Принципы построения и технология разработки автоматизированных систем обучения

Принципы построения и технология разработки автоматизированных систем обучения

Совершенствование системы учебно-боевой подготовки ВВС является приоритетной научно-технической и организационной проблемой, имеющей критический характер в условиях радикальной реформы ВС РФ. Компенсация падения уровня боевой подготовки частей и подразделений ВВС из-за резкого сокращения общего финансирования ВС РФ, может быть достигнута за счет реализации концепции компьютерного обучения ИТС эксплуатации бортовых и наземных авиационных технических комплексов (АТК) на основе использования достижений новых информационных технологий. Концепция предполагает использование широких возможностей мультимедиа, систем баз данных и сетевых технологий для разработки автоматизированных учебных курсов (АУК), экспертно-обучающих курсов (ЭОК) и компьютерных энциклопедий (КЭ), составляющих основу автоматизированной системы обучения (АСО). Внедрение данной концепции в систему подготовки военных специалистов позволит существенно повысить эффективность учебного процесса при одновременном сокращении сроков базовой подготовки и переподготовки.

В связи с развитием «дружелюбия» инструментального программного обеспечения в последнее десятилетие наблюдается широкое внедрение персональных ЭВМ в сферы научных исследований, обучения и повседневной деятельности. Увеличивается количество профессионалов-предметников, владеющих разнообразными средствами и системами программирования, но недостаточно глубоко знающих методологию и технологию разработки автоматизированных систем (АС). При этом у большинства «программистов-любителей» формируется не совсем точное, а, зачастую, ложное представление о методах, технологиях, содержании этапов и средствах разработки АС. Эта ситуация свойственна и области совершенствования процесса обучения на основе применения средств вычислительной техники, где высокий профессиональный уровень знания предмета и хорошие навыки в частных вопросах использования персональных ЭВМ создают иногда иллюзию относительной простоты решения проблемы автоматизации обучения, обусловливая видение основных ее трудностей и путей разрешения в совершенствовании методов и искусства программирования.

В действительности же решение рассматриваемой проблемы может быть выполнено эффективно только с помощью применения проверенных практикой общезначимых системных методов, технологий и средств, разработанных в ходе создания завершенных образцов автоматизированных систем, действующих в различных областях (управления, проектирования, информационного поиска и т. д.).

К настоящему времени получила общее признание практическая потребность создания АСО, сформировались необходимые предпосылки и подготовлен высококвалифицированный научно-технический кадровый потенциал для разработки полномасштабной отечественной технологии создания АСО в виде системы автоматизированных учебных курсов (АУК) с мультимедийными свойствами.

Данная статья посвящена изложению некоторых специфических аспектов методических и технологических представлений на решение проблемы разработки АСО, предназначаемых для подготовки специалистов по эксплуатации и применению сложных АТК, в состав которых, в общем случае, входят летательный аппарат (ЛА), его бортовые и наземные функциональные комплексы и системы. В перспективе АСО такого класса должны создаваться в ходе разработки соответствующих АТК, поставляться и сопровождаться в процессе эксплуатации этих комплексов в войсках.

1. Назначение, цели, ожидаемый эффект применения АСО и пути их достижения

Автоматизированную систему обучения, в широком смысле, будем представлять совокупностью технической базы обучения (натуральные технические комплексы; макеты; стенды; тренажеры, классы, оборудованные компьютерными сетями, экранами коллективного пользования, плакатами т.п.), преподавательского и технического персонала, программного и информационно-лингвистического обеспечения, инструктивно-методических пособий и учебников. Под АСО, в узком смысле, будем понимать реализацию на той или иной аппаратной платформе взаимосвязанной (едиными стратегией, методикой и технологией обучения) совокупности функциональных подсистем (АУК), предназначенных для специалистов одной области (например, летчиков, штурманов, инженеров по радиоэлектронному оборудованию и т. д.) и функционирующих в единой информационно-управляющей среде, которая также обеспечивает широкие возможности для преподавателя/инструктора при планировании учебного процесса, управлении его ходом и контроле результатов обучения.

