Аннотация

Материалы международных конференций в области современных средств обучения, таких как ITEC, SCS, SigGraph, International Conference on Artificial Reality and Tele-existence свидетельствуют о том, «компьютерные средства обучения» находят все большее применение в авиации, судовождении, энергетике, вооруженных силах, медицине, космонавтике и тех областях, где проведение физического обучения сопряжено с указанными трудностями, особенно, при обучении персонала, занятого на опасных и ответственных участках производства, и тех областях, где их применение строго регламентируется законодательством (тренажеры). При этом, на данный момент имеется очень малое количество серьезных исследований, касающихся определения и обоснования понятия эффективности, ключевых показателей эффективности имитаторов на производстве и в образовательном процессе.

В данной статье приводятся основные результаты исследования показателей эффективности имитаторов (как для учебных центров предприятий, так и для учебных заведений), проводимые НИИ Электронных образовательных ресурсов ТюмГНГУ.

Отдельно рассмотрен вопрос применения современных компьютерных средств- технологии формирования виртуальной реальности (VR) и вопрос использования имитаторов в системах управления обучением (Learning Managment System (LMS), E-learning, система дистанционного обучения).

Современные средства обучения - имитаторы на базе программно-аппаратной платформы в техническом образовании

Гаммер М.Д., к.т.н., доц., Начальник отдела ИТ НИИ ЭОР

Тел.: 89612085249, E-mail: MaxGammer@gmail.com


Тюменский государственный нефтегазовый университет.

НИИ Электронных образовательных ресурсов.

http://cde.tsogu.ru


В статье рассматриваются вопросы использования современных средств обучения - имитаторов на базе программно-аппаратной платформы как при переподготовке специалистов на производстве, так и при обучении студентов в вузе.



Ключевые слова: Компьютерные имитационные тренажеры, распределенные тренажерные системы, SCORM, LMS, VR.



Материалы международных конференций в области современных средств обучения, таких как ITEC, SCS, SigGraph, International Conference on Artificial Reality and Tele-existence свидетельствуют о том, «компьютерные средства обучения» находят все большее применение в авиации, судовождении, энергетике, вооруженных силах, медицине, космонавтике и тех областях, где проведение физического обучения сопряжено с указанными трудностями, особенно, при обучении персонала, занятого на опасных и ответственных участках производства [1], и тех областях, где их применение строго регламентируется законодательством (тренажеры). При этом, на данный момент имеется очень малое количество серьезных исследований, касающихся определения и обоснования понятия эффективности, ключевых показателей эффективности имитаторов на производстве и в образовательном процессе. Исследования ключевых показателей эффективности имитаторов (как для учебных центров предприятий, так и для учебных заведений), проводимые НИИ ЭОР ТюмГНГУ [1,4,5,6], позволяет сделать следующий вывод — использование имитаторов значительно увеличивает эффективность сразу по пяти ключевым направлениям:

Кроме указанных ключевых направлений, использование имитаторов предоставляет десятки разнообразных преимуществ, грамотное использование которых также может обеспечить существенное конкурентное преимущество, как для промышленности, так и для учебных заведений. Использование имитаторов открывает совершенно новые возможности как при переподготовке специалистов на производстве, так и при обучении студентов в вузе.

Один из наиболее важных показателей эффективности имитаторов - повышение качества обучения, складывается из наличия следующего комплекса факторов [8,9]:


Проведение большего количества работ. Возможность имитаторов «ускорять время» позволяет выполнять обучение быстрее, т.е. использование имитаторов позволяет выполнение большего количества лабораторных, практических работ, тренинга и т.д. В результате удается более эффективно использовать время при достигнуть большего качества обучения.

Увеличение доли индивидуальной работы обучаемых. Индивидуальная работа в значительной степени отличается восприятием и запоминанием информации. По мнению Haskett consulting inc. (HCI): "Люди запоминают 20 % того, что они видят, 40 % того, что они видят и слышат и 70 % того, что они видят, слышат и делают". Другими словами повышение качества обучения при использовании имитаторов возникает за счет увеличения эффективности восприятия информации (увеличение % запоминания информации). При использовании реального оборудования для проведения обучения достаточно сложно обеспечить индивидуальную работу с оборудованием каждого обучаемого. Как правило, один человек выполняет работу (управляет оборудованием), остальные записывают, например, показания приборов, не всегда понимая суть процесса. Причины такой ситуации понятны — невозможность предоставления оборудования каждому обучаемому, нехватка времени, для выполнения работы каждым обучаемым индивидуально. В свою очередь, использование имитаторов позволяет, в большинстве случаев, индивидуальное выполнение работы каждым обучаемым при наличии соответствующего количества компьютеров.

