Методика построения интеллектуальных тренажеров для подготовки офицеров войсковых частей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 20.01.06, кандидат технических наук Зорин, Александр Александрович

• Зорин, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зорин, Александр Александрович

Введение.

1 Анализ процесса подготовки офицеров войсковых частей.

1.1 Анализ методов и способов подготовки.

1.2 Пути интеллектуализации тренажерной базы подготовки специалистов.

1.3 Теоретико-множественная модель интеллектуального тренажера.

1.4 Постановка научной задачи и частных задач исследования.

Выводы по 1 разделу.

2 Методика разработки дидактических средств интеллектуального тренажера военно-технических систем.

2.1 Постановка задачи раздела.

2.2 Разработка агрегированной базовой модели военно-технической системы.

2.3 Задание множества полных учебных подграфов.

2.4 Задание полного множества учебных подмоделей.

2.5 Перечисление оптимального подмножества учебных подмоделей.

2.6 Рекомендации по разработке банка моделей.

2.7 Рекомендации по разработке банка иллюстраций.

Выводы по 2 разделу.

3 Методические основы интеллектуализации тренажеров.

3.1 Структурные принципы интеллектуализации тренажеров.

3.2 Определение оптимальных вычислительных ресурсов на решение тренажером учебных задач.

3.3 Разработка методики проведения педагогического эксперимента по оценке эффективности дидактических средств интеллектуального тренажера.

Выводы по 3 разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика построения интеллектуальных тренажеров для подготовки офицеров войсковых частей»

Технические системы военного назначения, как правило, мало пригодны к использованию в качестве средства обучения по соображениям безопасности и ввиду отсутствия у них развитых дидактических свойств (наглядности, научности, доступности, систематичности и последовательности) и высокой стоимости.

В настоящее время, достаточно глубоко и всесторонне разработаны методические основы процесса подготовки офицеров войсковых частей. Основу системы организации учебного процесса составляют: содержание обучения, средства обучения, методы обучения, формы обучения, учебная деятельность обучаемого и обучающая деятельность руководителя подготовки. Все это закреплено соответствующими руководящими документами, которые определяют следующие этапы подготовки: теоретическая подготовка, практическая подготовка и зачетное комплексное занятие. Они сбалансированы по времени и представляют собой не оптимизированную по времени систему подготовки офицеров. Разделение теоретической и практической подготовки влечет за собой излишние затраты времени и средств, так как не учитывает свойство оператора забывать изученный ранее материал.

Процесс обучения на этапе практической подготовки связан с закреплением теоретического материала, формированием операторских умений и навыков и их совершенствованием, а так же с оценкой и анализом приобретенных умений и навыков. Умения и навыки операторов формируются при работе на тренажерах и тренажерных комплексов, основу которых составляют элементы штатной техники.

Тренажеры находят широкое применение в различных сферах человеческой деятельности и являются наиболее эффективным средством массовой подготовки операторов.

Практика подготовки операторов в различных учебных заведениях показывает [23], что, хотя традиционные формы и методы обучения не потеряли своего значения, они в тоже время имеют ряд существенных недостатков и ограничений. Одним из таких ограничений является разрыв теоретического и практического обучения. Это приводит к тому, что даже при наличии хороших теоретических знаний офицер при переходе на комплексный тренажер практически не может управлять соответствующей системой. Существующие методы и средства обучения этапа пред тренажерной (теоретической) подготовки не в полной мере отвечают современным требованиям, предъявляемым к эффективности и надежности операторской деятельности. Этапу пред тренажерной подготовки отводится, как правило, вспомогательная роль. В тоже время, исследования показывают [28, 29, 33, 51, 78], что более половины ошибочных действий расчетов и предпосылок к нештатным ситуациям, классифицируемых как «неграмотная» эксплуатация, совершаются из-за недостаточных знаний сущности процессов, происходящих во время работы системы, или недостаточного понимания последствий, вызываемых неправильными действиями расчета.

В литературе по автоматизации процесса обучения [9, 17, 23, 26, 33, 47, 50, 69] отражены частные вопросы использования вычислительной техники на отдельных этапах обучения. Причем, вопросы, связанные со спецификой подготовки офицеров войсковых частей с помощью автоматизированной обучающей системы (АОС), практически не рассматриваются.