АСО по боевому применению и эксплуатации АТК предназначаются для организации (планирования) и проведения занятий в системе подготовки специалистов-эксплуатационников требуемой квалификации на качественно новом уровне.

Основные цели применения АСО состоят в следующем:

— повышение эффективности процесса обучения специалистов (сокращение сроков подготовки и увеличение глубины и повышения прочности знаний);

— поддержание требуемого уровня профессиональной подготовки личного состава авиационных частей;

— повышение качества всех видов эксплуатационной деятельности и боевого применения (сокращение времени видов подготовки и обслуживания АТК и систем);

— внедрение современных компьютерных технологий обучения в практику деятельности войск и сокращение на этой основе времени цикла подготовки/переподготовки военных авиационных специалистов.

Эффект от практического применения АСО, как правило, должен выражаться в улучшении следующих показателей качества применения авиационных комплексов и систем:

— степени полноты использования боевых возможностей комплекса (системы);

— соотношения требуемых эксплуатационных ресурсов на обслуживание АТК и затрат на подготовку специалистов;

— уровня мобилизационной готовности авиационных подразделений и частей.

Достижение сформулированных целей целесообразно осуществлять путем изучения функционально самостоятельных объектов, которые входят в состав АТК, например, летательный аппарат, бортовой комплекс пилотажно-навигационного оборудования, наземный комплекс контроля параметров полета и т. п.

Исходя из современных положений теории и методологии трансформационного обучения сложным видам деятельности [1], к которым бесспорно относится применение и эксплуатация АТК, целесообразно применять трехуровневую стратегию обучения:

— стратегия первого уровня — первичное обучение, обеспечивающее приобретение базовых знаний по всем составным частям АТК;

— стратегия второго уровня — повторное обучение, обеспечивающее углубленную профессиональную подготовку и поддержание требуемого уровня специальных знаний,

— стратегия третьего уровня — приобретение обширных глубоких знаний в смежных областях деятельности с целью обеспечения взаимной заменяемости специалистов.

В общем виде модель обучения специалистов по эксплуатации АТК представляется в виде управляемого (целенаправленного) процесса взаимосвязанных переходов (трансформации) между этапами перечисленных выше стратегий обучения. Технология автоматизированного обучения, реализующая данную модель, позволяет управлять процессом обучения в зависимости от следующих значений исходных категорий: кого учить, чему учить, как учить и до какого уровня обученности.

Для реализации каждой стратегии в рамках создаваемых АСО предлагается использовать соответствующие информационно-программные средства:

— реализация стратегий 1-го уровня обеспечивается использованием АУК;

— реализация стратегий 2-го уровня обеспечивается при помощи ЭОК;

— реализация стратегий 3-го уровня обеспечивается применением КЭ).

Основными функциями АУК являются обучение базовым принципам построения и функционирования АТК, основным видам деятельности по эксплуатации и применению АТК, а также контроль усвоения материала с помощью многоуровневой системы тестов.

Основными функциями ЭОК являются обучение особенностям эксплуатации и применения АТК путем использования знаний и опыта высококвалифицированных специалистов-экспертов, воплощенных в электронных инструкциях по эксплуатации, регламентах технического обслуживания, методиках поиска неисправностей и т. п., а также экспертная поддержка деятельности войсковых специалистов непосредственно на рабочих местах и углублений контроль знаний.

Основными функциями КЭ являются концентрация знаний, необходимых специалисту любой квалификации по АТК, в интегрированных базах данных и знаний, включая электронную версию полной эксплуатационно-технической документации на компакт-дисках, а также быстрый поиск необходимых данных по многоаспектным классификаторам и сквозной контроль (самоконтроль) знаний.

Комплексное применение курсов и энциклопедий, созданных в рамках конкретной АСО, позволит достичь и поддерживать требуемый уровень подготовки специалистов при незначительных рутинных усилиях профессиональных преподавателей и минимальных отрывах обучаемых от служебной деятельности.

