Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

METHODS AND CONTROL ALGORITHMS OF INTERACTIVE COMPUTER LEARNING SYSTEM FOR TRAINING NUCLEAR POWER PLANT PERSONNEL

Bolshakov A.A. 1 Vishtak O.V. 2 Frolov D.A. 2
1 Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
2 Balakovo Institute of Engineering and Technology of the National Research Nuclear University MEPhI
Повышение квалификации персонала является одной из основных стратегических задач предприятий атомной отрасли, так как безаварийная эксплуатация современного оборудования и строжайшее соблюдение всех регламентов проведения работ требуют высокого профессионализма сотрудников предприятия. Для решения этой важнейшей задачи в учебно-тренировочных центрах атомных станций систематически проводятся занятия в рамках образовательных программ повышения квалификации. Чтобы повысить эффективность учебного процесса, в настоящее время используются компьютерные обучающие системы, которые в основном нацелены на демонстрацию работы оборудования и контроль знаний обучаемых. Для совершенствования практических навыков производства работ нами предлагается интерактивная компьютерная обучающая система, имеющая сложную структуру: организационно-методическая, обучающая, контрольная подсистемы. В данной работе приводятся методики и алгоритмы управления интерактивной компьютерной обучающей системы для участников процесса обучения: обучаемых и инструкторов-преподавателей. Для разработки методики и алгоритмов управления компьютерной обучающей системы используются технологии объектного моделирования. Построены диаграммы деятельности участников процесса обучения, на которых показано разложение их деятельности на составные части. Приводится методика работы инструктора-преподавателя и обучаемого в интерактивной компьютерной обучающей системе. Разработаны алгоритмы режимов работы инструктора-преподавателя по формированию и выбору учебного курса, по организации и контролю учебной деятельности обучаемых; алгоритм работы обучаемого, при котором учебный процесс с использованием интерактивной компьютерной обучающей системы представляется как ряд последовательных циклов для выполнения всех видов учебных задач.
Staff development is one of the main strategic objectives of the nuclear industry, as the trouble-free operation of modern equipment and strict compliance with all the regulations of the work requires high professionalism of employees. To solve this critical problem in training centers, nuclear power plants are regularly conducted classes within the framework of educational training programs. To increase the effectiveness of the educational process, currently used computer training systems, which are mainly aimed at demonstrating the operation of the equipment and the control of knowledge of students. To improve the practical skills of work we produce is offered interactive computer training system, which has a complex structure: the organizational and methodical, training, control subsystem. This paper presents the methods and algorithms for control of an interactive computer training system for the participants of the learning process: the trainees and instructors-teachers. To develop methods and control algorithms for the computer training system uses object modeling technology. Diagrams of activities of the participants of the learning process, which shows the location of their activities into its component parts. The technique of the work of the teacher-instructor and learner in interactive computer training system. Algorithms modes of teacher-instructor for the formation and selection of the training course, on the organization and control of educational activity of students; the algorithm of the trainee, in which the learning process with the use of interactive computer training system is represented as a series of cycles for all types of educational tasks.
computer training system
control algorithm
training
nuclear power station
instructor and teacher
learner

На современном этапе развития уровень квалификации персонала определяет техническую и информационную составляющие предприятия. Оборудование атомной станции дорогостоящее и сложное в эксплуатации. Для успешной эксплуатации оборудования необходимо своевременно проводить плановые и, если возникает необходимость, аварийные ремонтные работы.

Организация учебно-подготовительного процесса на действующем оборудовании нецелесообразна, так как оно активно участвует в технологическом процессе, и его вывод из эксплуатации не представляется возможным. Для решения этой важнейшей задачи в учебно-тренировочных центрах атомных станций используются натурные тренажеры, но, учитывая габариты изучаемого оборудования, ограниченность учебных классов для размещения натурных тренажеров, информатизацию производственной сферы, включая подготовку персонала, особое внимание стали уделять разработке и использованию компьютерных обучающих систем [1, 2, 5 и др.].

В разрабатываемой интерактивной компьютерной обучающей системе (ИКОС) выделены следующие подсистемы: организационно-методическая, обучающая, контрольная. Эти подсистемы предоставляют учебно-методический материал и управленческую информацию, обеспечивая всестороннюю поддержку управленческих функций инструктора-преподавателя и процессных функций самоуправления учебной деятельностью обучаемых. Выделение этих подсистем в ИКОС обеспечивает информационную поддержку всего цикла обучения.

