KOMPUTEROWE SYSTEMY NAUCZANIA DLA OPERATORÓW OBIEKTÓW DYNAMICZNYCH

Transkrypt

1 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 mo liwe. Systemy komputerowe wykorzystywane w czasie szkolenia operatorów obiektów dynamicznych maja specyficzn budow, poniewa musz odzwierciedla zachowanie i wygl d rzeczywistego obiektu nauczania na odpowiednio wysokim poziomie. W artykule okre lone 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 przyci ga uwag specjalistów z ró norodnych dziedzin przedmiotowych. Z jednej strony rosn potrzeby doskonalenia prawidłowych nawyków personelu pracuj cego na nowoczesnym sprz cie ró nego typu, co uwarunkowane jest rosn c komplikacj procesów technologicznych i wdro eniem nowych systemów sterowania tymi procesami. Z drugiej strony, wysoki poziom nowoczesnych technologii informacyjnych pozwala zabezpieczy wysok jako realizacji wszystkich elementów komputerowych systemów nauczania oraz procesów nauczania (modeli procesów i przyrz dów, interfejsów, rodków zautomatyzowanej kontroli działa ucznia). Komputerowe systemy nauczania s 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 rodków transportu [4]. 2. Komputerowe systemy nauczania Wszystkie komputerowe systemy nauczania mo na podzieli na dwie podstawowe kategorie: systemy statyczne i systemy dynamiczne. Merytoryczne tre ci i cechy charakterystyczne tych dwóch kategorii systemów pokazano na rysunku 1.

2 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 23, Rys. 1. Podział komputerowych systemów nauczania Istniej trzy zasadnicze wła ciwo ci odró niaj ce dynamiczne inteligentne systemy nauczania (DISN) od statycznych komputerowych systemów nauczania [2]. Po pierwsze dynamiczne inteligentne systemy nauczania s zintegrowane z systemem symulacyjnym zawieraj cym model dynamiki obiektu nauczania. Po drugie, w dowolnym systemie symulacyjnym współdziałanie ucznia z modelem obiektu dynamicznego realizowane jest za pomoc modelu informacyjnego. Model ten pełni rol interfejsu ucznia - ucze oddziałuje na model i odbiera informacje o stanie modelu. Trzecia wła ciwo to wł czony do systemu model nauczania, zawieraj cy reguły, metody oraz struktur niezb dnych wicze umo liwiaj cych nabycie okre lonych po danych nawyków oraz zawieraj cy pozostałe atrybuty procesu nauczania. System modelowania dynamiki obiektu nauczania w czasie rzeczywistym, system wizualizacji oraz inteligentny system wspomagania podejmowania decyzji tworz cało okre lan jako dynamiczny inteligentny system nauczania operatorów obiektów dynamicznych. Proces nauczania z zastosowaniem takich systemów b dzie okre lany nauczaniem dynamicznym. Takie systemy nauczania przeznaczone s do przekazywania wiedzy deklaratywnej o obiekcie, niezb dnej w procesie kształcenia operatora danego obiektu, jak równie wiedzy proceduralnej dotycz cej działalno ci praktycznej pozwalaj cych na kształtowanie odpowiednich nawyków i umiej tno ci. Rys. 2. Główne elementy dynamicznego systemu nauczania Głównym elementem dynamicznego inteligentnego systemu nauczania jest system symulacyjny (rysunek 2). System symulacyjny mo e by zrealizowany z ró nym stopniem zło ono ci oraz przy pomocy ró nych technik imitacji wygl du obiektu rzeczywistego.

3 138 Orest Popov, Anna Barcz, Piotr Piela Komputerowe systemy nauczania dla operatorów obiektów dynamicznych W zwi zku z tym mo emy wyró ni : pełny symulator obiektu rzeczywistego ruchoma kopia rzeczywistego obiektu nauczania, z pełnym wyposa eniem i przyrz dami, z systemem symulacji ruchu oraz z systemem wizualizacji zapewniaj cym mo liwo obserwowania otoczenia w trakcie wirtualnego ruchu, cz ciowy symulator obiektu rzeczywistego niektóre elementy wyposa enia zrealizowane s przy zastosowaniu technik grafiki komputerowej, komputerowy symulator obiektu rzeczywistego model dynamiki obiektu nauczania i jego wygl d w cało ci s zrealizowane przy zastosowaniu odpowiednich technik komputerowych. Nale y podkre li, e bez wzgl du na zastosowany wariant systemu symulacyjnego nadrz dn rol w dynamicznym inteligentnym systemie nauczania zawsze pełni system nauczania, który jest programem komputerowym realizuj cym odpowiednie funkcje zarz dzania, kontroli i oceny przebiegu procesu szkolenia. Niezale nie od dziedziny przedmiotowej dynamiczny inteligentny system nauczania powinien zapewnia modelowanie standardowych i niestandardowych sytuacji, które mog powstawa podczas pracy w rzeczywisto ci. Jego interfejs powinien odpowiada psychologicznym i fizjologicznym zdolno ciom człowieka do odbioru i przetwarzania niezb dnej informacji. DISN powinien zabezpieczy realizacj funkcji kontroli i zarz dzania procesami nauczania. Jednocze nie ró nica w charakterze działalno ci uczniów okre la specyfik struktury DISN i metodyk jego zastosowania w ró nych dziedzinach przedmiotowych. W komputerowych systemach nauczania dla lotnictwa i transportu lotniczego bardzo wa ne jest modelowanie nie tylko przyrz dów i wyposa enia, ale tak e informacji o otoczeniu jak równie, je eli to jest mo liwie, odczu operatora. W klasie komputerowych systemów nauczania dla energetyki wyodr bnia si mi dzy innymi systemy nauczania operatorów bloków energetycznych, realizuj cych specyficzne procedury działalno ci oraz systemy dla operatorów elektrowni atomowych, w których z powodu znacznego niebezpiecze stwa procesów technologicznych wykorzystuje si kosztowne elementy realnych układów sterowniczych. Inne wła ciwo ci, w odniesieniu do wymienionych, maj komputerowe systemy nauczania dla operatorów procesów technologicznych. Po pierwsze, pomimo istotnej ró norodno ci procesów technologicznych, wyst puje typowo wyposa enia takich procesów i aparatury kontrolno - pomiarowej, pozwalaj ca znormalizowa znaczn cz modelu obiektu nauczania. Po drugie, cała informacja wykorzystywana przez operatora ma charakter instrumentalny, przy tym informacja poddaje si typowej strukturyzacji. Wskazane wła ciwo ci procesów technologicznych pozwalaj rozpatrywa 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 jedyn metodyk. W odniesieniu do komputerowych systemów nauczania dla lotnictwa i transportu morskiego taka uniwersalizacja okazuje si niemo liwa. 3. Tworzenie dynamicznych inteligentnych systemów nauczania Problem tworzenia dynamicznych inteligentnych systemów nauczania z zastosowaniem nowoczesnych technologii informacyjnych jest zło onym problemem, którego rozwi zanie zawiera: zadania modelowania w czasie rzeczywistym dynamiki obiektu nauczania z wysok dokładno ci odwzorowania zachowania obiektu rzeczywistego,

