Роль аэрокосмических практикумов в формировании компетенций университетских географов

ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 528.721.28 Ю.Ф. Книжников

РОЛЬ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ПРАКТИКУМОВ

В ФОРМИРОВАНИИ КОМПЕТЕНЦИЙ УНИВЕРСИТЕТСКИХ ГЕОГРАФОВ1

Введение. Рассмотрим общее состояние аэрокосмической подготовки специалистов в области наук о Земле, в частности географов. Во-первых, при оценке необходимо учитывать начавшееся реформирование отечественного высшего образования в свете Болонской декларации — установку на многоуровневую подготовку выпускников; внедрение образовательных стандартов третьего поколения с кредитно-модульной системой обучения; переход к формированию у студентов компетенций, который предусматривает увеличение учебного времени на самостоятельную работу, и другие нововведения. Во-вторых, завершается определенный этап в развитии аэрокосмического зондирования, который характеризуется тем, что разномасштабные цифровые космические снимки, которые обычно относят к базовой информации инфраструктуры пространственных данных, уверенно утверждаются в качестве основного источника дистанционной информации практически о всех районах нашей планеты, а самым распространенным инструментом, применяемым при извлечении географической информации из снимков (путем их дешифрирования и измерений), становится персональный компьютер.

Облик издаваемых сейчас учебных пособий по дисциплине "Аэрокосмические методы географических исследований" сложился в предшествующий период развития аэрокосмического зондирования, когда доминирующим источником дистанционной геоинформации служил аэрофотографический снимок, а главным средством ее извлечения из снимка было визуальное дешифрирование, дополняемое простейшими измерениями на аналоговых фотограмметрических приборах [2, 11]. В появившихся в последние годы учебных пособиях, охватывающих все разделы дисциплины [8, 10, 12, 13], новая информация лишь добавляется (более или менее удачно) к традиционной без радикального изменения структуры курса. Это, в частности, приводит к увеличению объема учебников, превращая их в монографические фолианты объемом до 25 печатных листов, что не согласуется со скромным количеством учебных часов (кредитов), отводимых в классических университетах для соответствующей дисциплины. Таким образом, новейшие достижения аэрокосмического зондирования и принци-

пиально новые образовательные концепции заставляют пересмотреть методологические основы университетского аэрокосмического образования географов. Основное содержание и облик учебной дисциплины в перспективе должны определяться, по нашему мнению, необходимостью формирования у студентов компетенций, перечень и формулировка которых представляют самостоятельную проблему аэрокосмического образования, требующую для своего разрешения определенного времени и коллективных усилий, а также учета требований работодателей.

Аэрокосмические компетенции. Хотя общепринятой теоретико-методологической трактовки научного понятия "компетенция" пока не выработано [1], будем понимать под ней способность практически применять знания и умения, полученные в процессе обучения, а также личностные качества для успешной профессиональной деятельности. Конечно, приобретенные обучающимся компетенции должны постоянно обогащаться опытом последующей практической работы. К числу важнейших компетенций, которые необходимо сформировать у молодого специалиста для эффективного применения аэрокосмических методов в практике географических исследований, предлагается отнести семь компетенций следующего содержания:

1) знание физико-технических основ получения аэрокосмических снимков и умение оценивать потребительские свойства снимков разных типов;

2) взаимодействие с компаниями, поставляющими космические снимки, и использование интернета для приобретения снимков;

3) визуальное и автоматизированное (компьютерное) дешифрирование аэрокосмических снимков. Сравнительные возможности и области применения;

4) наблюдение и измерение стереоскопической модели местности;

5) аэрокосмические технологии получения количественных характеристик местности и их изменений во времени — морфометрических, спектральных, температурных и др.;

6) изготовление карт и других геоинформационных продуктов по аэрокосмическим снимкам;

7) применение аэрокосмических методов при решении тематически ориентированных задач.

1 Подготовлено при поддержке грантов НШ (171.2008.5) и РФФИ (07-05-00187).

