Совершенствование технических средств обучения и тестирования по оценке психомоторной реакции курсантов

Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 2 (38) 2008

УДК 37.047 Е.И. Примакина*

Совершенствование технических средств обучения и тестирования по оценке психомоторной реакции курсантов

В статье решена задача совершенствования технических средств обучения и тестирования с целью обеспечения объективной оценки точностных характеристик операторской деятельности (ТХОД) в тренажерных системах военного назначения. Одним из приоритетных направлений при решении данной задачи является использование компьютерных технологий обучения, разработанных с учетом методологии психологопедагогического проектирования.

Теоретической базой данной работы, позволившей поставить и выполнить исследование по совершенствованию технических средств обучения и тестирования, стало распространение информационного подхода, суть которого - в возможности оценки скорости обработки информации биологическими системами и степени близости гипотез, что служит показателем состояния моторных функций индивидуумов.

In clause the problem of perfection of means of training and testing with the purpose of maintenance of an objective estimation characteristic of camera activity in training systems of military purpose is solved. One of priority directions at the decision of the given problem is use of computer technologies of the training developed in view of methodology of psychological-pedagogical designing. Theoretical base of the given work to put and execute research on perfection of means of training and testing, distribution of the information approach became allowed, the Essence of the information approach is in an opportunity of an estimation of speed of processing of the information biological systems and degrees of affinity of hypotheses that serves as a parameter of a condition of motor functions of individuals.

Повышение эффективности профессиональной подготовки военных кадров отнесено Военной доктриной Российской Федерации к числу основных направлений развития военной организации государства. Совокупность официальных взглядов на цели, задачи, принципы и основные этапы современной системы военного образования, направленных на повышение военно-профессиональной компетентности офицерских кадров, представлены в Федеральной программе реформирования системы военного образования. Вторым этапом этой программы с 2006 по 2010 гг. предусмотрена полномасштабная модернизация военного образования, связанная с техническим переоснащением учебно-материальной базы образовательного процесса, тренажерных систем по развитию и совершенствованию профессионально значимых качеств (ПЗК) военных специалистов. Поставленная задача актуальна и при подготовке кадров силовых ведомств, в т.ч. и системы МВД.

Под профессионально значимыми качествами понимают такие качества специалиста, которые непосредственно включены в трудовую деятельность и обусловливают её эффективность. Одной из составляющих ПЗК являются профессиональные навыки, динамическая сторона которых зависит от методов обучения, которые применяются в процессе их формирования. В процессе воинской деятельности наряду с сенсорными и умственными навыками различают также двигательные, которые подразделяются на простые и сложные (сенсорно-двигательные, умственно-сенсорнодвигательные и т.д.) и входят как составляющие в психомоторную организацию человека. При развитии и совершенствовании двигательных навыков военнослужащих одним из критериев оценки выступает точность механических движений.

В связи с этим одной из актуальных задач при развитии и совершенствовании этого навыка является задача совершенствования технических средств обучения и тестирования с целью обеспечения объективной оценки точностных характеристик операторской деятельности (ТХОД) в тренажерных системах военного назначения. Одним из приоритетных направлений при решении данной задачи является использование компьютерных технологий обучения, разработанных с учетом методологии психолого-педагогического проектирования.

Во всех получивших к настоящему времени широкое практическое применение методиках тестирования за количественную меру психомоторной реакции (ПР) принимают показатели продуктивности деятельности. Как правило, для каждого отдельного теста либо фиксируется время,

* Кандидат технических наук (Военная академия радиационной, химической и биологической защиты им. С.К. Тимошенко).

затраченное на его выполнение, либо определяется интегральная оценка за ряд тестов, оцененных в баллах. В том случае, если сформулированы критерий оценки и известна процедура тестирования человека, то обозначенная проблема превращается в техническую задачу. В этом процессе все большее значение приобретают цифровые методы представления и анализа информации в форме сигналов, которые позволяют решать задачи оценки эффективности обработки информации оператором при большой размерности входных данных.

Теоретической базой данной работы, позволившей поставить и выполнить исследование по совершенствованию технических средств обучения и тестирования, стало распространение информационного подхода, занявшего прочное место в системе методов современной науки, развитого в математике и кибернетике, на анализ и обработку больших объемов информации в процессе обучения курсантов в военно-учебных заведениях.