Функции инструктора-преподавателя при работе с ИКОС состоят в обеспечении и формировании учебного курса учебными материалами, формировании программных форм массивов тестовых и практических контрольных заданий, в определении и задании требуемого уровня усвоения учебного курса [3].

Соответственно, при работе с ИКОС инструктор-преподаватель работает в двух режимах: режим управления учебным курсом и режим управления обучаемым.

В режиме управления учебным курсом, алгоритм которого представлен на рис. 1, выполняется формирование учебного курса. Модель ИКОС включает базу учебных курсов, организованную в соответствии с выбранной конкретной сферой обучения. Наполнение каждого учебного курса предусматривает содержательную, закрепляющую и контролирующую части.

pic_2.tif

Рис. 1. Алгоритм режима управления учебным курсом

Соответственно, от преподавателя-инструктора требуется произвести выбор и настройку модулей содержательной части ИКОС, включая модули теоретического обучения и демонстрации производства работ.

Далее, учитывая специфику изучаемой профессиональной области, производится формирование и настройка закрепляющего материала в виде практических занятий по производству работ на изучаемом оборудовании.

Для оценки знаний обучаемых в ИКОС предусмотрена система контроля знаний на двух этапах: входной и выходной контроль. Соответственно, преподаватель-инструктор задает последовательность вопросов и задач для определения начального уровня знаний и умений обучаемого. А на заключительном этапе порядок и количество заданий определяются выбранной или заданной траекторией обучения и степенью усвоения, как теоретического материала, так и приобретенными навыками производства работ.

Совокупность модулей теоретического и практического обучения дает целостное представление об определенной профессиональной области, что позволяет инструктору-преподавателю из набора независимых модулей формировать учебный курс, отвечающий индивидуальной ориентации обучаемого, а также и групповой.

В режиме управления обучаемым, представленном на рис. 2, преподавателю-инструктору в ИКОС представляется информационная поддержка его управленческих функций. Поэтому при работе с ИКОС сразу же на первом этапе определяется профиль обучаемого: вводятся сведения, идентифицирующие его персональные данные, как сотрудника, так и обучаемого, в случае повторного обучения.

Далее производится распределение обучаемых по группам, так как сетевая версия ИКОС позволяет проводить групповое обучение. Затем на основании анализа целей обучения производится назначение группам учебных курсов.

pic_3.tif

Рис. 2. Алгоритм режима управления обучаемым

Одной из основных управленческих функций инструктора-преподавателя является функция контроля. Соответственно в ИКОС предусмотрен контролирующий модуль, включающий базу данных результатов обучения. Для оценки знаний обучаемых в ИКОС применяется алгоритм, основанный на анализе следующих показателей:

– степени соответствия ответа обучаемого правильному ответу на поставленный вопрос;

– времени, затраченного на поиск правильного ответа;

– степени соответствия действий обучаемого при производстве работ правильному действию;

– времени, затраченного на правильное выполнение производства работ.

Алгоритм оценки включает в себя анализ общей оценки знаний обучаемого по учебному курсу, оценку знаний по различным темам, оценку выполнения производства работ по отдельным видам и формирование рекомендаций по дальнейшим действиям обучаемого.

Оценка знаний производится как по каждому обучаемому, так и по группе. Алгоритм оценки включает определение отношения удачных и неудачных попыток при прохождении тестовых заданий по теоретическому учебному материалу и при выполнении контрольных практических работ, которые предпринял обучаемый при изучении учебного курса. Причем если это отношение больше заданного, то ему выдаются рекомендации повторить соответствующие темы и выполнить практические работы еще раз.

Таким образом, в ИКОС осуществляется поддержка режимов работы инструктора-преподавателя по формированию и выбору учебного курса, по организации и контролю учебной деятельности обучаемых.

Целью любого вида обучения, включая обучение с использованием компьютерных обучающих систем, является наличие определенного уровня знаний и соответствующих умений обучающихся до запланированного уровня подготовленности. В разрабатываемой системе компьютерного обучения был за основу принят режим динамического управления учебным процессом. В этом режиме предъявляемая ИКОС учебная задача решается совместно с обучающимся и самой системой. Хотя этот тип управления, с одной стороны, предъявляет высокие требования к организации диалога обучающей – компьютерной обучающей системы, к предоставлению разнообразных видов помощи, но с другой стороны, обеспечивает активное построение последовательности обучения, обеспечивающее достижение поставленной цели – овладения полным множеством понятий сфер обучения [4].

