Pobierz artykuł PDF

KOMPUTEROWE SYSTEMY NAUCZANIA
DLA OPERATORÓW OBIEKTÓW DYNAMICZNYCH
OREST POPOV
ANNA BARCZ
PIOTR PIELA
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Streszczenie
Szkolenie operatorów obiektów dynamicznych z wykorzystaniem systemów rzeczywistych jest kosztowne a przede wszystkim nie zawsze moĪliwe. Systemy komputerowe wykorzystywane w czasie szkolenia operatorów obiektów dynamicznych maja
specyficzną budowĊ, poniewaĪ muszą odzwierciedlaü zachowanie i wygląd rzeczywistego obiektu nauczania na odpowiednio wysokim poziomie. W artykule okreĞlone
jest miejsce i cechy dynamicznych inteligentnych systemów nauczania w odniesieniu
do innych komputerowych systemów nauczania.
Słowa kluczowe: obiekt dynamiczny, system symulacyjny, komputerowy system nauczania
1. Wprowadzenie
Problem tworzenia i zastosowania komputerowych systemów nauczania od dawna przyciąga
uwagĊ specjalistów z róĪnorodnych dziedzin przedmiotowych. Z jednej strony rosną potrzeby
doskonalenia prawidłowych nawyków personelu pracującego na nowoczesnym sprzĊcie róĪnego
typu, co uwarunkowane jest rosnącą komplikacją procesów technologicznych i wdroĪeniem nowych systemów sterowania tymi procesami. Z drugiej strony, wysoki poziom nowoczesnych
technologii informacyjnych pozwala zabezpieczyü wysoką jakoĞü realizacji wszystkich elementów
komputerowych systemów nauczania oraz procesów nauczania (modeli procesów i przyrządów,
interfejsów, Ğrodków zautomatyzowanej kontroli działaĔ ucznia). Komputerowe systemy nauczania
są szeroko stosowane w szkoleniu operatorów procesów technologicznych, kierowców transportu
samochodowego, w szkoleniu mechaników i pilotów lotnictwa cywilnego, w nauczaniu i podnoszeniu kwalifikacji sterników statków i innych Ğrodków transportu [4].
2. Komputerowe systemy nauczania
Wszystkie komputerowe systemy nauczania moĪna podzieliü na dwie podstawowe kategorie:
systemy statyczne i systemy dynamiczne. Merytoryczne treĞci i cechy charakterystyczne tych
dwóch kategorii systemów pokazano na rysunku 1.
POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZĄDZANIA WIEDZĄ
Seria: Studia i Materiały, nr 23, 2009
137
Rys. 1. Podział komputerowych systemów nauczania
Istnieją trzy zasadnicze właĞciwoĞci odróĪniające dynamiczne inteligentne systemy nauczania
(DISN) od statycznych komputerowych systemów nauczania [2]. Po pierwsze dynamiczne inteligentne systemy nauczania są zintegrowane z systemem symulacyjnym zawierającym model dynamiki obiektu nauczania. Po drugie, w dowolnym systemie symulacyjnym współdziałanie ucznia
z modelem obiektu dynamicznego realizowane jest za pomocą modelu informacyjnego. Model ten
pełni rolĊ interfejsu ucznia - uczeĔ oddziałuje na model i odbiera informacje o stanie modelu.
Trzecia właĞciwoĞü to włączony do systemu model nauczania, zawierający reguły, metody oraz
strukturĊ niezbĊdnych üwiczeĔ umoĪliwiających nabycie okreĞlonych poĪądanych nawyków oraz
zawierający pozostałe atrybuty procesu nauczania.
System modelowania dynamiki obiektu nauczania w czasie rzeczywistym, system wizualizacji
oraz inteligentny system wspomagania podejmowania decyzji tworzą całoĞü okreĞlaną jako dynamiczny inteligentny system nauczania operatorów obiektów dynamicznych. Proces nauczania
z zastosowaniem takich systemów bĊdzie okreĞlany nauczaniem dynamicznym.