2. Технологические и организационные аспекты разработки АСО

Использование компьютерных систем для подготовки специалистов различной квалификации по боевому применению и эксплуатации АТК позволяет интенсифицировать и индивидуализировать процесс обучения путем создания качественно новой интегрированной информационной среды, обеспечивающей комплексное воздействие на память обучаемого через взаимосвязанную совокупность предметного учебного материала, представляемого в текстовом, звуковом, графическом, анимационном и натуральном видео виде, а также реализовать новые возможности в организации форм обучения (очное, заочное, дистанционное), планирования, контроля и управления ходом учебного процесса.

автоматизированный обучение эксплуатация специалист

Создание систем подобного класса базируется на фундаментальных и прикладных достижениях в области автоматизации процессов обработки информации и управления, объединяющихся в совокупность критических технологий [2]:

— сетевых, локальных и территориально-распределенных вычислительных систем, интегрирующих различные аппаратные платформы и операционные среды;

— автоматизированного проектирования и модернизации информационно-лингвистического (ИЛО) и специального математического и программного обеспечения (СМПО) открытых систем (CASE-технологии);

— систем баз данных и генерации информационно-управляющих систем с распределенно-потоковой архитектурой (OLTP-системы с архитектурой типа «клиент-сервер»);

— систем оперативной аналитической обработки (OLAP-системы) и поддержки принятия решений (DSS-системы) с элементами систем искусственного интеллекта;

— геоинформационных и мультимедиа систем, обеспечивающих множество способов хранения, поиска и представления разнородной информации (текст, звук, графика, анимация, видео).

Автоматизированные системы обучения целесообразно рассматривать как некоторый вид одного из функциональных компонент, входящих в архитектуру распределенной интерактивной тренажно-моделирующей (РИТМ) системы ВС РФ (DIS-системы), предназначенной для межвидовой интеграции (согласованного объединения) жизненных циклов создания, испытания и применения ВВТ, учебно-боевой подготовки войск и боевого управления силами и средствами ВС РФ АСО в целом могут удовлетворять достаточно широкому спектру целей и их комбинаций, например, они могут быть нацелены на формирование у обучаемого некоторой системы знаний, обеспечивая также большие возможности по информационно-справочным функциям. При этом могут полностью отсутствовать или в незначительном объеме присутствовать возможности по формированию умений и навыков. Может существовать и противоположное соотношение возможностей. В первом случае АСО реализует функцию формирования знаний (расширение кругозора), во втором — в основном навыков и умений, т. е., в зависимости от масштаба, АСО может представлять собой тренажер либо пилотажного типа (индивидуального или экипажного действия), либо боевого взаимодействия нескольких экипажей (в том числе и разновидовых), либо боевого планирования и управления силами и средствами (автоматизированные КШУ и ЛТУ). Для достижения создаваемой АСО любой комбинации указанных целей необходимы значительные согласованные усилия, как специалистов-предметников, так и специалистов-технологов в перечисленных выше критических областях.

В зависимости от целей и масштаба объекта изучения, квалификационных требований к специалистам, состава и количества обучаемых, АСО может быть реализована как на одиночной ПЭВМ, так и на их сети, имеющей локальный или/и территориально-распределенный характер. Функционирование АСО, реализованной на локально-вычислительной сети ПЭВМ, должно обеспечиваться необходимым составом инженерно-технического персонала и осуществляется в интересах и под управлением преподавательского/инструкторского состава, отвечающего за качество процесса обучения.

Разработка АСО по авиационным техническим комплексам может осуществляться только коллективом высококвалифицированных специалистов, которых условно можно разбить на три группы:

Сценаристы-предметники. Знают цели и задачи обучения, объект изучения, методику преподавания, требуемую глубину и объем изучения, методику и содержание контроля усвоения учебного материала. Разрабатывают программы учебных курсов и соответствующие им дидактические сценарии и материалы.

Программисты-проектировщики. Знают и умеют применять современные технологии разработки автоматизированных информационно-программных систем. Разрабатывают функциональную архитектуру, ИЛО и СМПО, и топологию аппаратной среды автоматизированных обучающих систем.

