Введение
На международной конференции «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» (Тамбовский госуниверситет, сентябрь 2010 г.) в докладе д.п.н. Сысоева П. В. «Использование новых информационно-коммуникационных технологий в обучении иностранному языку» была озвучена достаточно интересная идея. В результате многолетней преподавательской деятельности был сделан вывод, что стандартное изложение учебного материала, как правило, приводит к механическому усвоению знаний учащимися. В случае динамического изложения (когда обучающиеся сами участвуют в процессе получения знаний, например, через Интернет, или другие информационные технологии) резко увеличивается как интенсивность обучения, так и уровень получаемых знаний. Данный доклад был посвящен обучению иностранным языкам, однако, эти выводы, на наш взгляд, закономерны в процессе обучения и в других областях знаний. Конечно, при наличии в ВУЗах кафедр геоинформатики существуют определенные методики обучения студентов геоинформационным технологиям [1], однако в этом случае, как правило, используется стандартное программное обеспечение, а для интеграции высшего образования и науки все-таки желательно использовать геоинформационные продукты, разработанные непосредственно в академических институтах, и которые максимально приближены к решению конкретных научно-исследовательских задач. В статье рассматриваются возможности применение информационных технологий для использования результатов академических исследований (СВКНИИ ДВО РАН) в процессе обучения студентов на примере двух научных направлений: сейсмичность и петрофизика.
Сейсмичность
Для ознакомления студентов экологических, географических и геофизических специальностей с сейсмичностью какого-то региона (в частности, Магаданской области) можно привести статистические данные, полученные на основе каталогов землетрясений, познакомить с картами сейсмичности и сейсмического районирования - это вышеуказанный метод «механического усвоения знаний». В случае «динамического» подхода к обучению можно использовать геоинформационные технологии, применяя которые студенты смогут самостоятельно получать материалы по теме. В лаборатории геофизики СВКНИИ ДВО РАН разработана геоинформационная система «Сейсмичность Магаданской области» (Свидетельство о государственной регистрации РОСПАТЕНТ № 2011615022 от 24.06.2011), которая может быть использована в этих целях, ее описание приводится ниже.
Структура разработанной геоинформационной системы «Сейсмичность Магаданской области» (ГИС «СейсМО») представлена базовым слоем (генеральный каталог землетрясений и его графическое представление на карте в географической системе координат), пятью статическими информационными слоями (базисные слои), шестью статическими интерпретационными слоями (слои поддержки) и двумя динамическими блоками. Информация о сейсмических событиях, составляющих статические слои, выдается по ключу из базового слоя, динамические блоки имеют самостоятельный запуск из ГИС. Числовой основой ГИС являются цифровые координированные базы данных, созданные в лаборатории геофизики СВКНИИ ДВО РАН на основе каталогов Магаданского филиала Геофизической службы РАН (МФ ГС РАН) и включающие в себя информацию о 5.122 (на декабрь 2011 г.) сейсмических событиях с энергетическими классами от 3,4 до 16,8 (Артыкское землетрясение, 1971 г.), произошедших в пределах Магаданской области и прилегающих территорий за период с 1735 по 2011 гг.
Статические интерпретационные слои ГИС представляют собой:
- Слой оценки распределения сейсмической активности А10 по территории;
- Слой оценки распределения максимальной энергии землетрясений Кmax;
- Слой распределения сотрясаемости 6 баллов;
- Слой распределения сотрясаемости 7 баллов;
- Слой распределения палеосейсмодислокаций (как результатов крупнейших древних землетрясений);
- -Слой распределение градиентов потенциальной энергии землетрясений (расчет градиентных превышений рельефа по разработанной методике [2]).
Статические информационные слои представляют сейсмические события, зарегистрированные в каталогах МФ ГС РАН с энергетическими классами К≥4,3. Информация о сейсмических событиях вызывается при выборе элемента площади территории. По ключу для этого участка выводятся значения моментов событий, глубины, географических координат эпицентров, макросейсмических эффектов и энергетических классов сейсмических толчков, зарегистрированных на выбранном участке. Выбирая конкретное сейсмическое событие из списка, можно на основе ГИС получить следующие сведения для данного события:
- по слою параметры: дата, время, координаты, глубина и энергетический класс события;
- по слою макросейсмических эффектов: эффекты, занесенные в каталог МФ ГС РАН;
- по слою сейсмостанции: положения сейсмостанций, работавших во время толчка, и станций, чьи наблюдения вошли в обработку;
- по слою моменты: о моментах вступлений сейсмических волн на сейсмостанции;
- по слою модель: о модели данного сейсмического события [2].
