Появление и развитие средств компьютерной графики (КГ) открывает для сферы обучения принципиально новые графические возможности, благодаря которым учащиеся могут в процессе анализа изображений динамически управлять их содержанием, формой, размерами и цветом, добиваясь наибольшей наглядности. Применение графики в учебных компьютерных системах не только увеличивает скорость передачи информации учащимся и повышает уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное "чутье", образное мышление. Эти и ряд других возможностей КГ еще слабо осознаны педагогами, в том числе и разработчиками информационных технологий обучения, что не позволяет в полной мере использовать их учебный потенциал. Воздействие КГ на интуитивное, образное мышление привело к возникновению нового направления в проблематике искусственного интеллекта, названного когнитивной (т.е. способствующей познанию) компьютерной графикой. В данной статье на основе анализа дуализма человеческого мышления и его психологических механизмов обсуждаются роль и место КГ в инженерной подготовке, рассматриваются ее иллюстративная и когнитивная функции, формируются требования к графическим изображениям, используемым в компьютерных системах учебного назначения.

Дуализм мышления. Человеческое сознание использует два механизма мышления . Один позволяет работать с абстрактными цепочками символов, с текстами и т.п. Его обычно называют символическим, алгебраическим или логическим. Второй механизм мышления обеспечивает работу с чувственными образами и представлениями.

Его называют образным, геометрическим, интуитивным. Физиологически логическое мышление связано с левым полушарием человеческого мозга, а образное мышление — с правым полушарием. Каждое из полушарий человеческого мозга является самостоятельной системой восприятия внешнего мира, переработки информации о нем и планирования поведения в мире. Левое полушарие представляет собой как бы большую и мощную ЭВМ, имеющую дело со знаками и процедурами их обработки. Речь, рационально-логические процедуры переработки информации и т.п. — все это реализуется именно в левом полушарии. В правом же полушарии реализуется мышление на уровне чувственных образов: эстетическое восприятие мира, музыка, живопись, ассоциативное узнавание, рождение принципиально новых идей и открытий и т.п.

Иногда это мышление даже называют художественным. Однако и более формализованные виды деятельности в существенной мере используют интуитивный механизм мышления. Известны высказывания крупных ученых о роли интуиции в научной деятельности. Различие между двумя механизмами мышления можно проиллюстрировать принципами составления связного текста из отдельных элементов информации: левополушарное мышление из этих элементов создает однозначный контекст, т.е. из всех бесчисленных связей между предметами и явлениями оно активно выбирает только некоторые, наиболее существенные для данной конкретной задачи. Правополушарное же мышление создает многозначный контекст, благодаря одновременному охватыванию практически всех признаков и связей одного или многих явлений.

Существуют многочисленные наблюдения, что для людей, сохраняющих способности к образному мышлению, творческая деятельность менее утомительна, чем рутинная, монотонная работа. Люди же, не выработавшие способности к образному мышлению, нередко предпочитают выполнять механическую работу, причем она им не кажется скучной, поскольку они как бы "закрепощены" собственным формально-логическим мышлением. Отсюда ясно, как важно с ранних пор правильно строить воспитание и обучение, чтобы оба нужных человеку типа мышления развивались гармонично, чтобы образное мышление не оказалось скованным логикой, чтобы развивался творческий потенциал человека.

Влияние компьютеризации инженерной подготовки на мышление. Широкое использование вычислительной техники во всех сферах деятельности современного инженера (проектирование, изготовление и эксплуатация приборов, машин, строительных сооружений и других технических объектов) предъявляет к его профессиональной квалификации ряд дополнительных требований, заключающихся в овладении новыми информационными, в значительной мере формализованными технологиями инженерного труда. Однако сущность инженерной квалификации остается прежней и заключается не только и даже не столько во владении формализованными методами решения инженерных задач, сколько в развитой интуиции, так называемом инженерном чутье, опирающемся на знание фундаментальных физических свойств технических объектов и процессов и умение глубоко анализировать эти свойства. Такие профессиональные качества всегда ценились в инженере, а к настоящему времени их роль, в связи с широким внедрением информационных технологий в промышленности, в строительстве, на транспорте, еще более возросла. Чтобы строить адекватные математические модели, необходимо глубоко понимать физическую природу объектов моделирования. Чтобы принимать технически грамотные решения при работе с САПР или другими человеко-компьютерными комплексами, необходимо уметь правильно воспринимать и осмысливать результаты вычислений, учитывать трудно формализуемые факторы, всегда имеющиеся в инженерной деятельности.

