Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методологический базис эргономики иммерсивных сред: современное состояние вопроса 29
1.1. Методологические проблемы эргономики иммерсивных сред 29
1.2. Понятие «среда»: основы, эволюция, классические представления 44
1.2.1. Философские и естественнонаучные аспекты понятия «среда» 44
1.2.2. Понятие «среда» в системном и кибернетическом подходе 52
1.2.3. Понятие «среда» в гуманитарных науках 53
1.2.4. Понятие «среда» в средоориентированном обучении и профессиональной деятельности 65
Глава 2. Теоретические основы эргономического обеспечения проектирования иммерсивных обучающих и профессиональных сред 79
2.1. Понятие профессиональная и обучающая «среда»: постклассические представления 79
2.1.1. Генезис среды: реальность, действительность, личность 79
2.1.2. Среда в конструктивистском представлении: философские и психологические аспекты 89
2.1.3. Постклассическая модель эргатических сред 102
2.1.4. Свойства эргатических сред: постклассическая интерпретация 117
2.2. Методология и теория средоориентированного обучения: постклассическая модель 130
2.2.1 Теория обучающих и профессиональных иммерсивных сред: основные постулаты и теоретическая схема 131
2.2.2. Психолого-педагогические аспекты обучения в иммерсивных средах 150
2.2.3. Основные параметры иммерсивных сред и инженерно психологические методы их оценки 187
Глава 3. Экспериментальные основания и практические реализации эргономики иммерсивных сред 225
3.1. Инженерно-психологическая оценка влияния степени подобия на обучающие свойства тренажеров операторов КУВ 225
3.1.1. Описание экспериментального оборудования и процедуры эксперимента 238
3.1.2. Результаты экспериментального исследования 253
3.2. Эргономика сред обучения тренажеров операторов сложных технических систем 267
Глава 4. Иммерсивные среды и технологии в сложных технических системах 285
4.1. Иммерсивный интерфейс сред обучения и профессиональной деятельности 286
4.1.1. Индуцированные виртуальные среды 289
4.1.2. Системы иммерсивного интерфейса на базе индуцированных сред 291
4.1.3. Интерфейс рабочих сред самолетов 5-го поколения 298
4.1.4. Среды включенного обучения в авиации 302
4.2. Практика применения концепции «умножение возможностей» в тематическом проектировании самолетов 5-го поколения 307
Заключение 322
Выводы и практические рекомендации 327
Библиографический список 331
Приложения 380
- Методологические проблемы эргономики иммерсивных сред
- Свойства эргатических сред: постклассическая интерпретация
- Описание экспериментального оборудования и процедуры эксперимента
- Практика применения концепции «умножение возможностей» в тематическом проектировании самолетов 5-го поколения
Введение к работе
Актуальность темы исследования определяется непрерывно возрастающим интересом со стороны практики к проблеме эргономического обеспечения проектирования и эксплуатации эффективных систем профессиональной подготовки специалистов к деятельности в сложных технических средах (В. А. Бодров, Г. Л. Коротеев, В. М. Лискин, В. А. Пономаренко); к проектированию сложных технических систем (В. Г. Евграфов, В. М. Львов, П. И. Падерно, П. Я. Шлаен); к эргономическому проектированию новых форм интерфейсов технических систем, обеспечивающих эффективное включение операторов в естественные и искусственные профессиональные среды (Ю. А. Голиков, Л. Г. Дикая, А. Н. Костин, А. А. Крылов).
Важную роль в активизации данного направления играют прогресс в компьютерном моделировании полимодальных сред и внедрение технологий виртуальной реальности и искусственного интеллекта в системы человеко-машинного интерфейса современных эргатических систем.
В настоящее время наблюдается всплеск интереса к компьютерным интерфейсам и исследованиям влияния средового контента на эффективность деятельности операторов. Системы интерфейса, отражающие нетривиальное поведение управляемых технических систем, становятся массовыми средовыми технологиями, пронизывающими все стороны жизни человека. Можно говорить о возникновении техногенной среды, наделённой свойствами искусственного интеллекта, в которую погружается человек при выполнении учебной и профессиональной деятельности. Отметим появление новых технологий, включающих виртуальную реальность как средство погружения человека в особые условия жизнедеятельности. Технологический прорыв в области создания миниатюрных средств визуализации, программного обеспечения для проектирования ЗО-объектов и сред позволяет создавать с любым содержанием искусственные среды, не отличимые по своему воздействию на органы чувств человека от физической реальности. На фоне этих достижений инженерно-психологическая и эргономическая компоненты организации эффективных эргатических систем и сред, базирующиеся на традиционной методологии, выглядят явно недостаточными.
Состояние и степень разработанности проблемы
Несмотря на накопленный к настоящему времени в проектных организациях технологический опыт проектирования систем «человек-машина-искусственная среда», следует признать, что многие методологические, теоретические и практические аспекты этой фундаментальной проблемы остаются неясными. В частности, обращает на себя внимание неоднозначность рассмотрения вопроса о проектировании учебной и профессиональной деятельности человека и средств её обеспечения в сложных иммерсивных (погружающих) технических средах эргатических систем и систем, наделённых искусственным интеллектом. Решение этого вопроса требует анализа:
-механизмов порождения в психике человека феноменов «знание», «обучающая среда», «профессиональная среда», «присутствие», «погружение»;
-деятельности человека в погружающих профессиональных и обучающих искусственных средах.
Существующие подходы к среде, описывающие её как часть мира и окружающие условия, не позволяют сформировать модели обучения и профессиональной деятельности, корректно учитывающие особенности работы человека как самоорганизующейся аутопоэтической системы.
Практически не охвачен в рамках единой методологии класс систем, связанных с обучением и профессиональной деятельностью человека в искусственных средах, отличающихся от обычных сред физической реальности.
Классический психолого-педагогический дискурс, оперирующий понятиями «знание», «обучение», «информация» в их традиционном инструменталистском смысле, не позволяет решить задачу формирования методического обеспечения для средоориентированных технологий обучения операторов сложных эргатических комплексов. Преобладающей методологией проектирования обучающих систем с погружением в среду обучения является методология полного физического и функционального подобия среды моделирования среде профессионального опыта. Такой подход к построению систем обучения, вытекающий из классических схем обучающих интеракций, недостаточно эффективен применительно к работе в сложных технических средах. Например, стоимость созданных в рамках традиционных методологических схем тренажёров для авиационной техники достигает десятков миллионов долларов США, а их обучающий эффект часто не выше, чем у самых простых и недорогих устройств.
Классическая методология эргономического обеспечения и проектирования эргатических систем, традиционно разделяющая задачи проектирования технической среды и деятельности в ней человека-оператора, малоэффективна при решешш задач, возникающих при создании новых видов с «разумным» поведением технической компоненты эргатических систем, реализующих погружение оператора в искусственные среды обучения и профессиональной деятельности. Требуется более серьёзное внимание к анализу отношений «субъект-объект с разумным поведением», возникающих в сложных видах деятельности.