Takie systemy nauczania przeznaczone są do przekazywania wiedzy deklaratywnej o obiekcie,
niezbĊdnej w procesie kształcenia operatora danego obiektu, jak równieĪ wiedzy proceduralnej
dotyczącej działalnoĞci praktycznej pozwalających na kształtowanie odpowiednich nawyków
i umiejĊtnoĞci.
Rys. 2. Główne elementy dynamicznego systemu nauczania
Głównym elementem dynamicznego inteligentnego systemu nauczania jest system symulacyjny (rysunek 2). System symulacyjny moĪe byü zrealizowany z róĪnym stopniem złoĪonoĞci oraz
przy pomocy róĪnych technik imitacji wyglądu obiektu rzeczywistego.
138
Orest Popov, Anna Barcz, Piotr Piela
Komputerowe systemy nauczania dla operatorów obiektów dynamicznych
W związku z tym moĪemy wyróĪniü:
• pełny symulator obiektu rzeczywistego – ruchoma kopia rzeczywistego obiektu nauczania, z pełnym wyposaĪeniem i przyrządami, z systemem symulacji ruchu oraz z systemem
wizualizacji zapewniającym moĪliwoĞü obserwowania otoczenia w trakcie wirtualnego
ruchu,
• czĊĞciowy symulator obiektu rzeczywistego – niektóre elementy wyposaĪenia zrealizowane są przy zastosowaniu technik grafiki komputerowej,
• komputerowy symulator obiektu rzeczywistego – model dynamiki obiektu nauczania i jego wygląd w całoĞci są zrealizowane przy zastosowaniu odpowiednich technik komputerowych.
NaleĪy podkreĞliü, Īe bez wzglĊdu na zastosowany wariant systemu symulacyjnego nadrzĊdną
rolĊ w dynamicznym inteligentnym systemie nauczania zawsze pełni system nauczania, który jest
programem komputerowym realizującym odpowiednie funkcje zarządzania, kontroli i oceny
przebiegu procesu szkolenia.
NiezaleĪnie od dziedziny przedmiotowej dynamiczny inteligentny system nauczania powinien
zapewniaü modelowanie standardowych i niestandardowych sytuacji, które mogą powstawaü
podczas pracy w rzeczywistoĞci. Jego interfejs powinien odpowiadaü psychologicznym i fizjologicznym zdolnoĞciom człowieka do odbioru i przetwarzania niezbĊdnej informacji. DISN powinien zabezpieczyü realizacjĊ funkcji kontroli i zarządzania procesami nauczania. JednoczeĞnie
róĪnica w charakterze działalnoĞci uczniów okreĞla specyfikĊ struktury DISN i metodykĊ jego
zastosowania w róĪnych dziedzinach przedmiotowych. W komputerowych systemach nauczania
dla lotnictwa i transportu lotniczego bardzo waĪne jest modelowanie nie tylko przyrządów i wyposaĪenia, ale takĪe informacji o otoczeniu jak równieĪ, jeĪeli to jest moĪliwie, odczuü operatora.
W klasie komputerowych systemów nauczania dla energetyki wyodrĊbnia siĊ miĊdzy innymi
systemy nauczania operatorów bloków energetycznych, realizujących specyficzne procedury
działalnoĞci oraz systemy dla operatorów elektrowni atomowych, w których z powodu znacznego
niebezpieczeĔstwa procesów technologicznych wykorzystuje siĊ kosztowne elementy realnych
układów sterowniczych. Inne właĞciwoĞci, w odniesieniu do wymienionych, mają komputerowe
systemy nauczania dla operatorów procesów technologicznych. Po pierwsze, pomimo istotnej
róĪnorodnoĞci procesów technologicznych, wystĊpuje typowoĞü wyposaĪenia takich procesów
i aparatury kontrolno - pomiarowej, pozwalająca znormalizowaü znaczną czĊĞü modelu obiektu
nauczania. Po drugie, cała informacja wykorzystywana przez operatora ma charakter instrumentalny, przy tym informacja poddaje siĊ typowej strukturyzacji. Wskazane właĞciwoĞci procesów
technologicznych pozwalają rozpatrywaü tworzenie komputerowego systemu nauczania dla operatorów procesów technologicznych jako zadanie opracowania uniwersalnej, konfigurowanej dla
konkretnego procesu platformy nauczania oraz jako zadanie opracowania zbioru modeli obiektów
nauczania zgodnie z jedyną metodyką. W odniesieniu do komputerowych systemów nauczania dla
lotnictwa i transportu morskiego taka uniwersalizacja okazuje siĊ niemoĪliwa.
