ИНТЕГРИРОВАННАЯ ОБУЧАЮЩАЯ СРЕДА

Полезная модель относится к автоматизированным системам обучения и может быть использована для комплексного группового и/или индивидуального обучения и переподготовки персонала для эксплуатации и обслуживании сложных природно-технических комплексов в условиях возникновения экстремальных и аварийных ситуациях на морских нефтегазодобывающих платформах.
Известна система изучения информации с использованием интерактивной среды, содержащая блоки для хранения, передачи и управления информацией, блок анализа и оценки правильности ответов обучаемого с использованием информации, хранящейся в блоке памяти (Патент РФ на полезную модель №16967, G09B 19/00, 2000).
Также известна система, реализующая способ автоматизированной подготовки и аттестации, содержащая, по меньшей мере, один проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающего в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний обучающихся, информационные входы и выходы которого соединены со всеми элементами системы, функционирование которой основано на адаптируемых автоматизированных циклах обучения и контроля знаний с использованием формализованных знаний и опыта квалифицированных специалистов с применением текстово-графических процедур логики принятия решений специалистами (Патент РФ на изобретение №2166211 RU, G09B 19/00).
Однако известные устройства не могут быть использованы для комплексного индивидуального и/или группового обучения и подготовки инженерного и научного персонала сложных технических и технологических систем, предусматривающих участие человека в управлении такими системами.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является интерактивная автоматизированная система обучения, содержащая, по крайней мере, один проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающего в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний обучающихся, информационные входы и выходы которого соединены со всеми элементами системы, причем проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса выполнен в виде модуля вычислительной системы управления процессом обучения, снабженного программным обеспечением системы, а система дополнительно снабжена, по меньшей мере, тремя функциональными модулями - модулем группового обучения, модулем индивидуального обучения и модулем процедурного тренажера, причем все модули системы выполнены автономными и соединены между собой коммуникационными связями и своими информационными входами и выходами, при этом модуль вычислительной системы управления процессом обучения снабжен электронными блоками - обучающим блоком, технологическим блоком, ремонтным блоком, блоком электронной документации, контрольным блоком, блоком режимов, управляющим блоком, блоком тестирования и коммутационным блоком, каждый из которых имеет свои информационные входы и выходы. Модуль процедурного тренажера выполнен в виде макета рабочего места управления, имеющего процессорный блок, а также дисплейное устройство, связанное с блоком инструктора модуля группового обучения, при этом блок инструктора модуля группового обучения с возможностью обеспечения обратной и взаимных информационных связей соединен предусмотренными коммуникационными связями в виде соединительных и/или информационно проводящих элементов с модулем процедурного тренажера, его процессорным блоком и обучающим блоком модуля вычислительной системы управления процессом обучения, причем каждый из перечисленных выше блоков и модуль процедурного тренажера в связях модуля процедурного тренажера вместе и раздельно соединены с коммутационным блоком модуля вычислительной системы управления процессом обучения. Кроме того, макет рабочего места управления модуля процедурного тренажера выполнен в виде макета кабины, например, летательного аппарата или центрального пункта управления сложной технической системы, полностью имитирующего кабину реального объекта или центрального пункта управления сложной технической системы. (Патент РФ на изобретение №2271040, G09B 9/00, 2004).
Указанная система не обеспечивает возможности обучения на едином учебно-производственном информационном поле и не может быть использована для комплексного группового и/или индивидуального обучения и переподготовки специалистов в экстремальных и аварийных условиях борьбы за живучесть (например, такой технологической системы, как морская нефтегазодобывающая платформа). Использование имитационной модели объекта изучения (процедурного тренажера) не позволяет достоверно воссоздать реальные сценарии изучаемого процесса (например, возникновение и распространение пожара - его обнаружение и ликвидация, обнаружение затоплений в помещениях - обеспечение непотопляемости платформы, реализация ситуационного плана с маршрутами эвакуации при изучении спасательных работ, проведение водолазных работ), что отражается на качестве подготовки обучаемых.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание интегрированной обучающей среды, позволяющей проводить комплексное групповое и/или индивидуальное обучение и тестирование обучаемых и специалистов сложным техническим системам в экстремальных и аварийных условиях борьбы за живучесть происходящей на сложных технических комплексах, каковыми являются морские нефтегазодобывающие платформы (МНГП).
