Оставить заявку
Для заказа и получения более подробной информации оставьте заявку, наш менеджер свяжется с Вами!
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь c политикой конфиденциальности
Оставьте свой номер и мы с вами свяжемся!
Или Вы можете позвонить нам сами:
+7 902 934 71 72
Fluid Earth: визуализация данных о погоде и климате с открытым исходным кодом
Авторы: Майкл Гравина 1*, Майкл Чжан1, Мими Цай 1, Аделин Аренс 1 и Джейсон Червенек
Центр полярного климата и исследований Берда, Университет штата Огайо.
Центр полярного климата и исследований Берда, Университет штата Огайо.
Аннотация
Fluid Earth (FE, https://fluid-earth.byrd.osu.edu/) — это инструмент веб-визуализации, который позволяет пользователям просматривать меняющиеся погодные и климатические условия, созданный Центром полярных и климатических исследований Берда (BPCRC) в Университете штата Огайо.
FE был разработан для учащихся, которые хотят исследовать атмосферные, океанические и наземные явления в масштабе всей Земли и в течение длительных периодов времени. Он был разработан на основе более раннего приложения Fluid Earth Viewer (FEV) командой студентов Research Experience for Undergraduate (REU), работающих удаленно во время пандемии COVID-19, которые полностью перестроили свой устаревший код для современных передовых методов веб-разработки.
Новый FE оснащен движком на основе WebGL и переработанным бэкендом, что обеспечивает гораздо более плавный пользовательский интерфейс даже на мобильных устройствах и при более медленном подключении к Интернету. Наша команда также уделяла приоритетное внимание простоте использования для преподавателей с функциями быстрого обмена конкретными явлениями и событиями, кодом, который можно легко адаптировать к новым приложениям и наборам данных, а также легким веб-компонентом для встраивания в веб-сайты, которым не нужно полномасштабное приложение.
Мы считаем, что FE предлагает оптимизированный вариант для глобальных тем по погоде и климату, а его производство предлагает модель возможностей разработки образовательного программного обеспечения для студентов.
Fluid Earth (FE, https://fluid-earth.byrd.osu.edu/) — это инструмент веб-визуализации, который позволяет пользователям просматривать меняющиеся погодные и климатические условия, созданный Центром полярных и климатических исследований Берда (BPCRC) в Университете штата Огайо.
FE был разработан для учащихся, которые хотят исследовать атмосферные, океанические и наземные явления в масштабе всей Земли и в течение длительных периодов времени. Он был разработан на основе более раннего приложения Fluid Earth Viewer (FEV) командой студентов Research Experience for Undergraduate (REU), работающих удаленно во время пандемии COVID-19, которые полностью перестроили свой устаревший код для современных передовых методов веб-разработки.
Новый FE оснащен движком на основе WebGL и переработанным бэкендом, что обеспечивает гораздо более плавный пользовательский интерфейс даже на мобильных устройствах и при более медленном подключении к Интернету. Наша команда также уделяла приоритетное внимание простоте использования для преподавателей с функциями быстрого обмена конкретными явлениями и событиями, кодом, который можно легко адаптировать к новым приложениям и наборам данных, а также легким веб-компонентом для встраивания в веб-сайты, которым не нужно полномасштабное приложение.
Мы считаем, что FE предлагает оптимизированный вариант для глобальных тем по погоде и климату, а его производство предлагает модель возможностей разработки образовательного программного обеспечения для студентов.
Функция Timelapse используется для просмотра пылевых шлейфов и конвекционных ячеек, формирующихся над Сахарой.
Введение
Чтобы всесторонне понять науку о погоде и климате, аудитории нужны доступные инструменты для визуализации атмосферных, океанических и наземных данных. Однако в текущем ландшафте онлайн-визуализаций, которые могут отображать такого рода наборы данных, отсутствует опция, адаптированная для отображения погодных и климатических систем 1. в глобальном масштабе и 2. во временном измерении.
Инструмент Fluid Earth был разработан Центром полярных и климатических исследований Берда (BPCRC), чтобы представить как можно более низкий «барьер для входа» для пользователей, которые хотят исследовать и сообщать о погодных и климатических условиях по мере их изменения с течением времени. Особое внимание уделяется плавному, интуитивно понятному пользовательскому интерфейсу (UI) для конечных пользователей, а также оптимизированной модульной кодовой базе, облегчающей интеграцию новых наборов данных и создание пользовательских приложений для научных коммуникаторов.
Null Earth и происхождение Fluid Earth
Проект Fluid Earth возник в 2013 году с Null Earth (https://github.com/cambecc/earth) Кэмерона Беккарио. Null Earth представлял собой интерактивный глобус, на котором отображались векторные линии ветра и воды, а также растровые цветовые наложения, представляющие широкий спектр атмосферных данных.
BPCRC Fluid Earth Viewer (FEV, https://fever.byrd.osu.edu/) был разработан на основе Null Earth, чтобы сделать его более доступным для 1. широкой публики и 2. неформальных образовательных учреждений, таких как внешкольные программы, научные центры, музеи и так далее. С этой целью FEV усовершенствовала пользовательский интерфейс и добавила новые наборы данных об атмосфере, океане, криосфере и климате.
Однако к 2020 году FEV показал свой возраст как с точки зрения пользовательского опыта, так и с точки зрения состояния кода. Его движок рендеринга не использовал преимущества современного ускорения графического процессора, поэтому каждое взаимодействие с пользователем вызывало заметную задержку перед обновлением дисплея.
FEV также не был оптимизирован для медленных интернет-соединений, что стало проблемой для сельских пользователей, а также для классных комнат, где многие ученики одновременно получали доступ к приложению через одну систему Wi-Fi. Наконец, код приложения стал довольно громоздким, а также отсутствовали современные стандарты документации, контроля версий и зависимостей. Все это затрудняло техническое обслуживание и расширение продукта.
Обновление Fluid Earth Viewer
Принимая во внимание эти факторы, мы приступили к проекту по полной перестройке FEV, выполненному командой студентов Research Experience for Undergraduate (REU), которые полностью перестроили архитектуру приложения с нуля.
Новая версия позволяет плавно взаимодействовать как в пространстве (перетаскивание и масштабирование), так и во времени (перемещение между диапазонами дат). Он также оптимизирован для быстрой загрузки, а код построен в соответствии с современными передовыми методами веб-разработки для простоты обслуживания и расширения.
Первоначально мы назвали полученный продукт Fluid Earth Viewer 2.0, но с тех пор мы сократили название до Fluid Earth (FE), чтобы быть кратким.
Использование Fluid Earth
С экземпляром FE в BPCRC можно ознакомиться по адресу https://fluid-earth.byrd.osu.edu/. Вводный видеоурок приведен в меню «Справка и информация».
Fluid Earth для образования
Сайт можно использовать в качестве педагогического пособия, отображая предпочтительную для преподавателя дату, набор данных, проекцию и маркеры местоположения. Затем эти настройки можно сохранить и опубликовать, скопировав URL-адрес (другие пользователи, которые посетят этот URL-адрес, увидят сайт, настроенный так, как его настроил преподаватель).
Fluid Earth для разработчиков
Разработчики, заинтересованные в использовании кода FE в своих целях, могут разветвить репозиторий Git (https://github.com/byrd-polar/fluid-earth). Мы также включили облегченный веб-компонент для использования в контекстах веб-страниц, где полное приложение не требуется; Вводная документация и демонстрационная страница включены в репозиторий, чтобы помочь разработчикам начать работу с веб-компонентом.
