Основные направления развития новых технологий

профессиональной подготовки инженеров-судоводителей

 

С.В. Пашенцев

Судоводительский факультет МГТУ, кафедра судовождения

 

Аннотация. В работе обсуждаются основные направления возможного развития компьютерных технологий профессиональной подготовки судоводителей. Рассмотрены с принципиальных позиций интеллектуальные тренажерные модули, математическое моделирование навигационных процессов и электронные учебные пособия. Сообщено об опыте разработки этих программных продуктов и их эксплуатации на кафедре судовождения МГТУ.

 

Abstract. Main directions of possible development of computer process engineering of seamen professional training are considered. The intellectual training units, mathematical simulation of navigational processes and electronic manuals are considered from basic essence positions. The paper informs about development of these software products and their maintenance on the Navigation Chair of the MSTU.

 

1. Введение

Признавая за технологией обучения все свойства сложной системы, прежде всего модульность, при ее декомпозиции самого высокого уровня выделим три модуля, которым соответствуют три направления в развитии образовательных технологических систем:

-      интеллектуальные тренажерные модули;

-      математическое моделирование;

-      электронные учебные пособия (учебники).

Поскольку среди других свойств система обладает и свойством наращиваемости, то перечень предложенных направлений может быть расширен в дальнейшем. Последовательно рассмотрим возможное развитие каждого из этих направлений.

 

2. Интеллектуальные тренажерные модули

Развитие микропроцессорной техники позволило тренажеростроению отказаться от механических и электромеханических способов реализации и тем самым достичь высокой интеллектуализации конечного аппаратного продукта (hardware). Наряду с этим, применение вычислительной техники привело к другой индустрии по созданию чисто программных продуктов в виде обучающих программ (software). Применение таких продуктов значительно повысило качество подготовки специалистов во многих видах эксплуатационной деятельности (энергетика, транспорт, сложные производства и т.п.).

Обучающие программы составляют основание пирамиды подобных средств подготовки, комплексные тренажерные системы являются вершиной этой пирамиды. Средняя часть пирамиды не заполнена, т.е. существует заметная “пропасть” между простыми обучающими программами и дорогостоящими комплексными тренажерами. По нашему мнению, эту пропасть призваны заполнить интеллектуальные тренажерные модули. Они обладают чертами как обучающих программ, так и комплексных тренажеров, не являясь при этом ни тем, ни другим и не конкурируя с ними. Главная их задача – отображение  реального информационного пространства с сохранением основных характеристик информации: вида, объема, скорости поступления, форматов представления и т.д. При этом оператор имеет полную свободу в получении и использовании доступной информации для достижения поставленной перед ним цели. Этим достигается информационно-интеллектуальное подобие деятельности.

Суть работы оператора состоит в управлении некоторым объектом посредством изменения управляющих параметров. Информацию о состоянии объекта он может получить только путем косвенных наблюдений, т.е. измерением параметров, известным образом связанных с состоянием объекта. Для достижения цели оптимальным способом оператор вынужден постоянно знать состояние объекта, т.к. чем точнее знание состояния объекта, тем эффективнее управление им. Это побуждает оператора к косвенным наблюдениям всеми доступными  средствами, т.е. именно к той деятельности, которая моделируется тренажерным модулем. От ее результатов напрямую зависит эффективность принятых решений по управлению объектом, о чем можно судить, только проделав новые наблюдения. Так складывается многократно совершаемый рабочий цикл: наблюдение – определение состояния объекта – принятие решения – управление объектом. Все компоненты этого цикла носят характер интеллектуальной деятельности, мотивируемой только обстоятельствами решения поставленной задачи, т.е. событиями, ситуациями, а не преподавателем, как обычно при традиционных методах обучения.

