Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ процесса подготовки офицеров войсковых частей 13
1.1 Анализ методов и способов подготовки 13
1.2 Пути интеллектуализации тренажерной базы подготовки специалистов 28
1.3 Теоретико-множественная модель интеллектуального тренажера 42
1.4 Постановка научной задачи и частных задач исследования 50
Выводы по 1 разделу 54
2 Методика разработки дидактических средств интеллектуального тренажера военно-технических систем 58
2.1 Постановка задачи раздела 58
2.2 Разработка агрегированной базовой модели военно-технической системы. .. 65
2.3 Задание множества полных учебных подграфов 83
2.4 Задание полного множества учебных подмоделей 87
2.5 Перечисление оптимального подмножества учебных подмоделей 91
2.6 Рекомендации по разработке банка моделей 98
2.7 Рекомендации по разработке банка иллюстраций 101
Выводы по 2 разделу 103
3 Методические основы интеллектуализации тренажеров... 106
3.1 Структурные принципы интеллектуализации тренажеров 106
3.2 Определение оптимальных вычислительных ресурсов на решение тренажером учебных задач 115
3.3 Разработка методики проведения педагогического эксперимента по оценке эффективности дидактических средств интеллектуального тренажера 120
Выводы по 3 разделу 136
Заключение 137
Литература 140
Приложения 149
- Анализ методов и способов подготовки
- Разработка агрегированной базовой модели военно-технической системы.
- Структурные принципы интеллектуализации тренажеров
Введение к работе
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 действий 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 специа листов 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, состоя щей 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.
З.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.
В первом разделе приведен анализ существующей системы подготовки, выявлены ее недостатки, показаны пути развития тренажерных комплексов. Предложены и обоснованы требования к интеллектуальным тренажерам. Сформулирована совокупность педагогических функций, которые целесообразно передать электронному преподавателю с целью углубления принципа индивидуализации обучения. Предложена теоретико-множественная модель построения интеллектуальных тренажеров. Сформулирована вербальная и математическая постановка научной задачи и частные задачи исследования.
Во втором разделе основной акцент в разработке дидактических средств интеллектуального тренажера ориентирован на эффективное использование предоставляемых вычислительных ресурсов: производительности и памяти ЭВМ и на основе оптимального выбора конструируемых для конкретных учебных ситуаций не посредством их перечисления, а путем построения порождающей процедуры. Предложен алгоритм построения агрегированного графа, описывающий полную модель объекта, как композицию стандартных подмоделей. Построена порождающая процедура полного множества учебных подмоделей ВТС по принципу счетчика, с разрядами, описывающими порядок агрегированных стандартных моделей.
Для идентификации оптимальной по быстродействию модели из полного множества учебных моделей, описывающих заданный режим функционирования, относительно диктуемой учебной ситуацией набора существенных фазовых переменных построен алгоритм, ориентированный на моделирующую программу MatLab с пакетом Simulink и метод ветвей и границ и осуществляющий последовательное уменьшение содержимого счетчика при сохранении адекватности существенных фазовых переменных. Оптимальное по быстродействию соответствующей модели содержимое счетчика запоминается как идентификатор порождающей процедуры.
Предложена структура банка моделей, которая рассматривается как структура, порождающая на основе задаваемых режимов функционирования и наборов существенных фазовых переменных оптимальные учебные модели, отличающиеся наименьшими затратами по производительности привлекаемых вычислительных средств. При этом каждый набор существенных фазовых переменных образуется объединением запросов с выносного пульта управления (ВПУ) согласно с реализуемым режимом функционирования, а также с иллюстрационной и педагогической составляющих интеллектуального тренажера.
С учетом особенностей банка моделей разработаны рекомендации по созданию банка иллюстраций, которые определяют состав размещенных в нем анимационных шаблонов по числу предусмотренных изображений, приводимых в «движение» существенными фазовыми переменными от модели объекта. Скорость изображения процессов определяется масштабом времени моделирования.
В третьем разделе предложена обобщенная схема функционирования и структурные принципы интеллектуализации тренажеров. Поставлены и решены задачи оптимизации вычислительных ресурсов на решение тренажером учебных задач. Описан проведенный педагогический эксперимент по оценке эффективности использования дидактических возможностей интеллектуального тренажера.
В заключении приводятся основные результаты выполненной работы.
Научная новизна результатов работы заключается в разработке теоретико-множественной модели интеллектуального тренажера ВТС на основе принципа многомодельно-сти, методики разработки дидактических средств интеллектуального тренажера военно-технических систем и методических основ интеллектуализации тренажеров военно-технических систем в условиях ограничений на представляемую вычислительную среду.
Практическая значимость заключается в разработке методики построения нового класса тренажеров технических систем, выполняющих функции педагога по предоставлению обучаемым оптимальных наборов дидактических средств в соответствии со складывающимися педагогическими ситуациями .
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием привлекаемого математического аппарата, обоснованностью общепринятых допущений и ограничений, непротиворечивостью и соответствием результатов проведения педагогического эксперимента теоретическим положениям и полученными актами реализации.
Основные положения диссертационной работы, составляющие ее суть и полученные новые научные результаты, докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры, НТК, в Пермском ГТУ и опубликованы автором в 5 статьях, 4 тезисах докладов, 4 отчетах о НИР.
Реализация полученных результатов подтверждается актами реализации в ОАО «Автотрансинформ» (от 9.06.99), в учебном процессе ПРИ РВ (от 7.06.99) и в учебном процессе ПГТУ (от 21.10.99).