Материалы и методы
Наша команда тщательно продумала архитектуру кода, прежде чем начать модернизацию Fluid Earth. Наш подход сочетал в себе полную переработку движка рендеринга карт (в WebGL) с современным фреймворком пользовательского интерфейса (Svelte) и полностью перестроенным бэкендом, который был организован для удобного управления и добавления слоев данных.
Приложение Fluid Earth построено на карте Земли мирового масштаба, на которую накладываются растровые карты погоды с цветовой кодировкой и анимированные линии течения ветра / океанских течений.
Первоначальная реализация карты была ограничена скоростью процессоров пользователей. После любого взаимодействия с пользователем, такого как масштабирование или панорамирование, обновление изображения занимало несколько секунд, что создавало большие трудности для взаимодействия с пользователем.
Восстановление Fluid Earth
Мы перестроили движок в WebGL (https://www.khronos.org/webgl/), чтобы значительно ускорить рендеринг с помощью графического процессора. Fluid Earth теперь может поддерживать бесшовную проекцию растровых данных при перетаскивании и изменении размера карты, а также анимировать сотни тысяч частиц без замедления.
Для пользовательского интерфейса, окружающего карту, мы решили использовать Svelte (https://svelte.dev/), фреймворк пользовательского интерфейса, ориентированный на модульность. Это позволило нам разработать очень хорошо организованное приложение, в котором каждый экранный компонент (меню, кнопки, клавиши карты и т. д.) был представлен собственной группой файлов с несколькими десятками строк кода в каждом (вместо сотен или тысяч в предыдущей версии).
Svelte также автоматизировал низкоуровневую обработку событий, освободив нас от мелких деталей реализации конкретных элементов управления, чтобы мы могли сосредоточиться на вопросах проектирования. Это уменьшило сложность, значительно упростило поиск ошибок и значительно расширило наши возможности по созданию интерфейса, который пользователи сочли бы интуитивно понятным и приятным в использовании (и усовершенствовали бы его в ответ на обратную связь).
Мы также перестроили серверную часть данных Fluid Earth, организовав ее вокруг инвентаря, содержащего все метаданные для каждого слоя данных. Это позволило нам упростить формат самих файлов данных, сократив время загрузки (особенно для пользователей с ограниченной пропускной способностью) за счет уменьшения размера файла. Эта архитектура также значительно упрощает добавление нового пользовательского слоя данных; Пользователи просто генерируют данные в формате FP16 (просто массив 16-битных десятичных чисел) и добавляют новую запись в файл инвентаризации для их отображения.
Наконец, мы также модернизировали наш подход к разработке в целом, используя набор инструментов веб-разработки: Git (https://git-scm.com/) для совместного контроля версий, Node.js (https://nodejs.org/) для управления зависимостями, Vite для интерфейсной сборки (https://vitejs.dev/) и так далее.
Мы стремились избежать разрастания «спагетти-кода», который преследовал нашу предыдущую разработку. В отличие от нашей более ранней работы, которая выполнялась отдельными программистами-специалистами, каждый из которых унаследовал код и проблемы своего предшественника, наша практика при разработке новой Fluid Earth была сосредоточена на взаимодействии между командой студентов REU и персоналом центра, которые выиграли от интеграции различных талантов и уровней опыта для создания высококачественного продукта, обогащая взамен набор навыков каждого члена команды.
На протяжении всей разработки команда использовала информацию, собранную во время создания прототипов с молодежью и семьями, информационно-пропагандистских мероприятий с широкой общественностью и запросов обратной связи для преподавателей для добавления и уточнения функций. Каждая из новых функций и улучшений была сделана в ответ на конкретную проблему, выявленную командой во время пользовательского тестирования или специально запрошенную преподавателями.
Результаты
Новая Fluid Earth заметно превосходит своего предшественника по нескольким параметрам.
Погодные переменные отображаются с разрешением примерно 30 км по всей поверхности Земли. (Полный список переменных см. в таблицах 1a-1c.) Поверх цветовых данных находятся линии потока, движущиеся со скоростью, пропорциональной ветру или океанским течениям.
Данные о ветре доступны на нескольких высотах по всей атмосфере и автоматически сопоставляются по высоте с растровыми данными при переключении между переменными погоды. Пользователи могут быстро переключаться между переменными погоды, выбирать конкретные даты или перемещаться вперед и назад во времени час за часом.
Сам земной шар можно рассматривать во множестве различных проекций, а конкретные точки можно исследовать с помощью маркеров местоположения и инструмента поиска города.
Введение
Чтобы всесторонне понять науку о погоде и климате, аудитории нужны доступные инструменты для визуализации атмосферных, океанических и наземных данных. Однако в текущем ландшафте онлайн-визуализаций, которые могут отображать такого рода наборы данных, отсутствует опция, адаптированная для отображения погодных и климатических систем 1. в глобальном масштабе и 2. во временном измерении.
Инструмент Fluid Earth был разработан Центром полярных и климатических исследований Берда (BPCRC), чтобы представить как можно более низкий «барьер для входа» для пользователей, которые хотят исследовать и сообщать о погодных и климатических условиях по мере их изменения с течением времени. Особое внимание уделяется плавному, интуитивно понятному пользовательскому интерфейсу (UI) для конечных пользователей, а также оптимизированной модульной кодовой базе, облегчающей интеграцию новых наборов данных и создание пользовательских приложений для научных коммуникаторов.
Null Earth и происхождение Fluid Earth
Проект Fluid Earth возник в 2013 году с Null Earth (https://github.com/cambecc/earth) Кэмерона Беккарио. Null Earth представлял собой интерактивный глобус, на котором отображались векторные линии ветра и воды, а также растровые цветовые наложения, представляющие широкий спектр атмосферных данных.
BPCRC Fluid Earth Viewer (FEV, https://fever.byrd.osu.edu/) был разработан на основе Null Earth, чтобы сделать его более доступным для 1. широкой публики и 2. неформальных образовательных учреждений, таких как внешкольные программы, научные центры, музеи и так далее. С этой целью FEV усовершенствовала пользовательский интерфейс и добавила новые наборы данных об атмосфере, океане, криосфере и климате.
Однако к 2020 году FEV показал свой возраст как с точки зрения пользовательского опыта, так и с точки зрения состояния кода. Его движок рендеринга не использовал преимущества современного ускорения графического процессора, поэтому каждое взаимодействие с пользователем вызывало заметную задержку перед обновлением дисплея.
FEV также не был оптимизирован для медленных интернет-соединений, что стало проблемой для сельских пользователей, а также для классных комнат, где многие ученики одновременно получали доступ к приложению через одну систему Wi-Fi. Наконец, код приложения стал довольно громоздким, а также отсутствовали современные стандарты документации, контроля версий и зависимостей. Все это затрудняло техническое обслуживание и расширение продукта.
Обновление Fluid Earth Viewer
Принимая во внимание эти факторы, мы приступили к проекту по полной перестройке FEV, выполненному командой студентов Research Experience for Undergraduate (REU), которые полностью перестроили архитектуру приложения с нуля.
Новая версия позволяет плавно взаимодействовать как в пространстве (перетаскивание и масштабирование), так и во времени (перемещение между диапазонами дат). Он также оптимизирован для быстрой загрузки, а код построен в соответствии с современными передовыми методами веб-разработки для простоты обслуживания и расширения.
Первоначально мы назвали полученный продукт Fluid Earth Viewer 2.0, но с тех пор мы сократили название до Fluid Earth (FE), чтобы быть кратким.