Важную роль на протяжении всей учебы в техническом вузе играют многочисленные задания и учебные проекты с большим объемом вычислительной работы. Так, например, при подготовке инженера по самолетостроению трудоемкость 12 курсовых работ и проектов составляет 1300 ч, т.е. около 15% общего бюджета учебного времени студента [4]. Поэтому значительные усилия в техническом вузе направляются на автоматизацию трудоемких или, как их иногда называют, "рутинных" учебных работ. В ряде случаев она создает предпосылки для более глубокого изучения свойств технических объектов на математических моделях, проведения в учебном процессе параметрических исследований и оптимизации. Более того, развитие новых информационных технологий в некоторых инженерных дисциплинах достигло такого уровня, что позволяет, как бы это ни звучало парадоксально, перенести акцент в обучении с освоения формализованных методов инженерного труда на углубленное изучение физических закономерностей. Так, появление и развитие в механике твердого деформированного тела метода конечных элементов, разработка на его основе универсальных программных комплексов, постепенно переходящих в разряд стандартных сертифицированных программных средств, поставляемых вместе с компьютерами, заставляет по-новому взглянуть на содержание таких классических и существенно формализованных инженерных дисциплин, как сопротивление материалов и строительная механика, перенести акцент в их изучении с многочисленных частных "формульных" методик расчета внутренних усилий в конструкциях на "физику" силового взаимодействия и общие закономерности. Но при всей несомненной полезности автоматизация инженерного труда в учебных задачах не всегда приводит к повышению качества собственно инженерной подготовки. Студенты порой не получают в полном объеме даже тех знаний свойств технических объектов, которые им давало традиционное докомпьютерное обучение. К тому же относительная легкость получения результата с применением ЭВМ снижает интерес к самому результату. Так, поиск путем ряда проб оптимального или рационального решения в проектных задачах гораздо интересней и поучительней для будущего инженера, чем получение только одного оптимального проекта, который нельзя улучшить и не с чем сравнить.

Плохую услугу инженерной подготовке иногда оказывает и скрытность вычислительных процессов, выполняемых на ЭВМ. Многие вычисления, которые мы нередко объявляем рутинной работой, обладают большим обучающим эффектом, так как позволяют проследить и понять связь значений варьируемых переменных технического объекта с его характеристиками. Именно это обстоятельство и является в ряде случаев причиной осторожного отношения преподавателей инженерных дисциплин к использованию компьютеров в учебном процессе. Опытные инженеры высказывают опасение, что компьютеризация обучения может негативно повлиять на развитие таких важных инженерных качеств, как интуиция, конструкторское мышление, способность к глубокому анализу свойств технических объектов и процессов. Вместе с тем, традиционные методики развития этих инженерных качеств, основанные на учебных расчетах и проектировании без привлечения ЭВМ, в силу недостаточной интенсивности и малой престижности, уже не удовлетворяют современным требованиям. Резюмируя сказанное, можно сделать вывод, что, наряду с освоением будущими инженерами новых информационных технологий необходимо не только сохранить, но и с помощью компьютерных средств усилить инженерную подготовку в конкретной предметной области, опирающуюся на профессиональную интуицию, знание и понимание фундаментальных физических принципов построения и функционирования технических объектов и процессов. Очевидно, что в решении этой задачи важная роль принадлежит компьютерной графике. Не случайно же говорят, что инженер мыслит образами.

Однако в разработке инженерных компьютерных систем, в том числе и учебного назначения, обычно имеет место "левополушарный крен". Явление это не такое уж безобидное. Опасность чрезмерной компьютеризации видится не в том, что компьютеры вытеснят человека из сферы интеллектуальной деятельности, а в том, что человек, все более втягиваясь во взаимодействие с ЭВМ, станет мыслить как машина. Негативное влияние компьютеризации инженерной подготовки, о котором говорилось выше, во многом объясняется слабым воздействием используемых компьютерных систем на интуитивный, образный механизм мышления. В связи с этим четкое выделение неявных, подсознательных компонент знания позволяет четко ставить задачу их освоения, формулировать соответствующие требования к методам и средствам обучения, в том числе и к методам компьютерной графики.