Возможность визуального наблюдения внутренней структуры изучаемого оборудования, микро- и макрообъектов и процессов, быстрых или медленных технологических и природных процессов или явлений. При использовании имитаторов имеется возможность проведения работ с демонстрацией явлений и процессов, не наблюдаемых на реальном оборудовании в силу высокой опасности или значительной технической трудности.

Возможность визуального наблюдения абстрактных понятий или концепций (например, визуализация накопления усталостных повреждений) и т.д. Эта возможность имитаторов предоставляет принципиально новые возможности при обучении и может значительно содействует в понимании информации, что также существенно влияет на качество обучения.

Возможность изменения конфигурации оборудования и параметров среды. Например, проведение лабораторного практикума по исследованию влияния различных факторов на КПД редуктора, рассмотренного в данной статье. Использованием имитатора позволяет изучать влияние на КПД вязкость масла, типа подшипников, степени точности изготовления, передаточного числа и т. д. Как правило реализация таких возможностей при помощи реального оборудования, несмотря на большой познавательный интерес, затруднена значительными трудностями технического плана. Изменение параметров среды, таких как барометрическое давление, температура, относительная влажность атмосферного воздуха и т.д. также является сложной задачей, которая может быть решена с помощью имитатора. Повышение качества обучения с учетом данного фактора достигается за счет лучшей систематизации знаний и понимания большего количества зависимостей.

Оценка возможных последствий альтернативных действий и альтернативных методов при решении поставленных задач. При использовании имитаторов обучаемые могут, в случае необходимости, экспериментировать, что вызывает дополнительный интерес и стимул к обучению. Это косвенно увеличивает эффективность обучения. Также этому способствует изначальный интерес специалистов к имитаторам, отсутствие ответственности и опасности. Это объясняется элементарным «любопытством», желанием экспериментировать и стремлением к исследованиям. Даже для опытного персонала ответ на вопрос «что будет, если» часто представляет большой интерес. В целом, указанные факторы увеличивают мотивацию к обучению, что, как известно, существенно влияет на качество обучения.

Использование имитаторов при самостоятельной работе обучаемых также предоставляет дополнительные преимущества и возможности улучшения качества обучения. Использование имитаторов как элементов курсов в LMS — системах (системах дистанционного обучения) позволяет производить запуск имитаторов из дома, работы, общежития, и их любого места, где есть выход в сеть интернет. Такая возможность использования имитаторов в «самостоятельном» обучении представляет значительный в решении вопроса повышения качества обучения.

Возможность объективного контроля качества обучения. Использование имитаторов дает возможность объективного определения и точной оценки объема знаний, умений и навыков, как в комплексе, так и по отдельности (только знаний или только навыков). Кроме объективного контроля обучения, использование имитаторов позволяет выявлять изменения в ходе обучения, вопросы, требующие дополнительного изучения и т.д.

Множество дополнительных возможностей использования имитаторов заключаются в новой области применения компьютерных средств- технологии формирования виртуальной реальности (VR). В настоящее время нет единого определения термина виртуальная реальность, так как в различных источниках VR определяется по-разному. В целом, виртуальная реальность – модельная трехмерная (3D) окружающая среда, создаваемая компьютерными средствами и реалистично реагирующая на взаимодействие с пользователями (http://dlc.miem.edu.ru/newsite.nsf/docs/CSD309), а система формирования виртуальной реальности – это система, обеспечивающая генерацию модели реальности в соответствии с математической моделью этой реальности при помощи программных средств [7]. Суть заключается в том, что при подаче на основные органы восприятия пользователя (зрительных, слуховых, тактильных, обонятельных) программно управляемых воздействий, а также обеспечении реалистичной реакции моделируемой среды на производимые действия появляется эффект личного участия пользователя в наблюдаемой виртуальной среде.

