CC BY
5d ) https://dx.doi.org/10.36522/2181-9637-2023-3-l UDC: 378.147.88(045)(575.1)
ЦИФРОВОЙ КОМПЛЕКС PULSELAB ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ
ОСНОВ ГЕОФИЗИКИ
Мамарозиков Тимур Умаржонович,
младший научный сотрудник, ORCID: 0000-0002-1151-0618, e-mail: timur.mamarozikov@yandex.ru;
Юсупов Диёрбек Дониёрбекович,
младший научный сотрудник, ORCID: 0000-0002-3999-807X, e-mail: diyorbek.yusuopov@gmail.com;
Отажонова Шахло Худойберган кизи,
лаборант,
ORCID: 0000-0003-2696-779X, e-mail: shahlootajonova01@gmail.com;
Хикматиллаев Нодир Ботирбек угли
лаборант,
e-mail: nodirbekxikmatillayev@gmail.com;
Орипов Азизжон Аброржонович,
лаборант,
ORCID: 0009-0003-8976-2959, e-mail: oripov.azizjon.a@gmail.com
Центр передовых технологий при Министерстве высшего образования, науки и инноваций Республики Узбекистан
Аннотация. В данной статье рассматривается специальный программный комплекс, представляющий собой совокупность автоматизированных обучающих программ, направленных на улучшение качества образования в сфере геофизики. Объектом исследования являются законы распространения физических полей, применяемые в геофизической науке. Целью исследований является разработка комплекса лабораторных и практических работ по геофизическим методам для визуального представления обучающимися процессов распространения физических полей в геологической среде. В ходе исследования был проведен анализ мирового опыта использования цифровых (виртуальных) лабораторий, применяемых в образовательной практике при обучении естественным и инженерным наукам, в частности в геофизике. В результате анализа теоретического мате-
Введение
Современное образование немыслимо без применения компьютерных технологий, цифровизации учебного процесса, создания веб-платформ, электронных учебных ресурсов и обучающих программ. В условиях, когда нет альтернативы дистанционному обучению, этот вопрос становится еще более актуальным.
Сегодня в литературе имеется ряд новых идей, касающихся будущего образования, и в частности преподавания естественных наук, технологий и инженерии. Примерами технологий, наиболее подходящих для данного исследования, являются: дистанционное обучение, электрон-
S
ное обучение, виртуальные лаборатории, виртуальные системы, основанные на динамике, и общая новая концепция иммер-сивного образования, объединяющая эти идеи.
В мировой практике за последние десятилетия разработан ряд виртуальных лабораторий по различным направлениям естественных наук, технологий и инженерии. Ниже будет приведен ряд проектов по созданию виртуальных лабораторий.
LiLa - это аббревиатура «Библиотеки лабораторий», инициативы восьми университетов и трех предприятий, координируемой Штутгартским университетом (Германия) (Richter, Boehringer, & Jeschke, 2010). Проект LiLa финансировался Европейской комиссией в рамках программы eContentplus. Цель проекта заключалась в содействии взаимному обмену и доступу к виртуальным лабораториям (средам моделирования) и удаленным лабораториям.
Проект Go-Lab (Глобальные научные онлайн-лаборатории для исследовательского обучения в школе) был европейским совместным проектом, совместно финансируемым Европейской комиссией (Седьмая рамочная программа) (Govaerts, et al., 2013). Он объединил девятнадцать организаций из двенадцати стран, координируемых университетом Твенте (Нидерланды). Проект Go-Lab был направлен на открытие научных онлайн-лаборато-рий (удаленных и виртуальных) для широкомасштабного использования в образовании. Go-Lab создала инфраструктуру (портал Go-Lab) для обеспечения доступа к набору онлайн-лабораторий всемирно известных исследовательских институтов, таких как ESA (Европейское космическое агентство, Нидерланды), CERN (Европейская организация ядерных исследований, Швейцария), NUCLIO (Núcleo Interactivo de Astronomia, Португалия) и т.д. Эти он-лайн-лаборатории могут использоваться университетами, школами, преподавателями и студентами для расширения регу-
риала по разделам геофизики были разработаны алгоритмы для расчета и визуализации процессов распространения физических полей. Данные алгоритмы разработаны для таких разделов геофизики, как сейсморазведка, сейсмология, электроразведка, магниторазведка и гравираз-ведка. В результате на основе разработанных алгоритмов была реализована платформа, на которой размещены программы лабораторных комплексов по разделам сейсморазведки и сейсмологии. Проведенный анализ отзывов студентов подтвердил эффективность программы, способствующей развитию навыков критического мышления, самодисциплины и ответственности. Выводы статьи подчеркивают важность внедрения таких инновационных подходов в традиционный формат образования для улучшения его качества и соответствия современным требованиям.
Ключевые слова: цифровые лабораторные комплексы, цифровизация, физическое поле, волна, геофизика, модель, алгоритмы, программы.