Иллюстративная и когнитивная функции КГ. Сегодня компьютерная графика — это одно из наиболее бурно развивающихся направлений новых информационных технологий. В научных исследованиях, в том числе и в фундаментальных, характерный для начального этапа акцент на иллюстративной функции КГ все более смещается в сторону использования тех возможностей КГ, которые позволяют активизировать свойственную человеку способность мыслить сложными пространственными образами. В связи с этим начинают четко различать две функции КГ: иллюстративную и когнитивную. Иллюстративная функция КГ позволяет воплотить в более или менее адекватном визуальном оформлении лишь то, что уже известно, т.е. существует либо в окружающем нас мире, либо как идея. Когнитивная же функция КГ состоит в том, чтобы с помощью некоего графического изображения получить новое, т.е. еще не существующее даже в “голове специалиста” знание или, по крайней мере, способствовать интеллектуальному процессу получения этого знания. Идея различия иллюстративной и когнитивной функций КГ, выделенная в работе при описании использования КГ в научных исследованиях, хорошо вписывается в предложенную нами ранее классификацию знаний и компьютерных систем учебного назначения. Иллюстративные функции КГ реализуются в учебных системах декларативного типа при передаче учащимся артикулируемой части знания, представленной в виде заранее подготовленной информации с графическими, анимационными и видеоиллюстрациями. Когнитивная же функция КГ проявляется в системах процедурного типа, когда учащиеся "добывают" знания с помощью исследований на математических моделях изучаемых объектов, причем, поскольку этот процесс формирования знаний опирается на интуитивный правополушарный механизм мышления, сами эти знания в существенной мере носят личностный характер. Каждый человек формирует приемы подсознательной умственной деятельности посвоему. Современная психологическая наука не располагает строго обоснованными способами формирования творческого потенциала человека, пусть даже профессионального. Одним из известных эвристических подходов к развитию интуитивного профессионально- ориентированного мышления является решение задач исследовательского характера.

Применение учебных компьютерных систем процедурного типа позволяет в существенной мере интенсифицировать этот процесс, устранив из него рутинные операции, сделать возможным проведение различных экспериментов на математических моделях.

Роль КГ в этих учебных исследованиях трудно переоценить. Именно графические изображения хода и результатов экспериментов на математических моделях позволяют каждому учащемуся сформировать свой образ изучаемого объекта или явления во всей его целостности и многообразии связей. Несомненно также, что компьютерные изображения выполняют при этом прежде всего когнитивную, а не иллюстративную функцию, поскольку в процессе учебной работы с компьютерными системами процедурного типа у учащихся формируются сугубо личностные, т.е. не существующие в таком виде ни у кого, компоненты знаний. Конечно, различия между иллюстративной и когнитивной функциями компьютерной графики достаточно условны. Нередко обычная графическая иллюстрация может натолкнуть каких-то учащихся на новую мысль, позволит увидеть некоторые элементы знания, которые не "вкладывались" преподавателем-разработчиком учебной компьютерной системы декларативного типа. Таким образом иллюстративная по замыслу функция компьютерного изображения превращается в функцию когнитивную. С другой стороны, когнитивная функция компьютерного изображения при первых экспериментах с учебными системами процедурного типа в дальнейших экспериментах может превращаться в функцию иллюстративную для уже "открытого" и, следовательно, уже не нового свойства изучаемого объекта. Тем не менее, принципиальные отличия в логическом и интуитивном механизмах мышления человека, вытекающие из различий формы представления знаний и способов их освоения, позволяют более четко формулировать дидактические задачи графических изображений при разработке компьютерных систем учебного назначения. Задачи и требования когнитивной КГ. Известный специалист в области искусственного интеллекта Д. А. Поспелов сформулировал три основных задачи когнитивной компьютерной графики. Первой задачей является создание таких моделей представления знаний, в которых была бы возможность однообразными средствами представлять как объекты, характерные для логического мышления, так и образы-картины, с которыми оперирует образное мышление. Вторая задача — визуализация тех человеческих знаний, для которых пока невозможно подобрать текстовые описания. Третья — поиск путей перехода от наблюдаемых образов-картин к формулировке некоторой гипотезы о тех механизмах и процессах, которые скрыты за динамикой наблюдаемых картин. Эти задачи когнитивной КГ с позиций информационных технологий обучения следует дополнить четвертой задачей, заключающейся в создании условий для развития у обучаемых профессионально- ориентированных интуиции и творческих способностей. При разработке компьютерных систем инженерного анализа, проектирования и обучения обычно исходят из первых двух задач когнитивной графики, когда знания о техническом объекте, полученные в ходе исследований на многомерных математических моделях и представленные в обычной символьно-цифровой форме, становятся недоступными для анализа из-за большого объема информации.