3. Tworzenie dynamicznych inteligentnych systemów nauczania
Problem tworzenia dynamicznych inteligentnych systemów nauczania z zastosowaniem nowoczesnych technologii informacyjnych jest złoĪonym problemem, którego rozwiązanie zawiera:
• zadania modelowania w czasie rzeczywistym dynamiki obiektu nauczania z wysoką dokładnoĞcią odwzorowania zachowania obiektu rzeczywistego,
POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZĄDZANIA WIEDZĄ
Seria: Studia i Materiały, nr 23, 2009
•
•
139
zadania wizualizacji zapewniające wysoki stopieĔ realizmu wyposaĪenia i przyrządów
z którymi powinien pracowaü uczeĔ oraz otoczenia (jako rzeczywistoĞci wirtualnej),
zadania opracowania inteligentnego wspomagania procesu nauczania (formułowanie i korekta zadaĔ, biblioteki pomocy i podpowiedzi, ekspertyza i ocena działaĔ ucznia).
Rys. 3 Ogólna struktura problemu tworzenia dynamicznych inteligentnych systemów nauczania
ĩródło: [3].
Proces tworzenia dynamicznego inteligentnego systemu nauczania rozpoczyna siĊ ogólnym
okreĞleniem przedmiotu (zakresu) nauczania [3]. Etap ten wymaga szerokiej współpracy z ekspertami w danej dziedzinie i prowadzi do sformułowania wymagaĔ i celów, które powinien spełniaü
tworzony system nauczania. PoniewaĪ dynamiczny inteligentny systemu nauczania składa siĊ
z dwóch podstawowych podsystemów: systemu symulacyjnego oraz systemu nauczania, dalsze
zadania w procesie tworzenia, moĪna rozdzieliü na dwa niezaleĪne potoki, z których jeden dotyczyü bĊdzie tworzenia Ğrodowiska nauczania, a drugi aspektów pedagogicznych. W trakcie tworzenia dynamicznego inteligentnego systemu nauczania waĪnym etapem jest akwizycja wiedzy.
140
Orest Popov, Anna Barcz, Piotr Piela
Komputerowe systemy nauczania dla operatorów obiektów dynamicznych
Typowymi metodami pozyskiwania wiedzy jest przeprowadzanie wywiadów z ekspertami, analiza
ankiet i raportów oraz obserwacja ekspertów w czasie pracy i analiza komentarzy. Dalej nastĊpuje
opracowanie algorytmów, wybór metod, oprogramowania oraz okreĞlenie wymagaĔ sprzĊtowych.
Na tym etapie wykorzystuje siĊ specyfikacje opracowane na początku procesu tworzenia dynamicznego inteligentnego systemu nauczania. Kolejnym etapem jest zapisanie informacji o obiekcie
nauczania i przebiegu procesu nauczania przy pomocy wybranego jĊzyka programowania. W zaleĪnoĞci od przyjĊtej strategii projektowania ocena działania systemu nastĊpuje po wykonaniu
danego etapu lub po wykonaniu całoĞci.
