Введение

В настоящее время в большинстве отраслей профессиональной детальности используются традиционные технологии обучения, основанные на знаниях, умениях и навыках. Однако во многих сферах будущим специалистам недостаточно овладеть лишь отдельными знаниями, умениям и навыкам, а важно еще и получить профессиональные компетенции [7, 11, 13, 20]. Компетенция фактически представляет собой способность успешно применять полученные знания, умения и навыки при решении конкретных профессиональных задач, в т.ч. различных сложных и нестандартных задач.

В частности, овладения комплексными профессиональными компетенциями необходимо достичь при обучении тяжелым и трудоемким работам по перемещению грузов, востребованным в ряде отраслей экономики России, а также в сфере обороны страны.

Ощущается нехватка высококвалифицированных рабочих для выполнения перегрузочных работ [6]. Существующие компьютерные тренажеры перегрузочных машин обучают лишь отдельным знаниям, умениям и навыкам, а не компетенциям, необходимым оператору в реальных производственных условиях. Но и процесс овладение отдельными знаниями, умениями и навыками не организован достаточно эффективно, с учетом всех возможностей современной вычислительной техники. К тому же, для многих новых видов перегрузочных машин отсутствуют автоматизированные технологии обучения и соответствующие компьютерные тренажеры.

Поэтому проблема повышения эффективности процесса профессионального обучения операторов перегрузочных машин на основе компетентностного подхода с использованием высокоинтеллектуальных автоматизированных обучающих систем на базе компьютерных тренажеров является актуальной.

Проанализируем существующие подходы к решению данной актуальной проблемы, выявим недостатки этих подход и определим перспективы дальнейших теоретических разработок в решении проблемы.

Существующие подходы к решению проблемы

Существующие подходы к решению актуальной проблемы повышения эффективности процесса профессионального обучения операторов перегрузочных машин на основе компетентностного подхода с использованием высокоинтеллектуальных автоматизированных обучающих систем на базе компьютерных тренажеров можно рассматривать по целому ряду аспектов:

1) Теоретические основы автоматизации процесса профессионального обучения в целом, и, в частности, теоретические основы построения автоматизированных обучающих систем [5, 8, 21, 22].

2) Рассмотрение компетентностного подхода в образовании, и в частности вопросов использования компетентностного подхода при автоматизации процесса обучения [7, 9, 11, 13, 20].

3) Особенности автоматизации процесса профессионального обучения в различных отраслях с использованием компьютерных тренажеров [1, 2, 3, 9, 12, 17].

4) Особенности автоматизации процесса обучения операторов перегрузочных машин с использованием компьютерных тренажеров [4, 10, 14, 15, 16, 18, 19].

Рассмотрим детальнее каждый из этих аспектов.

Теоретические основы автоматизации процесса профессионального обучения

В настоящее время, с целью интенсификации и оптимизации учебного процесса в различных отраслях образования (и в профессиональном образовании в частности), широкое применение получили компьютерные средства учебного назначения (КСУН). Это различные программные продукты, используемые в процессе обучения: электронные учебники, тренажеры, программы для тестирования знаний и т.д. [5, 8].

Одной из наиболее эффективных разновидностей КСУН являются автоматизированные обучающие системы (АОС) [5]. В автоматизированную обучающую систему могут быть заложены знания по произвольной предметной области, а также АОС предоставляет возможность настройки системы в соответствии с требованиями преподавателя.

Процесс автоматизированного обучения можно трактовать как процесс управления усвоением знаний, умений и навыков (ЗУН), что наиболее полно соблюдается при использовании автоматизированных обучающих систем.

Структура автоматизированной обучающей системы

С целью реализации всех своих функций автоматизированная обучающая система должна содержать в себе три вида знаний, которые могут быть представлены тремя моделями [5]:

1) Модель предметной области. Данная модель отражает структуру предметной области, в соответствии с которой обучаемый должен осваивать ЗУН. Модель предметной области используется главным образом для определения последовательности изучения тем и проведения контроля ЗУН.

2) Модель обучаемого. Данная модель представляет собой набор параметров, обновляемый динамически, который отражает различные характеристики обучаемого, работающего в АОС. Модель обучаемого в первую очередь отражает информацию о цели обучения и информацию о текущем состоянии процесса обучения. Эти виды информации необходимы системе для адаптации к обучаемому как объекту управления и определении степени, в которой на данный момент достигнута цель обучения.

3) Модель стратегии обучения. Посредством данной модели определяется последовательность изучения тем (на основе модели предметной области) и формируются вопросы, задания, упражнения для контроля ЗУН обучаемого (на основе модели обучаемого).

