Применение компьютерных средств обучения для учебно-исследовательской подготовки конструктора бортовой аппаратуры командно-измерительной системы
Колдырев Андрей Юрьевич, инженер
Институт вычислительного моделирования СО РАН (г. Красноярск)
Введение
Высокая квалификация конструкторов – важный фактор в производстве сложных технических систем в космической отрасли. Ошибки проектирования могут привести к дорогостоящим последствиям. Повышение качества подготовки специалистов в современных условиях обеспечивается за счет применения компьютерных технологий [1, 2]. Одно из важнейших преимуществ компьютерных средств обучения – возможность использовать имитационные модели дорогостоящих объектов изучения для развития практических навыков конструктора [2].
В статье представлена учебно-исследовательская система для конструкторов бортовой аппаратуры космических аппаратов, в состав которой входит встроенная имитационная модель командно-измерительной системы. Работа с моделями изучаемых объектов позволяет конструктору решать задачи, развивающие практические навыки работы с оборудованием, как в стандартных, так и в нестандартных (аварийных) ситуациях.
Организация учебно-исследовательской подготовки конструктора
Учебно-исследовательская система ориентирована на программно-инструментальную поддержку учебно-исследовательской деятельности конструктора командно-измерительной системы космического аппарата.
Цели создания учебно-исследовательской системы [3]:
повышение квалификации специалистов;
обеспечение конструкторов материалами, способствующими базовой подготовке на разных уровнях сложности и глубины освоения изучаемого оборудования;
выработка навыков и умений решения практических задач;
развитие способностей анализа и принятия решений в нестандартных, проблемных или аварийных ситуациях.
Процесс организации подготовки конструктора с использованием средств учебно-исследовательской системы изображен на рис. 1.
Процесс включает в себя четыре этапа: создание учебного курса, создание персональных рекомендаций, обучение специалиста и контроль знаний.
Рис. 1. Процесс обучения конструктора
Создание учебного курса
Для информационного наполнения учебного курса необходимо сформировать содержание, заполнить теоретические материалы и создать примеры имитационного моделирования функций командно-измерительной системы. Содержание учебного курса имеет древовидную структуру. Курс обучения включает три типа элементов: разделы в содержании; теоретический материал; примеры имитационного моделирования (рис. 2).
Для каждого элемента можно задать родительский элемент, тип раздела, сложность, глубину освоения, рекомендации по изучению раздела. Для удобной навигации обучающихся специалистов учебно-исследовательская система предоставляет функции определения зависимых разделов и средства формирования расширенного тематического тезауруса.
Зависимости между учебными материалами позволяют отвечать на вопрос, какой набор тем следует изучить перед выбранной темой для ее успешного освоения. Тематический тезаурус представляет собой расширенный справочник ключевых слов, описывающих отдельные понятия учебного материала. Для каждого раздела можно определить набор ключевых слов, которые в нем представлены. Определение информационных зависимостей между понятиями формирует тезаурус учебного курса, в котором содержатся ключевые слова и смысловые зависимости, позволяющие строить последовательность тем для освоения выбранного понятия.
Рис. 2. Создание и редактирование учебных материалов
Создание персональных рекомендаций по траектории обучения
Для индивидуализации учебного процесса и формирования траекторий обучения разработан алгоритм дифференциации. Идея применения этого алгоритма состоит в том, чтобы формировать индивидуальные рекомендации на основе схожести параметров обучаемого пользователя с параметрами одного из эталонных векторов. Каждый эталонный вектор описывает отдельный класс параметров. Они представляют собой определенные характеристики пользователя, по которым возможно сформировать некоторые рекомендации по изучению учебного курса: цели обучения, опыт работы, имеющиеся навыки и др. [4]. Эталонные векторы и соответствующие им траектории обучения задаются преподавателем при формировании учебного курса. При регистрации в системе пользователь заполняет анкету, на основе которой формируется его вектор признаков (совокупность параметров пользователя). Этот вектор проверяется на схожесть с эталонными векторами, существующими в системе. Если в системе сформирован эталонный вектор, удовлетворяющий критериям схожести, то пользователю будет рекомендована траектория обучения, соответствующая этому эталонному вектору [4]. Критерии схожести параметров пользователя и сформированных преподавателем эталонных векторов основаны на критериях алгоритма теории адаптивного резонанса – ART1 [5].
Режим обучения
Режим обучения предназначен для освоения теоретического материала (рис. 3) и решения учебно-исследовательских задач на основе имитационного моделирования.