Использование Fluid Earth
С экземпляром FE в BPCRC можно ознакомиться по адресу https://fluid-earth.byrd.osu.edu/. Вводный видеоурок приведен в меню «Справка и информация».
Fluid Earth для образования
Сайт можно использовать в качестве педагогического пособия, отображая предпочтительную для преподавателя дату, набор данных, проекцию и маркеры местоположения. Затем эти настройки можно сохранить и опубликовать, скопировав URL-адрес (другие пользователи, которые посетят этот URL-адрес, увидят сайт, настроенный так, как его настроил преподаватель).
Fluid Earth для разработчиков
Разработчики, заинтересованные в использовании кода FE в своих целях, могут разветвить репозиторий Git (https://github.com/byrd-polar/fluid-earth). Мы также включили облегченный веб-компонент для использования в контекстах веб-страниц, где полное приложение не требуется; Вводная документация и демонстрационная страница включены в репозиторий, чтобы помочь разработчикам начать работу с веб-компонентом.
Материалы и методы
Наша команда тщательно продумала архитектуру кода, прежде чем начать модернизацию Fluid Earth. Наш подход сочетал в себе полную переработку движка рендеринга карт (в WebGL) с современным фреймворком пользовательского интерфейса (Svelte) и полностью перестроенным бэкендом, который был организован для удобного управления и добавления слоев данных.
Приложение Fluid Earth построено на карте Земли мирового масштаба, на которую накладываются растровые карты погоды с цветовой кодировкой и анимированные линии течения ветра / океанских течений.
Первоначальная реализация карты была ограничена скоростью процессоров пользователей. После любого взаимодействия с пользователем, такого как масштабирование или панорамирование, обновление изображения занимало несколько секунд, что создавало большие трудности для взаимодействия с пользователем.
Восстановление Fluid Earth
Мы перестроили движок в WebGL (https://www.khronos.org/webgl/), чтобы значительно ускорить рендеринг с помощью графического процессора. Fluid Earth теперь может поддерживать бесшовную проекцию растровых данных при перетаскивании и изменении размера карты, а также анимировать сотни тысяч частиц без замедления.
Для пользовательского интерфейса, окружающего карту, мы решили использовать Svelte (https://svelte.dev/), фреймворк пользовательского интерфейса, ориентированный на модульность. Это позволило нам разработать очень хорошо организованное приложение, в котором каждый экранный компонент (меню, кнопки, клавиши карты и т. д.) был представлен собственной группой файлов с несколькими десятками строк кода в каждом (вместо сотен или тысяч в предыдущей версии).
Svelte также автоматизировал низкоуровневую обработку событий, освободив нас от мелких деталей реализации конкретных элементов управления, чтобы мы могли сосредоточиться на вопросах проектирования. Это уменьшило сложность, значительно упростило поиск ошибок и значительно расширило наши возможности по созданию интерфейса, который пользователи сочли бы интуитивно понятным и приятным в использовании (и усовершенствовали бы его в ответ на обратную связь).
Мы также перестроили серверную часть данных Fluid Earth, организовав ее вокруг инвентаря, содержащего все метаданные для каждого слоя данных. Это позволило нам упростить формат самих файлов данных, сократив время загрузки (особенно для пользователей с ограниченной пропускной способностью) за счет уменьшения размера файла. Эта архитектура также значительно упрощает добавление нового пользовательского слоя данных; Пользователи просто генерируют данные в формате FP16 (просто массив 16-битных десятичных чисел) и добавляют новую запись в файл инвентаризации для их отображения.
Наконец, мы также модернизировали наш подход к разработке в целом, используя набор инструментов веб-разработки: Git (https://git-scm.com/) для совместного контроля версий, Node.js (https://nodejs.org/) для управления зависимостями, Vite для интерфейсной сборки (https://vitejs.dev/) и так далее.
Мы стремились избежать разрастания «спагетти-кода», который преследовал нашу предыдущую разработку. В отличие от нашей более ранней работы, которая выполнялась отдельными программистами-специалистами, каждый из которых унаследовал код и проблемы своего предшественника, наша практика при разработке новой Fluid Earth была сосредоточена на взаимодействии между командой студентов REU и персоналом центра, которые выиграли от интеграции различных талантов и уровней опыта для создания высококачественного продукта, обогащая взамен набор навыков каждого члена команды.
На протяжении всей разработки команда использовала информацию, собранную во время создания прототипов с молодежью и семьями, информационно-пропагандистских мероприятий с широкой общественностью и запросов обратной связи для преподавателей для добавления и уточнения функций. Каждая из новых функций и улучшений была сделана в ответ на конкретную проблему, выявленную командой во время пользовательского тестирования или специально запрошенную преподавателями.
Результаты
Новая Fluid Earth заметно превосходит своего предшественника по нескольким параметрам.
Погодные переменные отображаются с разрешением примерно 30 км по всей поверхности Земли. (Полный список переменных см. в таблицах 1a-1c.) Поверх цветовых данных находятся линии потока, движущиеся со скоростью, пропорциональной ветру или океанским течениям.
Данные о ветре доступны на нескольких высотах по всей атмосфере и автоматически сопоставляются по высоте с растровыми данными при переключении между переменными погоды. Пользователи могут быстро переключаться между переменными погоды, выбирать конкретные даты или перемещаться вперед и назад во времени час за часом.
Сам земной шар можно рассматривать во множестве различных проекций, а конкретные точки можно исследовать с помощью маркеров местоположения и инструмента поиска города.
Таблица 1а: Категория данных о погоде
Таблица 1b: Категория данных по газам и аэрозолям
Таблица 1с: Категория океанических данных
* Показаны собственные единицы измерения для каждого источника данных, но там, где это применимо, в Fluid Earth включены преобразования в имперские и другие системы измерения.
** GFS: Глобальная система прогнозирования. GEOS-5: Система наблюдения за Землей имени Годдарда. RTGSST: Национальные центры экологического прогнозирования глобальной температуры поверхности моря в режиме реального времени. OSCAR: Исследования Земли, космические исследования, анализ поверхностных течений океана в режиме реального времени.
Публикация видов карт для конкретных событий
Важно отметить, что конфигурация всего приложения постоянно обновляется в адресной строке. Это позволяет преподавателям легко выделять определенные явления и события, делясь URL-адресом.
Например, ссылка может отображать вид шлейфов диоксида серы на западе Америки в день особенно интенсивных лесных пожаров, а также маркеры местоположения, подчеркивающие уровни диоксида серы в нескольких городах региона, что позволяет аудитории легко увидеть влияние шлейфов на населенные пункты.
Оптимизированные виды карт как для мобильных, так и для настольных браузеров
Во время пользовательского тестирования и переписки с преподавателями мы узнали, что учащиеся получают существенную выгоду, когда им позволяют свободно взаимодействовать с данными и свободно исследовать их самостоятельно (Cervenec, et al. 2021), и что чем меньше трений присутствовало в этих взаимодействиях, тем более вовлеченными будут эти учащиеся.
** GFS: Глобальная система прогнозирования. GEOS-5: Система наблюдения за Землей имени Годдарда. RTGSST: Национальные центры экологического прогнозирования глобальной температуры поверхности моря в режиме реального времени. OSCAR: Исследования Земли, космические исследования, анализ поверхностных течений океана в режиме реального времени.
Публикация видов карт для конкретных событий
Важно отметить, что конфигурация всего приложения постоянно обновляется в адресной строке. Это позволяет преподавателям легко выделять определенные явления и события, делясь URL-адресом.