Особенности автоматизации процесса профессионального обучения в различных отраслях с использованием компьютерных тренажеров

Тренажер представляет собой техническое средство обучения, позволяющее имитировать трудовые условия в учебном процессе [9].

Главным преимуществом и отличием от других средств обучения является то, что с помощью тренажеров воспроизводится работа на различном дорогостоящем, сложном и опасном оборудовании [1]. Известно, что при обучении на реальном оборудовании возможности повторить какие-либо приемы ограничены, а в некоторых ситуациях обучение на реальном оборудовании является невозможным из-за опасности (в первую очередь во время начального периода обучения) возникновения аварийных ситуаций, травм обучаемых, поломок техники и т.д. Также в процессе обучения на производственном оборудовании недопустимо каким-либо образом «разделить» деятельность обучаемых на составляющие этапы, действия, компоненты, чтобы дать им возможность освоить их по отдельности.

В настоящее время тренажеры создаются на базе вычислительной техники и называются компьютерными тренажерами.

Имитация объектов реального мира в компьютерных тренажерах

Рассмотрим наиболее важные и тесно взаимосвязанные функции, реализуемые в современных компьютерных тренажерах - функцию имитации объектов реального мира, функцию интерактивного взаимодействия с обучаемым и функцию контроля действий обучаемого [17].

Реализация такой функции, как имитация объектов реального мира, связана с воспроизведением образов реального мира. Имитация объектов мира имеет две составляющие [17]: визуальная имитация и функциональная имитация. Факторами, влияющими на эффективность визуальной имитации объектов реального мира, являются высокий уровень подобия синтезируемого изображения оригиналу и высокий уровень соответствия синтезируемого звукового окружения [2, 12].

Сущность такого фактора, как высокий уровень подобия синтезируемого изображения оригиналу, заключается в том, что синтезируемое изображение какого-либо устройства, детали и т.п. должно быть узнаваемо для обучаемого [2, 9]. Высокий уровень соответствия синтезируемого звукового окружения оригиналу [2] также важен, потому что звук может нести важную информацию о работе оборудования. Например, изменение звуковой картины, появление какого-либо шума может являться признаком аварии.

В подавляющем большинстве существующих компьютерных тренажеров функциональная имитация объектов осуществляется на основе математических моделей. Адекватная математическая модель оборудования и процессов увеличивает эффективность тренажера за счет того, что для обучаемого ощущается меньшая разница между реальной и виртуальной обстановкой [2, 3]. В качестве примера можно привести математическую модель перемещения груза, подвешенного на стреле погрузочно-разгрузочного устройства [4].

Интерактивное взаимодействие обучаемого и тренажера

Взаимодействие обучаемого с объектами тренажера может быть реализовано путем использования специальных пультов управления, идентичных пультам на реальном оборудовании [15, 17]. Это позволяет изучить все органы управления реальных устройств и сформировать на высоком уровне моторные навыки, необходимые для работы с объектом.

Также стоит отметить, что одним из распространенных способов реализации функции взаимодействия обучаемого с тренажером является применение виртуальных органов управления. Однако виртуальные органы управления зачастую обладают существенными недостатками. Имеет место достаточно большое количество устаревших решений на базе клавиатуры для ввода команд - наборов символов, которые никак не связаны с работой на реальном оборудовании [12].

Для того чтобы человеко-машинный интерфейс компьютерного тренажера был интуитивно понятен и информативного для обучаемых, целесообразно руководствоваться некоторыми принципами при построении тренажеров. Например, работа с клавиатурой и мышью не должны усложнять обучение на тренажере (в частности, необходимо отказаться от реализации в тренажере таких действий, как двойной щелчок мыши, одновременное нажатие нескольких клавиш).

Управление информационной поддержкой обучаемого реализуется в компьютерных тренажерах двумя способами [17]:

1) Интерактивное управление подразумевает отображение информации по требованию обучаемого и с учетом ситуации, в которой он находится.

2) Контекстное управление подразумевает отображение информации не по инициативе учащегося, а в зависимости от возникшей ситуации (например, если обучаемым допущена какая-либо ошибка).

Учет масштаба времени в компьютерных тренажерах

Также важным фактором, влияющим на эффективность использования компьютерных тренажеров в процессе профессионального обучения и связанным как с функцией имитации объектов реального мира, так и с функцией интерактивного взаимодействия с обучаемым, является характеристика масштаба времени при обучении на компьютерном тренажере [2, 3, 12].