Рисунок 1. Использование устройств формирования виртуальной реальности

Главное отличие систем виртуальной реальности от прочих технологий (видеоряд, 2D, 3D графика и проч.) состоит именно в том, что VR обеспечивает эффект личного присутствия и личного участия пользователя (т.е. пользователь не ощущает разницы между действиями в реальности и действиями выполняемые в системе VR). Системы VR способны реализовать принципиально новый и очень эффективный способ передачи информации с глубокой, на уровне подсознания, степенью воздействия на пользователя. Глубина закрепления информации в несколько раз превосходит традиционные способы [2]. Эти и другие качества систем VR имеют большую значимость при использовании имитаторов, что дополнительно подтверждается опытом ТюмГНГУ [2,3] (рисунок 1,2).

Рисунок 2. Пример того, что видит обучаемый, демонстрация управления при помощи двух виртуальных перчаток.


Отдельного рассмотрения заслуживает вопросы использования имитаторов в системах управления обучением (Learning Managment System (LMS), E-learning, система дистанционного обучения). Вопросами использования электронных образовательных ресурсов в LMS-системах (например http://moodle.org/) для обеспечения поиска, рассмотрения и использования учебных объектов учителями, инструкторами или автоматически процессами в ходе выполнения образовательных программ, а также облегчения совместного использования таких объектов путем создания каталогов и хранилищ и т. д. занимается множество комитетов и организаций, таких как:


Глобальный консорциум IMS (Instructional Management System Global Learning Consortium) занимается разработкой и внедрением открытых спецификаций для поддержки различных процессов в информационных образовательных технологиях. К компьютерным имитационным тренажерам относятся следующие спецификации: IMS CP - упаковка контента и цифровые репозитории IMS. Данные спецификации определяют единый формат упаковки любых электронных образовательных ресурсов (ЭОР), в т.ч. имитаторов, а также структуру метаданных ЭОР. Спецификация IMS CP широко поддержана крупными компаниями и институтами.

Комитет по стандартизации образовательных технологий (Learning Technology Standards Committee - LTSC) при Институте инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) создан в 1996 г. группой университетов, правительственных учреждений и представителей промышленности при международной организации IEEE. Около 20 рабочих групп в рамках LTSC готовят проекты технических стандартов по ключевым направлениям в технологиях информатизации образования. Многие из разработанных документов являются кандидатами на международные стандарты для рассмотрения Комитетом ISO (International Standards Organization) и др.

Отдельный интерес представляет инициативная группа прогрессивного распределенного обучения (Advanced Distributed Learning - ADL), основанная в 1997 г. министерством обороны США. Результатом выполнения этой программы стало создание ссылочной модели совместно используемых объектов образовательного контента. Фактически эта модель интегрирует различных стандартов и спецификаций (например, LTSC, IMS CP) в единую модель контента и представляет техническую инфраструктуру, позволяющую совместно использовать объекты в распределенной обучающей среде. На данный момент спецификация SCORM является одной из наиболее используемых в мире, вобравшая в себя лучшие достижения всех перечисленных выше организаций и, фактически, ставшая стандартом предоставления электронного образовательного контента.

Для обеспечения возможности использования имитаторов в современных системах управления обучением (LMS) поддержка спецификации SCORM является необходимым условием.


В качестве примера рассмотрим один из классов имитаторов (как технических средств обучения) - имитаторы для проведения сертификации и аттестации. Имитаторы для проведения практикума не являются «регламентированным» видом имитаторов, т.е. в настоящий момент не существует нормативных документов, касающихся их определения, областей применения и т. д. Исключением являются некоторые страны (США, Англия (Шотландия)), где существуют нормативные рекомендации по использованию имитаторов (тренажеров) в качестве инструмента оценки профессионального уровня персонала.

Ключевой особенностью, отличающей данный тип имитаторов от других, является достаточно выраженная область методов обучения, т.е. цель обучения, способ усвоения и характер взаимодействия субъектов обучения. Данный тип имитаторов используется как педагогический тест — инструмент, предназначенный для измерения обученности учащегося, и состоящий из системы тестовых заданий, стандартизованной процедуры проведения, обработки и анализа результатов. Тестирование выполняет три основные взаимосвязанные функции: диагностическую, обучающую и воспитательную.

Область методов обучения имитаторов для проведения сертификации и аттестации близка к тренажерам и практикумам, за тем отличием, что более выражен процесс не формирования или совершенствования у обучаемых профессиональных навыков и умений, а их оценка и диагностика. Отличие от других типов имитаторов по методу обучения более выражено, и, очевидно, не нуждается в подробном рассмотрении.


Несмотря на то, что рассматриваемый имитатор «Компрессорный цех по перекачке газа», разработанный НИИ ЭОР ТюмГНГУ и используемый в ООО «Газпром трансгаз Югорск» является многофункциональным, и решает множество задач, в данной статье будет рассмотрена только задача проведения сертификации и аттестации.