К техническим результатам, получаемым при решении поставленной задачи от реализации заявленной полезной модели, следует отнести повышение эффективности обучения и эффективности применения его результатов в дальнейшем на практике, обеспечивающих повышение безопасности эксплуатации сложных технических систем, расширение дидактических возможностей, сокращение времени освоения изучаемой сложной технической системы.
Технический результат достигается тем, что интегрированная обучающая среда, содержащая модуль индивидуального обучения, модуль группового обучения, состоящего из блока инструктора с процессорным блоком, который подключен ко входу блока системы отображения информации коллективного пользования; модуль процедурного тренажера, содержащий процессорный блок с дисплейным устройством, и хотя бы один проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающего в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний обучающихся, информационные входы и выходы которого соединены со всеми модулями обучающей среды и выполненный в виде модуля вычислительной системы управления процессом обучения, снабженного программным обеспечением обучающей среды и содержащего обучающий блок, технологический блок, ремонтный блок, блок электронной документации, контрольный блок, блок режимов, управляющий блок, блок тестирования, причем каждый вход-выход из этих блоков подключен к коммутационному блоку, снабжена модулем подготовки учебно-методического материала, состоящим из блока программно-аппаратных средств подготовки компьютерных обучающих программ и документирования результатов обучения, соединенного с входом сервера баз данных, информационные входы и выходы которого подключены к коммутационному блоку вычислительной системы, а вход-выход блока программно-аппаратных средств подготовки компьютерных обучающих программ и документирования результатов обучения подключен к входу-выходу блока инструктора модуля группового обучения, причем в модуль вычислительной системы управления процессом обучения введены блок доверенной загрузки, блок формирования и генерации аварийных ситуаций и блок контроля экранов обучающихся, каждый из которых имеет свои информационные входы и выходы с коммутационным блоком, а модуль процедурного тренажера выполнен в виде виртуального рабочего места управления, процессорный блок которого соединен коммуникационной связью с сервером баз данных, а дисплейное устройство подключено своим выходом ко входу блока инструктора модуля группового обучения.
Полезная модель поясняется рисунком, где на Фиг.1 изображена общая схема интегрированной обучающей среды (ИОС);
Интегрированная обучающая среда имеет пять функциональных модулей, соединенных между собой коммуникационными связями и своими информационными входами и выходами: 1 - модуль вычислительной системы управления процессом обучения, 2 - модуль группового обучения, 3 - модуль индивидуального обучения, 4 - модуль процедурного тренажера и 5 - модуль подготовки учебно-методического материала.
Модуль 1 вычислительной системы управления процессом обучения представляет собой проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающего в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний и действий обучающихся и снабженного программным обеспечением системы. Модуль 1 вычислительной системы управления процессом обучения имеет несколько электронных блоков - обучающий блок 6, технологический блок 7, ремонтный блок 8, блок 9 электронной документации, контрольный блок 10, блок 11 режимов, управляющий блок 12, блок 13 тестирования, блок 14 доверенной загрузки, блок 15 формирования и генерации аварийных ситуаций, блок 16 контроля экранов обучаемых и коммутационный блок 17, каждый из которых имеет свои информационные входы и выходы.
В интегрированной обучающей среде обучающий блок 6 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения выполнен в виде программно-аппаратного устройства, содержащего электронную библиотеку программ обучения, с возможностью обеспечения функций ее использования.
Технологический блок 7 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения выполнен в виде программно-аппаратного устройства, содержащего систематизированную совокупность данных технологических карт обслуживания по обучаемому объекту с возможностью обеспечения функций их электронного использования.
Ремонтный блок 8 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения выполнен в виде программно-аппаратного устройства, содержащего систематизированную совокупность данных отказов на изучаемом объекте методов их выявления и устранения с возможностью обеспечения функций ее электронного использования.