С одной стороны, должна быть предусмотрена возможность работы в реальном времени. Это обусловлено тем, что, работая с настоящим оборудованием, оператору, как правило, приходится принимать решения и производить необходимые действия, почти не имея времени на обдумывание. С другой стороны, возможность коррекции масштаба времени [2, 9] может быть необходима для ускорения или замедления некоторых процессов (например, каких-либо химических процессов, которые в реальности происходят слишком медленно или слишком быстро).

Контроль действий обучаемого при работе на тренажере

В большинстве компьютерных тренажеров реализован профильный контроль, заключающийся в постоянном мониторинге действий обучаемого [17]. Заключительный контроль обычно представляет проверку решения обучаемого, причем далеко не каждый тренажер способен проводить ее автоматически. Многие тренажеры предоставляют преподавателю функцию проведения проверки. Отдельные тренажеры автоматически проверяют решения обучаемых. А в некоторых случаях поддерживается также и функция автоматического анализа хода работы обучаемого.

Особенности автоматизации процесса обучения операторов перегрузочных машин с использованием тренажеров

В первую очередь, необходимо пояснить специфику приобретаемых обучаемыми знаний, умений, навыков, и, используя наиболее современный подход, компетенций применительно к обучению работе на перегрузочных машинах, основываясь на материалах [9, 14].

Профессиональные знания - это сведения, усваиваемые учащимися в процессе профессионального обучения и деятельности для овладения данной специальностью. Операторы перегрузочных машин должны знать устройство, эксплуатацию и ремонт оборудования, технику безопасности и т.д.

Учащийся должен научиться своевременно, точно, в соответствии с ситуацией выполнять действия, управляющие перемещением груза, а эти действия должны быть доведены до автоматизма, осуществляться наиболее экономно и с наименьшим напряжением. Поначалу, обучаясь выполнению действий, формируются соответствующие умения, а уже затем, когда действия доведены до автоматизма и выполняются на высоком качественном уровне, можно утверждать, что у обучаемых сформированы необходимые навыки. В деятельности машинистов перегрузочных машин ведущую роль играют моторные (двигательные), сенсорные навыки, восприятие состояния машины и технологической среды, а также их комплексы (сенсомоторные навыки).

Способности будущего оператора перегрузочной машины на практике самостоятельно и качественно осуществлять определенную работу, базирующиеся на приобретенных знаниях и навыках, называются компетенциями. Компетенции в наибольшей степени проявляются при возникновении нестандартных ситуаций, требующих творческого использования знаний и навыков.

Традиционные методы обучения крановщиков трудовым действиям предусматривают проведение занятий на реальном оборудовании под руководством инструктора и, как правило, по индивидуальной форме. Существенные недостатки традиционных методов привели к созданию тренажеров крановщика [16].

Впервые в мировой и отечественной практике разработку электронных тренажеров для подготовки крановщиков начали в 1971 году сотрудники кафедры вычислительной техники и автоматического управления Пермского политехнического института (в настоящее время кафедра информационных технологий и автоматизированных систем Пермского национального исследовательского политехнического университета) [14, 19].

Компьютерные тренажеры, широко распространенные в настоящее время для профессионального обучения крановщиков, позволили, сохранив преимущества электронных тренажеров, устранить их основные недостатки.

Компьютерные тренажеры перегрузочных машин

Были рассмотрены некоторые достаточно успешно применяемые в настоящее время компьютерные тренажеры крановщиков, в частности: автоматизированная система обучения «Машинист крана» [10], универсальный имитатор-тренажер «Подъемный кран» (УКТК-К1), симулятор строительного башенного крана Liebher, многоцелевые крановые тренажеры GlobalSIM и т.д.

Тренажеры крановщика могут иметь различные комплектации, и, следовательно, отличаться сложностью исполнения. Наиболее простые тренажеры хоть и способны весьма точно моделировать реальные условия эксплуатации крана, но крайне упрощенная модель рабочего места крановщика может быть слишком далека от реальных условий. Напротив, более сложный, а следовательно и более дорогой комплект тренажера обеспечивает максимальное приближение к реальным условиям: такой тренажер оснащен макетами реальных кабин, органов управления и средств индикации, приборов и оборудования.

Средствами, обеспечивающими адекватное воздействие на все каналы восприятия обучаемого, являются:

1) реалистичное видео, реализованное с помощью больших экранов, встроенных в кабину на место стекол;

2) трехмерный звук;

3) управление движением и наклоном реальной кабины во всех плоскостях;

4) имитация перегрузок.