Динамические блоки состоят из:
- Пространственно-временной схемы сейсмических событий - распределения эпицентров по территории с определенным шагом по времени с выделением энергетических классов землетрясений.
- Пространственно-временной схемы размещения действующих сейсмостанций на территории Магаданской области для любого периода инструментальных наблюдений.
Программное обеспечение (программа SeysMO, Малиновский С. Б., 2009 г.) написана в среде Visual Studio 6.0. Для работы с программой была разработана структура и создана база данных формата Microsoft Access (SeysMO.mdb), включающая в себя ряд таблиц. Более подробное описание ГИС, ее программного обеспечения и возможностей приведено в [4].
Использование ГИС «СейсМО» в процессе обучения студентов позволяет оперативно, без всякой дополнительной обработки получить информацию о землетрясениях, произошедших на расстоянии 50, 73, 112 км (произвольное расстояние, задаваемое оператором) от любого населенного пункта, промышленного (ГЭС, аэропорт и т.д.) или природного (озеро, гора и т.д.) объекта, либо выделенной оператором определенного участка на территории Магаданской области. Причем, получить не просто пространственное распределение эпицентров землетрясений с их глубиной и мощностью (цвет и размер символов) как на обычных сейсмических картах, но и их точное время, картографическое распределение сейсмостанций (зарегистрировавших каждое из этих землетрясений), первые вступления, макросейсмические эффекты этих землетрясений и т.д. В итоге, вместо обычной двумерной карты мы получаем многомерный пакет сейсмической информации, причем в числовом виде и полностью готовый для дальнейшей компьютерной обработки: построение графиков, гистограмм, схем и т.д. Таким образом, в процессе обучения на основе ГИС «СейсМО» студенты могут самостоятельно не только получать численную сейсмическую информацию по заданным объектам, но и проводить на ее основе дальнейшую математическую или графическую обработку, что, несомненно, будет развивать у них исследовательские способности.
Петрофизика
В настоящее время в практике геологических исследований очень широко используются результаты изучения физических свойств горных пород и руд, в частности, петрофизические разделы являются обязательной составной частью как отчетов по ГДП-200, так и отчетов по геологоразведочным работам, защищаемым в ГКЗ. Однако, как правило, молодые специалисты, выпускники ВУЗов по геологическим специальностям, имеют довольно поверхностные знания по петрофизическим аспектам геологических исследований, а чаще эти знания вообще отсутствуют. В первую очередь, это связано с небольшим объемом курса «Геофизические методы поиска и разведки МПИ» среди геологических дисциплин. Но даже в рамках этого небольшого курса петрофизика представлена весьма фрагментарно в связи с тем, что в стандартной геофизике она рассматривается только в качестве источника вспомогательных данных при интерпретации гравимагнитных аномалий. Во-вторых, в процессе обучения студенты не знакомятся с реальными базами, геолого-петрофизическими данными конкретных геологических объектов, которые используются при практических геолого-геофизических исследованиях. Для повышения уровня петрофизических знаний, которые могут быть востребованы при производственной деятельности, возможно использование в процессе обучения студентов геологических специальностей комплексной базы геолого-петрофизических данных месторождения Наталка, разработанной в лаборатории геофизики СВКНИИ, описание которой приводится ниже.
Золоторудное месторождение «Наталка» расположено примерно в 400 км от Магадана и является одним из крупнейших в России по количеству защищенных запасов золота (более 1500 тонн). Петрофизические исследования месторождения Наталка проводятся в СВКНИИ ДВО РАН с 1996 года по настоящее время. Всего за весь период изучения были выполнены 8.040 замеров плотностных, магнитных (остаточная намагниченность, магнитная восприимчивость) и электрических свойств горных пород и руд.
В ходе обработки результаты всех этих петрофизических измерений сводились (минимальное, максимальное, среднее) в таблицы по образцам, а затем по точкам наблюдений. В процессе интерпретации строились петроплотностные, петромагнитные и петроэлектрические схемы по поверхности и в разрезах, гистограммы распределения петрофизических параметров по зонам различной рудной минерализации и по вертикали, корреляции ПФП между собой и т.д. Затем на основе этих материалов создавались интерпретационные схемы и графики. Наличие такого большого объема фактического и интерпретационного материала (как цифрового, так и картографического) потребовало разработки и создания программного обеспечения петрофизических исследований в виде управляемой комплексной Базы геолого-петрофизических данных Омчакского рудного узла и месторождения Наталка (КБД-Наталка). В процессе этих работ была разработана структура Базы, ее программное обеспечение и инструкция пользователя.