"PULSELAB" GEOFIZIKA ASOSLARINI O'RGANISH BO'YICHA AMALIY ISHLARNING RAQAMLI KOMPLEKSI
Mamaroziqov Timur Umarjonovich,
kichik ilmiy xodim;
Yusupov Diyorbek Doniyorbekovich,
kichik ilmiy xodim;
Otajonova Shaxlo Xudoybergan qizi,
laborant;
Xikmatillayev Nodir Botirbek o'g'li,
laborant;
Oripov Azizjon Abrorjonovich,
laborant
O'zbekiston Respublikasi Oliy ta'lim, fan va innovatsiyalar vazirligi huzuridagi Ilg'or texnologiyalar markazi
Annotatsiya. Ushbu maqolada geofizika soha-sida ta'lim sifatini oshirishga qaratilgan avto-matlashtirilgan o'quv dasturlari majmuasi bo'lgan maxsus dasturiy ta'minot to'plami tahlil qilingan. Tadqiqot obyekti sifatida geofizika fanida qo'lla-niladigan fizik maydonlarning tarqalish qonuniyatlari olingan. Tadqiqotning maqsadi talabalar tomonidan geologik muhitda fizik maydonlarning tarqalish jarayonlarini ko'rgazmali tasvirlash uchun geofizik usullar bo'yicha laboratoriya va amaliy ishlar majmuasini ishlab chiqishdan iborat. Tadqiqot
jarayonida tabiiy va muhandislik fanlari, xususan, geofizika fanlarini o'qitishda o'quv amaliyotida qo'llaniladigan raqamli (virtual) laboratoriyalardan foydalanish bo'yicha jahon tajribasi o'rganildi. Geofizika bo'limlarida nazariy materialni tahlil qilish natijasida fizik maydonlarning tarqalish jarayonlarini hisoblash va vizualizatsiya qilish algoritmlari ishlab chiqildi. Bu algoritmlar geofizikaning seysmik qidiruv, seysmologiya, elektr qidiruv, magnit qidiruv va tortishish kabi sohalari uchun ishlab chiqilgan. Natijada ushbu algoritmlar asosida seysmik qidiruv va seysmologiya kabi sohalarda laboratoriya majmualari dasturlari joylashtirilgan platforma amalga oshirildi. Talabalarning fikr-mulohazalari dasturning samaradorligini tasdiqladi. Bu tanqidiy fikrlash, o'zini o'zi boshqarish va mas'uliyatni rivojlantirishga yordam beradi. Maqola xulosasida ta'lim sifatini oshirish va zamonaviy talablarga javob berish uchun an'anaviy formatdagi ta'limga bunday innovatsion yondashuvlarni joriy etish muhimligi ta'kidlandi.
Kalit so'zlar: raqamli laboratoriya komplekslari, raqamlashtirish, fizik maydon, to'lqin, geofizika, model, algoritmlar, dasturlar.
DIGITAL COMPLEX "PULSELAB" FOR PRACTICAL WORK TO STUDY THE BASICS
OF GEOPHYSICS
Mamarozikov Timur Umarjonovich,
Junior Researcher;
Yusupov Diyorbek Doniyorbekovich,
Junior Researcher;
Otazhonova Shakhlo Khudoibergan kizi,
Laboratory Assistant;
Khikmatillayev Nodir Botirbek ugli,
Laboratory Assistant;
Oripov Azizzhon Abrorzhonovich,
Laboratory Assistant
Center for Advanced Technologies under the
Ministry of Higher Education, Science and
Innovation of the Republic of Uzbekistan
Abstract. The article discusses a special software package that represents a series of automated educational programs aimed at improving quality of teaching and learning in the field of geophysics. The subject of the research is the laws of propagation of physical fields used in geophysical science. The aim of the research is to develop a series of laboratory and practical activities on geophysical methods in order to show the processes of physical field propagation
лярных учебных занятий научными экспериментами (De Jong, Sotiriou, & Gillet, 2014).
Проект VccSSe (Virtual Community Collaborating Space for Science Education) был трехлетним проектом, начатым в октябре 2006 года в сотрудничестве между несколькими учреждениями из Великобритании, Румынии, Испании, Греции, Польши и Финляндии. Основная цель VccSSe заключалась в адаптации, разработке, тестировании, внедрении и распространении учебных модулей, методологий обучения и педагогических стратегий, основанных на использовании виртуальных инструментов в различных областях науки (физика, химия, биология), чтобы принести пользу учащимся через наличие виртуальных инструментов в классе (Tlaczala, Zaremba, Zagorski, & Gorghiu, 2009). Виртуальные инструменты в сочетании с динамическими моделями физических законов позволили выполнять упражнения на основе моделирования в виртуальной лаборатории. Система была продемонстрирована на простых примерах, таких как: закон Бойля - Мариотта, закон Шарля, закон Гей - Люссака, перенос тепла, электрические цепи постоянного и переменного тока (включая резонанс).
TEALsim - это среда с открытым исходным кодом, предназначенная для разработки, представления и управления симуляциями. Она была разработана в рамках проекта TEAL (Technology Enabled Active Learning) Массачусетского технологического института. Одной из целей TEALsim является расширение концептуального и аналитического понимания учащимися природы и динамики электромагнитных явлений. TEALsim очень полезен в электромагнетизме, помогая учащимся визуализировать явления. Это позволяет учащимся увидеть невидимые силовые линии магнитного поля, которые не видны в реальных условиях (Dos Santos, Guetl, Bailey, & Harward, 2010).
В Словацком технологическом университете в Братиславе была спроектирована
8
S
виртуальная лаборатория систем управления для технологических установок (Kalúz, Cirka, & Fikar, 2011). Лаборатория обеспечивает виртуальное моделирование трех технологических установок (системы резервуаров для хранения жидкости, трубчатого теплообменника и реактора с мешалкой непрерывного действия).
Концепция мультиплатформенной виртуальной лаборатории для образовательных целей была разработана Политехническим университетом Каталонии (Барселона, Испания, кафедра теории сигналов и связи). Эта виртуальная лаборатория проводит эксперименты с системами управления на университетском уровне. EJS (Easy Java Simulation) - инструмент на основе языка Java - и Matlab используются для программирования. В этой мультиплат-форменной виртуальной лаборатории доступны два вида экспериментов: магнитная левитация и система перевернутого маятника-тележки (Villar-Zafra, Zarza-Sanchez, Lazaro-Villa, & Fernandez-Canti, 2012).