Блок 9 электронной документации модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения в интегрированной автоматизированной системе обучения может быть выполнен в виде программно-аппаратного устройства, содержащего комплект технической и эксплуатационной документации изучаемого объекта в электронном виде.
Контрольный же блок 10 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения может быть выполнен в виде программно-аппаратного устройства с возможностью включения контрольных вопросов и тестовых заданий.
Блок 11 режимов модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения может быть выполнен в виде программно-аппаратного устройства ввода начальных данных для различных режимов, обеспечивающих заданное функционирование модуля 4 процедурного тренажера во всем диапазоне заложенных в нем характеристик.
Управляющий блок 12 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения выполнен в виде программно-аппаратного устройства с возможностью имитационного моделирования и управления аварийными ситуациями модуля 4 процедурного тренажера.
Блок 13 тестирования модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения выполнен в виде программно-аппаратного устройства с возможностью обеспечения им функций - проведения экзаменов с оценкой уровня подготовки.
Блок 14 доверенной загрузки модуля вычислительной системы выполнен в виде программно-аппаратного устройства, обеспечивающего функцию контроля доступа к персональному компьютеру, контроля целостности программного обеспечения и данных пользователя, т.е обеспечение информационной безопасности.
Блок 15 формирования и генерации аварийных ситуаций модуля 1 вычислительной системы выполнен в виде программно-аппаратного устройства, обеспечивающего функцию формирования и сохранения в базе данных (БД) структуры данных описывающих тип аварии и параметры ее моделирования (например, место и тип возгорания), а при отработке на процедурном тренажере - генерацию момента возникновения.
Блок 16 контроля экранов обучающихся модуля вычислительной системы выполнен в виде программно-аппаратного устройства, обеспечивающего для инструктора функцию визуального контроля за деятельностью обучающихся.
Коммутационный блок 17 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения выполнен в виде программно-аппаратного устройства, обеспечивающего раздельное и/или совместное функционирование модулей, блоков и устройств всей системы, а также обеспечивающего независимость коммутационных информационных связей и независимость прохождения управляющих сигналов между отдельными элементами системы.
Модуль 2 индивидуального обучения состоит, по крайней мере, из одного блока 18 индивидуального обучения в виде компьютерного устройства с процессорным блоком 19 и с набором прилагаемых к нему технических средств - периферии (не показано), обеспечивающих функции информационных коммуникаций между частями системы, другими блоками индивидуального обучения, если они предусмотрены в системе обмена информацией, обработку информации, отображение информации и ретрансляцию ее по системам коммуникации. Количество индивидуальных блоков 18 модуля 2 индивидуального обучения может быть выбрано от одного до «n», где «n» - число обучающихся.
Модуль 3 группового обучения состоит, по крайней мере, из одного блока 21 инструктора с процессорным блоком 22 и блока 20 системы отображения информации коллективного пользования.
Блок 21 инструктора модуля 3 группового обучения с возможностью обеспечения обратной и взаимных информационных связей соединен предусмотренными коммуникационными связями в виде соединительных и/или информационно проводящих элементов с блоком 14 доверенной загрузки, с блоком 15 контроля экранов обучающихся и с обучающим блоком 6 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения, его блоком 9 электронной документации и блоком 20 системы отображения информации коллективного пользования модуля 2 группового обучения. Кроме того, блок 21 инструктора модуля 3 группового обучения соединен предусмотренными коммуникационными связями с с каждым из блоков 18 и блоком 19 модуля 2 индивидуального обучения, а также с блоком 25 модуля 5 подготовки учебно-методического материала.
Каждый из перечисленных выше блоков 8, 11, 15, 17 и 21 в связях модуля 3 группового обучения вместе и раздельно соединены с коммутационным блоком 17 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения.
Процессорный блок 22 блока инструктора 21 модуля 2 группового обучения, снабжен набором прилагаемых к нему технических средств - периферией (не показано), обеспечивающих функции информационных коммуникаций между частями системы, обмена информацией, обработку информации, отображение информации и ретрансляцию ее по системам коммуникаций получателю и/или для внешнего группового отображения для обучаемых с использованием блока 20 системы отображения информации коллективного пользования.