Очевидно, набор компетенций должен представлять собою иерархическую систему. Так, названные выше аэрокосмические компетенции можно назвать базовыми (общими), каждая из них в свою очередь включает профессионально ориентированные (специальные) компетенции. Например, третью базовую компетенцию можно детализировать следующими специальными компетенциями:

— технологические схемы различных видов дешифрирования: прямого и косвенного, полевого и камерального;

— практические приемы дешифрирования серий снимков: многозональных, разновременных, разномасштабных и др.;

— назначение и возможности компьютерных преобразований снимков, предназначенных для визуального дешифрирования;

— основные алгоритмы компьютерной классификации и кластеризации в современных коммерческих программах;

— оптимальное представление результатов географического дешифрирования аэрокосмических снимков.

Приведенный примерный перечень компетенций, которые нацелены на извлечение геоинформации из аэрокосмических снимков, т.е. на их дешифрирование и измерения, а также на оптимальное представление полученных результатов, естественно, может видоизменяться и дополняться. В соответствии с этим будут уточняться и программы учебных курсов. Но при любом варианте решающим фактором, определяющим целенаправленное формирование компетенций выпускников, является выполнение ими практических работ, а в перспективе — прохождение специализированных аэрокосмических практикумов.

Аэрокосмические практикумы. Включение в учебные планы аэрокосмической подготовки географов такой активной формы обучения, как практикумы, соответствует основной тенденции современной модернизации высшего образования. Хотя, конечно, практикум не является новой технологией университетского образования: он традиционно применяется, например, при изучении физических и химических дисциплин.

В наиболее полном объеме аэрокосмический практикум может включать общий и несколько специальных практикумов — по дешифрированию, стереоскопической обработке снимков, аэрокосмическому картографированию и т.д. Каждый из них, требующий определенного методического, информационного, программного и приборно-техническо-го обеспечения, может рассматриваться как учебный модуль узкой специализации. При достаточном

финансировании, а главное, при возможности обеспечить действенную эксплуатацию, общий практикум может быть оснащен локальной станцией приема спутниковой информации, например одной из станций инженерно-технологического центра "СканЭкс"2.

Опыт географического факультета МГУ. Учебная дисциплина "Аэрокосмические методы (прежде — аэрофотометоды) географических исследований" преподается на географическом факультете более полувека. На факультете успешно функционировал учебно-методический Межуниверситетский аэрокосмический центр, действовали школы-семинары для преподавателей университетов, а впоследствии интернет-семинары, которые способствовали развитию аэрокосмического образования в ряде университетов [7]. За прошедшие десятилетия сформировались принципиальные подходы и определенная система обучения по этому предмету [3, 4]. Традиционно все учебные курсы аэрокосмического цикла имеют не теоретическую, а практическую направленность, они следуют принципу "знать, чтобы уметь".

Трехуровневая аэрокосмическая подготовка географов. Существующая в настоящее время на факультете система предусматривает три уровня освоения аэрокосмических методов. Первоначальное знакомство первокурсников с аэрокосмическими снимками происходит в курсе "Топография". Здесь даются предварительные сведения о разных видах аэрокосмических снимков, их дешифрировании и измерениях с целью изготовления топографических карт. Эти знания практически закрепляются во время летней практики первокурсников в Сатино. На втором курсе студентам физико-географического потока читают уже 24-часовой семестровый курс "Аэрокосмические методы географических исследований", который предусматривает как теоретические лекции, так и практические работы по дешифрированию аэрокосмических снимков. На старших курсах некоторых кафедр поставлены спецкурсы, нацеленные на отраслевое применение аэрокосмических методов, которые, очевидно, и должны окончательно сформировать аэрокосмические компетенции отраслевых географов. Поэтому внедрение практикумов в аэрокосмическую подготовку географов целесообразно начать с кафедральных учебных курсов. Конечно, переход от традиционных лабораторных работ, выполняемых под непосредственным руководством преподавателя, к самостоятельному выполнению студентом заданий практикума требует значительной учебно-методической подготовки.

Организационные проблемы. Еще раз подчеркну, что для самостоятельного выполнения студен-

2 Для природоведческих факультетов классических университетов наибольший интерес представили бы специальные учебные приемные станции, рассчитанные прежде всего на демонстрацию физико-технических принципов приема и передачи по радиоканалам спутниковой видеоинформации, а не на получение снимков для последующего их использования в учебных целях.