Технологический институт Стивенса (США) разработал инновационный метод обучения студентов машиностроения динамике машин. Виртуальная онлайн-лабо-ратория позволяет учащимся учиться, взаимодействуя в виртуальной среде подобно массовым многопользовательским онлайн-играм, таким как Half-life 2, The Sims, WoW (World of Warcraft) и Second Life (Aziz, Esche, & Cassapis, 2009). Игровая лабораторная среда была создана в рамках курса «Механизмы и динамика машин», который знакомит с принципами кинематики и динамики и применяет их к рычажным, кулачковым системам, зубчатым передачам, ременным и зубчатым передачам, муфтам и вибрациям. В этой виртуальной среде применяются законы физики. Пользователи могут манипулировать оборудованием и механизмами, чтобы проводить свои эксперименты (Aziz, Chang, Esche, & Chassapis, 2014).
В мировой практике имеется ряд примеров создания цифровых лабораторных
in the geological environment, to students. The research was also focused on a review of the global experience in using digital (virtual) laboratories in educational practice for teaching natural and engineering sciences, particularly, in geophysics. As a result of the review of the data on geophysics, we have developed algorithms for calculating and visualizing the processes of physical field propagation. These algorithms were developed for such sections of geophysics as seismic exploration, seismology, electrical-, magnetic- and gravity exploration. Ultimately, the algorithms have enabled implementing of a platform on which laboratory units which incorporate such sections as seismic exploration and seismology. The analysis of the students' feedback confirmed effectiveness of the program, contributing to the development of critical thinking skills, self-discipline, and responsibility. Conclusions of the article emphasize the importance of implementing such innovative approaches to traditional format of learning in view of improving its quality and meeting nowadays requirements.
Keywords: digital laboratory sets, digitalization, physical field, wave, geophysics, model, algorithms, programs.
комплексов в области наук о Земле, в частности по геофизическим методам исследований.
В МГРИ РГГРУ им. Серго Орджоникидзе (Россия) создан комплекс лабораторных работ Labs, посвященный изучению распространения поля упругих волн в геологической среде, моделированию сейсмических волн от геологической среды в неоднородном пространстве, проектированию сейсморазведочных работ согласно геологическому заданию (Romanov, 2007).
В университете наук и технологий Китая разработан комплекс виртуальных геофизических лабораторных систем VGLS (Virtual Geophysical Laboratory System) (Xiang & Wang, 2017). В данном комплексе происходит моделирование работы с геофизическими приборами путем воссоздания интерфейса приборов лабораторной базы университета, что дает возможность обучающимся получить навыки работы с прибором персонально. В комплексе пред-
04.00.06 - ГЕОФИЗИКА. ФОИДАЛИ КАЗИЛМАЛАРНИ КИДИРИШНИНГ
ГЕОФИЗИК УСУЛЛАРИ
ставлены такие геофизические методы, как гравиразведка, магниторазведка, электроразведка. Комплекс также представляет возможность проведения виртуальных полевых работ.
В университете Лидса (Великобритания), Кильском университете (Германия) применен игровой подход к реализации лабораторных работ касательно наук о Земле. Студентам в виртуальной реальности предлагается решить ряд геологических задач, выступая в роли ответственного исполнителя проекта. Такой подход позволяет обучающемуся выбрать необходимые и наиболее оптимальные методы исходя из решаемых задач и финансовых затрат (Pringle, 2014).
Как показывают исследования, вопросам применения современных информационно-коммуникационных технологий в сфере образования посвящен большой круг работ отечественных и зарубежных ученых (Sadykov, 2021).
Наиболее полным и интересным для решения геолого-геофизических задач представляется тип обучающих компьютерных программ, в которых можно проводить моделирование (имитацию) геологических сред и процессов.
Моделирующие компьютерные программы являются наиболее функциональными в лабораторно-практической (экспериментальной) деятельности студентов. Это обуславливается тем, что именно они в значительной степени решают проблему экспериментального изучения сложных объектов, когда проведение реальных экспериментов по тем или иным причинам затруднено или просто невозможно. Отчасти проблема проведения экспериментальных работ может быть связана с отсутствием необходимого оборудования либо же ограниченным его объемом, что в свою очередь препятствует полноценному изучению геофизических процессов студентами (рис. 1).
Рис. 1. Проведение геофизической практики. Ознакомление с работой аппаратуры. Изучение полученного полевого материала
Проведение геофизических изысканий является сложным процессом, что в свою очередь отражается на восприятии студентами в условиях учебного процесса. Визуализация процессов и явлений, происходящих при проведении геофизических изысканий, возможна с примене-
нием численного компьютерного моделирования. Программирование данных процессов и разделение их по отдельности позволяет студентам поэтапно освоить геофизические методы и связанные с ними физические процессы - от простого к сложному, что делает возмож-
04.00.06 - ГЕОФИЗИКА. ФОИДАЛИ КАЗИЛМАЛАРНИ КИДИРИШНИНГ
ГЕОФИЗИК УСУЛЛАРИ
ным создать комплекс практических занятий по дисциплине «Геофизика» для студентов геологического направления.
Целью проекта является разработка комплекса лабораторных и практических работ по геофизическим методам, для визуального представления обучающимися процессов распространения физических полей в геологической среде. Для решения поставленной задачи выполняется численное моделирование анализируемых физических полей, а также создание обучающих программ.
Материалы и методы
В рамках данного комплекса реализованы лабораторные работы по таким разделам, как сейсморазведка, электроразведка, магниторазведка, гравиразведка и сейсмология. В каждом из разделов были разработаны несколько программ.
1. В разделе «Сейсморазведка» были реализованы следующие лабораторные работы:
Практическая работа № 1.1. Изучение упругих модулей
Данная работа помогает студентам понять такие упругие свойства среды, как модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, коэффициент сжатия, которые влияют на распространение упругих волн.
В процессе выполнения работы студентам предоставляется изображение образца горной породы и панель инструментов, с помощью которой они могут провести эксперимент на одноосное сжатие. Для начала необходимо выбрать тип напряжения, по умолчанию это касательное напряжение. Затем студентам необходимо выбрать плоскость напряжения, то есть ту плоскость, на которую будет воздействовать внешняя сила.