Администраторы. Знают технологии создания и применения АСО. Организуют взаимодействие сценаристов и программистов, управляют процессом разработки, обеспечивают методическое, инструментальное и материальное сопровождение.

Указанные группы специалистов осуществляют разработку АСО на основе предварительно сформированной концепции, учебных планов и программ дисциплин (курсов) для подготовки специалистов. Концепция определяет роль и место АСО в процессе обучения, цели и ожидаемый эффект применения АСО, содержит характеристику объекта изучения, описание структуры, принципов построения функциональной архитектуры, а также требования к программно-техническим и методическим средствам АСО.

3. Принципы построения и функциональная архитектура АСО

При формировании идеологии построения АСО целесообразно использовать основополагающие дидактические принципы системного, адаптивного (программируемого), интенсивного, интерактивного обучения. Применение современных компьютерных технологии мультимедиа позволит существенно расширить возможности по реализации базовых принципов обучения за счет комплексного воздействия на органы восприятия обучаемых, использования видеографических и аудио эффектов, создающих реалистическую обучающую среду (виртуальную реальность), приближающуюся по эффективности к натурному обучению и тренажу навыков. Применение принципов открытых систем позволит обеспечить АСО свойством жизнестойкости и возможности бесконфликтного развития и модернизации.

Типовыми базовыми элементами АСО являются автоматизированные учебные курсы, образующие основу для создания ЭОК и КЭ. Основу разработки любого АУК составляет его дидактический сценарий.

Сценарий представляет собой схему связи и логических переходов между блоками обучения и контроля знаний в виде последовательно параллельного процесса с обратными связями, который управляется событиями, характеризующими динамику процесса обучения. Основными из событий являются события синхронизации параллельных ветвей последовательности блоков обучения и события управления переходами меду блоками сценария по результатам контроля знаний обучаемых.

Типовой сценарий представления учебного материала включает следующие блоки (разделы):

* блок ключевых понятий (глоссарий) АУК, используя которые обучаемый имеет возможность быстро получать текстовые, звуковые, аудио анимационное и видео представления об объекте изучения из обучающих блоков;

* набор типов обучающих блоков, предъявляемых в определенной последовательности и содержащих:

— назначение, состав и характеристики изучаемых АТК (технических средств, технологических процессов);

— основные приемы использования (эксплуатации) АТК;

— особенности эксплуатации АТК, базирующиеся на опыте высококвалифицированных специалистов-экспертов;

— характерные ошибки и нештатные ситуации, встречающиеся при эксплуатации АТК.

* набор контролирующих блоков, реализующих принцип тест-контроля, включая:

— входной контроль знаний обучаемого;

— упражнения для отдельных учебных разделов;

— зачеты для завершенных уровней обучения;

— итоговый экзамен по курсу.

Обучающие и контролирующие блоки реализуются в виде упорядоченной последовательности типовых учебных и контрольных кадров, содержащих идентифицирующую информацию о кадре, поля для вывода видеографической и текстовой информации, панели управления объектами мультимедиа (например, воспроизведением видео и аудио фрагментов), кнопки системы меню и т. п.

При разработке сценариев, описывающих сложные технологические операции, их целесообразно представлять в виде «микроалгоритмов». Текстуальному описанию технологии выполнения операций, приведенному в окне гипертекста, сопоставляется рисунок микроалгоритма в окне видеоинформации. Нумерация параграфов текста отражается в нумерации блоков микроалгоритма.

Микроалгоритм может содержать до 12 блоков (ограничивается размерами окна вывода видео и графической информации), связанных с соответствующими видеосюжетами. При выборе мышью определенного блока в окне видеоинформации всплывает связанный с ним видеосюжет. Предусматривается возможность многократного выбора блоков микроалгоритма в произвольном порядке, что дает возможность обучаемому тщательно изучить наиболее сложные этапы технологических операций.

Возможность доступа к блокам микроалгоритма в произвольном порядке соответствует концепции компьютерной энциклопедии (экспертно-обучающей системы). При реализации АУК на базе портативного компьютера это позволит специалистам ИАС в интерактивном режиме контролировать правильность выполнения технологических операций непосредственно на рабочем месте.