Цель данного имитатора - обход оборудования по различным схемам, обнаружение неисправностей оборудования (рисунок 3.), доклад сменному инженеру о неисправностях (рисунок 4.), устранение неисправностей. Для решения указанных задач имитируется компрессорный цех по перекачке газа - компрессорные установки, очистное оборудование, охладительное оборудование, пожарный пункт, подогреватели и другое оборудование, в т.ч.: пожарный гидрант, пожарная насосная, подогреватели топливного и пускового газа, узел подготовки топливного и импульсного газа, емкости сбора конденсата, пылеуловители, емкости ГСМ, насосная ГСМ, краны гитары, отсеки нагнетателей ГПА, отсеки двигателей ГПА, АВО масла, блок АСПТ и т. д. (рисунок 5, 6))


Рисунок 3. Подогреватель топливного газа №1


Рисунок 4. Доклад сменному инженеру о неисправности


Для всего спектра оборудования с помощью математической модели имитируются неисправности, Например, утечка воды по сальнику входной задвижки пожарного гидранта № 1. Далее оцениваются действия при обнаружении неисправности, анализируются совершаемые доклады по рации сменному инженеру, действия которого в свою очередь тоже могут анализироваться, например, в указанной ситуации, сменный инженер должен произвести запись в оперативном журнале: «Утечка воды по сальнику входной задвижки пожарного Гидранта № 1, аналогичную запись в журнале 1 уровня АПК и вызвать по рации «Службу ЭВС», после чего сделать соответствующую запись в журнал допуска к производству работ и т. д.

Таким образом имеется возможность проведения сертификации и аттестации различных категорий персонала, как по отдельности, так и при их совместной работе.


Рисунок 5. Станция подготовки импульсного газа



Рисунок 6. Пожарные насосы

Литература

1

Гаммер М.Д. Виртуальный стенд для испытаний компрессора 4ВУ1-5/9 / М.Д. Гаммер // Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения: Материалы Всероссийской науч.-техн. Конференции 4-5 ноября 2004 г.- Уфа, 2004. - С. 166-168.

2

Гаммер. М.Д. Компьютерные имитационные тренажеры в открытом профессиональном образовании. Научно-практический журнал "Открытое образование" (ISSN 1818-4243, УДК 004:378 No.5 за 2009 / Сызранцев В.Н. Колесов В.И.

3

Гаммер. М.Д. Опыт проектирования распределенных тренажерных систем для обучения студентов нефтегазового направления. Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. / Тюмень, ТюмГНГУ 2009 №3 стр 103-108. /Сызранцев В.Н. Колесов В.И. Гильманов Ю.А.

4

Гаммер. М.Д. Опыт создания и использования компьютерных имитационных тренажеров в ТюмГНГУ. Материалы докладов 3 международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли в образовании» ТюмГНГУ. –Тюмень, 2008. /Сызранцев В.Н. Колесов В.И. Гильманов Ю.А.

5

Гаммер. М.Д. Распределенные тренажерные системы. Новые образовательные технологии в вузе: сборник материалов 6 международной методической конференции, 2-5 февраля 2009 года. В 2 частях. Ч 1. Екатеринбург, ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2009 — стр 165-167 /Колесов В.И.

6

Гаммер. М.Д. Создание и использование электронных образовательных ресурсов в формате SCORM. Материалы региональной научно-практической конференции-выставки конференции «Инновации в образовании». – Тверь, 18 декабря 2008.

7

Луценко Е.В., Критерии реальности и принцип эквивалентности виртуальной и “истинной” реальности. [Электронный ресурс]: научный электронный журнал / Е.В. Луценко. - Электрон. дан. – КубГАУ, 2004. - № 06(8)

8

Сызранцев В.Н., Гаммер М.Д. Компьютерные тренажеры для обучения студентов нефтегазового направления / М.Д. Гаммер, К.М. Черезов // Бурение и нефть, 2006. - №10. - С.34 – 36.

9

Сызранцев В.Н., Гаммер М.Д. Разработка и внедрение компьютерных тренажеров на кафедре МОНиГП в ТюмГНГУ / В.Н. Сызранцев, М.Д. Гаммер // Сборник уч.-мет. мат./ сост. М.М. Афанасенкова, Н.А. Аксенова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2005 - С.134-138.