При проведении эксперимента на одноосное сжатие одна грань исследуемого объекта закрепляется, а на вторую грань данной плоскости производится воздействие внешнего напряжения. Затем студенты должны указать напряжение
(от 0 до 1000 МПа) для того, чтобы программа рассчитала тензор относительной деформации. Для начала необходимо рассчитать первую пару упругих модулей - модуль Юнга и коэффициент Пуассона, затем по рассчитанным значениям первой пары упругих модулей находится модуль сдвига и коэффициент А. Конечным этапом выполнения лабораторной работы является определение скоростей продольной и поперечной волн по вычисленным значениям упругих модулей.
Курс Сейсморазведка "Изучение упругих модулей"
N
Малый элемент напряженного тела
ЕУ g
Рис. 2. Практическая работа № 1.1 по курсу «Сейсморазведка»
Практическая работа № 1.2. Кинематика распространения упругих волн в однородной изотропной, идеально-упругой среде
В данной работе студенты изучают кинематику распространения упругих волн в однородной изотропной среде. Они получают знания о том, как меняется форма упругих волн при их распространении, а также как изменяются их параметры, такие как амплитуда и частота.
Основной задачей данной лабораторной работы является расчет основных параметров упругих модулей и скоростей продольной и поперечной волн, используя значения времени и удаления на годографах.
Рис. 3. Практическая работа № 1.2 по курсу «Сейсморазведка»
Для выполнения лабораторной работы студентам представляется изображение полупространства с распространяющейся волной и панель инструментов, которая позволяет провести эксперимент. Данная лабораторная работа дает возможность отобразить распространение сейсмических волн в идеально упругой, однородной и изотропной среде.
Вводимыми параметрами являются доминантная частота и положение приемника на поверхности. Значения физических величин генерируются автоматически исходя из индивидуального варианта пользователя, который связан с его персональными данными. Это позволяет студентам проводить эксперименты, которые максимально точно соответствуют реальным условиям.
Практическая работа № 1.3. Кинематика распространения упругих волн в двухслойной однородной, изотропной, идеально-упругой среде
Данная лабораторная работа посвящена изучению кинематики распространения упругих волн в двухслойной однородной, изотропной идеально-упругой среде. Главная задача студентов, выполняющих данную лабораторную работу, заключается в исследовании прохождения упругих
волн через двухслойную среду, состоящую из двух однородных изотропных слоев.
В ходе выполнения лабораторной работы студенты узнают, как изменяется форма упругих волн при их распространении через двухслойную среду, а также как изменяются параметры волн, такие как амплитуда и частота. Они также изучают образование и распространение сейсмических волн в идеально упругой, однородной среде с горизонтально-залегающей границей, а также строят сейсмограмму общего пункта возбуждения.
«„,_., н
Сейсмограмма
общего пункта возбуждения
■ Стоп От
Ваш ответ
Волновое представление
Рис. 4. Практическая работа № 1.3 по курсу «Сейсморазведка»
Входными параметрами для выполнения лабораторной работы являются значения частоты и выбор вида волн. При нажатии кнопки «Взрыв» происходит распространение продольной сейсмической волны в двухслойной среде с горизонтальной границей. Данная лабораторная работа позволяет студентам изучить кинематику распространения упругих волн в двухслойной среде и получить практические навыки в области сейсмологии.
Практическая работа № 1.4. Определение эффективных скоростей по годографам отраженных волн
В данной лабораторной работе студенты изучают процесс определения эффек-
12
04.00.06 - ГЕОФИЗИКА. ФОИДАЛИ КАЗИЛМАЛАРНИ КИДИРИШНИНГ
ГЕОФИЗИК УСУЛЛАРИ
тивных скоростей распространения упругих волн при их отражении от границ раздела сред, используя годографы отраженных волн. Главной целью работы является нахождение цифровых значений скорости и мощности на основе анализа формул.
Основное внимание уделяется зависимости скорости от глубины и взаимодействию импульсов и сейсмических трасс. Для успешного выполнения работы студенты должны освоить теоретические основы темы, а также понимать методику расчета эффективной скорости методом наименьших квадратов. Важным аспектом является различие типов и составляющих скоростей, которое также должно быть учтено при выполнении работы.
2. В разделе «Сейсмология» были реализованы следующие лабораторные работы: Практическая работа № 2.1. Определение эпицентра землетрясений
Студенты изучают принципы определения эпицентра землетрясения на основе данных, полученных из нескольких сейсмических станций. Они учатся измерять время прибытия первой волны (Р-волны) и второй волны ^-волны), используя различные методы, такие как графический и геометрический подходы. После этого они определяют расстояния от каждой станции до эпицентра и строят окружности на карте, чтобы определить точку пересечения всех окружностей, - это и будет эпицентр.
Рис. 5. Практическая работа № 1.4 по курсу «Сейсморазведка»
В процессе работы студенты изучают методику построения годографов отраженных волн и определения эффективных скоростей на их основе.
Таким образом, данная лабораторная работа позволяет студентам развить навыки работы с годографами отраженных волн и определения эффективных скоростей. Она также помогает углубить теоретические знания в области распространения упругих волн и их взаимодействия с границами раздела сред.
Рис. 6. Практическая работа № 2.1 по курсу «Сейсмология»
Одной из важнейших задач в геофизике является определение эпицентра землетрясений. В данной работе студенты учатся применять различные методы для измерения времени прибытия Р- и S-волн и определения расстояний до эпицентра. Для этого используется информация, полученная с нескольких сейсмических станций. После определения расстояний до эпицентра на карте строятся окружности, которые пересекаются в точке, соответствующей эпицентру землетрясения.