Сложность разработки интеллектуальных модулей несомненна, хотя она на порядок ниже разработки комплексных тренажерных систем. Качество и время разработки тренажерных модулей можно существенно повысить с помощью современных идей в области программирования. Речь идет об объектно-ориентированном программировании с его понятиями классов объектов, наследованием свойств одних классов другими и полиморфизмом – изменением части этих свойств в модулях более низкого уровня. Классы наиболее высокого уровня самые абстрактные, в производных от них классах появляются новые детали, уточняющие свойства объектов. Простейшим классом в навигации можно принять класс Место. Он всего лишь определяет координаты точки в навигационном  пространстве, а конструктор этого класса создает такую точку с заданными координатами.  Несмотря на простоту этого класса, большинство остальных классов будет наследовать свойства класса Место. Так, если определить плавающее судно как класс, то он унаследует координаты класса Место, добавив дополнительно такие характеристики судна, как скорость и курс. Кроме того, класс Судно должен унаследовать свойства класса Среда – течение и ветер с их характеристиками.

Навигационные ориентиры любого вида можно считать конкретными представителями класса Ориентир, который также наследует свойства класса Место, т.к. имеет определенные координаты. Тогда класс Обсервация будет наследовать одновременно свойства классов и Судно, и Ориентир, и тем самым может реализовать любую обсервацию места судна. Полиморфизм позволит определить свой способ обсервации для каждого вида объекта из класса Обсервация. И такому обобщению можно подвергнуть все навигационные понятия, используемые при программной реализации  тренажерных модулей. Заметим, что введение классов в навигации (как и в любой другой области) дело не простое, требующее значительной интеллектуальной работы по переосмыслению привычных знаний в этой области. Но и результат стоит этих затрат, поскольку, с одной стороны, позволяет по-новому взглянуть на саму навигацию, углубив наше понимание ее как науки. С другой стороны, объектно-ориентированный формализм представления основных понятий навигации поможет создавать тренажерные модули с новыми эксплуатационными свойствами и в более короткие сроки. Это же справедливо и для других проектов.

В качестве примера в виде отрывка листинга приведем шаблоны основных классов, о которых было сказано выше, написанные на языке С++:

class NavyLocation       //  -  Место

{ protected:  long FiMin_d, LaMin_d;

   public:  NavyLocation(long InitFi, long InitLa);

long GetFi();   long GetLa();

};

   NavyLocation::NavyLocation(long InitFi, long InitLa)   {FiMin_d = InitFi; LaMin_d = InitLa;};

class Mileu               //   -  Среда

{ float KWind, VWind;  float KCurrent, VCurrent;

   public:  Mileu(float InitKWind, float InitVWind, float InitKCurrent, float InitVCurrent)

       {Kwind = InitKWind; Vwind = InitVWind; Kcurrent = InitKCurrent; Vcurrent = InitVCurrent; };

GetWind(float InitKWind, float InitVWind);

GetCurrent(float InitKCurrent, float InitVCurrent);

};

class Orientir:public NavyLocation        //  - Ориентир

{  long OrFi, OrLa;          BOOL OrEnable;

    public:  Orientir(long InitFi, long InitLa, BOOL InitEnable);

};

  Orientir::Orientir(long InitFi, long InitLa, BOOL InitEnable):

  NavyLocation(InitFi, InitLa) {OrEnable = InitEnable;};

class Ship:public NavyLocation             //  - Судно

{  float KShip, VShip;

    public:  Ship(long InitFi, long InitLa, float InitKShip, float InitVShip);

};

  Ship::Ship(long InitFi, long InitLa, float InitKShip, float InitVShip):

  NavyLocation(InitFi, InitLa)       {Kship = InitKShip; Vship = InitVShip;};

class ProductSailing:public Ship, Mileu     //  - Счисление

{  long FiS, LaS;    long SS;  long Dt; };

class Observation:public Ship, Orientir       //  - Обсервация

{  float NavyParam;    virtual float GetNavyParam()=0; };

 

Разумеется, здесь приведены только основные элементы этих классов, чтобы не загромождать изложение существа дела излишними деталями. Иерархия введенных классов ясна, как прямое следствие наследования, отраженного в определениях классов.