Например, ссылка может отображать вид шлейфов диоксида серы на западе Америки в день особенно интенсивных лесных пожаров, а также маркеры местоположения, подчеркивающие уровни диоксида серы в нескольких городах региона, что позволяет аудитории легко увидеть влияние шлейфов на населенные пункты.
Оптимизированные виды карт как для мобильных, так и для настольных браузеров
Во время пользовательского тестирования и переписки с преподавателями мы узнали, что учащиеся получают существенную выгоду, когда им позволяют свободно взаимодействовать с данными и свободно исследовать их самостоятельно (Cervenec, et al. 2021), и что чем меньше трений присутствовало в этих взаимодействиях, тем более вовлеченными будут эти учащиеся.
Интерфейс Fluid Earth. Слева — настольный интерфейс, а справа — мобильная версия.
Соответственно, Fluid Earth был оптимизирован для плавной интерактивной работы как в настольных, так и в мобильных браузерах. Пользовательское тестирование в классах также предупредило команду о проблемах, которые возникают, когда 30+ учеников пытаются одновременно использовать программу с высокой пропускной способностью в школьной сети Wi-Fi.
Fluid Earth отличается уменьшенными размерами файлов и более быстрой загрузкой, что также приносит пользу отдельным пользователям в сельских и отдаленных районах, где могут отсутствовать предложения быстрой широкополосной связи. (См. Таблицу 2 для сравнения производительности между FEV и FE.)
Соответственно, Fluid Earth был оптимизирован для плавной интерактивной работы как в настольных, так и в мобильных браузерах. Пользовательское тестирование в классах также предупредило команду о проблемах, которые возникают, когда 30+ учеников пытаются одновременно использовать программу с высокой пропускной способностью в школьной сети Wi-Fi.
Fluid Earth отличается уменьшенными размерами файлов и более быстрой загрузкой, что также приносит пользу отдельным пользователям в сельских и отдаленных районах, где могут отсутствовать предложения быстрой широкополосной связи. (См. Таблицу 2 для сравнения производительности между FEV и FE.)
Таблица 2: Контрольные показатели для FEV и FE
*Из инструментов разработчика Google Chrome. ** Из панели показателей производительности Lighthouse в Microsoft Edge. Тесты проводились на ASUS Chromebook Flip C302C.
Знакомство с функцией покадровой съемки
Еще одним важным дополнением является новая функция Time-Lapse. Нажав кнопку, пользователи могут предварительно загружать данные в больших объемах в течение длительного периода времени (от нескольких часов до нескольких лет), а затем воспроизводить их в виде плавной зацикленной анимации.
Это позволяет исследовать динамические явления, которые не всегда очевидны на неподвижных изображениях, или путем кропотливого выбора и загрузки временных точек один за другим; например, ежедневные колебания температуры на данной широте, конвекционные ячейки, поднимающиеся над саваннами, пыль, дрейфующая шлейфами через Атлантику, и тропические штормы, продвигающиеся к выходу на сушу.
Знакомство с функцией покадровой съемки
Еще одним важным дополнением является новая функция Time-Lapse. Нажав кнопку, пользователи могут предварительно загружать данные в больших объемах в течение длительного периода времени (от нескольких часов до нескольких лет), а затем воспроизводить их в виде плавной зацикленной анимации.
Это позволяет исследовать динамические явления, которые не всегда очевидны на неподвижных изображениях, или путем кропотливого выбора и загрузки временных точек один за другим; например, ежедневные колебания температуры на данной широте, конвекционные ячейки, поднимающиеся над саваннами, пыль, дрейфующая шлейфами через Атлантику, и тропические штормы, продвигающиеся к выходу на сушу.
Функция Timelapse позволяет выполнять пакетную загрузку и плавное воспроизведение данных в течение определенного интервала времени. Здесь он используется для визуализации глобального движения облаков.
Наконец, мы также отдали приоритет настраиваемости и расширяемости в новой Fluid Earth. Код легко повторно реализовать в любой среде Windows или Linux. Он поставляется с функциями загрузки данных для полного набора слоев данных, используемых BPCRC, и пользователи могут легко добавить в этот базовый список, используя внутренний инвентарь.
Фреймворк Svelte позволяет модульно добавлять новые функции во внешний интерфейс для конкретных приложений.
Fluid Earth также поставляется с легкой, простой в настройке версией веб-компонента, которая может быть встроена в контексты веб-страниц, где полное приложение не требуется. Эти инструменты уже были развернуты с помощью инструмента команды Virtual Ice Explorer (https://virtualice.byrd.osu.edu/) и соавторами в рамках шлюза обнаружения вечной мерзлоты (https://arcticdata.io/catalog/portals/permafrost/).
Обсуждение
Стоит подумать о том, какие уникальные особенности Fluid Earth привносит в экосистему аналогичных онлайн-инструментов визуализации погоды и климата, таких как Windy, Ventusky и Meteoblue (см. Таблицу 3 для сравнения).
Наконец, мы также отдали приоритет настраиваемости и расширяемости в новой Fluid Earth. Код легко повторно реализовать в любой среде Windows или Linux. Он поставляется с функциями загрузки данных для полного набора слоев данных, используемых BPCRC, и пользователи могут легко добавить в этот базовый список, используя внутренний инвентарь.
Фреймворк Svelte позволяет модульно добавлять новые функции во внешний интерфейс для конкретных приложений.
Fluid Earth также поставляется с легкой, простой в настройке версией веб-компонента, которая может быть встроена в контексты веб-страниц, где полное приложение не требуется. Эти инструменты уже были развернуты с помощью инструмента команды Virtual Ice Explorer (https://virtualice.byrd.osu.edu/) и соавторами в рамках шлюза обнаружения вечной мерзлоты (https://arcticdata.io/catalog/portals/permafrost/).
Обсуждение
Стоит подумать о том, какие уникальные особенности Fluid Earth привносит в экосистему аналогичных онлайн-инструментов визуализации погоды и климата, таких как Windy, Ventusky и Meteoblue (см. Таблицу 3 для сравнения).
Таблица 3: Сравнение инструментов визуализации погоды и климата
Эти другие инструменты используют рендеринг на основе листов, что означает, что они загружают разделы карты постепенно, позволяя пользователям переходить к изображениям с высоким разрешением. Однако мозаичные данные значительно усложняют логику приложения и могут привести к медленной работе пользователя, когда он ожидает загрузки разделов географии Земли.
Многие инструменты на основе плиток, такие как выше, также могут поддерживать только прямоугольные проекции в стиле Меркатора. Такие продукты, как Google Earth и AllisonHouseMaps на базе цезиума (см. Таблицу 3), в которых используются сетчатые плитки на основе полигонов, способны обойти это ограничение и даже визуализировать уличные пейзажи в реалистичном 3D. Однако они еще более сложны, чем 2D-плитки, и могут быть менее производительными для пользователей с низкой пропускной способностью или недостаточно мощными компьютерами.
Уникальные особенности Fluid Earth
С помощью Fluid Earth мы стремились обслуживать конкретную нишу: исследовать погодные и климатические явления в глобальном масштабе, уделяя особое внимание изменениям с течением времени, уделяя особое внимание плавному взаимодействию, доступности и простоте использования для преподавателей, учащихся и разработчиков.
Текучая Земля способна изображать мир в виде глобуса в дополнение к прямоугольным или другим проекциям (что также позволяет отображать полярные регионы - область внимания в BPCRC - без крайних искажений, характерных для прямоугольных проекций). Наборы данных, которые мы включаем (см. Таблицу 2 для источников данных), были специально выбраны для того, чтобы быть транснациональными и охватывать весь земной шар.