Основная цель данной работы - найти диапазон местонахождения эпицентра
13
04.00.06 - ГЕОФИЗИКА. ФОИДАЛИ КАЗИЛМАЛАРНИ КИДИРИШНИНГ
ГЕОФИЗИК УСУЛЛАРИ
землетрясении на основе сейсмических данных с трех станций и статистического годографа. Для этого используется программа PulseLab, которая позволяет обрабатывать сейсмические записи и анализировать данные. По результатам анализа программой PulseLab определяется диапазон местонахождения эпицентра землетрясений.
Входными данными для работы являются сейсмические записи и статистический годограф, характеризующий региональные породы. В процессе работы студенты изучают методы измерения времени прибытия Р- и S-волн, а также методы определения расстояний до эпицентра на основе данных, полученных с нескольких сейсмических станций.
Практическая работа № 2.2. Определение местонахождения эпицентра землетрясения и оценка его интенсивности
В данной работе студенты изучают методы определения местоположения эпицентра землетрясения и оценки его интенсивности на основе данных сейсмических станций. Студенты получают практические навыки работы с различными инструментами для анализа сейсмических данных. Основной целью является освоение физических и теоретических основ сейсмологии, а также получение и сравнение значений интенсивности различных землетрясений.
Курс Сейсмология
Дано
Расположение эпицентров
Рис. 7. Практическая работа № 2.2 по курсу «Сейсмология»
Для достижения этой цели студентам предоставляются данные сейсмических станций, которые они анализируют, используя различные инструменты, такие как сейсмограммы и графики землетрясений. В процессе работы студенты изучают основные понятия и термины сейсмологии, такие как магнитуда, интенсивность, эпицентр и гипоцентр.
Для определения местонахождения эпицентра землетрясения студенты используют данные с нескольких сейсмических станций, измеряя время прибытия первой волны (Р-волны) и второй волны ^-волны) и определяя расстояния от каждой станции до эпицентра. Затем они строят окружности на карте, чтобы определить точку пересечения всех окружностей - это и будет местоположение эпицентра.
Оценка интенсивности землетрясения производится на основе данных о магни-туде, удаленности от эпицентра и характеристик грунта в данном регионе. Важно понимать различие между эпицентром и гипоцентром, а также их составляющими. Также необходимо иметь представление о действии волн разных видов по разным плоскостям и уметь вывести основные параметры из входных данных. В рамках программы студенты изучают теоретические основы темы и получают практические навыки работы с сейсмическими данными.
Практическая работа № 2.3. Оценка приращения сейсмической интенсивности по методу сейсмических жесткостей
В данной работе студенты изучают метод оценки приращения сейсмической интенсивности на основе данных о сейсмических волнах, используя метод сейсмических жесткостей. Этот метод позволяет количественно оценить приращение сейсмической интенсивности на основе наблюдений сейсмических волн.
Студенты изучают, как использовать различные инструменты для анализа этих данных, такие как спектрограммы и графики сейсмических волн. В процессе работы студенты также изучают основные
14
04.00.06 -
понятия и термины, такие как амплитуда, частота и фаза, которые связаны с анализом сейсмических волн.
Встречные годографы
Ваш ответ
Рис. 8. Практическая работа № 2.3 по курсу «Сейсмология»
Основной задачей работы является изучение метода сейсмических жестко-стей и проведение расчетов для коли чественной оценки приращения балльности. Для этого студенты используют данные, полученные из наблюденных годографов вертикально поляризованной поперечной волны ^У) и значение плотностей покрывающего и подстилающего слоев.
Целью работы является освоение методов количественного анализа сейсмических данных и развитие навыков работы с инструментами анализа сейсмических волн. Это важно для понимания и прогнозирования землетрясений и других сейсмических явлений.
3. В разделе электроразведка были реализованы следующие программы:
Практическая работа № 3.1. Поле точечного источника электрического поля в однородной среде
Данная программа предназначена для моделирования электрического поля в однородной среде, созданного точечным источником. Студенты изучают основные понятия и термины электроразведки, такие как электрическое поле, точечный источник, однородная среда и др. В про-
цессе работы студенты получают практические навыки работы с различными инструментами для анализа данных, такими как графики электрического поля, а также изучают методы интерпретации полученных результатов.
Курс Электроразведка
"Вертикальное электрическое зондирование"
Разрез сопротивлений
Рис. 9. Практическая работа № 3.1 по курсу «Электроразведка»
Практическая работа № 3.2. Вертикальное электрическое зондирование в горизонтально-слоистой модели среды
Данная программа предназначена для моделирования электрического поля в неоднородной среде, созданного четырех-электродной установкой вертикальный электрический зонд (ВЭЗ). Студенты изучают методы и приборы, используемые в электроразведке (ВЭЗ), а также основные понятия и термины, такие как неоднородная среда, электрическая проводимость, резистивность и др.
В процессе работы студенты получают практические навыки работы с различными инструментами для анализа данных, такими как графики электрического поля, а также изучают методы интерпретации полученных результатов, которые могут помочь в определении характеристик неоднородной среды, например, границ раздела сред, наличия рудных тел и других объектов.
15
Рис. 10. Практическая работа № 3.2 по курсу «Электроразведка»
Результаты исследования
В рамках проекта был разработан цифровой комплекс практических работ по геофизике PulseLab, который позволяет студентам изучать различные методы геофизического исследования, такие как сейсморазведка, электроразведка, сейсмология, магниторазведка и гравиразведка. В целях моделирования физических полей для изучения работы каждого метода была разработана платформа, которая была реализована в desktop (Python) и web (JavaScript) вариантах.
Выбор языков программирования Python и JavaScript обусловлен их широким использованием в различных областях, включая научные и исследовательские проекты.
Python предоставляет богатый набор библиотек для научных вычислений, а также простоту и гибкость в написании кода.
JavaScript, с другой стороны, является одним из самых распространенных языков для разработки web-приложений и предоставляет возможность создания интерактивных пользовательских интерфейсов (рис. 11).