 

3.    Математическое моделирование навигационных процессов

Создание моделей навигационных процессов – непременная составная часть тренажерных модулей. По существу дела модули при своей работе лишь упорядочивают работу и взаимодействие набора моделей. Следовательно, разработка тренажерных модулей начинается именно с разработки математических моделей тех процессов, которые будут отрабатываться в тренажерных модулях. Разумеется, что модели могут использоваться и автономно в виде отдельных субмодулей и с их помощью можно изучать отдельные стороны и свойства процессов, углубляя их физическое понимание. Особенно важно при этом выявить, как влияют отдельные параметры системы или объекта и их различные совокупности на  поведение объекта (системы) в целом, и выявить наиболее существенные из параметров. Это особенно важно при изучении потенциально опасных объектов, каким в частности является судно. Исследование его на моделях позволяет изучать поведение объекта в критических состояниях и вырабатывать оптимальные пути выхода из этих состояний. Такие эксперименты в реальной жизни обошлись бы слишком дорого во всех отношениях. Тренажерный модуль по отношению к моделям выступает в роли метамодуля, помогая отрабатывать навыки управления процессом в целом с закреплением в подсознании понимания  отдельных сторон  поведения объекта.

Особое место при моделировании навигационных процессов занимает случайность. Многие факторы внешней среды, в которой «движется» объект, являются случайными, и поэтому модели должны конструироваться, как стохастические. В основе таких моделей лежит вероятностная многозначность, когда переходы объекта из одного состояния в другое происходят с определенными вероятностями, заданными, например, некоторой матрицей. Как следствие этого каждое состояние при работе таких моделей должно оцениваться доверительно с построением зоны возможных состояний объекта для заданной надежности вывода. На основании такой зоны и некоторых нормативов возможно построение зоны безопасных состояний и их траектории при перемещении объекта в пространстве состояний. В навигации это, так называемая, ЗНБ - зона безопасной навигации. Создание таких моделей и их программной реализации является довольно сложной задачей, и работы в этом направлении только начинаются.

 

4. Электронные учебные пособия (учебники)

Под технологией формально следует понимать совокупность средств и методов, применяемых к исходному продукту, для получения из него конечного продукта с требуемыми свойствами. Специфика технологии обучения состоит в том, что исходным продуктом является субъект, и потому  специфичны средства и методы воздействия на него в процессе обучения со стороны другого  субъекта. Если обычные техногенные технологии могут быть полностью автоматическими, то технологии обучения (антропогенные) всегда будут включать в свой полный цикл два рода субъектов,  которых можно назвать Учеником и Учителем.

Все средства и методы технологического процесса обучения могут быть разделены на три группы соответственно трем зонам обслуживания: отдельно ученика; отдельно учителя; ученика и учителя в их совместной деятельности (например, экзамен). Эти средства в виде программных продуктов в совокупности с компьютерной техникой и реализуют компьютерную технологию. Рабочее место преподавателя (РМП) дисциплины – продукт, обслуживающий образовательный процесс со стороны учителя. Это автоматизированная выдача индивидуальных заданий в бумажной форме или по сети на рабочие места учеников, ведение учета успеваемости, расписания занятий и т.п. Таких продуктов достаточно много, существует значительный опыт в их применении и несомненен эффект от их применения. Он состоит как в экономии времени преподавателя, так и в улучшении качества за счет индивидуализации всех заданий с временным и смысловым контролем их выполнения. Более сложными являются программные продукты, которые обслуживают ученика. Они должны обеспечивать максимальную автоматизацию процесса подготовки, и отсутствие преподавателя делает его особенно сложным, предполагая адекватную реакцию на любые непредсказуемые действия ученика. Эти продукты в области профессиональной подготовки можно отнести к двум противоположным полюсам: обучающие программы и комплексные тренажерные системы (тренажеры). Первые достаточно просты и решают частные задачи подготовки.  Другой полюс – тренажерные системы. Это сложные программно-аппаратные комплексы, полностью закрытые, дорогие. Как было сказано в первом разделе, все эти средства  можно изобразить в виде некоей пирамиды: широкое основание из множество обучающих программ и узкая вершина – комплексные тренажеры. Пространство между ними мы заполнили интеллектуальными тренажерными модулями (ИТМ). Они лишены закрепощающей дидактики обучающих программ и взамен предоставляют возможность свободного управления объектом, который изучается в конкретной дисциплине. Информационное обеспечение процесса управления достигает примерно такой же полноты, как и в комплексных тренажерах. ИТМ призваны закрепить навыки управления и привить склонность к творческим решениям.