Вместо динамического видеосюжета может вызываться статическое изображение (фото, рисунок, схема, например, когда необходимо показать исходное положение органов управления/индикации или анимационный рисунок, например, когда необходимо показать изменение состояния некоторого органа индикации при включении/выключении соответствующего переключателя).

Блоки мироалгоритма, в которых описываются критические технологические операции (с точки зрения безопасности, возможности вывода из строя аппаратуры, возможности срыва выполнения задания и т. п.) отмечаются либо привлекающим внимание видеоэффектом (мигание, изменение цвета, предупреждающая надпись, значок), либо звуковым комментарием.

В необходимых случаях может вызываться ссылка на соответствующие кадры АУК, логически связанные с изучаемым материалом.

Блоки обучения и блоки контроля знаний АУК распределяются по уровням обучения в соответствии с принципом «от простого к сложному», обеспечивая игровой подход к обучению, стимулирующий «спортивный интерес» обучаемого к продвижению на более высокие уровни знаний.

При этом каждый из уровней может разбиваться на подуровни в зависимости от категории обучаемых (младший специалист, техник, инженер и т. д.). Структуризация учебного материала по уровням должна позволять преподавателю/инструктору автоматизированным способом формировать гибкую траекторию (профиль) индивидуального обучения для конкретного специалиста.

Целесообразно, чтобы каждый АУК допускал возможность применения как в режиме первичного обучения (соответствует начальному уровню знаний специалистов в данной области), так и в режиме вторичного обучения — повторения учебного материала для поддержания требуемого уровня знаний. Варьируя режимами первичного и вторичного обучения, инструктор имеет возможность гибко планировать учебный процесс для каждого специалиста путем формирования индивидуальных профилей (траекторий) обучения.

Наиболее эффективным решением по реализации АСО является создание компьютерного класса, функционирующего в сетевой архитектуре «клиент-сервер», и объединяющего в одном информационном контуре автоматизированные рабочие места (АРМ) инструктора и обучаемых (рис.2). Основными элементами такой архитектуры являются:

Рис.2

— сервер базы данных — предназначен для сбора, хранения и обработки информации об учебном процессе с использованием специализированных АУК и ЭОК. Ядром сервера является интегрированная база данных обучаемых, содержащая «историю» обучения всех зарегистрированных пользователей АСО;

— АРМ инструктора (может быть совмещено с сервером базы данных) — предназначено для управления процессом обучения распределенных по сети пользователей АСО (рис.3);

— АРМ обучаемых — предназначено для непосредственного проведения сеансов интерактивного обучения и контроля знаний с использованием специализированных АУК, ЭОК и КЭ (рис.4).

Используя средства сетевого обмена сообщениями и механизмы сохранения, поиска и обработки информации в базе данных, инструктор реализует возможности объективного контроля действий обучаемых в текущем сеансе работы с АУК, оперативного анализа результатов обучения и планирования учебного процесса для каждого специалиста с учетом его индивидуальных характеристик обучения.

Рис.3

Реализация рассмотренных принципов и функциональных возможностей АСО требует значительных вычислительных ресурсов, обеспечивающих как технологические процессы разработки АСО, так и, собственно, потребности оборудования компьютерных классов. В общем случае, существуют различные варианты развертывания автоматизированных комплексов обучения, отличающихся друг от друга по стоимости и эффективности процесса обучения. Особого внимания заслуживает возможность использования мультимедийных портативных ПЭВМ типа Notebook со встроенными звуковой платой стереодинамиками и драйвером CD-ROM. Наличие такого компьютера и необходимого комплекта АУК и ЭОК позволит проводить самостоятельное обучение непосредственно на рабочих местах АТК. В этом случае портативное АРМ может использоваться в качестве оперативного справочника, инструкции по эксплуатации, регламенту технического обслуживания, методик поиска неисправностей и т. п.