Учитывая этот глобальный масштаб, мы выбрали более легкое решение для рендеринга с более низким разрешением, которое не полагалось на мозаику. Наше приложение загружает данные для каждой переменной и точки времени одновременно, что приводит к небольшому увеличению времени начальной загрузки в обмен на значительное повышение производительности после загрузки. Время загрузки сводится к минимуму за счет небольших размеров файлов, а функция Time-Lapse еще больше минимизирует влияние загрузки данных при изучении определенного интервала времени. Меньшие размеры файлов также означают, что Fluid Earth хорошо работает на машинах с низкой пропускной способностью или низкой производительностью, а также на мобильных устройствах.
Целевая аудитория Fluid Earth
Мы разработали Fluid Earth для аудитории неквалифицированной публики, преподавателей и научных коммуникаторов и организовали его так, чтобы он был доступен для широкой аудитории, включая малообеспеченные группы и молодежь в возрасте от начальной школы (результаты пользовательского тестирования с аудиторией 6-го и7-го классов см. Cervenec et al., 2021).
Fluid Earth имеет простой, понятный интерфейс, предназначенный для изучения изменений с течением времени, чтобы облегчить изучение погоды и климата как динамических систем. Fluid Earth предназначен не для того, чтобы предоставить платформу для глубокого технического изучения этих тем, а для того, чтобы предоставить преподавателям и научным коммуникаторам простую визуализацию высокого уровня для увлекательных вводных уроков по атмосферным моделям и предотвращения погодных явлений.
Многие инструменты на основе плиток, такие как выше, также могут поддерживать только прямоугольные проекции в стиле Меркатора. Такие продукты, как Google Earth и AllisonHouseMaps на базе цезиума (см. Таблицу 3), в которых используются сетчатые плитки на основе полигонов, способны обойти это ограничение и даже визуализировать уличные пейзажи в реалистичном 3D. Однако они еще более сложны, чем 2D-плитки, и могут быть менее производительными для пользователей с низкой пропускной способностью или недостаточно мощными компьютерами.
Уникальные особенности Fluid Earth
С помощью Fluid Earth мы стремились обслуживать конкретную нишу: исследовать погодные и климатические явления в глобальном масштабе, уделяя особое внимание изменениям с течением времени, уделяя особое внимание плавному взаимодействию, доступности и простоте использования для преподавателей, учащихся и разработчиков.
Текучая Земля способна изображать мир в виде глобуса в дополнение к прямоугольным или другим проекциям (что также позволяет отображать полярные регионы - область внимания в BPCRC - без крайних искажений, характерных для прямоугольных проекций). Наборы данных, которые мы включаем (см. Таблицу 2 для источников данных), были специально выбраны для того, чтобы быть транснациональными и охватывать весь земной шар.
Учитывая этот глобальный масштаб, мы выбрали более легкое решение для рендеринга с более низким разрешением, которое не полагалось на мозаику. Наше приложение загружает данные для каждой переменной и точки времени одновременно, что приводит к небольшому увеличению времени начальной загрузки в обмен на значительное повышение производительности после загрузки. Время загрузки сводится к минимуму за счет небольших размеров файлов, а функция Time-Lapse еще больше минимизирует влияние загрузки данных при изучении определенного интервала времени. Меньшие размеры файлов также означают, что Fluid Earth хорошо работает на машинах с низкой пропускной способностью или низкой производительностью, а также на мобильных устройствах.
Целевая аудитория Fluid Earth
Мы разработали Fluid Earth для аудитории неквалифицированной публики, преподавателей и научных коммуникаторов и организовали его так, чтобы он был доступен для широкой аудитории, включая малообеспеченные группы и молодежь в возрасте от начальной школы (результаты пользовательского тестирования с аудиторией 6-го и7-го классов см. Cervenec et al., 2021).
Fluid Earth имеет простой, понятный интерфейс, предназначенный для изучения изменений с течением времени, чтобы облегчить изучение погоды и климата как динамических систем. Fluid Earth предназначен не для того, чтобы предоставить платформу для глубокого технического изучения этих тем, а для того, чтобы предоставить преподавателям и научным коммуникаторам простую визуализацию высокого уровня для увлекательных вводных уроков по атмосферным моделям и предотвращения погодных явлений.
Наблюдение за почасовыми изменениями скорости ветра во время выхода урагана Ида на сушу во Флориде в 2021 году.
Несмотря на то, что он находится за пределами целевой аудитории Fluid Earth, был интерес к его использованию со стороны студентов, изучающих атмосферные науки, и экспертов в других дисциплинах, которые плохо знакомы с изучением данных о погоде / климате, где он может служить отправной точкой для последующих исследований с использованием более сложных и специализированных продуктов.
Мы также стремились помочь преподавателям, разбирающимся в компьютерах, которые могут захотеть развернуть инструмент визуализации для обмена своими собственными уроками и наборами данных, но не обязательно имеют ресурсы для создания этого инструмента с нуля. Наше приложение имеет открытый исходный код, легко устанавливается и настраивается, включает в себя веб-компонент, который легко встраивается в веб-страницу без необходимости реализации полного приложения.
Уроки для парадигм разработки программного обеспечения на основе студентов
Оригинальный Fluid Earth Viewer был построен по специальному принципу. Каждый разработчик работал в основном изолированно, сочиняя своеобразный код, чтобы быстро добавлять небольшие функции или исправлять ошибки по мере их возникновения. Этот подход пренебрегал важными методами обеспечения устойчивости, такими как периодическая документация, реструктуризация кода и прогнозирование будущих потребностей.
Мы накопили «технический долг» до такой степени, что исправление старого кода стало невозможным. Нашей единственной реалистичной альтернативой была перестройка с нуля, которая также дала бы нам возможность заново внедрить лучшие практики.
Чтобы достичь этого в контексте пандемии COVID-19, мы предприняли попытку эксперимента: поддерживаемый NSF проект по переразработке веб-приложения в преимущественно удаленной рабочей среде с использованием команды студентов Research Experiences for Understudents (REU).
В зависимости от времени семестра наша команда состояла из 3-5 студентов, каждый из которых прошел обучение без отрыва от производства основам веб-разработки. Менеджер группы и один из студентов (специалист в предметной области) выступали в качестве координаторов, администрируя инструменты для совместной работы (такие как инфраструктура GitLab), предупреждая команду о лучших практиках кодирования, а также создавая структуру для приобретения навыков и пулов задач для группы. В рамках этой структуры отдельным студентам была предоставлена определенная степень самостоятельности при выборе областей проекта для работы.
На протяжении всего цикла разработки мы также регулярно встречались с нашим координатором по связям с общественностью Джейсоном Червенеком для получения рекомендаций по адаптации инструмента для преподавателей схоластики и нашим ученым-атмосферником Аароном Уилсоном для получения рекомендаций по визуальному представлению наборов данных о погоде и климате.
Большое внимание было направлено на общение в условиях удаленной командной работы, с системой управления задачами Basecamp, ежедневными онлайн-регистрациями и еженедельными встречами в Zoom, дополненными целенаправленными звонками для устранения блокировок или помощи разработчику в планировании более сложной задачи.
Один из уроков, который мы извлекли по ходу программы, заключался в том, что наш первоначальный подход, вдохновленный корпоративно-ориентированной «гибкой» философией сотрудничества, нуждался в перекалибровке для университетской среды. Мы сохранили фокус на циклической оценке прогресса команды в сочетании с регулярным перепланированием на основе эмпирических данных. Тем не менее, мы признали необходимость несколько ослабить систему и предоставить нашим сотрудникам (студентам с многочисленными обязательствами и ограничениями по доступности) большую гибкость и автономию.