Рис. 3. Режим обучения
Трансляция содержательного наполнения учебного курса осуществляется в соответствии с тематическими разделами либо согласно индивидуальным рекомендациям для пользователя. В левой части окна для визуализации учебных материалов представлены: содержание курса в иерархическом виде и навигационная панель, имеющая кнопки вызова дополнительных окон, включающих перечень ключевых слов; дополнительные материалы и рекомендации по изучению.
При отображении текста выполняется его автоматическое размещение на страницу, в случае, если объем текста превышает размер страницы, то выполняется его постраничная разбивка. Если отображаемый раздел содержит помимо текста пример имитационного моделирования, осуществляется переход между текстовым описанием примера и имитационной моделью.
Реализация обучающих ситуаций, демонстрирующих логику функционирования бортовой аппаратуры командно-измерительной системы, выполнена инструментами имитационного моделирования [6]. Функции моделирования обучающих ситуаций позволяют в графической нотации создавать модели процессов работы бортовой аппаратуры, управлять параметрами модели и вносить корректирующие поправки в обучающие сценарии (рис. 4). Объединение информационных технологий трансляции учебного материала с функциями тренажера обеспечивает возможность практической подготовки специалистов.
Рис. 4. Пример имитационного моделирования
Контроль знаний
Для оценки полученных специалистами знаний учебно-исследовательская система содержит средства для создания тестовых заданий. Эти средства позволяют создавать, изменять, корректировать и дополнять состав вопросов (рис. 5).
В системе можно задавать вопросы с одним верным ответом и вопросы, для которых определено много вариантов верных ответов: для ответа на такой вопрос достаточно выбрать один из верных вариантов. Также можно задавать вопросы, для которых верной является комбинация из нескольких ответов: для правильного ответа в этом случае необходимо выбрать все части комбинации. Правильность определяется долей в полном ответе, которая указывается при создании вопроса [7].
Рис. 5. Создание тестовых заданий
Для успешного прохождения тестов предусмотрена возможность создания рекомендаций и интерактивных подсказок. В процессе пользователь может возвращаться к уже пройденным вопросам и смотреть подсказки, если они предусмотрены. После завершения теста предлагается окно с его результатами, а также рекомендации по неправильным ответам.
Заключение
Учебно-исследовательская система поддерживает все этапы организации обучения конструктора: создание учебного курса, создание персональных рекомендаций, режим обучения и контроль знаний обучаемого.
Применение учебно-исследовательской системы в процессе обучения конструктора обеспечивает ряд важных возможностей. В системе организовано удобное представление теоретического материала. Преподаватель имеет возможность создавать различные траектории обучения, основываясь на параметрах обучаемого специалиста. Также преподаватель обладает инструментами для организации автоматизированного контроля знаний. Ключевой особенностью системы является встроенная имитационная модель, которая за счет формирования учебных заданий и примеров функционирования бортовой аппаратуры развивает практические навыки конструктора.
Литература:
1. Каверина Л.В., Делик В.М. Роль компьютерных средств обучения в повышении эффективности образовательного процесса // Гаудеамус. – 2012. – Т. 2, №. 20. – С. 20–22.
2. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. – М.: Филинъ, 2003. – 615 с.
3. Ноженкова Л.Ф., Исаева О.С., Колдырев А.Ю. Учебно-исследовательская система для поддержки деятельности конструктора бортовой аппаратуры командно-измерительной системы космического аппарата // Исследования наукограда. – 2015. – № 4(14). – С. 68–73.
4. Колдырев А.Ю. Дифференциация учебного процесса на основе алгоритма классификации // Молодой ученый. – 2015. – № 11. – С. 56–59.
5. Джонс М.Т. Программирование искусственного интеллекта в приложениях // Пер. с англ. Осипов А.И. – М.: ДМК Пресс, 2013. – 312 c.
6. Ноженкова Л.Ф., Исаева О.С., Грузенко Е.А. Проектирование и разработка программно-математической модели бортовой аппаратуры командно-измерительной системы космического аппарата // Вестник СибГАУ. – 2014. – № 2(54). – С. 114–119.
7. Колдырев А.Ю. Контроль знаний в учебно-исследовательской системе конструктора командно-измерительной системы космического аппарата // Проблемы информатизации региона. ПИР-2015: Материалы XIV Всероссийской научно-практической конференции. – Красноярск: ИВМ СО РАН. – 2015. – С. 97–104.