Комплексная база геолого-петрофизических данных по Омчакскому рудному узлу и Наталкинскому месторождению создана в СУБД MS Access и содержит координированные данные по:
- лабораторным замерам петрофизических свойств кубиков горных пород,
- осреднённым замерам петрофизических свойств образцов горных пород,
- осреднённым замерам петрофизических свойств горных пород в точках наблюдения,
- результатам геохимических исследований образцов горных пород.
Также КБД-Наталка включает 49 графических и текстовых приложений, содержащих карты и схемы отбора образцов, распределения петрофизических параметров по Омчакскому рудному узлу, распределения ПФП по месторождению (на поверхности и по штольневым горизонтам), графики изменения петрофизических параметров по скважинам, разрезы ПФП по профилям +20, +70, -70 и др. Кроме того, к основным элементам КБД-Наталка относится запрос «Образцы&Геохимия», связывающий результаты замеров петрофизических параметров и геохимического анализа. Связи по ключевым и индексированным полям позволяют присоединять любые из основных таблиц друг к другу в качестве подтаблиц для синхронного просмотра и редактирования.
В результате использования КБД-Наталка выявлена и доказана двухуровенная петрофизическая зональность Наталкинского рудного поля [5, 6]. Первым уровнем является монотонное площадное изменение физических свойств горных пород в определенном направлении, связанное с насыщением пород халькофильными и сидерофильными группами металлов, и может быть обусловлено влиянием глубинного разлома, который фиксируется выявленной субвертикальной зоной проводимости. Второй уровень находит отражение в локальных аномалиях и градиентных изменениях петрофизических параметров (ПФП) в экзоконтактах рудной залежи и рудных зон, что, вероятно, связано с физико-химическими процессами их формирования. Оба уровня выявленной петрофизической зональности прослежены в пределах рудного поля по простиранию на 4 км и по падению на 800 м.
Конечно, в настоящее время ведется достаточное количество разработок в области создания баз изученности. Так, в журнале «ГИС-обозрение» опубликована статья с описанием ГИС геологической изученности нефтяных месторождений [3]. Однако все эти базы, как правило, создаются на основе дорогостоящих лицензионных программ, так, например, указанная ГИС разработана на основе программных продуктов Arc-GIS, стоимость которых составляет десятки тысяч долларов. В то время как разработанная в лаборатории геофизики СВКНИИ «КБД-Наталка» создана на основе MS Access, которая является составной частью MS Office и по своей цене доступна практически любому высшему учебному заведению.
Заключение
Использование описанной ГИС «СейсМО» в процессе обучения студентов экологических, географических, геофизических и других специальностей может, с одной стороны, резко повысить уровень их знаний в области сейсмичности территории, а с другой стороны, привить навыки практической работы с информационными технологиями.
Применение КБД «Наталка» в процессе обучения студентов геологических специальностей может позволить ознакомить их с работой на базе геолого-петрофизических данных реального геологического объекта. Также, за счет своей универсальности и дешевизны, она может быть использована как при изучении иных золоторудных объектов, так и в других направлениях исследований, где применяются массовые замеры, в том числе и множества элементов одного объекта.
Таким образом, студенты в процессе обучения с использованием информационных технологий на базе конкретных ГИС-продуктов, разработанных в академическом институте, могут самостоятельно создавать управляемые базы реальных координированных данных, проводить на их основе дальнейшую математическую или графическую обработку, что, несомненно, будет развивать у них исследовательские способности. Причем получаемые ими результаты могут найти применение в реальных научных исследованиях, что бесспорно будет содействовать интеграции науки и высшего образования.
Исследования (результаты которых изложены в данной статье) частично выполнены в рамках интеграционного проекта № 12-II-СО-08-025.
Рецензенты:
- Борходоев Владимир Яковлевич, доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией рентгеноспектрального анализа СВКНИИ ДВО РАН, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт Дальневосточного отделения Российской академии наук, г. Магадан.
- Седов Борис Михайлович, доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории геофизики СВКНИИ ДВО РАН, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт Дальневосточного отделения Российской академии наук, г. Магадан.