениях — «•■оо,х,н-^, MODIS. полученных в январе 2002 года, заметно образование озер на шельфовом леднике Ларссна незадолго до его разрушения. Этот 12-ти тысячелетний шельфовый ледник распался в итоге всего за 5 недель.
В настоящее время, постоянно обновляемая группировка космических аппаратов, образует информационную сеть, которая осуществляет непрерывный мониторинг состояния атмосферы и поверхности Земли. Одним из важнейших информационных ресурсов этой системы являются данные о наиболее опасных природных явлениях в атмосфере над океанами: об ураганах. Новые технологии позволяют нам теперь заглянуть внутрь ураганов. Подобно флюорографии рассмотреть внутреннее состояние вихря под шапкой облаков. И в результате понять, как работают эти могучие двигатели штормов. Каждое лето и осень США оказываются в состоянии осады по отношению к атакам ураганов, приходящим из тропиков. Ущерб, вызванный затоплениями вследствие аномальных осадков, наводнениями от огромных приливных волн и силой ветра свыше 50 м'с, оценивается миллиардами долларов в год.
Рис. 7. Навигационное меню галереи ви-диоклипов
Заключение
Факт глобального потепления климата сегодня не вызывает сомнений - рост средней по поверхности Земли температуры воздуха и океана, таяние льда и снега, повышение уровня моря очевидны. Согласно современным представлениям, возрастание концентрации трех основных парниковых газов
3. Аномальные природные явления
3.1. Космический мониторинг крупномасштабных атмосферных явлений
с середины XVIII в. стало результатом деятельности человека - сжигания углеродного топлива и развития сельского хозяйства (двуокись углерода), а также модернизации землепользования (метан и закись азота).
Благодаря разнообразным наблюдениям, увеличению баз данных и совершенствованию методов анализа в последние несколько лет достигнут значительный прогресс в понимании того, как климатическая система менялась во времени и пространстве. Каждые 5-6 лет МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) публикует Оценочные доклады, посвященные исследованию глобального климата и прогнозам его будущих изменений. Согласно последнему, Четвертому оценочному докладу МГЭИК, опубликованно-
Литература
му в 2007 г., деятельность человека привела к увеличению радиационного воздействия на климатическую систему с 1750 г. на 1,6 Вт/м2 и соответственно к потеплению. Антропогенный фактор, по крайней мере, в пять раз превышает эффект колебаний солнечной активности.
Разработка и реализация в учебном процессе электронного образовательного ресурса по геокосмической физике являются важным этапом в становлении инновационного подхода, основанном на применении интерактивных веб-технологий, обеспечивающим существенное углубление физических представлений о сложной научной и прикладной предметной области, связанной с проблемами глобальных климатических изменений, т.е. будущим нашей планеты.
1. Головко В.А., Кондранин Т.В. Учебно-методический комплекс «Изучение радиационного баланса Земли по данным космического мониторинга» для изучения дисциплин по профилю «геокосмическая физика» // Инновационные и наукоемкие технологии в высшем образовании России: Межвуз. сб. научн.-метод. тр. / Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) - М., 2008. - С.30-36.
2. Головко В.А., Кондранин Т.В. Изучение радиационного баланса Земли по данным космического мониторинга: Уч. пособие. - М.: МФТИ, 2007. - 175 с.
3. Головко В.А., Кондранин Т.В. Космический мониторинг крупномасштабных атмосферных явлений: Уч. пособие. - М.: МФТИ, 2008. - 185 с.
УДК 621.396.6
ТЕОРЕТИКО-МНОЖЕСТВЕННЫЙ ПОДХОД К ФОРМИРОВАНИЮ СТРУКТУРНЫХ МОДЕЛЕЙ СЛОЖНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ОБУЧЕНИЯ
А.Б.Щербань, к.т.н., доц., каф. Информационных технологий и систем Тел.: (8412) 49-60-09; E-mail: mix@pgta.ru Пензенская государственная технологическая академия http://www.pgta.ru А.В. Новиков, проректор по ИТ Тел.:(495) 442-61-66; E-mail:anovikov@mesi.ru Московский государственный университет экономики, статистики и информатики
http://www.mesi.ru
The approach to the organization of education is considered within the framework of the virtual training systems possessing structural characteristics of complex real systems. The organization of process of training, with application of a principle of situational control is offered, on the basis of the structural analysis of the current status of the systems of training. The option of the multi-theoretical approach to forming the generalized structural models of complicated information training systems is submitted.
Рассмотрен подход к организации обучения в рамках виртуальных образовательных систем, обладающих структурными свойствами сложных реальных систем. Предложена организация процесса обучения, с применением принципа ситуационного управления, на основе структурного анализа текущих со-