На основе последних достижений теории обработки сигналов, новых информационных технологий, в статье поставлена и решена научно-техническая задача по разработке технических решений по количественной оценки ПР курсантов в системе технических средств обучения и тестирования. Решение задачи достигнуто применением мер Шеннона и Кульбака1. При гипотезе Гауссова закона поступления данных удается свести формирование указанных мер к вычислению функции когерентности входных и выходных данных. Другими словами, предлагается рассматривать процесс тестирования курсантов как процесс передачи информации для непрерывного канала связи.

Суть информационного подхода - в возможности оценки скорости обработки информации биологическими системами и степени близости гипотез, что служит показателем состояния моторных функций индивидуумов.

Фактическую оценку скорости передачи информации и обобщенного отношения сигнал/шум (близости гипотез) можно оценить, прибегнув к использованию соотношений (1) и (2)2.

где I - скорость передачи информации Шеннона;

Б - мера Кульбака (мера разрешающих свойств в канале передачи информации между сигналом и шумом);

К-т! - взаимная спектральная плотность входного и выходного сигналов;

КЦ/), КЩ/ - спектральные плотности входного и выходного сигналов;

Т - длительность секции, обрабатываемая оператором.

Как видно, для оценки показателей необходимо экспериментально оценить функцию когерентности р(/) между входной траекторией и траекторией, реализуемой ответной реакцией индивидуума.

В данной работе входные тестирующие сигналы предъявлялись зрительному анализатору оператора, который механической реакцией руки в пространстве и во времени минимизировал расстояние между исходной траекторией и экспериментальной (формируемой оператором).

Для формирования траектории предложена следующая схема. На плоскости координаты траектории можно задать функцией пространства и времени (х(0, у(0), где х(0 - проекция траектории на ось (0, х), а у(1) - проекция траектории на ось (0, у).

Для сокращения временных затрат в предлагаемой схеме представления данных оператору предложено траекторию записывать как один комплекснозначный сигнал и(0 = хф + у(0.

На входной комплекснозначный сигнал были наложены следующие ограничения:

- сигнал представлял собой комплекснозначный белый шум, пропущенный через фильтр с передаточной функцией Нф

(О, |/ + Д//2 + е|>Д//2

Н(П

где £ > 0 ~ малое число.

В передаточной функции (3) исключалась окрестность нулевых частот. Процесс типа «белого» шума, пропущенного через фильтр с передаточной функцией (3), будем называть стандартным с

Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 2 (38) 2008

Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 2 (38) 2008

полосой Д/". Заметим, что пиковая мощность стандартного процесса задавалась условием, обеспечивающим формирование траекторий, не выходящих за минимальный размер экрана. Процесс, формируемый оператором обозначаем уф.

Схема была реализована следующим алгоритмом:

- комплекснозначные входной и(() и формируемый оператором у(1) сигналы траекторий переводят в числовую форму и секционируют и —> и1;, V —> V- ;, где / - индекс в одной секции,у -номерсекции;

- к каждой секции применяют алгоритм преобразования Фурье;

- в соответствии с соотношением вычисляется оценка функции когерентности для каждой секции;

- результаты вычислений усредняют по секциям.

Для формирования минимальных уровней (1) и (2), обозначаемых как 1д и £) вместо траектории, формируемой оператором, предъявлялась стандартная траектория, но при условии отсутствия корреляции между входом и выходом Я-ууСО = 0.

Были выбраны следующие показатели сравнительной оценки моторных функций индивидуумов:

- форма функции когерентности индивидуума при условии задания стандартного процесса с полосой А/;

- относительные потери в скорости передачи информации I/1 где I - фактическая скорость приема информации индивидуумом, 10 - пороговая скорость передачи информации моделью;

- относительный уровень отношения сигнал/шум В / В, где В - фактическое значение отношение сигнал/шум для индивидуума, В0 - пороговое отношение сигнал/шум.

Для оценки моторной функции операторов принята следующая модель

где у(ї) - реакция оператора на входную траекторию п(і); п(і) - комплекснозначный сигнал;

Н(ї) - импульсная характеристика реакции оператора, сглаживающей траекторию; п(ї) - шумы системы;

*- индекс свертки.

При гипотезе, что шум п(ї) имеет равномерную спектральную плотность, поставлена задача измерения передаточной характеристики оператора Иф = Е{Нф} и мощности шума п(ї).