тами практических заданий по обработке аэрокосмических снимков необходимы не только компьютеры с разнообразной периферией, программное обеспечение, учебные цифровые снимки, но и обстоятельные учебно-методические пособия. В настоящее время сложность заключается не столько в первоначальном аппаратно-программном оснащении практикума, сколько в его регулярном обновлении. К сожалению, современное дорогостоящее оборудование быстро морально устаревает и не менее чем через 5 лет необходимо полностью его заменять или регулярно проводить ротацию, ежегодно обновляя примерно на 20%. Эту задачу отдельные кафедры, как правило, решать не могут. Проблема усугубляется тем, что коммерческие структуры, куда приходят работать выпускники, обычно располагают наиболее современными компьютерами, программами, материалами аэрокосмических съемок. Создается тревожная ситуация, когда молодой специалист, заканчивая университет, не является носителем новейших достижений научно-технического прогресса в этой области.

Межкафедральный аэрокосмический практикум. В определенной мере проблему современного материально-технического оснащения можно решить путем создания на факультете межкафедрального аэрокосмического практикума, основная задача которого — оказание помощи кафедрам в постановке специализированных кафедральных спецкурсов, а также при подготовке магистрантов и аспирантов. Одному факультетскому аэрокосмическому практикуму реальнее поддерживать аппаратное и программное обеспечение на современном уровне и приобретать для него технические новинки для учебного процесса.

Вообще, межкафедральный практикум различной специализации — это не только форма организации учебного процесса, но и структурная единица факультета (кафедры) научно-методической направленности, оснащенная учебным оборудованием и укомплектованная соответствующими кадрами. Результаты выполняемых здесь научных исследований и разработок, носящих инновационный характер и ориентированных на формирование определенных компетенций, должны внедряться прежде всего в учебный процесс, а затем через молодых специалистов и в практику географических исследований. Из существующих университетских структур для практикумов наиболее подходят кафедральные научные лаборатории соответствующего профиля. Такой подход в условиях классических университетов можно рассматривать как одно из конкретных решений задачи интеграции науки и образования. Естественно, практическая реализация высказанных предложений требует определенного времени.

От спецкурса к практикуму. В качестве примера можно привести лабораторию аэрокосмиче-

ских методов кафедры картографии и геоинформатики, где начато создание межкафедрального аэрокосмического практикума, в рамках которого начинают действовать специализированный практикум по обработке космических снимков при исследовании почв и компьютерный стереопрактикум. Последний базируется на 24-часовом спецкурсе "Трехмерное аэрокосмическое моделирование", который читают студентам-картографам 5-го курса [5]. Спецкурс состоит из двух частей — небольшой теоретической части — учения о стереоскопической модели местности, — и основной части, включающей десять практических работ нарастающей сложности, начиная от тренировочных наблюдений аналоговых стереомоделей и кончая лабораторными стереосъемками и автоматизированным построением цифровой модели сфотографированного объекта.

Постепенный переход от спецкурса к компьютерному стереопрактикуму, в котором студенты должны работать самостоятельно, рассчитан на несколько лет. При выработке его формы и содержания определяющим фактором служат компетенции, которые должны приобрести студенты. Фундаментальную компетенцию, формируемую в результате успешного выполнения заданий компьютерного стереопрактикума, можно определить как комплексную обработку стереоскопической модели местности на цифровых стереоизмерительных приборах (системах) с картографическим представлением географических результатов. В качестве частных компетенций, которые должны быть приобретены будущими картографами, приняты следующие:

1) наблюдение стереомоделей (прямой, обратной, нулевой) всеми существующими способами, включая безочковый;

2)визуальные и автоматические измерения сте-реомодели для получения пространственных координат отдельных точек, построения профилей, цифровых моделей рельефа, ортоизображений;

3) дешифрирование и измерение разновременных стереомоделей с целью определения количественных показателей динамики;

4) количественная оценка перемещения техногенных и природных объектов по псевдостереоскопической модели;

5) картографическое представление результатов компьютерной обработки стереомоделей местности (изолинейные карты, профили, карты динамики).

В перспективе возможны два уровня формируемых компетенций по их сложности — уровень сложности для специалиста и для магистра. Их принципиальное отличие при близком содержании может заключаться, например, в том, что магистр должен уметь выполнять верификацию, т.е. оценку достоверности и точности получаемых по аэрокосмическим снимкам географических результатов.