Четкое осознание третьей и четвертой задач когнитивной графики позволяет формулировать дополнительные требования как к собственно графическим изображениям, так и к соответствующему программно-методическому обеспечению. Среди них можно выделить: адекватность изучаемым объектам или процессам, используемым инженерным методам и методикам обучения; естественность и доступность для восприятия слабо подготовленными или даже неподготовленными пользователями; удобство для анализа качественных закономерностей распределения параметров; эстетическую привлекательность, быстроту формирования изображения. Учащиеся должны иметь также возможность выбирать тип изображения. Дело в том, что одну и ту же информацию можно отобразить в графической форме различным образом. Например, в механике деформированного твердого тела для представления скалярных и векторных полей физических параметров используют порядка десяти различных типов изображений. Результаты специальных исследований этих типов графического отображения информации свидетельствуют, что каждый человек в силу своего индивидуального восприятия по-своему оценивает эффективность того или иного типа изображения, причем оценки разных людей могут существенно отличаться . Поэтому компьютерные системы учебного назначения должны иметь набор различных способов графического отображения информации, чтобы каждый учащийся мог выбрать наиболее подходящий для него тип изображения, либо использовать различные графические картины для анализа результатов машинных расчетов. Необходимо предоставить учащимся и возможность управлять изображениям — варьировать его размерами, цветовой гаммой, положением точки зрения наблюдателя, количеством и положением источников освещения, степенью контрастности изображаемых величин и т.п. Все эти возможности графического интерфейса не только позволяют учащимся выбирать подходящие формы графических изображений, но и вносят игровые и исследовательские компоненты в учебную работу, естественным образом побуждают учащихся к глубокому и всестороннему анализу свойств изучаемых объектов и процессов. Примеры. Когнитивные изображения широко используются в интеллектуальных компьютерных тренажерах системы КАДИС (системы Комплексов Автоматизированных Дидактических Средств), разработанной и развиваемой в центре новых информационных технологий при Самарском государственном аэрокосмическом университете. Один из тренажеров предназначен для подготовки инженеров-механиков к конструированию силовых схем — важному, но трудно формализуемому этапу проектирования механических конструкций. В качестве примеров некоторых типовых изображений, используемых в этом тренажере, рассмотрим оптимальное распределение материала и внутренних усилий в пластине, три стороны которой жестко закреплены, а к свободной стороне приложена сосредоточенная нагрузка. Когнитивный характер данных изображений определяют три фактора. Во-первых, они весьма наглядно, в доступной и адекватной для механики конструкций форме отображают поля физических параметров, полученные в результате трудоемких формальных вычислений на многомерных дискретных математических моделях метода конечных элементов. Во-вторых, целостное представление большого количества данных о конструкции и ее напряженном состоянии позволяет учащимся выявить основные закономерности, побуждает к формированию гипотез и проведению исследований. В данной задаче, например, соотношение размеров пластины подобрано таким образом, чтобы передача внешней нагрузки осуществлялась как на стенки, так и на дно своеобразного плоского "ящика", что явно прослеживается на графических картинах. Нетрудно также догадаться и, используя пакет прикладных программ оптимизации тренажера, проверить догадку, как следует изменить конфигурацию пластины, чтобы внешняя нагрузка уравновешивалась только на дне или на стенках этого "ящика". И, наконец, третий, самый важный фактор когнитивного характера представленных изображений. Анализ таких картин в сочетании с предшествующим эвристическим проектированием силовых схем для различных условий опирания и нагружения конструкций, как показывает многолетний опыт эксплуатации тренажера, развивает у обучаемых профессиональную интуицию, конструкторское "чутье" по выбору рациональных траекторий передачи внутренних усилий в конструкциях.

Название, предмет и задачи когнитивной компьютерной графики — одного из новых направлений развития информационных технологий — определены недавно, известны и обсуждаются лишь в узком кругу специалистов в области искусственного интеллекта. Однако осознание ее роли в развитии интуитивного, образного мышления, чрезвычайно важного для многих сфер профессиональной деятельности, в частности инженерной, позволит педагогам более четко формулировать требования к графическим изображениям, используемым в компьютерных системах учебного назначения, устранить ряд негативных факторов, присущих практике компьютеризации обучения, и более полно реализовать дидактический потенциал новых информационных технологий.