Для модели (5) определим компоненты (4):

(п(і) * Н(і) + п(і) у(і) = (п(і) * Н(і) + п(і)),

Д;/Д/) = Я;Л7 (/)#(/), М/) = М/)И/)|2+ М/),

Яии{/)н{/) Ґ

1 + н2Кт,У\

*т

Отсюда следует:

Таким образом, оценивая функцию когерентности р2 (/) и отношение сигнал/помеха

можно определить квадрат модуля передаточной функции Н2(/). С учетом (1), (2) и (6) имеем:

/ = 1 Г 1п(1 + н2 (/)• Кии ()^

2 -I I К

df D = T f И2

Ruu

Rnn (f) ’

Предположим, что передаточная функция оператора имеет вид И f) = const, что означает, что оператор не проводит сглаживания траекторий.

Воспользуемся соотношениями (7) для определения уровня физиологического шума n(t). Пусть спектральная плотность входного сигнала равномерная в полосе:

( P.

Ruu (f ) =

2ДГ f ± fol * iAf

где /0 - центральная частота, А/ - полоса сигнала, Р8 - мощность сигнала, а аддитивный шум на выходе канала имеет вид:

Для соотношений (8) и (9) меры (7) перепишутся:

/ = Д/1 п

с р ^ 1+^-

V

D = 2h.fr— Pn

Пусть в результате эксперимента, например, конкретный индивидуум для стандартного случая с полосой шума Д/ достиг значения /; и /);. Регулируя значение шума Р№ удалось сформировать отклики системы, равные / и В, совпадающие с экспериментальными данными индивидуума. Поскольку параметр Рм известен, то отсюда можно определить и уровень физиологического шума.

Представленные материалы нашли применение при количественной оценке ПР курсантов в технических средствах обучения и тестирования.

Порядок проведения экспериментальных исследований следующий. С помощью специального устройства (программы) формируется набор траекторий движения отметки по экрану монитора. Испытуемый следит за отметкой траектории на экране и с помощью манипулятора пытается следовать за ней как можно более точно. В качестве манипулятора используется компьютерная мышь. В дальнейшем предполагается возможность разнообразить процесс съема информации с помощью специальных джойстиков. В приборе предусмотрен выбор как скорости движения отметки, так и кривизны траектории. Предусмотрены два способа генерации траектории:

- отсчеты траектории формируются в реальном масштабе времени с помощью датчика случайных чисел;

- отсчеты траектории формируются заранее и заносятся в быстродействующее постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), откуда извлекаются в соответствии с заданной скоростью обновления.

Функциональная схема блоков технического средства обучения и тестирования (устройства формирования стимулов и измерения их ответных реакций операторов) представлена на рис. 1.

Техническое средство обучения и тестирования было реализовано на базе РС 1ВМ путем разработки специальных программ, реализованных в среде МаШСЛБ. В качестве измерителя

Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 2 (38) 2008

Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 2 (38) 2008

Рис. 1. Функциональная структура блоков технического средства обучения и тестирования, реализующая процедуру оценки ПР

ответной моторной реакции испытуемых использовался манипулятор «мышь». Это позволило решить задачу автоматизации экспериментальной процедуры путем анализа двухмерного процесса, который можно рассматривать как комплекснозначный сигнал. Путем статистической обработки можно сравнивать степень близости траекторного сигнала на входе с сигналом ответной моторной реакции. Кроме того, в компьютере была реализована функция экспериментатора по остановке эксперимента (при завершении времени эксперимента). Таким образом, в работе были созданы специализированные библиотеки, позволяющие реализовать следующие функции:

- формирование траектории;

- предъявление их через экран монитора для восприятия сформированной траектории;

- оценки моторной реакции по данным измерителя типа «мышь» с использованием информационных критериев Шеннона и Кульбака;

- накопление индивидуальных показателей испытуемых.

Новые возможности проведения исследований по оценке ПР с использованием цифровых функциональных блоков технического средства обучения и тестирования достигались за счет:

- применения при формировании классов стимулов гибкой математической среды МаШСАБ;

- отсутствия в период проведения опыта экспериментатора, т.е. субъективный фактор влияния исследователя исключался;

- текущей оценки надежности экспериментальных данных;

- контроля параметров стимула, оценки близости ответной траектории по отношению к предъявляемой на математическом уровне.

В процессе разработки метода количественной оценки ПР курсантов была сформирована психофизиологическая модель в виде системы, учитывающей искажения стимулирующих сигналов, позволившая оценивать кинематические характеристики индивидуумов.

1 См.: Кульбак С. Теория информации и статистика. М., 1967; Шеннон К. Работы по теории информации. М., 1963.

2 См.: Ковалевский Н.Г., Примакина Е.И. Критерии эффективности процедуры обработки информации человеком // Материалы 16-й научно-технической конференции. Ч. 2. Петродворец, 2005. С. 27-34.