Подготовка метеорологических кадров в эпоху цифровых технологий: схематический план для новой программы обучения

Десятилетия в середине XXI века будут решающими для профессии метеоролога. Влияние изменения климата будет явным и всё больше будет проявляться в большинстве регионов (Hawkins and Sutton, 2012). Метеорологическое прогнозирование будет играть важную социальную роль в связи с вероятным одновременно происходящим увеличением частоты и интенсивности экстремальных метеорологических явлений (IPCC, 2012). У метеорологии появятся возможности приносить ещё больше пользы обществу за счёт постоянного повышения точности прогнозов погоды (Bauer et al., 2015). Например, расширение сектора эффективных возобновляемых источников энергии (Frei et al., 2013) потребует точных прогнозов в разных временных масштабах с заблаговременностью от нескольких дней до нескольких сезонов.

Увеличение вычислительных ресурсов и новые технологии, такие как квантовые вычисления (Debnath et al., 2016) и плотные сети работающих в реальном времени датчиков наблюдения за окружающей средой, подключенных к Интернету, дадут возможность повысить точность прогнозов и расширить наше понимание атмосферы. Но максимально эффективное использование этих возможностей и рассмотрение сложных проблем будут частично зависеть от того, насколько хорошо мы готовим будущих работников в области метеорологии. Метеорологическое сообщество разработало большое количество отличных инновационных методов работы; однако пришло время снова обратить внимание на содержание программы метеорологического обучения.

Предписанные навыки и качества для метеорологов часто определяются отдельно для университетского курса и для последующей профессиональной подготовки (обычно определяемой метеорологическими службами и другими организаторами обучения). Упускается принципиальная возможность определения и предоставления согласованной программы профессиональной подготовки для всех форм метеорологического образования. Для устранения этого противоречия мы — представители университета Рединга и Метеорологического бюро — совместно разработали схематический план метеорологического обучения, которое должна обеспечивать полноценная образовательная программа. Навыки и качества относятся ко всем формам метеорологического обучения, предназначенного для студентов университетов, для сотрудников, обучающихся по программам непрерывного профессионального развития (НПР), и для слушателей открытых онлайн-курсов.

Совместно разработанный схематический план, поддерживающий метеорологическое обучение

Наш схематический план приобретения метеорологических навыков разработан в форме 14 ключевых принципов, на которых, как мы полагаем, должно основываться обучение студентов, рассчитывающих прийти на работу в эту область в ближайшие 10 лет. Программа обучения, построенная на основе этих принципов, должна помогать развивать навыки и качества, необходимые метеорологам в начале их профессиональной карьеры и их роста до уровня руководителей. Важной мотивацией этого плана является универсальность будущей карьеры метеорологов и необходимость предоставления обучения, которое является мобильным, универсальным и легко поддается усовершенствованию. (Недостаток места в данном случае означает, что нет возможности подробно рассказать о дискуссиях, проведённых группой разработчиков, и потребностях для обучения в соответствии с этими 14 принципами. Расширенная версия этой статьи с подробным обсуждением каждого из 14 принципов свободно доступна в Интернете: ИЦО (идентификатор цифрового объекта): 10.17864/1926.78851).

Метеорологическое обучение должно подготовить метеорологов так, чтобы они могли:

выполнять различные функции, включающие исследования и разработки, оперативную реализацию, консультирование или сочетание всех трех функций;
чувствовать себя уверенно в обсуждении и обдумывании вопросов погоды и климата в разных временных масштабах, от нескольких дней до нескольких десятилетий;
нести ответственность за свое собственное непрерывное профессиональное развитие и способствовать личностному росту коллег;
быть устойчивыми к изменению рабочей и ресурсной среды и уверенно принимать новые вызовы;
уметь критически оценивать научную литературу;
знать о пользе и возможностях открытого распространения научных знаний, программного обеспечения и данных;
уметь разрабатывать «прозрачное», надежное и документально подтверждённое научное программное обеспечение;
уметь работать в группах, разрабатывающих научные модели и системы моделирования, которые оценивают влияние метеорологической изменчивости на реальный мир;
уметь высоко ценить и оценивать информацию, полученную с помощью наблюдений и измерений;
быть компетентным в разработке статистических средств и в применении статистического анализа к атмосфере;
уметь поддерживать оперативные стандарты и качество в условиях повышения автоматизации систем;
уметь должным образом понимать и передавать информацию о риске и неопределенности;
четко информировать о своей работе в случае противоречивых прогнозов или их интерпретаций;
уметь интерпретировать свою работу в условиях изменения климата.