Budowa dynamicznego inteligentnego systemu nauczania operatorów obiektów dynamicznych
obejmuje:
• opracowanie matematycznych modeli procesów,
• realizacjĊ modeli tych procesów z wysokim stopniem dokładnoĞci w czasie rzeczywistym,
w interaktywnym trybie symulacyjnym,
• stworzenie wyspecjalizowanego miejsca pracy ucznia-operatora, podobnego do jego
miejsca pracy w procesie rzeczywistym,
• stworzenie wyspecjalizowanego miejsca pracy instruktora, realizującego zadania kontroli
i zarządzania treningiem,
• opracowanie bazy metodycznej systemu nauczania, uwzglĊdniającej specyfikĊ procesu
podejmowania decyzji przez ucznia-operatora,
• opracowanie metod analizy i oceny rezultatów treningu i certyfikacji uczniów według rezultatów nauczania.
Wymienione pozycje odnoszą siĊ zarówno do problemu nauczania pilotów, do zadaĔ nauczania operatorów procesów technologicznych oraz do nauczania w innych dziedzinach przedmiotowych. Wiele z tych zagadnieĔ zostało opracowanych w postaci standardów.
NaleĪy podkreĞliü, Īe niedostateczna dokładnoĞü modelowania dynamiki obiektu nauczania,
jak równieĪ niezadowalające rozwiązania zadania wizualizacji komputerowej mogą doprowadzaü
do ukształtowania nieprawidłowych nawyków u ucznia. W związku z tym istotną rolĊ w procesie
tworzenia dynamicznego inteligentnego systemu nauczania odgrywa korekcja parametrów modelu
matematycznego obiektu nauczania. Problem korekcji parametrów modelu był poruszany miĊdzy
innymi w pracach [1].
4. Podsumowanie
Celowym jest wyodrĊbnienie z grupy komputerowych systemów nauczania dynamicznych inteligentnych systemów nauczania. W artykule wykazano, Īe systemy takiego rodzaju mają specyficzną budowĊ i proces tworzenia wymaga Ğcisłej współpracy wielu ekspertów z róĪnych dziedzin.
NaleĪy równieĪ podkreĞliü, Īe istotna rolĊ w procesie tworzenia dynamicznych inteligentnych
systemów nauczania odgrywa proces opracowywania dynamicznych modeli matematycznych
obiektu nauczania.
POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZĄDZANIA WIEDZĄ
Seria: Studia i Materiały, nr 23, 2009
141
Bibliografia
1. Popov O., Investigation of structural qualities and informative density of dynamic
processes. The metod of quantitative estimations. International Conference of Control
Problems, IPU, Moskwa, 1999.
2. Popov O., Tretyakova T., Barcz A., Piela P., Komputerowe systemy nauczania dla
operatorów obiektów dynamicznych. Badania Operacyjne i Systemowe 2006. Akademicka
Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2006.
3. Popov O., Barcz A., Piela P., Sobczak T. Problem of the flight simulation in computerbased training systems for civil aviation, Proceedings of the 6th International Conference
Intelligent Tutoring Systems, Workshop Simulation Based Training, Biarritz, 2002.
4. Dozortsev W. M., Komputerowe trenaĪery dla nauczania operatorów procesów
technologicznych, Sinteg, Moskwa, 2009, (w jĊzyku rosyjskim).
COMPUTER-BASED TUTORING SYSTEMS FOR OPERATORS
OF DYNAMIC OBJECTS
Summary
Training of operators of dynamic objects with the use of real systems is costly
and, above all, is not always possible. Computer systems, that are used during the
training of operators of dynamic objects, have specific structure, because they must
reflect the behavior and appearance of the real object of teaching at a sufficiently
high level. The place and features intelligent dynamic systems with respect to other
computer systems are described in the article.
Keywords: dynamic object, simulation system, computer-based tutoring system
Orest Popov
Anna Barcz
Piotr Piela
Wydział Informatyki
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
71 – 210 Szczecin, ul. ĩołnierska 49
e-mail: [email protected]
[email protected]
[email protected]