4 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 23, zadania wizualizacji zapewniaj ce wysoki stopie realizmu wyposa enia i przyrz dów z którymi powinien pracowa ucze oraz otoczenia (jako rzeczywisto ci wirtualnej), zadania opracowania inteligentnego wspomagania procesu nauczania (formułowanie i korekta zada, biblioteki pomocy i podpowiedzi, ekspertyza i ocena działa ucznia). Rys. 3 Ogólna struktura problemu tworzenia dynamicznych inteligentnych systemów nauczania ródło: [3]. Proces tworzenia dynamicznego inteligentnego systemu nauczania rozpoczyna si ogólnym okre leniem przedmiotu (zakresu) nauczania [3]. Etap ten wymaga szerokiej współpracy z ekspertami w danej dziedzinie i prowadzi do sformułowania wymaga i celów, które powinien spełnia tworzony system nauczania. Poniewa dynamiczny inteligentny systemu nauczania składa si z dwóch podstawowych podsystemów: systemu symulacyjnego oraz systemu nauczania, dalsze zadania w procesie tworzenia, mo na rozdzieli na dwa niezale ne potoki, z których jeden dotyczy b dzie tworzenia rodowiska nauczania, a drugi aspektów pedagogicznych. W trakcie tworzenia dynamicznego inteligentnego systemu nauczania wa nym etapem jest akwizycja wiedzy.

5 140 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 nast puje opracowanie algorytmów, wybór metod, oprogramowania oraz okre lenie wymaga sprz towych. Na tym etapie wykorzystuje si specyfikacje opracowane na pocz tku procesu tworzenia dynamicznego inteligentnego systemu nauczania. Kolejnym etapem jest zapisanie informacji o obiekcie nauczania i przebiegu procesu nauczania przy pomocy wybranego j zyka programowania. W zale no ci od przyj tej strategii projektowania ocena działania systemu nast puje po wykonaniu danego etapu lub po wykonaniu cało ci. Budowa dynamicznego inteligentnego systemu nauczania operatorów obiektów dynamicznych obejmuje: opracowanie matematycznych modeli procesów, realizacj modeli tych procesów z wysokim stopniem dokładno ci 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, realizuj cego zadania kontroli i zarz dzania treningiem, opracowanie bazy metodycznej systemu nauczania, uwzgl dniaj cej specyfik procesu podejmowania decyzji przez ucznia-operatora, opracowanie metod analizy i oceny rezultatów treningu i certyfikacji uczniów według rezultatów nauczania. Wymienione pozycje odnosz si zarówno do problemu nauczania pilotów, do zada nauczania operatorów procesów technologicznych oraz do nauczania w innych dziedzinach przedmiotowych. Wiele z tych zagadnie zostało opracowanych w postaci standardów. Nale y podkre li, e niedostateczna dokładno modelowania dynamiki obiektu nauczania, jak równie niezadowalaj ce rozwi zania zadania wizualizacji komputerowej mog doprowadza do ukształtowania nieprawidłowych nawyków u ucznia. W zwi zku z tym istotn rol w procesie tworzenia dynamicznego inteligentnego systemu nauczania odgrywa korekcja parametrów modelu matematycznego obiektu nauczania. Problem korekcji parametrów modelu był poruszany mi dzy innymi w pracach [1]. 4. Podsumowanie Celowym jest wyodr bnienie z grupy komputerowych systemów nauczania dynamicznych inteligentnych systemów nauczania. W artykule wykazano, e systemy takiego rodzaju maj specyficzn budow i proces tworzenia wymaga cisłej współpracy wielu ekspertów z ró nych dziedzin. Nale y równie podkre li, e istotna rol w procesie tworzenia dynamicznych inteligentnych systemów nauczania odgrywa proces opracowywania dynamicznych modeli matematycznych obiektu nauczania.

6 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 23, 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, Popov O., Tretyakova T., Barcz A., Piela P., Komputerowe systemy nauczania dla operatorów obiektów dynamicznych. Badania Operacyjne i Systemowe Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 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, Dozortsev W. M., Komputerowe trena ery dla nauczania operatorów procesów technologicznych, Sinteg, Moskwa, 2009, (w j zyku 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 Szczecin, ul. ołnierska 49 popov@wi.ps.pl abarcz@wi.ps.pl ppiela@wi.ps.pl