Нереально ожидать, что содержание каждого навыка можно раскрыть с одинаковой глубиной и широтой на каждом этапе обучения и подготовки студента. Для этого нет времени и кадровых ресурсов. Этот факт делает ещё более актуальной потребность в признании коллективной и распределённой природы обучения метеорологов и в общем наборе принципов обучения для всех организаторов образования и обучения. Профессиональная аккредитация, предложенная научными метеорологическими обществами, может и будет играть важную роль в этом комплексном подходе к обучению. Схематический план не сосредоточен на необходимом метеорологическом, математическом и физическом содержании обучения в области атмосферных наук. Этот аспект подробно описывается, например, в «Руководстве по применению стандартов образования и подготовки кадров в области метеорологии и гидрологии» (ВМО, 2015) и подобных публикациях Американского метеорологического общества и Королевского метеорологического общества.

Следование принципам

Мы считаем, что разработка метеорологических учебных программ в соответствии с нашим схематическим планом возможна, целесообразна и увлекательна для студентов и сотрудников всех учреждений, несмотря на некоторые изменения в педагогической практике. Более широко можно было бы использовать методы обучения на основе запросов, чтобы сочетать обучение основным навыкам, предусмотренным схематическим планом, с обучением основам метеорологии. Предполагается, что сочетание этих методов с чтением лекций и профессиональным обучением будет оптимальным и эффективным для большинства организаторов обучения.

Зачем нужно обучение на основе запросов?

Методы обучения на основе запросов предусматривают обучение студентов на основе их собственных самостоятельно сформулированных запросов или самостоятельного изучения проблемы. Роль преподавателя крайне важна. Формат экспериментального метода в обучении должен предусматривать получение необходимого результата обучения. Однако этот формат должен также обеспечивать достаточную гибкость для достижения более широких целей, таких как поощрение личной ответственности, интереса к проблеме и её изучению.

Прошлый опыт организации модулей по обучению на основе запросов показал, что особенно важно дать студентам возможность работать с подлинными и значимыми проблемами. Следует использовать различные формальные и неформальные оценки, а студентов необходимо привлекать к участию в мероприятиях переходного характера, позволяющих им перейти от выполнения функций потребителя информации к выполнению функций её создателя.

Метод активного обучения на основе запросов является эффективным способом для усвоения студентами содержания конкретного учебного предмета и овладения более широкими навыками, изложенными в схематическом плане (Hmelo-Silver et al., 2007; Deslauriers et al., 2011).

Примером служит основанный на запросах метод изучения ячейки Гадлея в Университете Рединга. Студентам рекомендуют использовать модель Хэлда и Хоу (1980 г.) для разработки экспериментов, позволяющих понять роль сезонного цикла в определении ширины ячейки. Одновременно с развитием своих знаний динамики атмосферы студенты также получают возможность критически оценивать оригинал научной статьи (принцип 5 схематического плана), разрабатывать надёжный и прозрачный программный код (принцип 7 схематического плана) и способствовать личностному росту коллег за счёт обмена мнениями в рамках обратной связи (принцип 3 схематического плана).

Существуют ряд сложных проблем в реализации обучения на основе запросов в области метеорологии (Edelson et al., 1999). К их числу относятся: мотивация студентов, доступность методов исследования, разные базовые знания каждого потока учащихся, отсутствие у учащихся опыта по управлению долгосрочной деятельностью, а также практические и логистические ограничения. Однако опыт показал, что поддержка куратора, непосредственного руководителя или наставника чрезвычайно важна для успеха обучения на основе запросов и может преодолеть указанные препятствия.

Перспективы

Цель этой статьи — стимулировать обсуждение того, как можно лучше всего подготовить молодых метеорологов к эпохе цифровых технологий, и мы были бы рады продолжить обсуждение наших идей. Вместе — представители факультета университета и организатора профессионального обучения — мы обсудили и разработали схематический план программы обучения в области атмосферных наук для начинающих метеорологов, приходящих работать в эту область на уровне бакалавров, выпускников университета и профессиональных специалистов, который, мы надеемся, даст другим организаторам обучения полезную пищу для размышления. При сопоставлении с этим планом наши собственные программы требуют доработки, чтобы удовлетворять наши собственные стремления и потребности студентов. Продолжая работать вместе, мы надеемся еще больше расширить наши собственные программы обучения и согласовать их между собой. Мы приветствуем возможности учиться у других организаторов обучения по всему миру и сотрудничать с ними посредством инициатив ВМО, таких как последний Симпозиум по вопросам образования и обучения, проходивший в Бриджтауне, Барбадос, в октябре 2017 года.