Основными недостатками находящихся в эксплуатации тренажеров военно-технических систем (ВТС) являются:

- высокая стоимость разработки при использовании в тренажерах агрегатов штатного оборудования;

- отсутствие визуального представления динамики работы ВТС;

- сложность реализации индивидуального подхода к обучению при дефиците преподавателей;

- несоответствие обучающих воздействий индивидуально-психологическим особенностям и уровню подготовки;

- необъективность контроля и оценки правильности

W» V w действии и степени совершенства обучаемого;

- невозможность управления масштабом времени функционирования ВТС.

Таким образом, актуальность работы заключается в необходимости разрешения противоречия, складывающегося между все возрастающими требованиями к уровню подготовки офицеров войсковых частей к эксплуатации сложных ВТС, малопригодными в качестве средств обучения, и ограниченными дидактическими возможностями современных тренажеров как объектов учебно-материальной базы, недостаточно эффективных без непосредственного участия преподавательского состава.

Поэтому наиболее эффективным средством профессиональной подготовки операторов являются тренажеры ВТС.

Существенное повышение качества подготовки специалистов по эксплуатации ВТС требует использования тренажерной техники, в основу которой закладывается электронно-вычислительная техника (ЭВТ).

Поэтому в качестве объекта исследования выбраны тренажеры военно-технических систем на базе электронной вычислительной техники.

В тренажерах ВТС ЭВТ становится наиболее оправданной, если на этой основе существенно расширяются их дидактические и интеллектуальные возможности, позволяющие каждому обучаемому выделить персонального (электронного) педагога, так как при этом устраняется большая часть отмеченных выше недостатков существующей тренажерной техники. Введение электронного педагога требует внесение в тренажеры элементов искусственного интеллекта и на этой основе дает возможность обучать номера расчета с минимальным привлечением преподавательского состава при сохранении индивидуального подхода.

Поэтому в качестве предмета исследования выбраны дидактические возможности и пути интеллектуализации тренажеров военно-технических систем на базе ЭВТ.

Использование в тренажерах ВТС ЭВТ позволяет реализовать принцип многомодельности, ведущий к многообразию воспроизводимых режимов функционирования ВТС и иллюстративного материала. В то же время имеющие ограничения на возможные привлекаемые вычислительные ресурсы, требуют применения ресурсосберегающих технологий, традиционно строящихся на методах декомпозиции и агрегирования моделей ВТС.

Сформулированное выше противоречие преодолевается в настоящем исследовании решением научной задачи, состоящей в разработке методики построения интеллектуальных тренажеров на основе развития принципа многомодельности и методов декомпозиции и агрегирования моделей военно-технических систем в условиях ограничений на предоставленные вычислительные ресурсы.

Цель исследования состоит в повышении качества боевой подготовки офицеров войсковых частей посредством разработки и использования интеллектуальных тренажеров военно-технических систем.

Достижение поставленной цели требует решение следующих частных исследования:

1) разработка теоретико-множественной модели интеллектуального тренажера военно-технических систем;

2) разработка агрегированной базовой модели ВТС;

3) задание полного множества учебных подмоделей ВТС;

4) перечисление подмножества учебных подмоделей минимальной сложности;

5) постановка и решение задачи оптимального использования вычислительных ресурсов в возникающих учебных ситуациях;

6) разработка технических решений и рекомендаций по созданию интеллектуального тренажера ВТС;

7) разработка методики проведения педагогического эксперимента по оценке эффективности дидактических средств интеллектуального тренажера ВТС.

При этом на защиту выносится:

1.Теоретико-множественная модель интеллектуального тренажера военно-технических систем.

2.Методика разработки дидактических средств интеллектуального тренажера военно-технических систем.

3.Методические основы интеллектуализации тренажеров военно-технических систем в условиях ограничений на представляемую вычислительную среду.