Для хранения данных используется реляционная база данных PostgreSQL, которая обеспечивает надежность и производительность при работе с большими объемами данных. База данных содержит информацию о лабораторных работах, вариантах, присвоенных студентам, а также результаты их выполнения.
Отдельно следует отметить аспект, связанный с генерацией варианта пользователя. Обязательными входными данными при регистрации как для web-версии, так и в desktop являются фамилия и имя пользователя. В базе данных содержится ограниченное количество вариантов для каждой лабораторной работы, имеющие индексы от 1 до итогового номера в рамках своей базы соответственно. Генерация индивидуального варианта состоит из следующих операций:
- «Имя» и «Фамилия» переводятся в двоичный код;
- рассчитывается число в двоичном коде и помножается на коэффициент, зависящий от даты регистрации. Это число, по сути, и является индивидуальным вариантом студента.
Затем исходя из количества вариантов в базе конкретной лабораторной работы производится расчет локального варианта, за которым закрепляется пользователь:
- производится расчет остатка от деления на количество вариантов для каждой лабораторной работы.
Вариант реализации данного алгоритма на языке Python приведен ниже (рис. 12).
16
04.00.06 - ГЕОФИЗИКА. ФОЙДАЛИ КАЗИЛМАЛАРНИ КИДИРИШНИНГ
ГЕОФИЗИК УСУЛЛАРИ
Name = input()
text = Name
t2b = bin(int.from bytes(text.encode() , 'big'))
s = t2b
si = s.replace("0b", "")
n = int(si)
summa = 0
while n > 0:
digit = n % 10
summa = summa + digit
n = n // 10
Variant = summa * 7 % 100
print(Variant)
Рис. 12. Генерация индивидуального варианта пользователя и расчет локального варианта
Разработка web-платформы лабораторных работ
Архитектура платформы веб-версии была построена на основе модели клиент-сервер. На серверной стороне используется фреймворк Node.js, который предоставляет быструю и масштабируемую среду выполнения JavaScript. На клиентской стороне используются библиотеки React и Redux, которые обеспечивают быстрый и отзывчивый интерфейс пользователя.
Web-платформа состоит из двух основных частей: первая часть - это платформа, которая служит интеграционным слоем всех web-совместимых программ (лабораторных работ); вторая часть - это непосредственно сами программы, являющиеся лабораторными работами. Web-плат-форма вмещает в себя ряд функционала LMS-системы (Learn management system).
Стоит отметить, что в процессе расчетной части лабораторных работ не задей-ствуются вычислительные мощности сервера (front-end). Платформенная же часть полностью находится на сервере (backend). Также в серверную часть входит и генерация вариантов.
Платформенная часть выполняет небольшой функционал LMS-системы, которая подразумевает за собой авторизацию пользователя, прохождение работ, автоматическую их проверку, получение баллов, временные дедлайны работ, получение доступа к методическим пособиям и собственным отчетам выполненных работ (рис. 13).
Рис. 13. Серверная часть интерфейса шеЬ-платформы
ШеЬ-платформа и состоит из двух основных разделов: гостевого варианта и расширенного (пользовательского варианта). Доступ к первому разделу пользователь получает при переходе на саму платформу, а ко второй - лишь пройдя процедуру регистрации.
Разницей между двумя вышеописанными разделами является то, что функционал второго является более расширенным и подразумевает за собой доступ к большему количеству работ, выполнение практических работ исходя из собственного локального варианта пользователя, оценивание работ и в конечном счете получение сертификата за прохождение. Гостевой режим подразумевает лишь первое ознакомление с частью работ, а также с частью функционала шеЬ-платформы (рис. 14).
Главная страница и о
Главная страница
Список курсов
Главная страница и окно автортации
Рис. 14. Пример реализации гостевого и пользовательского режимов в шеЬ-платформе (слева - гостевой, справа - расширенный (пользовательский))
17
Разработка desktop-платформы лабораторных работ
Desktop-версия была разработана на Python с использованием библиотеки PySide для создания графического интерфейса. Платформа использует модульное устройство, которое позволяет легко добавлять новые методы и тесты, что делает ее очень гибкой.
Причиной разработки данной версии платформы послужил тот факт, что с точки зрения реализации внедрения данной платформы в специализированные профильные учебные заведения по регионам существует ряд ограничений, связанных со скоростью либо же отсутствием сети
Интернет. В связи с данным фактором аналогичный функционал был перенесен в desktop-версию платформы с целью охвата большего количества заинтересованных пользователей.
Функционал платформы является аналогичным web-версии, за тем исключением, что здесь отсутствует гостевой режим и имеется операция авторизации пользователя, ключ для которой предоставляется администратором. Также в данной версии платформы база вариантов является общей, которая находится на серверной части, и аналогично производится алгоритм генерации вариантов (рис. 15).
Рис. 15. Интерфейс desktop-платформы
Анализ результатов исследования
Разработанные программы были протестированы на группе студентов из 50 человек, обучающих по специальности «Сейсморазведка» или относящейся к геофизике. С данной задачей за отведенное время справились 45 студентов, то есть 90 %. Итоги тестирования показали важность смоделированных процессов для лучшего понимания их пользователями.
Так, в данном эксперименте участвовали 10 студентов из Туринского политехнического университета в г. Ташкенте, 12 студентов из Национального универси-
тета Узбекистана и 8 студентов филиала РГУ нефти и газа им. Губкина в г. Ташкенте. Средний балл для каждого университета показан в таблице 1, а общий средний балл для всех 30 студентов составляет 4,5 (рис. 16).
Чтобы подтвердить, что результат по трем университетам приблизительно превышает 90 %, мы можем рассчитать процент студентов, получивших оценку 4 или выше, что обычно считается проходным баллом. Если мы предположим, что проходной балл 4 или выше, то статистика будет следующей (табл. 1).