Литература

Bauer, P., A. Thorpe and G. Brunet, 2015: The quiet revolution of numerical weather prediction. Nature, 525:47–55, doi:10.1038/nature14956.

Debnath, S., N.M. Linke, C. Figgatt, K.A. Landsman, K. Wright and C. Monroe, 2016: Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature, 536:63–66, doi:10.1038/nature18648.

Deslauriers, L., E. Schelew and C. Wieman, 2011: Improved learning in a large-enrollment physics class. Science, 332:862–864, doi:10.1126/science.1201783.

Edelson, D.C., D.N. Gordin and R.D. Pea, 1999: Addressing the challenges of inquiry-based learning through technology and curriculum design. Journal of Learning Sciences, 8:391–450, doi:10.1080/10508406.1999.9672075.

Frei, C., R. Whitney, H.-W. Schiffer, K. Rose, D.A. Rieser, A. Al-Qahtani and P. Thomas, 2013: World Energy Scenarios: Composing Energy Futures to 2050. World Energy Council.

Hawkins, E. and R. Sutton, 2012: Time of emergence of climate signals. Geophysics Research Letters, 39: L01702, doi:10.1029/2011GL050087.

Held, I.M. and A.Y. Hou, 1980: Nonlinear axially symmetric circulations in a nearly inviscid atmosphere. Journal of Atmospheric Sciences, 37(3):515–533, doi:10.1175/1520-0469(1980)037<0515:NASCIA>2.0.CO;2.

Hmelo-Silver, C.E., R.G. Duncan and C.A. Chinn, 2007: Scaffolding and achievement in problem-based and inquiry learning: a response to Kirschner, Sweller, and Clark (2006). Educational Psychology, 42:99–107, doi:10.1080/00461520701263368.

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2012: Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation. Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Field, C.B., V. Barros, T.F. Stocker, Q. Dahe, D.J. Dokken, K.L. Ebi, M.D. Mastrandrea, K.J. Mach, G.-K. Plattner, S.K. Allen, M. Tignor and P.M. Midegley, eds.). Cambridge, Cambridge University Press.

World Meteorological Organization, 2015: Guide to the Implementation of Education and Training Standards in Meteorology and Hydrology (WMO-No. 1083). Geneva.

Авторы

Эндрю Чарлтон-Перес, Факультет метеорологии, Университет Рединга, Рединг, Беркс, Соединенное Королевство. Ответственный автор, a [dot] j [dot] charlton-perezreading [dot] ac [dot] uk (a[dot]j[dot]charlton-perez[at]reading[dot]ac[dot]uk). Лайл Билдинг, факультет метеорологии, Уайтнайтс, Рединг, RG6 6BB, Соединенное Королевство

Салли Волковски, Колледж Метеорологического бюро Соединенного Королевства, Метеорологическое бюро Соединенного Королевства, Фицрой Роуд, Эксетер, Девоншир, Соединенное Королевство

Нина Брук, Центр поддержки качества и развития, Университет Рединга, Рединг, Беркс, Соединенное Королевство

Хелен Дакр, Факультет метеорологии, Университет Рединга, Рединг, Беркс, Соединенное Королевство

Пол Дэвис, Метеорологическое бюро Соединенного Королевства, Фицрой Роуд, Эксетер, Девоншир, Соединенное Королевство

Р. Джайлс Хэррисон, Факультет метеорологии, Университет Рединга, Рединг, Беркс, Соединенное Королевство

Пит Иннес, Факультет метеорологии, Университет Рединга, Рединг, Беркс, Соединенное Королевство

Дуг Джонсон, Консалтинговое агентство по наукам и прикладным наукам, Метеорологического бюро Соединенного Королевства, Фицрой Роуд, Эксетер, Девоншир, Соединенное Королевство

Элизабет Мак Крам, Офис ректора и Институт образования, Университет Рединга, Рединг, Беркс, Соединенное Королевство

Шон Милтон, Метеорологическое бюро Соединенного Королевства, Фицрой Роуд, Эксетер, Девоншир, Соединенное Королевство