Неконструктивно при эргономическом обеспечении проектирования новых видов технических систем и классическое физическое понятие «среда», не учитывающее специфику процессов, возникающих и протекающих во внутреннем плане психики оператора во время решения учебной и/или профессиональной задачи. В результате проектировщик сложной эргатической системы не понимает, как связаны с содержанием и свойствами технического компонента разрабатываемой им системы обучающее и профессиональное поведение человека. Алгоритмические модели, традиционно используемые при описании деятельности оператора, некорректны и малопродуктивны при управлении сложными системами, содержащими искусственные динамические среды. Возникающие в них формы отношений оператора с интерфейсом приобретают характер социальных и межличностных управляющих коммуникаций, не подчиняющихся законам формальной логики, положенным в основание алгоритмического подхода.
По настоящее время в эргономике не сформулирован теоретико-методологический базис, позволяющий с единых позиций, в рамках единой междисциплинарной терминологии и единых понятийных схем объединить в процессе эргономического проектирования технологии тематического, технического, организационно-педагогического и психологического проектирования обучающих и профессиональных сред.
Вместе с тем в настоящее время в естественных и общественных науках накоплен большой объём данных, свидетельствующих о специфике работы человека как социобиологического существа, реализующего себя и действующего в обществе как самоорганизующаяся система. Внедрение идей синергетики в эргономику и инженерную психологию позволяет, по нашему мнению, расширить возможности данных дисциплин и, прежде всего в сфере создания сложных технических сред, деятельность в которых требует учёта особенностей динамической организации человека. Можно говорить о возникновении направления исследований зарождающегося комплекса знаний, который уместно назвать синергетической эргономикой. В настоящем исследовании сделана попытка последовательного внедрения идей самоорганизации в процессы проектирования иммерсивных обучающих и профессиональных сред.
Объект исследования: учебная и профессиональная деятельность человека в сложных искусственных средах.
Предмет исследования: обучающие и профессиональные среды; психологические феномены порождения иммерсивных сред; обучение и деятельность человека в естественных и искусственных средах; методология проектирования сложных эргатических комплексов и эргономические факторы, влияющие на обеспечение их эффективности.
Методологические и теоретические основания исследования
Философско-методологический базис исследования основан:
на философских взглядах постмодернизма и, в частности, концепции радикального конструктивизма и его формах, являющихся современным развитием идей скептицизма, нашедших своё отражение в работах П. Ватцлавика, Э. фон Глазерсфельда, К. Дж. Джерджена, Н. Лумана, С. Шмидта;
на идеях междисциплинарности, развиваемых в рамках синергетики и связанных с именами И. Пригожина и Г. Хакена.
Философские проблемы постнеклассической парадигмы в России разрабатывались главным образом в трудах В. И. Аршинова, В. Г. Буданова, Б. Б. Кадомцева, А. В. Кезина, Е. Н. Князевой, С. П. Курдюмова, Н. Н. Моисеева, А. П. Назаретяна, В. С. Степина, С. А. Цоколова, Д. С. Чернавского и др.
Естественнонаучные основы конструктивизма развиты в работах Ф. Варелы, У. Матураны, Г. Рота, Ханца фон Фёрстера, К. X. Уоддингтона, М. Эйгена.
Междисциплинарность в эргономике предполагает взаимосогласованное использование образов, представлений, методов и моделей дисциплин как естественнонаучного, технического, так и социогуманитарного педагогического и психологического профиля при решении задач проектирования и эксплуатации эргатических систем и их элементов. Понятие «среда» является объединяющим
понятием, что в свою очередь предполагает существование единой научной картины мира.
В качестве общеметодологических научных оснований теоретической части исследования использованы объединённые в междисциплинарном ракурсе вокруг понятия «среда» основные положения современной теории систем, биологии, физиологии, когнитивной и педагогической психологии, в которых отражено представление о человеке как о самоорганизующейся, аутопоэтической, познавательной системе, действующей в среде своего опыта (Б. Барс, Дж. Брунер, Ф. Варела, Т. П. Зинченко, У. Матурана, У. Найссер, Д. Норман, Г. Сперлинг,
A. Трейсман и др.).
Использовались элементы информационного подхода к описанию психических процессов (Л. М. Веккер); системный подход (В. А. Ганзен, Е. С. Кузьмин, Б. Ф. Ломов); теоретические положения социального конструктивизма о социальной природе познания, развитые в трудах Л. С. Выготского; деятельностный подход (А. Н. Леонтьев, С. Л. Рубинштейн,
B. В. Давыдов, П. Я. Гальперин, Г. В. Суходольский); теория аутопоэзиса
(У. Матурана и Ф. Варела); теория самоорганизации (Г. Хакен) и систем второго
порядка (X. фон Фёрстер); методологические концепции радикального
конструктивизма (П. Ватцлавик, Э.фонГлазерсфельд, Ж.Пиаже, Г. Рот,
C. А. Цоколов), социального конструктивизма (Л. С. Выготский, Н. Луман,
С. Шмидт) и конструкционизма (П. Бергер, К. Джержен, Т. П. Емельянова,
Т. Лукман), энективизма (Ф. Варела, Е. Томпсон, Е. Рош, М. Мерло-Понти);
коннективизма (С. Доунес, Д. Сименс); теория радикального когнитивизма
(В. М. Аллахвердов).
Кроме этого в отдельных интерпретациях использовались положения культурно-исторической психологии Л. С. Выготского, А. Р. Лурия, В. П. Зинченко о культурной опосредованности развития человека.
Базовыми для теоретической части диссертации являются исследования проблем обучения, профессиональных и обучающих сред и организаций, отражённые в работах: Н. В. Бордовской, А. А. Грачёва, В. И. Гинецинского, В. А. Губина, В. М. Дрофы, С. Д. Дерябо, Н. А. Кондратовой, Н. В. Кузьминой, Ю. С. Мануйлова, В. Л. Марищука, В. Н. Машкова, Л. И. Новиковой, В. И. Панова, В. В. Рубцова, В. А. Сластенина, Н. Л. Селивановой, В. И. Слободчикова, В. А. Толочека, А. А. Хачатурова, Е. А. Ходыревой, М. А. Холодной, И. Г. Шендрик, В. А. Якунина, В. А. Левина и др.
Эргономическая и инженерно-психологическая интерпретация результатов теоретических исследований, полученных в работе, проводилась с использованием методологии и практики эргономического и инженерно-психологического подходов к обеспечению задач создания и эксплуатации обучающих и профессиональных человеко-машинных систем, отражённых в работах В. А. Бодрова, А. И. Галактионова, Ю. А. Голикова, Л. Г. Дикой, Ю. М. Забродина1, Г. М. Зараковского, В. П. Зинченко, Т. П. Зинченко, А. Н. Костина, А. А. Крылова, В.М.Львова, Б.Ф.Ломова, Г.С.Никифорова, А. А. Обознова, К): К. Стрелкова, А. А. Фрумкина, П. Я. Шлаена.
Практическая часть исследования опирается на работы в области эргономического обеспечения проектирования тренажёров для подготовки операторов систем управления динамическими объектами (В. А. Бодров,' Ю. А. Голиков, Г. А. Гоманчук, Н. Д. Гордеева, Г. Н. Горбунова, Л. Г. Дикая, В, Г. Евграфов, В. Г. Зазыкин, Т. П. Зинченко, Г. Л. Коротеев, А. Н. Костин, Н. М. Лебедева, В. М. Лискин, Л. В. Куликов, А. И. Нафтульев, П. И. Падерно, К. К. Платонов, Л. И. Рябинкина, Б. В. Овчинников, Ю. И. Филимоненко,
A. П. Чернышев) и систем искусственного интеллекта для самолётов 5-го
поколения (Б. Е. Федунов, Р. А. Шек-Иовсепянц).