04.00.06 - ГЕОФИЗИКА. ФОЙДАЛИ КАЗИЛМАЛАРНИ КИДИРИШНИНГ
ГЕОФИЗИК УСУЛЛАРИ
Таблица 1
Результаты качественных исследований апробации программного комплекса
Университет Количество студентов Средний балл
Политехнический 10 4,5
Национальный 12 4,7
РГУ им. Губкина 8 4,2
Общий 30 4,5
Как видим, процент студентов с проходными баллами составляет более 90 % для Политехнического, Национального и общей группы. Хотя процент для РГУ им. Губкина немного ниже, он все равно достаточно высок - 87,5 %. Это говорит о том, что выборка студентов для исследования была репрезентативной для разных университетов и групп, а программное обеспечение было эффективным для студентов разных учебных заведений (табл. 2).
Таблица 2
Результаты количественных исследований апробации программного комплекса
Политехнический
Губкина
■ Количство студентов ■ Средний балл
Рис. 16. Результаты исследования апробации программного комплекса
12
2
0
Университет Количество студентов, прошедших класс Процент студентов, прошедших класс
Политехнический 9 90 %
Национальный 11 92 %
РГУ им. Губкина 7 87,5 %
Общий 27 90 %
В результате проведенного тестирования программного обеспечения было установлено, что оно соответствует всем современным требованиям и предоставляет широкие возможности для выполнения лабораторных работ по геофизике. Особенно полезной оказалась допустимость многократного расчета задания, которая дает пользователям больше возможностей для правильного истолкования цели работы и успешной сдачи. Интерфейс программного обеспечения оценен как удобный и интуитивно понятный, с графическими изображениями, облегчающими понимание физических процессов. Кнопка «Помощь» в каждом окне позволяет быстро и легко находить необходимую информацию. Доступ к оценкам после выполнения работы снижает уровень неопределенности и страха перед неизвестностью, что положительно влияет на мотивацию студентов.
В целом от пользователей были получены положительные отзывы, и проведенное тестирование подтвердило высокое качество и удобство использования данного программного обеспечения для выполнения лабораторных работ по геофизике (рис. 17).
Разработанное программное обеспечение представляет собой эффективный инструмент для обучения геофизике и повышения квалификации специалистов в этой области. Его удобный интерфейс, графические изображения, возможность многократного расчета задания и автоматической проверки позволяют учащимся самостоятельно изучать материал и развивать навыки критического мышления и ответственности. Также важно отметить, что данное программное обеспечение может быть использовано не только студентами, но и преподавателями и специали-
04.00.06 - ГЕОФИЗИКА. ФОИДАЛИ КАЗИЛМАЛАРНИ КИДИРИШНИНГ
ГЕОФИЗИК УСУЛЛАРИ
стами, работающими в данной области. зования может значительно улучшить Внедрение таких инновационных методов его качество и соответствие современным обучения в традиционный формат обра- требованиям.
Рис. 17. Проведение тестирования среди студентов
Выводы
В результате исследования по разработке и апробации программы для проведения лабораторных работ по геофизике можно сделать следующие выводы:
- разработанная программа является эффективным инструментом для проведения лабораторных работ по геофизике, она соответствует всем необходимым требованиям и имеет интуитивно понятный интерфейс;
- программа предоставляет возможность выполнения лабораторных работ с помощью различных геофизических методов, включая сейсморазведку, электроразведку, гравиразведку, магниторазведку и сейсмологию;
- программа обладает удобной функцией многократного расчета задания, что позволяет студентам лучше понимать цель работы и успешно ее выполнить;
- база данных программы упрощает процесс проверки и оценки работ преподавателями;
- группа студентов, тестирующая программу, дала положительные отзывы и предложения по ее улучшению. Анализ этих отзывов позволил разработчикам учесть некоторые недостатки и предложить улучшения программы.
В целом, данная программа может быть использована в качестве эффективного инструмента для проведения лабораторных работ по геофизике в учебных заведениях, а также в нефтегазовой промышленности и других отраслях, связанных с исследованием Земли.
Кроме того, от пользователей были получены положительные отзывы, а тестирование подтвердило высокое качество и удобство использования программного обеспечения для лабораторных работ по геофизике. Результаты показывают, что моделируемые процессы и удобные интерфейсы могут улучшить понимание и мотивацию при выполнении лабораторных работ, что может иметь значение и для других областей.
Создание цифрового комплекса практических работ PulseLab является инструментом для изучения основ геофизики, в частности сейсморазведки, электроразведки и сейсмологии, что в свою очередь является инновационным инструментом для дальнейшего и последующего изучения геофизики в специализированных учебных заведениях и высших научных учреждениях страны. Также стоит отметить, что реализация данного программного комплекса коррелирует с Указом Прези-
S
дента Республики Узбекистан «Об утверждении Стратегии «Цифровой Узбекистан - 2030» и мерах по ее эффективной реализации» от 5 октября 2020 г. № УП-6079, в частности пунктом 8 раздела (В) области развития цифрового образования.
Создание цифрового комплекса практических работ PulseLab позволило студентам изучать основы геофизики более эффективно и интерактивно. Так, большую часть преимуществ показало то, что студенты быстрее усваивали материал при работе с платформой из-за визуализации происходящих физических процессов в геологическом пространстве.
Web- и desktop-версии платформы PulseLab были разработаны, чтобы обеспечить доступность для студентов в разных местах и в любое время, вне зависимости от наличия сети Интернет, также достаточное удобство представлено тем, что база данных для двух вариантов реализации является общей, что в свою очередь обеспечивает гибкость в дальнейшем сопровождении данной платформы.
Апробация PulseLab на 30 студентах показала, что более 90 % студентов смогли успешно завершить практические работы на платформе. Это говорит о том, что плат-
форма является эффективным инструментом для обучения основам геофизики.