При организации стереопрактикума учитывается ряд принципиальных соображений. Весьма желателен вариативный подход, при котором любая из формируемых компетенций должна обеспечиваться несколькими альтернативными заданиями, чтобы студент последнего года обучения мог выбрать задание, наиболее соответствующее профилю его будущей работы. Каждое отдельное задание должно быть направлено на достижение трех логически увязанных целей, а именно стереоизме-рительной, картографической и географической. Определенные трудности при обучении компьютерным стереоизмерениям возникают при пониженной остроте и даже патологии стереоскопического зрения у некоторых студентов. Поэтому в соответствии с нашим опытом целесообразно, чтобы практическое задание на одном персональном компьютере выполняла бригада из двух студентов, из которых по крайней мере один не испытывает серьезных затруднений со стереовосприя-тием. В практикуме рекомендуется использовать специально создаваемые для учебных целей простые цифровые стереоизмерительные приборы, например компьютерный стереокомпаратор, матричный стереокоррелятор, профилограф и т.д. [9]. Программное обеспечение для выполнения заданий должно включать продуманное сочетание специальных учебных и наиболее признанных коммерческих программ (PHOTOMOD, Surfer, Талка, ERDAS и др.). Используемые учебные цифровые аэрокосмические снимки целесообразно снабжать извест-

ными элементами ориентирования, что позволит студентам-географам сосредоточить внимание на стереометрических и географо-картографических аспектах каждого выполняемого практического задания практикума [6].

Заключение. В аэрокосмическом зондировании завершается переход к новому этапу развития, который характеризуется широким использованием цифровых технологий и разномасштабных космических снимков, а в высшей школе постепенно утверждается новая образовательная парадигма. Это заставляет внести изменения в методологическую основу аэрокосмической подготовки географов. При определении содержания современной учебной дисциплины целесообразно исходить из необходимости формирования у выпускников аэрокосмических компетенций, первоначальный перечень которых предложен выше.

Для формирования компетенций в систему учебных дисциплин по аэрокосмическим методам географических исследований предлагается ввести аэрокосмический практикум для студентов старших курсов и магистрантов.

Создать и обеспечить функционирование современного компьютерного практикума проще, если он будет общефакультетским. Межкафедральный аэрокосмический практикум — это не только перспективная форма университетского образования, но и определенное структурное подразделение факультета (кафедры).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зимняя И.А. Компетентностный подход. Каково его место в системе современный подходов к проблемам образования? // Высшее образование сегодня. 2006. № 8. С. 20-26.

2. Книжников Ю.Ф. Аэрофотометоды в географических исследованиях: основы фотограмметрии и дешифрирования аэрофотоснимков. М., 1972.

3. Книжников Ю.Ф. Аэрокосмическая подготовка географов: методологические и организационные вопросы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1983. № 5. С. 62-68.

4. Книжников Ю.Ф. Аэрокосмические дисциплины в профессиональной подготовке картографов-географов // Там же. 1984. № 5. С. 40-43.

5. Книжников Ю.Ф. Программа дисциплины "Трехмерное аэрокосмическое моделирование. Стереоскопическая модель местности" // Образовательные магистерские программы по направлениям "Гидрометеорология" и "Картография". М., 2007.

6. Книжников Ю.Ф, Гельман Р.Н., Харъковец Е.Г. Компьютерные стереоизмерения в университетской под-

Лаборатория аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики, заведующий лабораторией, e-mail: mail@lakm.geogr.msu.su

готовке географов // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2006. № 6. С. 28—33.

7. Книжников Ю.Ф, Кравцова В.И. Становление научной школы аэрокосмического зондирования в Московском университете // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2005. № 2. С. 54—60.

8. Книжников Ю.Ф, Кравцова В.И, Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы географических исследований. М., 2004.

9. Книжников Ю.Ф, Харьковец Е.Г. Учебный цифровой прибор для автоматических стереоизмерений аэрокосмических снимков // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2006. № 5. С. 134—141.

10. Обиралов А.И, Лимонов А.Н, Гаврилова Л.А. Фотограмметрия и дистанционное зондирование. М., 2006

11. Смирнов Л.Е. Теоретические основы и методы географического дешифрирования аэроснимков. Л., 1967.

12. Смирнов Л.Е. Аэрокосмические методы географических исследований. СПб., 2005.

13. Сухих В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве. Йошкар-Ола, 2005.

Поступила в редакцию 04.02.2008