4.Рекомендации, программные и технические решения по разработке и применению интеллектуальных тренажеров технических систем.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Воинское обучение и воспитание, боевая, подготовка, подбор и расстановка кадров, управление повседневной деятельностью войск (в том числе по видам Вооруженных Сил, Тылу Вооруженных Сил, родам войск и специальным войскам)», Зорин, Александр Александрович

Выводы по 3 разделу

1. Детальный анализ закономерности взаимодействия педагога с обучаемым на различных видах занятий, привел к структуре алгоритма функционирования интеллектуального тренажера, включающего основной тематический монитор и ситуационные мониторы, согласно видам учебных занятий, , предполагает теоретическое и практическое обучение, а также контрольные занятия по отработке и сдаче нормативов.

2. Предложенные структурные принципы интеллектуализации тренажеров технических систем привели к двум классам оптимизационных задач, которые необходимо решать на этапе разработки тренажера: первая задача оптимизации дидактических свойств тренажера относительно моделирующих и иллюстрационных составляющих интеллектуального тренажера. Поскольку в данном случае приоритетной является педагогическая составляющая, то согласование потребного состава дидактических свойств с предоставленными вычислительными ресурсами необходимо осуществлять путем варьирования масштабом времени. Вторая задача оптимизации дидактических свойств тренажера относительно педагогической и иллюстрационной составляющих интеллектуального тренажера. Поскольку в данном случае приоритетной является имитация объекта (ТС) в реальном масштабе времени, то оставшиеся после имитации свободные вычислительные ресурсы должны быть оптимально израсходованы на иллюстрационные и педагогические составляющие интеллектуального тренажера.

3. Задачи первого класса решаются на основе принципа мультипрограммирования и сводятся к определению маештабного коэффициента, как отношение потребного машинного времени на минимальном шаге дискретности, к периоду квантования в реальном масштабе времени. Решение второго класса задач после оценки остаточных ресурсов, предоставленной вычислительной среды, предполагает выбор оптимального соотношения иллюстрационных и педагогических дидактических средств на основе области принятия Pareto-решения, создаваемой путем накопления опыта в ходе педагогического эксперимента. В обеих задачах используются оценки потребных вычислительных ресурсов по предлагаемой методике.

4. Результаты проведения педагогического эксперимента подтвердили гипотезу о том, что использование дидактических возможностей интеллектуального тренажера в заданных педагогических ситуациях будет эффективными, при этом показано повышение знаний и умений операторов технологического оборудования, после их проверки на штатной технике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование в области построения эффективных тренажерных средств, предназначенных для подготовки операторов ВТС, показано, что основное внимание в этих вопросах должно быть сосредоточено на задачах интеллектуализации упомянутых объектов учебно-материальной базы военных учебных заведений, учебных центров, воинских частей и подразделений. При этом в качестве главного аспекта интеллектуализации тренажеров ВТС выступает придание им педагогических функций, с помощью которых реализуется принцип индивидуализации обучения, поддерживаемый расширенным набором дидактических, и в первую очередь, иллюстрационных средств. Техническая сторона вопроса опирается на многомодельность, обеспечивающую оптимальное использование ресурсов предоставляемой вычислительной среды.

Основные научные результаты данной работы заключаются в следующем:

1.Разработана теоретико-множественная модель интеллектуального тренажера ВТС на основе принципа многомо-дельности.

2.Разработана агрегированная базовая модель ВТС в виде графа минимальной размерности, сохраняющего заданный набор учебных подграфов.

3.Построена порождающая процедура полного множества учебных подмоделей ВТС по принципу счетчика, с разрядами, описывающими порядок агрегированных стандартных моделей.

4.Предложен алгоритм построения учебных подмоделей минимальной сложности при сохранении адекватности существенных фазовых переменных, ориентированный на моделирующую программу типа MatLab. 5.Осуществлена постановка и решение задачи оптимального использования вычислительных ресурсов на основе управления масштабом времени или соотношением дидактических средств согласно учебным ситуациям.

Основные практические результаты данной работы заключаются в следующем:'

1.Предложены рекомендации по применению разработанной методики при создании интеллектуальных тренажеров ВТС.

2.Разработана методика проведения педагогического эксперимента в интересах формирования банка учебных ситуаций .

Результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научно-технических статьях, 4 тезисах докладов на НТК, 4 отчетах о НИР.