В части исследования параметров и свойств иммерсивных сред, интерфейсов и виртуальной реальности использовались результаты
B. И. Алешина, В. О. Афанасьева, А. Ю. Подшивалова, В. Барфилда (W. Barfield),
Ф. Биоки (F. Biocca), Т. Дайтона (Г. Ditton), Н. И. Дурлах (К I. Durlach),
М. Сингера (М. J. Singer), В. Иссельстейна (W. Ijsselsteijn), Е. Катены (Е. Catena),
М. Ломбарда {М. Lombard), Жака Лумиса (J. Loomis), Т. Марша (Т. Marsh),
X. Ридера (Я. de Kidder), М.-Л. Райан (Kuan Marie-Laure), М. Слейтера (М. Slater),
Б. Уитмера (В. G. Witmer),T. Шеридана {Т. Sheridan), Ж. Штоера (J. Steuer),
C. Эванса (S. Avons), М. Юсоха (М. Usoh).
Исследование опирается на взаимодополняющие методологические принципы и подходы:
комплексный подход (Б. Г. Ананьев);
системный подход (Б. Ф. Ломов);
принцип единства сознания и деятельности (С. Л. Рубинштейн);
принцип гносеологической редукции (В. М. Аллахвердов); -антропоцентрический подход к эргономическому проектированию
(Б. Ф. Ломов);
- подход взаимного резервирования человека и техники (А. Н. Костин).
Цель исследования: методологическое, теоретическое и практическое
обоснование эргономического базиса создания искусственных иммерсивных сред для проектирования эффективных систем интерфейса, обучающих и профессиональных эрготехнических систем.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:
Осуществить теоретический анализ феномена «среда» в контексте изучения процессов обучения и профессиональной деятельности.
Сформулировать на базе анализа представлений о законах обучения в искусственных иммерсивных средах основные положения теории обучающих и профессиональных иммерсивных сред.
Проанализировать эргономические факторы, влияющие на обучение в искусственных средах и формирование обучающих сред.
Систематизировать с эргономической точки зрения основные виды сред, возникающих в профессиональной и учебной деятельности.
Обосновать методологию проектирования и внедрения положений теории иммерсивных сред в практику разработки тренажёров операторов динамических систем и систем иммерсивного интерфейса для сложных технических комплексов.
Описать структуры эргономических реализаций индуцированных иммерсивных сред.
Экспериментально проверить зависимость эффективности тренажёрных сред обучения от уровня иммерсивности, достигаемого имитационными системами тренажёра.
Обосновать эргономические принципы и методологические схемы для тематического проектирования иммерсивных сред на примере проектирования самолётов 5-го поколения, тренажёров и виртуальных интерфейсов с индуцированными средами.
Выявить перспективные направления эргономического обеспечения проектирования эргатических систем, включающих искусственные среды.
Гипотезы исследования:
Среда эргатической системы является продуктом конструирующей деятельности психики человека-оператора и не может быть рассмотрена вне её психического содержания.
Среда отражает феномен динамической целостности циклически формирующихся цепей отношений человека с физической и социальной реальностью в процессе обеспечения его жизнедеятельности. Среда выступает перед субъектом одновременно в виде субъективной реальности и как внешняя предметная, объективная структура мира, в котором действует субъект.
Обучающая среда в содержательном плане возникает всегда как динамический процесс формирования сети отношений в субъекте обучения, в который им лично (не всегда осознанно) избирательно вовлекаются самые разнообразные элементы внешнего и/или внутреннего окружения с целью обеспечения: аутопоэзиса организма, стабильности личности и непрерывности её истории.
Организация и методы исследования
Исследование проводилось в учебном центре подготовки операторов с 1997 по 2007 годы. В качестве испытуемых в экспериментах приняли участие лица мужского пола в возрасте 18 лет в количестве 1250 человек (каждый год в среднем по 90-150 человек). По результатам работы медицинской комиссии каждый из них был признан физически и психически здоровым. Экспериментальные процедуры осуществлялись в процессе профессионального обучения и отработки технических и методических решений тренажёров для подготовки операторов систем слежения. Участники экспериментов ранее не имели навыков работы по управлению динамическими объектами.
Для решения поставленных задач и проверки гипотез использовался широкий круг методов, включающий:
-методологический анализ элементов концептуального базиса средоориентированного подхода;
-теоретический анализ научных работ, отражающих состояние проблемы эргономического и инженерно-психологического обеспечения обучающих и профессиональных сред сложных технических систем и тренажёров;
- методы наблюдения, сбора и обработки информации;
-теоретическое и натурное моделирование систем профессиональной подготовки, включающих тренажёры;
опросные методы для оценки параметров иммерсивных сред;
методы моделирования обучающего контента виртуальной среды тренажёра;
-методы оценки учебной и профессиональной деятельности операторов на тренажёрах и реальных эргатических системах;
- метод контент-анализа учебных дискурсов;
-метод экспертных оценок результатов учебной и профессиональной деятельности;
- профессиографические описания.
Обработка результатов сравнительных экспериментов осуществлялась методами математической статистики с помощью статистического пакета SPSS-13.0.
Положения, выносимые на защиту:
Теория обучения в иммерсивных средах включает следующие базовые принципы: самоорганизации, селективности, погружения, присутствия, конструирующей активности обучаемого, взаимной ориентации (человек-машина, человек-человек) в процессе обучающей коммуникации, физической непосредственности и субъектной (сознательной) опосредованности -интерпретативности, историчности.
Иммерсивная обучающая среда является динамическим системным самоорганизующимся психологическим конструктом, обладающим свойствами -иммерсивность, присутствие, интерактивность, внесубъектная
пространственная локализация, избыточность, наблюдаемость, доступность когнитивному опыту (конструируемостъ), насыщенность, пластичность, целостность, мотивогенность, - проявляющимися в форме активного обучения.
Присутствие в иммерсивной обучающей среде - это динамический процесс включения человека (его психологической и психофизиологической систем) в среды человеческого опыта в процессе их конструирования и освоения, сопровождаемый чувством присутствия.
В обучающих системах с иммерсивными средами знание, умение и навыки оператора представляют собой текущий репертуар циклически конструируемых рекурсивным образом возможных различений в среде опыта, физических и умственных действий, направленных на эффективное привлечение и использование всех видов доступных (и создание новых) ресурсов (и способов их получения), подключаемых для достижения целей системы.
Для решения задач, возникающих в связи с усложнением техносферы и появлением сложных эрготехнических систем, требуются изменения и дополнения в методологический и понятийный базисы эргономики и инженерной психологии в виде концептов «среда», «техническая среда», «эрготехническая среда», синергетических и постклассических представлений понятий «знание», «умения» и «навыки» с учётом аутопоэтического характера взаимодействий, возникающих в системе «оператор-среда».
Научная новизна:
Впервые представлена психологическая концепция среды, отражающая процессы самоорганизации в профессиональных и обучающих эргатических системах.
Предложена на её базе теория иммерсивных сред, позволяющая с единых методологических позиций более эффективно, чем раньше, осуществлять процессы эргономического обеспечения и проектирования сложных технических сред.