По мере того, как команда приобретала компетентность и уверенность в течение семестра, наши ранние структуры встреч уступили место более частой самостоятельной работе с отзывчивым вниманием к конкретным проблемам.
Учитывая эту практику, мы обнаружили, что наши студенты REU были более чем способны производить высококачественный продукт, который заметно улучшился по сравнению с нашей предыдущей версией FE. (Следует отметить, что именно один из студентов REU сам предложил капитальный ремонт кодекса в первую очередь, продемонстрировав высокий уровень компетентности и инициативы, проявленные группой.)
Учитывая разнообразный опыт, личности и навыки, которые каждый член команды привнес в проект, мы считаем, что эти результаты могут быть обобщены для будущих проектов удаленной разработки в том же духе.
Будущая работа и сотрудничество
«Fluid Earth» — это развивающийся проект, и существует ряд направлений для будущего развития, в том числе: добавление дополнительных наборов данных для преподавателей, занимающихся науками об атмосфере и океанографией, включая долгосрочные средние климатические показатели и аномалии; потенциальное добавление наборов данных с более высоким разрешением, в том числе ориентированных на полярные регионы; возможность одновременного отображения нескольких слоев растровых данных; и улучшение доступности для аудитории с нарушениями зрения.
Новые функции могут быть первоначально протестированы в «Расширенном режиме», который доступен через тумблер в главном меню и который дает доступ как к экспериментальным функциям, так и к функциям, ориентированным на более опытную аудиторию, которая появляется в нашей работе с Permafrost Discovery Gateway (https://arcticdata.io/catalog/portals/permafrost/).
Мы также стремимся поддерживать постоянную актуальность Fluid Earth, расширяя ее применения в новых образовательных контекстах и лучше обслуживая как более широкие воздействия, так и исследовательские сообщества.
Если вы заинтересованы в использовании Fluid Earth, либо представив основное приложение (https://fluid-earth.byrd.osu.edu), либо адаптировав полный код сайта или веб-компонент (https://github.com/byrd-polar/fluid-earth), пожалуйста, обратитесь к проектной группе BPCRC за поддержкой и обсуждением возможностей сотрудничества.
Наконец, команда проекта была вдохновлена предложить виртуальные летние возможности REU во время пандемии COVID-19. В то время как проектная группа изначально не решалась приступить к этому предприятию, в прошлом мы нанимали студентов бакалавриата, имели опыт предложения студентам независимых областей исследований в рамках финансируемых нами проектов и были очень мотивированы на предоставление полезного опыта во время крайних потрясений в студенческой жизни.
При поддержке нашего менеджера программы NSF Лизы Ром мы сделали решительный шаг и предложили что-то новое. Несмотря на то, что у нас был четкий план, который включал синхронные и асинхронные коммуникации, регулярное обсуждение личных и институциональных целей, богатые возможности для развития навыков, еженедельные встречи наставников и семинар по командной науке, нам также приходилось вносить коррективы на лету.
Опыт был оценен как положительным как студентами, так и командой проекта, что вдохновило нас планировать его расширение на третье лето. Помимо того, что он предлагает студентам, у которых мало опыта программирования, возможность учиться, он предоставляет возможности для развития навыков прототипирования и пользовательского тестирования, управления проектами и контроля версий, внутренней и внешней коммуникации и итеративного проектирования между экспертами по контенту, профессионалами в области кодирования и конечными пользователями.
Несмотря на то, что виртуальный опыт REU был создан для пандемии, он также приносит пользу нетрадиционным студентам, которые не могут переехать на лето, и позволяет использовать ограниченные средства для поддержки большего числа студентов (в то время как студентам платили почасовую заработную плату за летний опыт на общую сумму 6,000 долларов, не было необходимости в транспортных расходах, питании или проживании).
Для академических исследовательских проектов, финансируемых извне, студенты REU предлагали другие преимущества, такие как возможность иметь разнообразную команду людей, работающих над целенаправленной серией результатов, которые ограничены по продолжительности. Студенты часто приходят с подходами к решению проблем и навыками, которые дают командам свежий взгляд, как это было в нашем случае.
Благодарности
Авторы хотели бы отметить вклад Жюльена Николя в создание первой базы данных и пользовательского интерфейса для FEV, текущую работу Бидхьянанды Ядава и Аарона Уилсона по поддержанию наборов данных FEV/FE, Тома Кассебаума и Пэм Теодоту за техническую экспертизу, а также талантливую группу студентов и студентов REU, которые помогали в разработке пользовательского интерфейса, проведении пользовательского тестирования, систематизации данных и создания учебных пособий: Бинъю (София) Ли, Дингю Ху, Жуйян Чанг, Джоуи Вонг, Крейг Боссли, Мими Цай, Аделин Аренс, Деван Агравал, Дэниел Гамильтон и Шаниква Мартин.
Открытый исходный код, который стал отправной точкой для FEV, был создан Кэмероном Беккарио, чья визуализация Земли доступна в Интернете по адресу https://earth.nullschool.net/.
Заявление о декларировании интересов
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов или выгод, возникших в результате применения этой работы.
Информация о финансировании
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом в рамках гранта No 1612741.
ORCID
Майкл Гравина http://orcid.org/0000-0002-8385-5113
Джейсон Червенек http://orcid.org/0000-0003-2608-1198
Заявление о доступности данных
Обмен данными не применим к этой статье, поскольку в этом исследовании не было создано или проанализировано никаких новых данных.
Ссылки
Червенек, Дж., Фокс, Дж., Пеггау, К., Уилсон, А.Б., Ли, Б., Ху, Д., Чанг, Р., Вонг, Дж., и Боссли, К. 2021. «Интерактивная визуализация данных атмосферы Земли: влияние на вовлеченность учащихся и восприятие обучения». Рукопись представлена к публикации.
Об авторах
Майкл Гравина - системный разработчик / инженер в Центре полярных и климатических исследований Берда Университета штата Огайо, возглавляющий усилия по веб-разработке для образования и информационно-пропагандистской деятельности и координирующий команду Центра исследовательского опыта для студентов бакалавриата. Майкл получил степень бакалавра наук об окружающей среде в Университете Кларка и степень магистра биологии в Школе повышения квалификации Гарвардского университета. Он работал в различных областях, включая фармацевтическое производство, геномику, вычислительную психологию, медицинские исследования, спортивную аналитику и работу с климатом, стремясь сделать информацию более доступной и простой для понимания и использования в каждой из этих сред.
https://orcid.org/0000-0002-8385-5113https://www.linkedin.com/in/michael-t-gravina-03b62a21/
*Автор, ответственный за переписку. Электронная почта: [email protected]
Майкл Чжан — фронтенд-разработчик и разработчик полного стека, который с 2020 по 2021 год работал стажером NSF Research Experience for Understudents в группе по образованию и связям с общественностью Центра полярных и климатических исследований Берда. За это время Майкл проявил себя как лидер проекта по восстановлению приложения Fluid Earth, изложив план разработки, выступая в качестве эксперта в предметной области на еженедельных стратегических совещаниях, обучая других членов команды соответствующим технологиям и методам, проектируя серверную часть и архитектуру пользовательского интерфейса, а также создавая большую часть нового кода для Fluid Earth.
https://www.linkedin.com/in/michaelemilzhan/
Мими Цай учится на 4-м курсе Университета штата Огайо по специальности «Аналитика данных» и изучает немецкий язык. Она обнаружила свою страсть к количественной аналитике, посещая занятия по визуализации данных на факультете политологии, и продолжала применять междисциплинарный подход к данным, проводя исследования для студентов в различных академических областях. Ее эклектичные интересы варьируются от данных в государственной политике до обработки естественного языка. В настоящее время она планирует продолжить обучение в аспирантуре по специальности «Компьютерная лингвистика».