Анализ методов и способов подготовки
В современных условиях значительно возрастают требования к знаниям, умениям и практическим навыкам офицеров войсковых частей. Это обусловлено рядом причин, в том числе, повышением сложности современного и перспективного специального вооружения, увеличением интенсив-ностей отказов элементов основных систем из-за участившегося выхода времени эксплуатации за пределы гарантийных сроков, и, как следствие, ростом вероятности возникновения нештатных и аварийных ситуаций, возрастанием роли фактора времени и т. д.
К настоящему времени в процессе подготовки офицеров войсковых частей уже сложилась определенная система организации учебного процесса, которая обеспечивает решение задачи обучения операторов. Основу этой системы составляют: содержание обучения, средства обучения, методы обучения, формы обучения, учебная деятельность обучаемого, обучающая деятельность руководителя подготовки .
Учитывая, что в ряде случаев средства, методы и формы обучения трактуются по-разному, целесообразно привести те определения этих понятий, которые приняты в настоящем исследовании в качестве основных.
Под средствами обучения понимается совокупность объектов, являющихся носителем содержания обучения (учебные пособия, приборы, макеты, стенды изучаемых объектов, учебно-тренировочные средства (УТС) и т. п.). Методы обучения — это способы использования средств обучения для достижения необходимого уровня подготовки. В настоящее время все методы могут быть сведены к следующим типам [5 6]: информационно-сообщающий, объяснительно-иллюстративный, информационно-проблемный, проблемно-эвристический .
Формы обучения — определенным образом упорядоченные как во времени, так и в пространстве средства обучения и методы обучения (лекции, практические занятия, самоподготовка и т. п.)
Исходя из содержания обучения, руководитель подготовки выбирает методы обучения, определяет средства и форму обучения, в соответствии с которыми организуется учебная деятельность. Таким образом, реализуется обучающая деятельность руководителя подготовки, учебная — обучаемого, образуя совместно единый учебный процесс профессиональной подготовки. Конечная цель данной подготовки — высокий профессиональный уровень офицера войсковой части — достигается в результате прохождения ряда этапов учебного процесса. .
Существующая система подготовки офицеров войсковых частей для эксплуатации специального вооружения проводится в несколько этапов [23, 51, 78]:
- теоретическая подготовка;
- практическая подготовка;
- зачетное комплексное занятие.
По существу подготовка офицеров войсковых частей включает в себя два основных этапа: теоретическая и практическая подготовка. Конечно же, между этими этапами нет жесткой границы и, более того, для обеспечения поэтапности усвоения содержания обучения теоретическая подготовка включает элементы практической подготовки. Поэтому главное отличие этих этапов заключается в том, что в процессе практической подготовки обучение ведется, в основном, на тренажере или непосредственно на штатной технике, в то время как на этапе теоретической подготовки эти средства используются незначительно, только для ознакомительных тренировок.
Разработка агрегированной базовой модели военно-технической системы
Первичное описание ВТС естественным образом строится на основе технической структуры, которая представляет собой совокупность подсистем (агрегатов). Каждый агрегат характеризуется связями с другими подсистемами, являющиеся по отношению к нему входами-выходами, в т. ч. по нескольким переменным. Для каждого агрегата известно его математическое описание (с входными и выходными переменными). На этой основе можно построить исходный ориентированный граф, вершинами которого являются математические модели агрегатов, а ребра нагружены входными или выходными переменными. Выходы обозначаются исходящим ребром, а входы — входящим G0(V0,E0). На пример, для известной технической системы этот граф имеет вид (рис. 2.5), где в таблице 2.1 описаны вершины графа. Из рисунка видно, что у данной ТС большая размерность графа. Возникает вопрос о снижении размерности. Полученный вариант декомпозиции системы на подсистемы не является наилучшим в общем случае, его потребная (фактическая) размерность может быть завышена. Получить более удобный вариант декомпозиции, то есть меньшей размерностью, можно методами агрегирования, при чем, этот граф должен обладать свойством изоморфности. Рассмотрим процедуру агрегирования на следующем примере.
Структурные принципы интеллектуализации тренажеров
Интеллектуализация тренажеров позволяет повысить качество подготовки за счет предоставления каждому обучаемому персонального педагога (электронного педагога) , что в условиях дефицита профессиональных преподавателей способствует более эффективной коррекции индивидуального процесса обучения. Целью интеллектуализации тренажеров является моделирование и воспроизведение с помощью ЭВМ отдельных функций творческой деятельности человека, а также выбирать и принимать оптимальные решения на основе ранее полученного опыта и рационального анализа внешних воздействий. Для уточнения этих целей, целесообразно детально рассмотреть взаимодействие педагога с обучаемым на различных видах занятия:
1.Теоретические занятия. Они дают систематизированные основы научных знаний по дисциплине, раскрывают состояние и перспективы развития конкретной области науки и техники, концентрируют внимание обучающихся на наиболее сложных и узловых вопросах, стимулируют их активную познавательную деятельность, формируют творческое мышление. 2. Групповые занятия проводятся с целью изучения вооружения и военной техники (объектов), организации их применения, эксплуатации и ремонта. Осуществляется теоретическое изучение конкретной военной техники, при этом обучаемые не приобретают умения и навыки работы на ней.
3. Практические занятия по овладению умениями на военной технике проводятся с целью освоения вооружения и военной техники (объектов), овладения методами их применения, эксплуатации и ремонта.
4. Практические занятия по выработке навыков на военной технике проводятся для закрепления полученных ранее умений, а также для решения поставленных задач, производстве расчетов, разработке и оформлении боевых и служебных документов.
5. Практические занятия по отработке приемов и нормативов работы на военной технике, определенных уставами, наставлениями и руководствами проводятся для проверки полученных навыков.