Показана целесообразность введения в концептуальный базис эргономики и инженерной психологии понятий «среда», «техническая среда», «эрготехническая среда» и постклассических представлений понятий «знание», «обучение», что позволяет обеспечить дальнейшее развитие данных отраслей знания.
Выделены основные виды обучения в искусственных средах обучения, позволяющие формировать эффективные обучающие системы.
Предложены усовершенствованные методы эргономического обеспечения и проектирования искусственных иммерсивных сред обучения и профессиональных сред, учитывающие особенности деятельности человека в средах с неклассической физикой.
Впервые обосновано и предложено описание нового класса эргатических систем, систем с искусственными - индуцированными виртуальными иммерсивными средами - для различных сфер применения. Главное отличие данных систем от классических эргатических систем - формирование в них искусственных миров, операторская деятельность в которых связана с эффективностью системы в реальном мире.
Предложена и обоснована с позиций теории иммерсивных сред новая методологическая концепция «умножения возможностей», реализующая подход взаимного проектирования, и показаны перспективы её использования для инженерно-психологического и эргономического проектирования сложных технических систем в рамках программы создания авиационной техники 5-го поколения. . . . '
Теоретическая значимость: ... 1. Теоретически обоснована и предложена концепция иммерсивных сред, развивающая научные представления об обучении и профессиональной деятельности в искусственных средах.
Выдвинута и обоснована теория профессиональных и обучающих иммерсивных сред, объясняющая суть процессов обучения и профессиональной деятельности на базе концепций самоорганизации и аутопоэтическои организации биологических систем и методологии конструктивизма.
Создана теоретическая основа для инженерно-психологического проектирования и эргономического обеспечения практики создания иммерсивных профессиональных и обучающих сред на основе базовых положений теории иммерсивных сред, позволяющая получить Материал для новых научных исследований в сфере создания эффективных эргатических систем.
4. В понятийный аппарат эргономики и инженерной психологии впервые введены новые категории: «среда», «техническая среда», «эрготехническая среда», «обучающая среда», позволяющие учитывать процессы самоорганизации и аутопоэзиса, протекающие в процессе функционирования сложных эрготехнических систем.
Практическая значимость
Результаты диссертационного исследования могут применяться и использоваться:
В практике проектирования сложных эргатических комплексов с системами искусственного интеллекта, содержащих иммерсивные среды и системы виртуальной реальности.
В процессе тематического и организационно-педагогического проектирования систем профессиональной подготовки, включающих искусственные среды обучения, реализующих обучение в искусственных мирах операторов широкого класса динамических систем.
При эргономическом проектировании тренажеров операторов систем управления динамическими объектами и при создании авиационных и морских тренажёров широкого класса.
При создании средового интерфейса и виртуальных рабочих сред для систем дистанционного управления летательными аппаратами и ракетно-космическими системами.
При создании систем индуцированного иммерсивного интерфейса, обладающих особыми свойствами, позволяющими повысить эффективность эргатических систем, действующих в экстремальных условиях.
В процессе подготовки специалистов в области психологии труда, инженерной психологии и эргономики, решающих задачи психологического обеспечения проектирования сложных технических комплексов, включающих интеллектуальные среды интерфейса и деятельности.
Концептуальный подход «умножение возможностей», реализующий методологию взаимного проектирования человека и техники, целесообразно использовать при тематическом проектировании объектов военной техники, управляемой человеком. Он позволяет с единых позиций сформировать не только техническую. компоненту эргатического комплекса, но и ввести элементы техяоконструирования личности оператора в направлении повышения эффективности системы в целом.
Результаты исследования использованы:
-в практике Тульского центрального конструкторского бюро аппаратостроения (ЦКБА) при проектировании тренажёров и систем профессиональной подготовки операторов управляемого вооружения Сухопутных войск (классных тренажёров на базе персональных компьютеров). Методической основой для создания данной серии тренажёров явились эргономические решения, вытекающие из концепции средоориентированного обучения и теории обучающих иммерсивных сред, предложенных автором, и реализованные в тренажёре 9Ф660. Он предназначен для тренировки операторов переносных ПТРК и принят на снабжение вооружённых сил РФ;
в НИР и ОКР проводившихся в ЦКБА, посвященных вопросам создания эффективных тренажёров, методов и средств профессиональной подготовки операторов КУВ;
в ОАО «Пензенское КБ моделирования» (г. Пенза) - при разработке авиационного тренажёра для самолёта ТУ-204 в процессе тематического проектирования и формирования методик обучения на тренажёре и в НИР по проектированию перспективных авиационных тренажёров на базе систем виртуальной реальности;
-в ГУЛ «Пилотажно-исследовательский центр» (г.Жуковский) при ; разработке методик лётных испытаний новых образцов авиационной техники в части учёта особенностей поведения пилота в сложном техническом окружении;
- в ЗАО «Научно-исследовательский центр авиаприборостроения» (Москва)
при разработке методик оценки вариантов авиационной техники с различными
формалін приборного оборудования и систем интерфейса;
-в научно-исследовательской и проектно-конструкторской деятельности ОАО «Корпорация «Аэрокосмическое оборудование» (Санкт-Петербург) в виде рекомендаций в процессе разработки авиатренажёров для самолета Ил-96-300 и при формировании методического и программного обеспечения для перспективных авиационных тренажёров и систем интерфейса для управления самолётом, содержащих высокоточную ЗБ-имитацию и среды виртуальной реальности;
-в научно-исследовательской и проектно-конструкторской деятельности ЗАО «Автокомпоненты и оборудование» (Санкт-Петербург) в виде рекомендаций при формировании технического задания на разработку тренажера грузового автотранспорта;
" - в проектно-конструкторской и учебно-тренировочной деятельности ОАО «Российский центр авиационного тренажёростроения» (Москва) при создании методического и программного обеспечения тренажёров в качестве концептуально-методологической базы проектирования в виде:
тематических заданий на учебные средства и пособия для подготовки авиационных специалистов;
анализа коммуникационной системы тренажёров систем связи;
методик оценки степени иммерсивности в пилотажных тренажёрах.
Использование указанных результатов позволило значительно повысить
качество проектирования и эффективность разрабатываемых перспективных учебно-тренировочных средств. Сократились затраты на проведение опытно-конструкторских работ и натурных испытаний; обеспечено качество подготовки водителей автотранспорта, лётчиков боевой и гражданской авиации, технического персонала.
Результаты диссертационной работы отражены: в содержании учебных курсов «Инженерная психология и эргономика» и «Когнитивная психология», читаемых автором в Санкт-Петербургском государственном университете; в учебно-методических материалах и пособиях автора, ориентированных на разработчиков тренажёров, систем управления, обучения и профессиональной подготовки операторов.
9. Методические разработки нашли отражение в опубликованных учебных пособиях и курсах лекций по эргономике для студентов гуманитарных вузов.
Достоверность и надёжность результатов
Достоверность и надёжность результатов обеспечены применением современных методов и средств планирования, организации и проведения научных исследований. Материалы исследования использовались в практике создания тренажёров и автоматизированных обучающих систем, были получены повторяющиеся результаты, укладывающиеся в рамках предложенных понятийных и методологических схем.
Апробация результатов исследования
Результаты исследования нашли своё отражение в 80 публикациях, в том числе в 2 монографиях и в 3 учебно-методических пособиях и курсах лекций, авторских свидетельствах на изобретения и патенты, научных статьях общим объёмом свыше 91 печатного листа.