Аделин Аренс учится на третьем курсе по специальности «Аналитика данных и экономика» со специализацией в области лидерства в Университете штата Огайо. С лета 2020 года она работает в Центре полярного климата и исследований Берда как над Fluid Earth Viewer, так и над виртуальными турами по ледяной шапке. Помимо Берда, Аделин участвовала в различных аналитических и исследовательских мероприятиях, таких как стажировка в Кливлендской клинике в качестве бизнес-аналитика (лето 2021 г.), написание диссертационной работы по молодежному спорту и отношениям между родителями и детьми, активное участие в Ассоциации аналитики больших данных и стажировка в качестве стажера по бизнес-аналитике в Cisco (предстоящее лето 2022 г.). В ее планы на будущее входит потенциальное продолжение работы в области аналитики в штате Огайо после окончания учебы по программам «Инженерия промышленных систем» или «Прикладная статистика».
www.linkedin.com/in/adelyn-arens-026158192
Джейсон Червенек является директором по образованию и связям с общественностью Центра полярных и климатических исследований Берда при Университете штата Огайо, чей информационно-пропагандистский портфель ежегодно охватывает около 12 000 человек и включает программы в области передовой науки, научного образования, истории и искусства. Джейсон получил степень бакалавра биологии и магистра в области среднего научного образования в Университете штата Огайо. Он преподавал более десяти лет в качестве учителя естественных наук в средней школе, создал две команды научных олимпиад, работал ведущим инструктором по гранту Попечительского совета штата Огайо для обучения учителей моделированию и принял участие в обмене учителями Фулбрайта в Мумбаи, Индия, где он воочию увидел проблемы, с которыми сталкивается большая часть населения мира. В настоящее время он возглавляет Целевую группу по плану действий по изменению климата Колумбуса и работает волонтером в кругах восстановительного правосудия округа Франклин.
Несмотря на то, что он находится за пределами целевой аудитории Fluid Earth, был интерес к его использованию со стороны студентов, изучающих атмосферные науки, и экспертов в других дисциплинах, которые плохо знакомы с изучением данных о погоде / климате, где он может служить отправной точкой для последующих исследований с использованием более сложных и специализированных продуктов.
Мы также стремились помочь преподавателям, разбирающимся в компьютерах, которые могут захотеть развернуть инструмент визуализации для обмена своими собственными уроками и наборами данных, но не обязательно имеют ресурсы для создания этого инструмента с нуля. Наше приложение имеет открытый исходный код, легко устанавливается и настраивается, включает в себя веб-компонент, который легко встраивается в веб-страницу без необходимости реализации полного приложения.
Уроки для парадигм разработки программного обеспечения на основе студентов
Оригинальный Fluid Earth Viewer был построен по специальному принципу. Каждый разработчик работал в основном изолированно, сочиняя своеобразный код, чтобы быстро добавлять небольшие функции или исправлять ошибки по мере их возникновения. Этот подход пренебрегал важными методами обеспечения устойчивости, такими как периодическая документация, реструктуризация кода и прогнозирование будущих потребностей.
Мы накопили «технический долг» до такой степени, что исправление старого кода стало невозможным. Нашей единственной реалистичной альтернативой была перестройка с нуля, которая также дала бы нам возможность заново внедрить лучшие практики.
Чтобы достичь этого в контексте пандемии COVID-19, мы предприняли попытку эксперимента: поддерживаемый NSF проект по переразработке веб-приложения в преимущественно удаленной рабочей среде с использованием команды студентов Research Experiences for Understudents (REU).
В зависимости от времени семестра наша команда состояла из 3-5 студентов, каждый из которых прошел обучение без отрыва от производства основам веб-разработки. Менеджер группы и один из студентов (специалист в предметной области) выступали в качестве координаторов, администрируя инструменты для совместной работы (такие как инфраструктура GitLab), предупреждая команду о лучших практиках кодирования, а также создавая структуру для приобретения навыков и пулов задач для группы. В рамках этой структуры отдельным студентам была предоставлена определенная степень самостоятельности при выборе областей проекта для работы.
На протяжении всего цикла разработки мы также регулярно встречались с нашим координатором по связям с общественностью Джейсоном Червенеком для получения рекомендаций по адаптации инструмента для преподавателей схоластики и нашим ученым-атмосферником Аароном Уилсоном для получения рекомендаций по визуальному представлению наборов данных о погоде и климате.
Большое внимание было направлено на общение в условиях удаленной командной работы, с системой управления задачами Basecamp, ежедневными онлайн-регистрациями и еженедельными встречами в Zoom, дополненными целенаправленными звонками для устранения блокировок или помощи разработчику в планировании более сложной задачи.
Один из уроков, который мы извлекли по ходу программы, заключался в том, что наш первоначальный подход, вдохновленный корпоративно-ориентированной «гибкой» философией сотрудничества, нуждался в перекалибровке для университетской среды. Мы сохранили фокус на циклической оценке прогресса команды в сочетании с регулярным перепланированием на основе эмпирических данных. Тем не менее, мы признали необходимость несколько ослабить систему и предоставить нашим сотрудникам (студентам с многочисленными обязательствами и ограничениями по доступности) большую гибкость и автономию.
По мере того, как команда приобретала компетентность и уверенность в течение семестра, наши ранние структуры встреч уступили место более частой самостоятельной работе с отзывчивым вниманием к конкретным проблемам.
Учитывая эту практику, мы обнаружили, что наши студенты REU были более чем способны производить высококачественный продукт, который заметно улучшился по сравнению с нашей предыдущей версией FE. (Следует отметить, что именно один из студентов REU сам предложил капитальный ремонт кодекса в первую очередь, продемонстрировав высокий уровень компетентности и инициативы, проявленные группой.)
Учитывая разнообразный опыт, личности и навыки, которые каждый член команды привнес в проект, мы считаем, что эти результаты могут быть обобщены для будущих проектов удаленной разработки в том же духе.
Будущая работа и сотрудничество
«Fluid Earth» — это развивающийся проект, и существует ряд направлений для будущего развития, в том числе: добавление дополнительных наборов данных для преподавателей, занимающихся науками об атмосфере и океанографией, включая долгосрочные средние климатические показатели и аномалии; потенциальное добавление наборов данных с более высоким разрешением, в том числе ориентированных на полярные регионы; возможность одновременного отображения нескольких слоев растровых данных; и улучшение доступности для аудитории с нарушениями зрения.
Новые функции могут быть первоначально протестированы в «Расширенном режиме», который доступен через тумблер в главном меню и который дает доступ как к экспериментальным функциям, так и к функциям, ориентированным на более опытную аудиторию, которая появляется в нашей работе с Permafrost Discovery Gateway (https://arcticdata.io/catalog/portals/permafrost/).
Мы также стремимся поддерживать постоянную актуальность Fluid Earth, расширяя ее применения в новых образовательных контекстах и лучше обслуживая как более широкие воздействия, так и исследовательские сообщества.
Если вы заинтересованы в использовании Fluid Earth, либо представив основное приложение (https://fluid-earth.byrd.osu.edu), либо адаптировав полный код сайта или веб-компонент (https://github.com/byrd-polar/fluid-earth), пожалуйста, обратитесь к проектной группе BPCRC за поддержкой и обсуждением возможностей сотрудничества.