Рис.4

4. Структура и функции технологического стенда разработки базовых компонентов АСО

Для разработки АУК по вопросам эксплуатации и боевого применения АТК целесообразно создавать специализированные технологические комплексы (стенды) с использованием локально-вычислительных сетей (ЛВС). На рис. 5 представлен вариант опорной структурной схемы взаимосвязи аппаратных средств в технологическом стенде для разработки мультимедийных АУК.

Предназначение аппаратных средств, рекомендуемых для включения в состав стенда, состоит в следующем.

Сервер технологического стенда (поз. А1) обеспечивает ведение единой информационной базы разработки АУК, включающей оцифрованные данные текстовых, речевых, звуковых, графических, анимационных, фото и видео объектов, а также все программные компоненты АУК по отдельности и в целом. Сервер обеспечивает технологию коллективной параллельно-независимой работы всех остальных АРМ программистов разработчиков.

АРМ спецобработки (поз. А2) предназначено для реализации всех видов программистской деятельности по созданию высококачественных видео и анимационных объектов, реализованных в виде соответствующих программных блоков. Это рабочее место должно быть сопряжено с видеопроекционным комплексом (поз. А4), служащим для создания и отработки всех компьютерных кадров и сюжетов (в том числе содержащих видео и графические сюжеты), предназначенных для коллективного использования. В состав этого АРМ целесообразно включать черно-белый лазерный принтер (поз. А13) для печати технологической и отчетной документации, комплекс оборудования для озвучивания и записи готовых компакт-дисков (поз. 17, 12).

Рис.5

АРМ спецобработки (поз. А3) предназначено для обработки и создания компьютерных кадров и сюжетов, включающих графические, фото и анимационные материалы. Это рабочее место целесообразно сопрягать с цветным лазерным принтером (поз. А14) и цветным лазерным сканером (поз. А15).

АРМ программиста (поз. А9, А10) предназначены для выполнения всех видов работ по программированию общей программной среды АУК, компонентов управления, предъявления (отображения) учебного материала и контроля процесса обучения, а также для разработки дополнительных элементов информационно-лингвистического и программного обеспечения АУК и документации.

Оборудование ЛВС (поз А24), необходимые расходные материалы и инструменты обеспечивают взаимосвязь всех типов АРМ в единую среду разработки с целью сокращения потерь времени на взаимодействие разработчиков, повышения оперативности принятия решений в ходе разработки, распределения функций по рабочим местам, корректировки и слияния результатов работы, снижения количества предпосылок на ошибки, а в случае их появления — быстрого внесения исправлений.

Модем (поз. А18) целесообразно использовать для выхода во «внешний мир» с целью осуществления оперативного информационного обмена в процессе создания АУК.

Для повышения качества и возможностей по разработке и оформлению необходимых документов, входящих в комплект поставки АУК, целесообразно в состав стенда включить цветной или черно-белый ксерокс (поз. А16).

С целью исключения потери данных в процессе работы сетевой сервер и все автоматизированные рабочие места должны быть снабжены устройствами бесперебойного питания (поз. А19-А23).

Заключение

Сегодня не существует принципиальных научных и технических трудностей создания территориально-распределенных АСО, базирующихся на инфраструктуре телекоммуникационных сред типа Internet и способных обеспечить реализацию концепции высокоэффективного дистанционного обучения.

Рассмотренные здесь вопросы создания современных АСО изложены на основе обобщения результатов теоретических исследований и практических работ, выполненных преподавателями и научными сотрудниками кафедры автоматизированных систем управления ВАТУ (ВВИА им. Н. Е Жуковского). Они, естественно, не исчерпывают всей проблематики и требуют развития дополнения с учетом новых знаний и приобретенного опыта.

1. Венда В. Ф. Системы гибридного интеллекта: эволюция, психологии, информатика. — М.: Машиностроение, 1990 г.

2. Критические технологии для национальной технологии США Научно-методический сборник под ред. проф. А. И. Аюпова. — М.: ВВИА, 1995 г.

3. Борзенко А. Е., Федоров А. Г. Мультимедиа для всех. — М.: Машиностроение, 1990 г.