Результаты диссертационного исследования были апробированы: в многолетней практике эргономического проектирования тренажёров операторов систем управляемого вооружения для Военно-морских сил и Сухопутных войск РФ, авиационных тренажёров и техники специального назначения, в процессе научно-исследовательской и практической работы автора на протяжении последних более двадцати лет в Центральном конструкторском бюро аппаратостроения в г. Туле и на предприятиях Корпорации «Аэрокосмическое оборудование» в Санкт-Петербурге и Москве; в процессе обучения в докторантуре факультета психологии Санкт-Петербургского государственного университета; на заседаниях научно-практического семинара «Актуальные проблемы психологии труда, инженерной психологии и эргономики», проводизшегося в период с 2003 по 2009 годы в Институте психологии РАН (Москва) под руководством профессора В. А. Бодрова; на научно-технической конференции «Эргономика периферийных устройств ПЭВМ и социальные последствия компьютеризации» (г. Орёл, 1988); на VII Всесоюзном съезде общества психологов СССР (Москва, 1989); на VII Всесоюзной конференции по инженерной психологии (Ленинград, 1990); на 4-й, 5-й, 6-й, 7-й Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (Москва, 2005,2006,2007,2008); на Второй международной конференции по когнитивной науке (Санкт-Петербург, 2006); на XVII, XVIII, XIX, XX Международных конференциях «Применение новых технологий в образовании» (г. Троицк, 2006,2007,2008,2009); на научно-практической конференции «Ананьевские чтения-2006» (Санкт-Петербург, 2006); на Международном симпозиуме «Философия образования Востока и Запада: Развитие диалога» (г. Новосибирск, 2006); на Международной конференции «Технологические и методологические аспекты современного этапа развития образовательно-реабилитационных программ непрерывного образования инвалидов» (Москва, 2007); на международной конференции «Психология и эргономика: Единство теории и практики» (г. Тверь, 2007); на IV съезде Российского психологического общества «Психология - будущему России» (г. Ростов-на-Дону, 2007); на Всероссийской конференции «Человек и его мир в эпоху постмодерна» (г. Новосибирск, 2007); на Международной научно-
методологической конференции (14-я сессия) «Актуальные проблемы развития высшей школы: Проблемы качества подготовки специалистов. Эдукология - новая наука образования» (Санкт-Петербург, 2008); на 1-й конференции МАА-РАКЦ «Космос для человечества» (г. Королёв, 2008); на 2-й Российской мультиконференции по проблемам управления «Мехатроника, автоматизация, управление» (Санкт-Петербург, 2008); на 5-й Российской конференции по экологической психологии (Москва, 2008); на Международной научно-технической мультиконференции «Актуальные проблемы информационно-компьютерных технологий, мехатроники и робототехники (ИКТМР-2009)», секция МАУ-2009 (с. Дивноморское, 2009); на V Всероссийской научно-технической конференции Национальной Ассоциации авиаприборостроителей «Передовые технологии в авиаприборостроении» (Санкт-Петербург).
Структура работы
Диссертация состоит из оглавления, перечня условных обозначений, введения, четырёх глав, заключения, выводов и практических рекомендаций, библиографического списка, трёх приложений. Диссертация изложена на 420 страницах* из них 379 страниц основного текста. Основной текст содержит 14 рисунков и 19 таблиц. Список литературы содержит 491 наименование, из них 106 — на иностранных языках.
Методологические проблемы эргономики иммерсивных сред
Создание новых видов искусственных (в том числе и технических) сред жизнедеятельности и обитания человечества традиционно осуществляется в процессе проектной деятельности методами технического (инженерного) и тематического (собственно психологического) проектирования. Проект предполагает видение желаемого будущего и наличие методов и средств, необходимых и достаточных для его достижения. В этом аспекте можно говорить, что любое проектирование, осуществляемое человеком, является психологическим, в том числе и осуществляемое силами инженерных и психологических наук. В нем задействованы психологические ресурсы и профессиональный опыт человека, направляемые на создание нового продукта.
Однако на практике процессы технического и тематического проектирования разделены и считаются независимыми, самостоятельными дисциплинами. При этом техническое проектирование направлено на реализацию инженерными методами машин и механизмов с заданными в процессе тематического проектирования физическими свойствами, а тематическое - на формирование образа будущего и технического задания на разрабатываемое изделие (систему, машину, программу). Процессы формирования технического задания на новое изделие, получение проектного решения слабо исследованы в психологии, так как они в значительной мере связаны с традициями проектирования, технической культурой, кругозором и опытом конкретных разработчиков технического задания, что является содержанием специальных технологических знаний, которых нет у большинства психологов. Кроме того, в инженерной среде господствует парадигма технического проектирования, оформленная в нормативно-технических документах в виде ГОСТ, рекомендаций и инструкций, в соответствии с которыми инженерное проектирование сводится к алгоритмам правильного применения технических знаний и технологий.
Основное психологическое содержание процесса инженерного проектирования связано с учетом особенностей функционирования психологических механизмов, действующих в авторе (инженере-проектировщике) в процессе создания им новых технологий, продуктов и достижения паллиативов в технико-технологической и экономической сферах, необходимых при получении требуемого результата. Основное психологическое содержание тематического проектирования заключается в создании образа будущего изделия, наделении его свойствами, удовлетворяющими потребителя, или свойствами, формирующими будущего потребителя в рамках существующих и доступных ресурсов и технологий. Понятия «потребитель» и «потребность» рассматриваются нами в широком смысле, включая социальные потребности и самого потребителя. Можно говорить о том, что в инженерном проектировании разработчик имеет дело с онтологическими, а в психологическом проектировании - с когнитивными моделями будущего изделия. Инженерное проектирование связано с ограничениями, порождаемыми реальным физическим миром, и поэтому оно носит более консервативный характер, а тематическое - ничем не ограничено кроме полета фантазии и мысли автора. Конечно, в действительности эти обе формы проектирования смыкаются в поисках паллиатива - одного из возможных решений, доступных к реализации на достигнутом в проектной организации уровне развития науки, техники и технологии.
Развитие инженерной психологии как дисциплины специфической формы знания, отражающей в традициях советской психологии информационно 31 деятельностный взгляд на человека как элемента системы «человек-машина» (социотехнической системы), породило особую форму проектной деятельности -инэюенерно-психологическое проектирование.
Впервые данный термин был введен Б. Ф. Ломовым и обозначал проектирование деятельности человека в технической системе. Задача проектировщика состояла в создании проекта деятельности человека и на его основе определении требований к техническим устройствам, необходимым для ее осуществления2. Концепция инженерно-психологического проектирования, несмотря на свою внешнюю простоту и привлекательность, оказалась довольно противоречивой и породила целый ряд вариантов, различающихся своими методологическими основами и взглядами на роль человека в технической системе. Основные из них: антропоморфная (В. Я. Дубровский, Л. П. Щедровицкий)3; включения (А. А. Крылов)4; процессуальная (Б. А. Смирнов, А. И. Прохоров с соавт.) ; системно-антропоцентрическая (А. И. Нафтульев, М. А. Дмитриева, А. А. Крылов)6; взаимной адаптации человека и техники (Г. В. Суходольский) ; анализа и многоуровневой адаптации человека и машины (В. Ф. Венда)8; активного оператора (В. А. Пономаренко, Н. Д. Завадова)9; деятельностно-центрическая, или системоцентрическая (А. А. Пископпель с соавт.)10 концепции инженерно-психологического проектирования.