Наконец, команда проекта была вдохновлена предложить виртуальные летние возможности REU во время пандемии COVID-19. В то время как проектная группа изначально не решалась приступить к этому предприятию, в прошлом мы нанимали студентов бакалавриата, имели опыт предложения студентам независимых областей исследований в рамках финансируемых нами проектов и были очень мотивированы на предоставление полезного опыта во время крайних потрясений в студенческой жизни.
При поддержке нашего менеджера программы NSF Лизы Ром мы сделали решительный шаг и предложили что-то новое. Несмотря на то, что у нас был четкий план, который включал синхронные и асинхронные коммуникации, регулярное обсуждение личных и институциональных целей, богатые возможности для развития навыков, еженедельные встречи наставников и семинар по командной науке, нам также приходилось вносить коррективы на лету.
Опыт был оценен как положительным как студентами, так и командой проекта, что вдохновило нас планировать его расширение на третье лето. Помимо того, что он предлагает студентам, у которых мало опыта программирования, возможность учиться, он предоставляет возможности для развития навыков прототипирования и пользовательского тестирования, управления проектами и контроля версий, внутренней и внешней коммуникации и итеративного проектирования между экспертами по контенту, профессионалами в области кодирования и конечными пользователями.
Несмотря на то, что виртуальный опыт REU был создан для пандемии, он также приносит пользу нетрадиционным студентам, которые не могут переехать на лето, и позволяет использовать ограниченные средства для поддержки большего числа студентов (в то время как студентам платили почасовую заработную плату за летний опыт на общую сумму 6,000 долларов, не было необходимости в транспортных расходах, питании или проживании).
Для академических исследовательских проектов, финансируемых извне, студенты REU предлагали другие преимущества, такие как возможность иметь разнообразную команду людей, работающих над целенаправленной серией результатов, которые ограничены по продолжительности. Студенты часто приходят с подходами к решению проблем и навыками, которые дают командам свежий взгляд, как это было в нашем случае.
Благодарности
Авторы хотели бы отметить вклад Жюльена Николя в создание первой базы данных и пользовательского интерфейса для FEV, текущую работу Бидхьянанды Ядава и Аарона Уилсона по поддержанию наборов данных FEV/FE, Тома Кассебаума и Пэм Теодоту за техническую экспертизу, а также талантливую группу студентов и студентов REU, которые помогали в разработке пользовательского интерфейса, проведении пользовательского тестирования, систематизации данных и создания учебных пособий: Бинъю (София) Ли, Дингю Ху, Жуйян Чанг, Джоуи Вонг, Крейг Боссли, Мими Цай, Аделин Аренс, Деван Агравал, Дэниел Гамильтон и Шаниква Мартин.
Открытый исходный код, который стал отправной точкой для FEV, был создан Кэмероном Беккарио, чья визуализация Земли доступна в Интернете по адресу https://earth.nullschool.net/.
Заявление о декларировании интересов
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов или выгод, возникших в результате применения этой работы.
Информация о финансировании
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом в рамках гранта No 1612741.
ORCID
Майкл Гравина http://orcid.org/0000-0002-8385-5113
Джейсон Червенек http://orcid.org/0000-0003-2608-1198
Заявление о доступности данных
Обмен данными не применим к этой статье, поскольку в этом исследовании не было создано или проанализировано никаких новых данных.
Ссылки
Червенек, Дж., Фокс, Дж., Пеггау, К., Уилсон, А.Б., Ли, Б., Ху, Д., Чанг, Р., Вонг, Дж., и Боссли, К. 2021. «Интерактивная визуализация данных атмосферы Земли: влияние на вовлеченность учащихся и восприятие обучения». Рукопись представлена к публикации.
Об авторах
Майкл Гравина - системный разработчик / инженер в Центре полярных и климатических исследований Берда Университета штата Огайо, возглавляющий усилия по веб-разработке для образования и информационно-пропагандистской деятельности и координирующий команду Центра исследовательского опыта для студентов бакалавриата. Майкл получил степень бакалавра наук об окружающей среде в Университете Кларка и степень магистра биологии в Школе повышения квалификации Гарвардского университета. Он работал в различных областях, включая фармацевтическое производство, геномику, вычислительную психологию, медицинские исследования, спортивную аналитику и работу с климатом, стремясь сделать информацию более доступной и простой для понимания и использования в каждой из этих сред.
https://orcid.org/0000-0002-8385-5113https://www.linkedin.com/in/michael-t-gravina-03b62a21/
*Автор, ответственный за переписку. Электронная почта: [email protected]
Майкл Чжан — фронтенд-разработчик и разработчик полного стека, который с 2020 по 2021 год работал стажером NSF Research Experience for Understudents в группе по образованию и связям с общественностью Центра полярных и климатических исследований Берда. За это время Майкл проявил себя как лидер проекта по восстановлению приложения Fluid Earth, изложив план разработки, выступая в качестве эксперта в предметной области на еженедельных стратегических совещаниях, обучая других членов команды соответствующим технологиям и методам, проектируя серверную часть и архитектуру пользовательского интерфейса, а также создавая большую часть нового кода для Fluid Earth.
https://www.linkedin.com/in/michaelemilzhan/
Мими Цай учится на 4-м курсе Университета штата Огайо по специальности «Аналитика данных» и изучает немецкий язык. Она обнаружила свою страсть к количественной аналитике, посещая занятия по визуализации данных на факультете политологии, и продолжала применять междисциплинарный подход к данным, проводя исследования для студентов в различных академических областях. Ее эклектичные интересы варьируются от данных в государственной политике до обработки естественного языка. В настоящее время она планирует продолжить обучение в аспирантуре по специальности «Компьютерная лингвистика».
Аделин Аренс учится на третьем курсе по специальности «Аналитика данных и экономика» со специализацией в области лидерства в Университете штата Огайо. С лета 2020 года она работает в Центре полярного климата и исследований Берда как над Fluid Earth Viewer, так и над виртуальными турами по ледяной шапке. Помимо Берда, Аделин участвовала в различных аналитических и исследовательских мероприятиях, таких как стажировка в Кливлендской клинике в качестве бизнес-аналитика (лето 2021 г.), написание диссертационной работы по молодежному спорту и отношениям между родителями и детьми, активное участие в Ассоциации аналитики больших данных и стажировка в качестве стажера по бизнес-аналитике в Cisco (предстоящее лето 2022 г.). В ее планы на будущее входит потенциальное продолжение работы в области аналитики в штате Огайо после окончания учебы по программам «Инженерия промышленных систем» или «Прикладная статистика».
www.linkedin.com/in/adelyn-arens-026158192
Джейсон Червенек является директором по образованию и связям с общественностью Центра полярных и климатических исследований Берда при Университете штата Огайо, чей информационно-пропагандистский портфель ежегодно охватывает около 12 000 человек и включает программы в области передовой науки, научного образования, истории и искусства. Джейсон получил степень бакалавра биологии и магистра в области среднего научного образования в Университете штата Огайо. Он преподавал более десяти лет в качестве учителя естественных наук в средней школе, создал две команды научных олимпиад, работал ведущим инструктором по гранту Попечительского совета штата Огайо для обучения учителей моделированию и принял участие в обмене учителями Фулбрайта в Мумбаи, Индия, где он воочию увидел проблемы, с которыми сталкивается большая часть населения мира. В настоящее время он возглавляет Целевую группу по плану действий по изменению климата Колумбуса и работает волонтером в кругах восстановительного правосудия округа Франклин.
08 сентября / 2023