С ростом ресурсов вычислительной техники появляется возможность объединить обучающие программы и ИТМ в новый продукт в виде электронных пособий с проблемной ориентацией. Они имеют определенную специфику, отличающую их от “бумажных” учебников, которая состоит в соотношении двух системообразующих факторов. Первый фактор – это иерархия, второй – ассоциативные связи. В “бумажном” пособии  главным фактором является первый – иерархия – обычный набор вложенных разделов, глав, параграфов и т.п. Ассоциативные связи присутствуют как предопределенные ссылки назад или вперед (реже). Остальные ассоциации строит индивидуально каждый читатель учебника (пособия) в соответствии со своим образом мышления. Это – свободные ассоциации. Электронные пособия построены на базе такого понятия как гипертекст. Это граф, в вершинах которого расположены элементы знаний в виде текста, формул, рисунков и пр. Эти элементы связаны друг с другом перекрестными ссылками – сторонами графа. Но они не являются свободными, так как все предопределены авторами электронного учебника. Каким же образом можно индивидуализировать эти связи в процессе использования пособия? Это возможно только за счет большой их избыточности. Для этого следует элементы знаний фрагментировать как можно мельче (это удобно и в плане подачи на экран дисплея), что позволит создать такое количество предопределенных ссылок, что из этого множества практически каждый может выбрать тот набор, который соответствует его образу мышления. Для создателей электронного пособия это увеличивает и без того огромный объем работ. Поэтому сроки разработки подобных пособий очень сильно зависят от коллектива разработчиков, среды разработки и ресурсов машин, на которых производится разработка.

Принципиальные положения, которые обсуждались выше, частично уже реализованы в учебно-исследовательской лаборатории при кафедре судовождения. Это навигационный тренажерный модуль, как реализация идеи об интеллектуальных тренажерных модулях. Опыт его эксплуатации в течение 5 лет изложен в статье (Ольховский, Пашенцев, 1995). Это рабочее место преподавателя по дисциплине «Математические основы судовождения», которое также имеет многолетнее применение в учебном процессе. Это вероятностная модель плавания в узкостях и по фарватерам. И, наконец, черновой вариант электронного учебного пособия  по той же дисциплине МОС, которую преподает автор. Все эти разработки постоянно модифицируются, дополняются новыми функциями, еще раз демонстрируя преимущества системного модульного подхода к созданию подобных проектов.

 

5. Заключение

Итак, три направления развития новых технологий профессиональной подготовки инженеров-судоводителей описаны выше. Они являются составляющими этой технологии, и при выпадении одной из них из образовательной цепи технология как цельный процесс исчезает. Поэтому следует направлять усилия на разработку всех компонентов этого процесса, как бы ни были велики ресурсные затраты. Именно на этом пути открываются широкие возможности для разнообразного сотрудничества.

 

Литература

 

Ольховский В.Е., Пашенцев С.В. Опыт эксплуатации навигационного тренажерного модуля. “Судовождение, связь и безопасность мореплавания”, информационный сборник, N4(311), апрель, 1995.