Разработанная методика построения интеллектуальных тренажеров ВТС охватывает широкий класс технических систем военного и общепромышленного назначения, эффективность и безопасность эксплуатации которых требует исключительно высокого уровня подготовки института операторов эргатической ориентации. Успешное применение данной методики предполагает ее дальнейшее развитие по следующим основным направлениям:

1) разработка аналитических подходов к обоснованию семейства учебных моделей минимальной вычислительной сложности;

2) построение диалоговых языковых средств взаимодействия преподавателя с системой учебных мониторингов с целью накопления и обобщения множества учебных ситуаций;

3) совершенствование методики педагогического эксперимента по выявлению полных возможностей рассматриваемого класса тренажеров в отношении оптимального использования дидактических средств и реализации принципа индивидуализации обучения;

4) исследование в области дальнейшего расширения педагогических функций, возлагаемых на интеллектуальные тренажеры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зорин, Александр Александрович, 1999 год

1. Аванесов B.C. Статистическая обработка данных. - М.: Наука, 1986.

2. Алгоритмы обработки экспериментальных данных. М. : Наука, 1986. 185с.

3. Амдиллян JI.K. Современные информационные технологии. М.: Знание, 1990. 64с.

4. Бабанский Ю.К., Журавлев В.И. и др. Введение в научное исследование по педагогике. Учебное пособие для студентов педагогических институтов. /Под ред. Журавлева В.И. М.: Просвещение, 1988. 239с.

5. Бакаев А.А., Гриценко В.И., Козлов Д.Н. Методы организации и обработки баз знаний. Киев: Наукова ду-мий, 1993. 150с.

6. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1992. 423с.

7. Башта Т.М. Гидравлические следящие приводы. М.: Машгиз, 1960. 282с.

8. Белый Ю.А., Иванников А.В. Тренажеры в обучении массовым профессиям. Тренажеры в формировании профессиональных навыков при подготовке специалистов. Тезисы докладов 1 Всесоюзного НТС. М. : ВСНТО, 1979. С. 37-38.

9. Боднер В.А., Закиров Р.А., Смирнов И.И. Авиационные тренажеры. М.: Машиностроение, 1978. 192с.

10. Ю.Бутько Н.М., Фалалеев П.П. Гидравлический привод агрегатов технологического оборудования. Серпухов: СВВКИКУ РВ, 1972. 312с.

11. Буш Р., Мостеллер Ф. Стохастические модели обучаемости. М.: Физматгиз, 1962. С.64-117.12 . Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин. М.:Машиностроение, 1983. 301с.

12. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: Сов. Радио. 1972. 55с.

13. Волков В.И., Блаженков В.В., и др. Основы управления эксплуатацией. М.: МО СССР, 1976. 450с.

14. Вопросы кибернетики: Интеллектуальные банки данных. /Под ред. Кузина Л.Т. Сб. статей. М. 1979. 192с.

15. Гамынин Н.С. Гидравлический привод систем управления. М.: Машиностроение. 1972.

16. Гасов В.М., Меников А.В., Соломонов А.А., Шигин А.В. Организация взаимодействия человека с техническим средством АСУ. Книга 7. Системное проектирование взаимодействия человека с техническими средствами. -М.: Высшая школа, 1991. 142с.

17. Гидропривод тяжелых грузоподъемных машин и самоходных агрегатов. М.: Машиностроение 1968. 264с.

18. Гликман Б.Ф. Математические модели пневмогидравличе-ских систем. М.: Машиностроение 1986. 366с.

19. Глинцберг Г. С. Анализ многотерминальных систем. В книге: Вычислительные средства в технике и системах связи. Сб. статей. Вып. 5 /Под ред. Пашкеева С.Д. -М.: Связь, 1980. 85с.

20. Гуглин И.Н. Телевизионные игровые автоматы и тренажеры. М.: Радио и связь, 1982. 272с.

21. Дейт К. Введение в системы баз данных. М. : Наука. 1980. 464с.

22. Догвелло A.M., Небрат О.П., Платонов Б.А. Обучение с использованием вычислительной машины: Современное состояние и перспективы. Управляющие системы и машины, 1978, №2, С.12-20.

23. Долгоносов Н.С. и др. Основы построения участковых тренажеров энергоблока. В книге: Тренажеры и учебно-тренировочные центры. — Киев: Знание, 1974. 39с.