Каждое из указанных концептуальных направлений позволяет решать задачи проектирования определенного класса человеко-машинных систем и тем более эффективно, чем ближе деятельность человека в них напоминает или является деятельностью по выполнению заранее заданного алгоритма управления, не предъявляющего особенных требований к психофизиологическим структурам человеческой памяти и восприятия. Это достаточно ограниченный, хотя и широко распространенный, класс потоковых систем, связанный с манипулятивным управлением при заданных временных ограничениях. К нему относятся системы управления транспортными средствами, энергетическими установками, судовыми двигательными установками, системы диспетчерского типа, автоматизированные системы управления и др.
В настоящее время прогресс в области компьютерных технологий позволил автоматизировать функции алгоритмического управления. Все более широкое значение приобретают эрготехнические системы, в которых алгоритмические задачи решаются с помощью компьютерных систем, а их нетривиальные продолжения возложены на человека. При этом машина реализует по отношению к оператору определенную форму поведения. Эти системы будем называть сложными системами, системами с искусственным интеллектом, или системами поведенческого типа. Они включают человека в поток взаимодействий с интерфейсом технической системы, требующим проявления высших когнитивных и иных психических функций для обеспечения адекватного поведения человека в процессе жизнедеятельности в технической среде. Сложность системы в данном случае не связана с технической сложностью системы, а определяется степенью включенности психофизиологической системы человека во взаимодействия с системой. Технически сложная система может быть для оператора чрезвычайно простой и понятной в манипуляциях, и, наоборот, менее с технической точки зрения технически сложная система может включать оператора в чрезвычайно неоднозначные отношения с действительностью. Например, наделение системы интерфейса управляемой системы искусственным интеллектом вызывает в человеке социальные коммуникативные формы отношений с нею, очеловечивание машины, что далеко не сводимо к простым алгоритмическим операциям. Процесс проектирования деятельности человека в таких условиях приобретает неопределенный характер, а порою и невозможен вследствие возникающего неограниченного поля взаимодействий между человеком и машиной. Возникает ранее не существовавшая задача проектирования личности машины, ее характера.
Для проектирования деятельности операторов, работающих с автоматическими системами и системами повышенной автоматизации, использующими технологии искусственного интеллекта, предложены концептуальные подходы: взаимного резервирования оператора и автоматики (Ю. Я. Голиков, А. Н. Костин)11; субъектно-ориентированный (В. Е. Лепский)12; адаптивной автоматизации (Ю. Я. Голиков); независимых отношений (Ю. Я. Голиков)13; умножения возможностей (С. Ф. Сергеев)14.
Появление новой техники и технологий требует применения адекватных инженерно-психологических решений и методов и является катализатором развития новых научных направлений инженерной психологии. Действительно, в истории развития инженерной психологии как научно-практической дисциплины наблюдаются возникновение и смена парадигм проектирования и, соответственно, взглядов на роль и положение человека в технической системе. Рассмотрим наиболее важные из них.
В начальном периоде эволюции технических систем большую роль играл «машиноцентрический подход», в соответствии с которым, человек рассматривается как звено технической системы, решающее ту или иную ее задачу. Описание оператора осуществляется в терминах анализа технических средств. Определяются «входные» и «выходные» параметры человека, составляется его передаточная функция. Задачей исследователя является поиск некоторых констант, не зависящих от условий работы человека. Такой подход оказался малопродуктивным при анализе сложных систем, так как поведение человека в них осуществляется сложным, плохо формализуемым образом.
Свойства эргатических сред: постклассическая интерпретация
Любая искусственная физическая или виртуальная среда в ее единстве с включенным, погруженным в нее субъектом (иммерсивная среда), ведет к появлению психического образования - иммерсивной обучающей среды, обладающей обучающим эффектом, выраженность которого зависит от ряда ее свойств.
Введем на основании теоретического анализа конструктивистских представлений ряд свойств иммерсивной обучающей среды, важных при проектировании обучающих человеко-машинных систем:
- избыточность;
- наблюдаемость;
- доступность когнитивному опыту (конструируемость);
- насыщенность;
- пластичность;
- внесубъектная пространственная локализация;
- автономность существования;
- синхронизируемость;
- векторность;
- целостность;
- мотивогенность;
- иммерсивность;
- присутствие;
- интерактивность.
Данные свойства отражают особенности функционирования обучающей среды как самоорганизующейся системы. При этом в среде происходит преобразование одной системы в другую или осуществляется совместная деятельность двух и более систем, по меньшей мере, одна из которых -аутопоэтическая.
1. Избыточность как свойство обучающей среды позволяет обеспечить множественность взаимоотношений с нею, результатами которых являются поддержание аутопоэтического цикла и построение эффективной картины действительности. Окружающая физическая среда является принципиально многозначной и многовариантной в отношении своей предметности, своих закономерностей и смыслов, порождаемых действующим мозгом. Это питательная среда для построения учебного опыта. Именно ее многозначность и доступность опыту субъекта позволяет обеспечивать феномен обучения. Избыточность отражает потенциал внешней и внутренней компонент обучающей среды.
2. Насыщенность обучающей среды проявляется в наличии в ней множества обучающих ресурсов, связанных с включением психофизиологической структуры ученика в искусственные или естественные миры учебной деятельности. Насыщенная среда включает механизмы различений, обеспечивает многовариантность отношений, что позволяет обеспечить широкий спектр дидактических влияний на ученика.
3. Наблюдаемость среды проявляется в процессе конструирования действительности. То, что не наблюдаемо, средой не является, хотя и может присутствовать в физической реальности. В качестве наблюдателя может выступать как субъект, так и другие субъекты, обладающие аналогичными. механизмами порождения действительности. При этом наблюдаемое человеком всегда преломляется через призму его индивидуального опыта и имеет личностную окраску. Наблюдаемость среды образует основу для передачи наблюдаемой компоненты учебного опыта.
4. Доступность среды когнитивному опыту субъекта отражает принципиальную ее конструируемость и, как следствие, вызывает в субъективном мире субъекта представление в форме действительности. Недоступные когнитивному опыту (не конструируемые) элементы реальности субъектом в форме среды не воспринимаются. Доступность обучающей среды предполагает и определенную степень готовности субъекта к включению в среду. Доступная среда не всегда вызывает феномен наблюдаемости, так как последний связан более с работой механизма сознания, а доступность предполагает в том числе, и ненаблюдаемые контакты человека со средой.
5. Пластичность обучающей среды - свойство структуры среды, позволяющее ей легко принимать и обеспечивать стабильность форм, обусловленных многообразием методического содержания, обеспечивающего реализацию обучающих процедур.
6. Внесубъектная динамическая пространственная локализация проявляется в конструктах, отделяющих принадлежащие среде свойства от свойств субъекта. В конструктах мозга среда пространственно вне субъекта. Ее динамический характер проявляется в том, что субъект не генерирует среду во всем ее пространственно-временном континууме. Для него среда порождается локально в виде фокусов внимания с диффузными границами, непрерывно и постоянно изменяющимися в зависимости от текущего состояния биологической системы организма и актуального психического содержания. Вместе с тем субъект ощущает константность среды, свою отделенность от нее. Внесубъектная пространственная локализация совсем не означает разделение систем организма и окружающей среды. Она определяет свойства наблюдателя и проявляется в его субъективной сфере.