PulseLab может быть использована не только в образовательных целях, но и для проведения прикладных научных исследований в области геофизики, а также для повышения квалификации специалистов, прямо или косвенно связанных с данной отраслью.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на расширение функционала платформы, добавление новых практических заданий и методов геофизических исследований в целях улучшения обучения и исследования в этой области. Также планируется в перспективе расширить спектр практических работ для охвата большего количества направлений наук о Земле.
Разработанные алгоритмы в ходе создания данного образовательного комплекса можно применить для дальнейшей разработки прикладных геофизических программ по описанным направлениям.
Таким образом, цифровой комплекс практических работ PulseLab является эффективным инструментом для обучения и исследований в области геофизики, а его развитие может иметь большое значение для этой области науки и образования.
REFERENCES
1. Aziz, E.-S., Chang, Y., Esche, S., & Chassapis, C. (2014). A Multi-User Virtual Laboratory Environment for Gear Train Design. Computer Applications in Engineering Education, 22(4), 788-802. doi:10.1002/ cae.21573
2. Aziz, E.-S., Esche, S., & Cassapis, C. (2009). Content-Rich Interactive Online Laboratory Systems. Computer Applications in Engineering Education(17), 61-79. doi:10.1002/cae.20210
3. Belousov, A. (2008). Collection of tasks on the course "Seismic prospecting". Moscow: Sergo Ordzhonikidze Russian State University for Geological Prospecting.
4. De Jong, T., Sotiriou, S., & Gillet, D. (2014). Innovations in STEM education: the Go-Lab federation of online labs. Smart Learn. Environ., 1(3), 1-16. doi:10.1186/s40561-014-0003-6
5. Dos Santos, F., Guetl, C., Bailey, P., & Harward, V. (2010). Dynamic virtual environment for multiple physics experiments in higher education. Proceedings of the 2010 IEEE Engineering EducationConference (EDUCON) (pp. 731-736). Madrid, Spain: IEEE. doi:10.1109/EDUC0N.2010.5492507
6. Govaerts, S., Cao, Y., Vozniuk, A., Holzer, A., Zutin, G., Ruiz, C., Salzmann, C. (2013). Towards an Online Lab Portal for Inquiry-based STEM Learning at School. Proceedings of the 12th International Conference on Web-based Learning, (pp. 244-253). Kenting, Taiwan. doi:10.1007/978-3-642-41175-5_25
7. Gurvich, I., & Boganik, G. (1980). Seismic exploration (3rd ed.). Moscow: Nedra Publ.
8. Kalúz, M., Cirka, E., & Fikar, M. (2011). Virtual Laboratory of Process Control. В M. a. Fikar (Eds.), Proceedings of the 18th International Conference on Process Control, (pp. 348-351). Tatranská Lomnica, Slovakia. Retrieved from http://www.kirp.chtf.stuba.sk/pc11/data/papers/056.pdf
9. Karapetov, G. (2021). Linear transformations in geophysics. Moscow.
10. Karapetov, G., & Belousov, A. (2015). Practicum on geometric seismic. Moscow: Publishing Center of the Russian State University of Oil and Gas named after I.M. Gubkin.
11. Pringle, J. (2014). Educational egaming: the future for geoscience virtual learners? Geology Today (30), 147-150. doi:10.1111/gto.12058
12. Richter, T., Boehringer, D., & Jeschke, S. (2010). LiLa: A European Project on Networked Experiments. Proceedings of the 6th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV2009), (pp. 307-317). Bridgeport, CT, USA. doi:10.1007/978-3-642-16208-4_27
13. Romanov, V. (2007). Ispol'zovaniye dinamicheskogo predstavleniya pri modelirovanii volnovykh protsessov v pakete programm Labs [Using dynamic representation in modeling wave processes in the Labs]. Geoinformatics(4), 44-48.
14. Sadykov, S. (2021). The Main Directions of Improving Higher Education in the Republic of Uzbekistan in the Context of Digital Transformation of the Economy. Open Education, 25(1), 40-47. doi:10.21686/1818-4243-2021-1-40-47
15. Serdobolsky, L. (2012). Propagation of seismic waves. Moscow.
16. Sheriff, R., & Geldart, L. (1995). Exploration Seismology (2nd ed.). Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/CB09781139168359
17. Tlaczala, W., Zaremba, M., Zagorski, A., & Gorghiu, G. (2009). Virtual Physics Laboratory for Distance Learning Developed in the Frame of the VccSSe European Project. Proceedings of the Fifth International Conference on Multimedia & ICT's in Education, (pp. 467-471). Lisbon, Portugal.
18. Villar-Zafra, A., Zarza-Sánchez, S., Lázaro-Villa, J., & Fernández-Cantí, R. (2012). Multiplatform virtual laboratory for engineering education. Proceedings of the 9th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV), (pp. 1-6). Bilbao, Spain. doi:10.1109/REV.2012.6293127
19. Voskresensky, Y. (2010). Field Geophysics. Moscow: Nedra Publ.
20. Voskresensky, Y., & Ryzhkov, V. (2015). Geophysics in the study of the earth's interior. Russian State University of Oil and Gas named after I.M. Gubkin.
21. Xiang, S., & Wang, L. (2017). VGLS: A virtual geophysical laboratory system based on C# and viustools and its application for geophysical education. Comput Appl Eng Educ, 25(3), 335-344. doi:10.1002/cae.21801
22. Yang, W. (2013). Reflection Seismology: Theory, Data Processing and Interpretation. Retrieved from https://www.researchgate.net/publication/289062761_Reflection_Seismology_Theory_Data_ Processing_and_Interpretation
Рецензент: Джалилов Г.Г., доктор философии по техническим наукам (PhD), заведующий лабораторией "Нефтегазоносности орогенных регионов" ГУ "Институт геологии и разведки нефтяных и газовых месторождений".