24. Завгородний Ю.В. Учебно-тренажерные системы на базе ЭВМ. Общие принципы построения Харьков: ХВВКУ, 1979. 55с.31.3амулин А.В. Системы программирования баз данных и знаний. Новосибирск: Наука, 1990. 351с.

25. Захаров В.Н. и др. Системы управления. М. : Энергия, 1972. 344с.3 3. Зеленин В.М. Электронные тренажеры. М.: Знание, 1986. 64с.

26. Компьютерные технологии обработки информации. /Под ред. Назарова С.К. М. : Финансы и статистика 1995. 248с.

27. Корнилова Т.В., Тихомиров O.K. Принятие интеллектуальных решений в диалоге с компьютером. М. : МГУ, 1990. 192с.

28. Красовский А.А. Основы теории авиационных тренажеров. М.: Машиностроение, 1995. 304с.

29. Кук Д., Бейз Г. Компьютерная математика. — М. : Наука, 1990. 384с.

30. Лорьер Ж.-Л. Системы искусственного интеллекта. М.: Мир, 1991.

31. Системы управления базами данных знаний. /Под ред. Наумова А.Н. М.: Финансы и статистика, 1991. 352с.

32. Макроэлектронные устройства программного и логического управления. Принципы построения. М.: Машиностроение, 1979. 11с.5 6. Махмутов М.И. Вопросы организации процесса проблемного обучения. Казань: КГУ, 1971. 63с.

33. Медведев В.П. О требованиях к тренажерам с позиций системно-педагогического подхода. //Тренажеры в формировании профессиональных навыков при подготовке специалистов. Тезисы докладов 1 Всесоюзного НТС. -М.: ВСНТО, 1979. 37с.

34. Монин А.А., Сосновиков Г.К. Об одном способе оценки пропускной способности центра коммутации сообщения. //Вычислительные средства в технике и системах связи. Сб. статей, вып. 5 /Под ред. Пашкеева С.Д. М.: Связь, 1980. 144с.

35. Навроцкий K.JI. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1991. 383с.

36. Нагорный B.C., Денисов А. А. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем. М. : Машиностроение, 1991. 367с.

37. Носонов А.Ю. Модель оптимального распределения функции в человеко-машинной системе. //Вычислительные средства в технике и системах связи. Сб. статей,вып.5 /Под ред. Пашкеева С.Д. М. : Связь, 1980. С. 94-104.

38. Основные принципы проектирования тренажерных устройств для операторов объектов военной техники в США. //Межотраслевые вопросы техники. Научно-технический сборник. М. 1978, С.29-35.

39. Основы технической кибернетики. /Под ред. Поцелуева А.В. М.: МО. 1992. 499с.

40. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмо-систем. М. 1987. 464с.

41. Присняков В.Ф., Приснякова JI.M. Математическое моделирование переработки информации оператором человеко-машинных систем. М.: Машиностроение, 1990.

42. Пшеничников A.M. Использование управляющих вычислительных комплексов (УВТК) в распределенных АСУТП. -Приборы и системы управления, 1982, №4, С.1-5.

43. Ралль В.Ю. и др. Тренажеры ВМФ. М. : Воениздат, 1969. 216с.

44. Ревунков Г.И., Самохвалов Э.Н., Чистов В.В. Базы и банки данных и знаний. М.: Высшая школа, 1992. 367с.

45. Резников Б.А. Системный анализ и методы системотехники. Часть 1. Методология системных исследований, моделирование сложных, систем. — М.:МО СССР, 1990. 522с.

46. Романов А.К. Тренажеры для подготовки операторов PJ1C с помощью ЭВМ. М.: Воениздат, 1980. 126с.7 3. Скорин И.А., Иванов B.C. УТС для подготовки специалистов в иностранных армиях. Военный зарубежник, №6, 1972. С.7-10.

47. Шуйский А.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: ВА им. Ф.Э.Дзержинского, 1980. 230с.78 . Шукшунов В.Е. и др. Тренажерные системы. М.: Машиностроение, 1981. 256с.

48. Электрогидравлические следящие системы. М. : Машиностроение, 1971.

49. Янбык Г.Ф., Эттингер Б.Я. Методы анализа и синтеза сетей ЭВМ. М. : Энергия, Ленинградское отделение, 1980. 96с.