7. Автономность существования среды проявляется в наличии ее собственной истории, не связанной напрямую с опытом субъекта, который. появляется и проявляется лишь в процессе взаимодействий со средой. Можно говорить об одновременном существовании истории среды в субъекте, которая доступна только субъекту и истории среды вне субъекта - доступной внешним наблюдателям (в той мере как она порождается в их субъективных мирах, в том числе и в форме культуры). Это разные истории.
8. Синхронизируемостъ среды определяет наличие индивидуальных временных (темпоральных) качеств, присущих всем элементам среды и связанных с процессами модификации опыта обучаемого. Проявляется в когерентности возникающего обучающего эффекта. Только синхронизации внешнего и внутреннего, наблюдаемого и существующего, позволяют нам говорить о среде как структурирующем феномене. Синхронизация процессов, происходящих в физической и психической реальности, обеспечивает наблюдаемые предметные и динамические качества среды. Предмет как элемент организации среды существует в восприятиях субъекта в форме образа только в определенном темпе времени. Он обладает свойствами константности, устойчивости лишь в некотором интервале длительностей. Мы, говоря о предметах и объектах, подразумеваем, что это динамические устойчивости, и время их жизни превышает наблюдаемые в нашем субъективном времени девиации их свойств. Так, например, если время жизни предметных устоичивостеи окружающего мира значительно превосходит срок жизни человека, то мы говорим об их вечности: если их изменения не сильно заметны, — о предметности, вещности. Если же речь идет об устойчивостях, длящихся в короткие интервалы наблюдаемого субъектом времени, то можно рассматривать их как динамические процессы, связанные с изменениями в среде. Важен масштаб. Понятно, что процессы, скорость которых превышает возможности нашего восприятия, являются ненаблюдаемыми процессами, и мы можем говорить лишь об их следе.
Синхронизируемость как свойство отражает темпоральные свойства среды. При этом необходимо различать два процесса - объективное время, рассматриваемое в физике и связанное с общими свойствами материи как объективной реальности, и субъективное время - как свойство, возникающее в конструируемой человеком действительности. Несмотря на терминологическую общность данных понятий, это разные виды времени. Феноменология внутреннего времени подробно рассмотрена в работах Э. Гуссерля175 и его последователей, а нейро-феноменологический аспект проблемы субъективного времени представлен в исследованиях Ф. Варелы . Подробный психологический анализ проблемы субъективного представления времени не входит в задачи настоящей работы, и отметим лишь важные для дальнейшего изложения моменты.
Описание экспериментального оборудования и процедуры эксперимента
Для оценки условий формирования эффективных обучающих сред в рамках настоящей работы была проведена серия экспериментальных исследований посвященных определению влияния уровня иммерсивности тренажера и степени присутствия оператора в среде обучения на свойства обучающей среды.
Рассматривалась деятельность оператора систем слежения за динамическими объектами. Для экспериментальной части настоящего исследования выбрана деятельность операторов противотанковых ракетных комплексов (ПТРК).
Данные комплексы (рис. З.1., 3.2., 3.3.) относятся к системам вооружения, предназначенным для поражения бронированных объектов противника непосредственно на поле боя. Несмотря на то, что они размещены на разных носителях (переносной пусковой установке, боевой машине десанта БРДМ-2, гусеничном плавающем многоцелевом легком бронированном транспортёре-тягаче МТ-ЛБ), все они используют однотипные органы управления, оптические каналы наведения и системы управления ракетами по скорости и ускорению. В связи с этим деятельность операторов указанных систем близка по структуре и содержанию, что предполагает использование в процессе профессиональной подготовки аналогичных учебно-тренировочных средств (УТС) основу которых составляют тренажеры.
Для формирования учебных задач применялись следующие тренажеры операторов ПТРК:
- с низким физическим подобием (тренажер 2У439);
- средним подобием (9Ф660);
- с высоким подобием (9Ф660-4);
-с высоким подобием для работы на реальной местности (9Ф618) различных модификаций.
На каждом из них проводилась оценка уровня иммерсивности обеспечиваемого тренажером, уровней вовлеченности (поглощения) и присутствия в среде обучения достигаемых операторами. Рассматривались и создавались условия, стимулирующие получение различных видов и степеней присутствия в среде обучения. Применены модели физического и психологического подобия. Ряд экспериментальных процедур был осуществлён в процессе профессионального обучения и опытно-конструкторской отработки технико-технологических и методических решений тренажеров серии 9Ф660 (для подготовки операторов ПТРК).
В качестве испытуемых использовался контингент лиц мужского пола в возрасте 18 лет в количестве 1250 человек обучавшихся в учебном центре подготовки операторов систем управления динамическими объектами с 1997 по 2007 годы (каждый год в среднем по 90-150 человек). Участники экспериментов ранее не имели навыков работы по управлению динамическими объектами. По результатам работы медицинской комиссии каждый из них был признан физически и психически здоровым.
Обобщенное описание профессиональной деятельности оператора системы слежения (ПТРК):
- наблюдая в окуляр визирного устройства изображение визуальной обстановки, оператор должен установить резкость визирного устройства вращением кольца диоптрийной установки;
-выбрать оптимальную скорость вращения механизма горизонтального наведения пусковой установки при помощи штока переключателя скорости (вытянутое положение штока соответствует большей скорости);
-найти цель, идентифицировать ее, измерить дальность до цели при помощи дальномерной шкалы, доложить инструктору тип цели, дальность до цели, выбранный тип ПТУР и ее полетное время до цели;
-получив команду на поражение, совместить центр сетки визирного устройства с центром контура цели и нажать на спусковой крючок механизма пуска;
-плавно вращая маховики механизмов горизонтального и вертикального наведения (или с помощью рукоятки - кнюпеля), совместить имитатор ПТУР (прицельную марку) с контуром цели и удерживать его в этом положении до окончательного поражения цели.
Команды на управление прицельной маркой прибора наведения подаются путем вращения маховиков горизонтального и вертикального наведения пусковой установки: левой рукой от себя - команда «вниз», на себя - команда «вверх»; правой рукой от себя команда «вправо», на себя - команда «влево» или путем перемещения кнюпеля «вправо-влево», «вверх-вниз». Среднее время выполнения учебной задачи зависит от скорости имитируемого управляемого объекта, дальности до имитируемой цели и составляет 5-45 с.
Рассмотрим основные технические и дидактические возможности тренажеров, моделирующих условия деятельности операторов слежения в наших экспериментах. Все тренажеры разработаны в Центральном конструкторском бюро аппаратостроения (г. Тула) коллективом разработчиков под руководством, Г. Л. Коротеева, В. М. Лискина В. В. Сигитова, В. Н. Соколова. В них использованы, в том числе и тематические и инженерно-психологические разработки автора настоящего исследования, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения (см. Приложение 3).