Следует отдельно отметить работу [19], отражающую основные характеристики, которыми должен обладать процесс управления тренингом в ходе профессионального обучения будущих машинистов на современном компьютерном тренажере оператора портального крана:

1) Объективность обеспечивается автоматическим вычислением численных значений качества и фиксацией допущенных нарушений правил выполнения перегрузочного цикла.

2) Систематичность достигается постоянным целенаправленным предъявлением обучаемому в процессе всего курса тренировок информации о качестве его работы.

3) Адаптивность в основном визуальной обратной связи означает постепенное введение каждого отдельного показателя и нарушения в систему упражнений для предъявления обучаемому, причем в первых упражнениях - в момент возникновения нарушений, в последующих циклах тренировки - по окончании упражнения, что обеспечивает мотивацию обучаемого для быстрейшего приобретения навыков самоконтроля качества своей работы.

Недостатки существующих методов и средств автоматизации процесса обучения операторов перегрузочных машин

Однако анализ научных работ и существующих средств обучения показал, что в настоящее время актуальная проблема повышения эффективности процесса профессионального обучения операторов перегрузочных машин на основе компетентностного подхода с использованием высокоинтеллектуальных автоматизированных обучающих систем на базе компьютерных тренажеров решена не полностью в виду следующих недостатков:

1) Компетентностный подход, нашедший широкое применение в сфере образовании в целом, и, в частности, при автоматизации профессионального обучения, на данный момент не используется при автоматизации процесса обучения операторов перегрузочных машин. Данный недостаток весьма существенен, поскольку будущему оператору перегрузочной машины в реальных производственных условиях необходимо будет уметь решать различные сложные и нестандартные задачи. А это, в частности, крайне важно для обучения операторов новых дорогостоящих видов перегрузочных машин, применяемых в наиболее опасных сферах (например, в сфере обороны Российской Федерации).

2) Процесс овладения будущими операторами перегрузочных машин отдельными знаниями, умениями и навыками не организован достаточно эффективно, с учетом всех возможностей современной вычислительной техники. Имеет место низкий уровень информационной поддержки обучаемого и недостаточно эффективные способы контроля ЗУН, что создает трудности при использовании существующих компьютерных тренажеров для автоматизированного управления процессом усвоения ЗУН с минимальным участием преподавателя в процессе управления. Во многом это связано со слабой формализуемостью процесса обучения в принципе и весьма сложного процесса обучения операторов перегрузочных машин в частности, что возможно преодолеть благодаря эффективному использованию современных методов искусственного интеллекта (например, теории нечетких множеств).

3) К сожалению, в настоящее время для обучения операторов перегрузочных машин отсутствуют автоматизированные обучающие системы в полном смысле этого термина, т.е. содержащие все упомянутые выше модели (предметной области, стратегии обучения и обучаемого), и, следовательно, позволившие бы полноценно настроить систему на произвольную предметную область (а спектр применяемых в гражданской и военной сфере перегрузочных машин, и, следовательно, предметных областей, весьма широк), требования преподавателя, и как результат, обеспечить наиболее эффективную адаптацию системы к конкретному обучаемому с индивидуальными способностями.

Заключение

Таким образом, в результате исследования были решены следующие задачи:

1) Определена актуальная научная проблема повышения эффективности процесса профессионального обучения операторов перегрузочных машин на основе компетентностного подхода с использованием высокоинтеллектуальных автоматизированных обучающих систем на базе компьютерных тренажеров.

2) Проанализированы существующие подходы к решению данной актуальной проблемы по ряду аспектов: теоретические основы автоматизации процесса профессионального обучения (в т.ч. построение АОС); компетентностный подход в образовании (в т.ч. автоматизация процесса обучения на основе данного подхода); использование компьютерных тренажеров в профессиональном обучении (и, в частности, тренажеров перегрузочных машин).

3) Выявлены основные недостатки этих подходов: отсутствие использования компетентностного подхода при автоматизации процесса обучения крановщиков; недостаточная эффективность организации процесса овладения будущими операторами перегрузочных машин отдельными ЗУН; отсутствие автоматизированных обучающих систем (в полном смысле этого термина) для обучения крановщиков.

4) На основе выявленных недостатков намечены перспективы дальнейших теоретических разработок в решении проблемы: создание соответствующих современным представлениям о построении автоматизированных обучающих систем и о компетентностном подходе моделей и методов применительно к обучению крановщиков, а также активное использование методов искусственного интеллекта с целью объективной оценки ЗУН обучаемых.

Рецензенты:

Костарев С.Н., д.т.н., доцент, с.н.с. НИЧ Пермской государственной сельскохозяйственной академии министерства Сельского хозяйства, г. Пермь.

Щербинин А.Г., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.