На основе анализов процесса взаимодействия обучаемого с ИКОС и методов имитационного моделирования разработан алгоритм взаимодействия обучаемого с ИКОС (рис. 3). Перед началом обучения необходимо прохождение авторизации. Если обучаемый не имеет идентификатора и пароля, значит, он является незарегистрированным пользователем, и ему программа предлагает создать нового пользователя. Сведения об обучаемом накапливаются в базе данных: персональные данные, уровень его знаний, умений и навыков, о текущем состоянии процесса обучения, о результатах обучения по курсам. На основании этой информации происходит формирование модели обучаемого.

pic_4.tif

Рис. 3. Алгоритм взаимодействия обучаемого с ИКОС

pic_5.tif

pic_6.tif

Рис. 4. Обучающий модуль второго уровня ИКОС

Если обучаемый раньше уже работал с ИКОС, то после его идентификации ему предлагается выбрать учебный курс и пройти предварительное тестирование для оценки его знаний по изучаемой профессиональной области.

При организации учебной деятельности контроль усвоения материала обучаемым является очень важным и трудоемким этапом. В ИКОС предусмотрен непрерывный контроль, включая поэтапный и итоговый, что предоставляет возможность индивидуально управлять процессом обучения.

Тема изучаемого материала предлагается обучаемому в соответствии со сформированной стратегией обучения. На этапе прохождения теоретического прохождения предлагается изучение нормативно-справочной документации, учебного материала. Причем информация представляется как тестовая (нормативно-справочная документация, учебный материал и др.), так и виде- и аудиосоставляющие (информация об устройстве оборудования, используемых технических средств и приборов, видео по выполнению работ на оборудовании и т.д.). Такое мультимедийное представление информации отражает основное содержание действующей нормативной базы учебного материала, изучаемые процессы и оборудование изображаются наглядно и обеспечивают в полной мере процесс усвоения знаний изучаемой профессиональной области.

По завершению теоретического обучения обучаемому предлагается тест. Если материал усвоен в полном объеме, обучаемому выдаются рекомендации: какие разделы теоретического материала должны быть изучены повторно с дальнейшим повторным тестированием. Если тестирование пройдено успешно, обучаемый переходит к практическому обучению. Практические задания 1 уровня предоставляют возможность изучения оборудования и производства работ на изучаемом оборудовании.

Для использования объемного изображения требуемых для ИКОС объектов разрабатываются трехмерные модели для каждого элемента моделируемого устройства (рис. 5). При создании сложных моделей для обучающей системы используется полигональное моделирование. Отправными точками создания сложных моделей являются графические примитивы. Использование связки составных объектов позволяет реализовать компьютерное виртуальное представление объекта любой сложности. Графические редакторы трехмерной графики обладают системой расчета поведения физических объектов, на основе которой могут быть смоделированы различные состояния твердых объектов под действием приложенных сил. Визуализация при этом отображает все свойства материалов объектов после применения эффектов внешней среды.

По завершению выполнения практического изучения оборудования обучаемому предлагается пройти выполнение виртуальных практических работ самостоятельно. Если обучаемый допустил 3 и более неправильных действий, ему предлагается заново выполнить практические задания 1 уровня.

pic_7.tif

Рис. 5. 3D модель изучаемого процесса в ИКОС

При успешном завершении выполнения заданий 2 уровня обучаемому предлагается пройти итоговый тест, на основе которого формируется модель обучаемого и выставляется итоговая оценка по учебному курсу. Причем обучаемому предоставляется возможность провести анализ своей учебной деятельности: анализ результатов изучения, теоретического материала, результатов выполнения практических работ и итогового теста.

Таким образом, учебный процесс с использованием ИКОС представляется как ряд последовательных циклов, в пределах которых обучаемый выполняет различные виды учебных задач и поэтапно контролирует свои действия. Успешное завершение очередного цикла выполнения учебной задачи позволяет перейти к следующему.

Разработанная методика и алгоритмы управления ИКОС для подготовки персонала атомной станции обеспечивают наиболее оптимальные режимы функционирования ИКОС, как со стороны инструктора-преподавателя, так и со стороны обучаемого, что значительно повышает подготовленность персонала к осуществлению производства работ на реальном оборудовании.