Тренажер 2У439 (рис. 3.4.) представляет собой механическую конструкцию, содержащую корпус в виде параллелепида, в котором установлена подвижная платформа, наклон которой может меняться во всех направлениях с помощью органа управления в виде ручки, и крышку с укрепленным на ней зеркалом. На платформе расположен трафарет, представляющий собой сложный геометрический контур. Оператор получает задание провести с помощью органа управления по дорожкам трафарета шарик (в качестве шарика используются шарикоподшипники разного диаметра). Такая задача представляет для оператора определенные трудности и может быть решена лишь при наличии достаточно тонкой сенсомоторной координации. Во время работы на тренажере контролируются время проведения шарика по дорожкам с различными по сложности траекториями и число падений шарика с дорожки на платформу.
Тренажер позволяет моделировать различные законы управления. Так, например, при работе в системе управления с органами управления самолетного типа (при этом наблюдается смена направления «вверх-вниз») используется зеркало, инвертирующее изображение. Среда обучения данного тренажера совершенно не похожа на реальную среду профессиональной деятельности и его физическая иммерсивность в целом практически равна нулю. Вместе с тем закон управления шариком на платформе математически подобен закону управления реального объекта управления. В обоих случаях требуется решение дифференциального уравнения 1-го или 2-го порядка. Таким образом, тренажер 2У439 реализует функциональное подобие среды тренажера при минимальном физическом подобии. Однако содержание учебной задачи содержащей довольно сложную сенсомоторную деятельность увлекает оператора в процесс достижения цели, способствует длительной фиксации внимания. Изменение параметров механических звеньев тренажера позволяет изменить условия учебной задачи повысить/понизить ее сложность, что может использоваться в дидактических целях. При решении задач на тренажере 2У439 в моторную деятельность оператора вовлекаются те же системы организма, что и при решении задач наведения и слежения в ПТРК с ручным контуром управления.
Практика применения концепции «умножение возможностей» в тематическом проектировании самолетов 5-го поколения
Перспективным направлением повышения эффективности человеко-машинных систем в рамках средоориентированного подхода является использование концепции инженерно-психологического проектирования, которую мы назвали «умножение возможностей».
В соответствии с нею задачей эргономического проектирования является, прежде всего, расширение возможностей психологической и психофизиологической систем оператора, наделение его новыми свойствами (в том числе и личностными) для решения профессиональной задачи. Подчеркнем, что в данном подходе речь идет не только о проектировании технических систем, включающих человека и учитывающих его свойства, но и о проектировании человека, его внутреннего мира, посредством специальных технических решений и воздействием технической среды и профессиональной коммуникации. «Новый человек» придает эргатической системе новые свойства, ведущие к успешной реализации ее целей.
Данный подход отличается от традиционных, принятых в инженерно-психологическом проектировании, подходов тем, что он реализует методологию взаимного проектирования человека и техники которая осуществляется не только на этапах проектирования эргатическои системы, но и в процессе ее функционирования и эксплуатации. В соответствии с этой методологией в сложных, наделенных искусственным интеллектом, эрготехнических системах происходит активное взаимное влияние пользователя на техническую среду эргатическои системы и обратное влияние технической среды на человека-пользователя. Возникающая коммуникация оказывает ориентирующее, проектирующее и корректирующее действие на ее участников, в том числе и на систему, обладающую искусственным интеллектом.
На этапе тематической проработки технических решений эргатическои системы должны оцениваться вклады каждой новой подсистемы в увеличение возможностей тех или иных систем человека. Речь идет об усилении его перцептивных возможностей, возможностей антиципации, памяти, внимания, принятия решения, мышления, включения в социальные системы и системы коллективного принятия решений и т. д. Необходимо учитывать синергетические эффекты, возникающие вследствие появления новых технических и психологических элементов в проектируемой системе. Особое внимание уделяется и новым способностям, которыми наделяется человек при внедрении той или иной системы. Машина является усилителем и умножителем возможностей оператора.
При таком подходе важную роль приобретает выбор интерфейсных решений, обеспечивающих эффективное включение оператора в комплекс обеспечения целевой функции системы.
Концепция «умножения возможностей» позволяет включить в круг задач, рассматриваемых инженерной психологией, не только вопросы тематической проработки новых изделий и систем с точки зрения обеспечения технико-технологических аспектов проектирования, но и вопросы формирования посредством технической среды эффективного внутреннего мира профессионала - техноконструирование личности.
Основная задача проектировщиков тематической инженерно-психологической основы технических систем нового поколения - наделение личности оператора посредством техники требуемыми свойствами, позволяющими ему успешно решать профессиональную задачу. Оператор получает доступ к свойствам системы, умножающим его возможности эффективной деятельности в среде.
Основная проблема организации деятельности оператора не в информировании его о состояниях окружающей среды и системы, а в ориентировании его в возможностях системы. Проектируемая с этой целью система интерфейса должна предложить оператору инструменты влияния на состояние эргатической системы, что позволяет оператору сделать выбор адекватного инструмента воздействия на среду привычным для него способом. Система интерфейса должна анализировать поведение оператора, который может и не заметить подсказок системы и, в случае необходимости, передать управление от оператора интеллектуальным компонентам среды. Перспективно введение систем, обеспечивающих фиксацию внимания оператора на тех или иных элементах профессиональной среды. Необходимо учитывать, что оператор обладает сознанием, свойства которого, наряду с личностными конструктами «Я», определяют индивидуальные способы использования инструментальных, интеллектуальных и моторных компонентов человека и должны быть учтены при проектировании.
Реализация данного подхода применительно к системам управления с высокой степенью автоматизации имеет ряд особенностей. Рассмотрим их на примере авиационных систем с элементами искусственного интеллекта.
Традиционное, принятое в среде проектировщиков авионики, понимание роли приборно-пилотажного оборудования в задачах представления и обработки полетной информации заключается в обеспечении экипажа с его помощью справочной и текущей информацией, отражающей оперативную ситуацию и состояние бортовых систем самолета, позволяющей эффективно решать поставленную боевую задачу. Оно включает информацию о функционировании технических систем самолета, навигационные данные, информацию о состоянии специального оборудования, предназначенного для поиска и поражения целей, средства связи и коммуникации. Пилот рассматривается как часть человеко-машинной системы, выполняющая функции интеграции информации в «образе полета» , реализующая на его основе тактические и стратегические задачи управления полетом и бортовым оборудованием.
Такая парадигма проектирования навигационно-пилотажных систем самолета, сохранившаяся с первых этапов развития авиационной техники, в настоящее время является существенным тормозом, препятствующим внедрению новых подходов к проектированию авиационных систем. Дело в том, что принятая методология эргономического проектирования рассматривает самолет как набор в значительной мере слабо связанных между собой систем, работающих по функциональному принципу. Каждая из функциональных систем является независимой, имеет свою физическую реализацию и отражающие ее состояние контролируемые параметры, выбор которых в значительной мере произволен и представляет собой смесь разнородных технических показателей. Человек на основании своего профессионального опыта и опыта, полученного в процессе профессионального обучения, выбирает критические, по его мнению, показатели и вырабатывает на их основе управляющее поведение различной степени сложности и эффективности. Однако никто не знает, как именно это происходит. Нашему наблюдению доступно только поведение человека, а не причины, его обуславливающие.
Не изменяют положение и создаваемые в последнее время системы комплексирования и интегрального представления информации, которые повторяют в общих чертах описываемую методологию и отличаются лишь формами представления информации на дисплеях и внешним видом индикаторов и приборных панелей .