Модуль 4 процедурного тренажера выполнен в виде рабочего места управления, представляющего собой компьютерное трехмерное виртуальное пространство, построенное средствами 3D-графики, полностью и адекватно имитирующего помещения и оборудование реального объекта и/или поста управления сложной технической системы (например, помещения с оборудованием и/или центральный пост МНГП), позволяющие достоверно воссоздать реальные сценарии изучаемого процесса (например, возникновение и распространение пожара - его обнаружение и ликвидация, обнаружение прорывов и затоплений в помещениях, проводить изучение и реализацию ситуационного плана с маршрутами эвакуации при проведении спасательных работ, изучении выполнения водолазных работ).
При этом модуль 4 содержит процессорный блок 24, на котором программно реализованы геометрические и имитационные модели объекта изучения. Кроме того модуль 4 процедурного тренажера содержит дисплейные устройства 23, связанные с блоком 21 инструктора модуля 3 группового обучения. Процессорный блок 24 модуля 4 процедурного тренажера снабжен набором прилагаемых к нему технических средств - периферией, обеспечивающих функции информационных коммуникаций между частями системы, обмена информацией, обработку информации, визуализацию информации и ретрансляцию ее по системам коммуникации получателю.
Модуль 5 подготовки учебно-методического материала содержит блок 25 программно-аппаратных средств подготовки компьютерных обучающих программ и документирования результатов обучения, соединенный с выделенным сервером 26 баз данных, который подключен к коммутационному блоку 17 модуля 1, а вход-выход сервера 26 подключен к процессорному блоку 24 модуля 4 процедурного тренажера.
Соединительные информационно проводящие элементы интегрированной автоматизированной системы обучения могут быть выполнены, например, в виде структурированных кабельных сетей и локальных и распределительных сетей, снабженных разъемами для подключения к элементам системы.
Интегрированная обучающая среда (ИОС) функционирует в двух режимах:
1-й режим - режим подготовки учебно-методического материала (создание, модификация, сохранение в БД компьютерных обучающих программ, ведение БД пользователей, разработка и сохранение в БД сценарных упражнений для процедурного тренажера);
2-й режим - режим обучения, который имеет три формы - группового обучения (форма «Г»), индивидуального обучения (форма «И»), обучение на процедурном тренажере (форма «Т»).
При функционировании ИОС в режиме подготовки учебно-методического материала (УММ) для пользователя предоставляются возможности по созданию компьютерных обучающих программ (КОП), упорядоченных в базе данных по темам, тестов, тестовых заданий и проектировании заданий по аварийным ситуациям для отработки на процедурном тренажере. При этом используются программно-аппаратные средства подготовки блока 25, имеющие визуальные средства редактирования по типу Microsoft Office Word. КОП представляет собой упорядоченную изменяемую совокупность обучающих кадров или страниц предъявляемых пользователю (например, HTML страница, страница с растровой графикой, видео сюжеты, страница с анимированной векторной графикой - Flash страница). Визуальные средства редактирования включающие шаблоны обучающих кадров с различными стилями размещения информации (текст, фото, видео) позволяют пользователю не профессионалу скомпоновать авторскую обучающую последовательность КОП и сохранить (опубликовать) КОП на сервере баз данных. Тексты, гипертекстовые ссылки, логика переходов между кадрами, параметры синхронизации аудиоинформации, логика управления анимированными схемами, а также имитационные модели для функционирования процедурного тренажера - объекты хранения базы данных.
При включении питания и загрузки всех блоков интегрированной обучающей среды для обеспечения информационной безопасности, предотвращения несанкционированного доступа к блокам и данным в базе данных осуществляется аутентификация пользователя посредством блока 14 доверенной загрузки модуля вычислительной системы 1. Затем, для разграничения прав доступа пользователя (предусмотрены не менее трех типов: системный администратор, инструктор и обучающийся) выполняется регистрация пользователя в базе данных и проверка персонифицированных прав доступа к задачам, УММ, персональным данным.
1
n
При функционировании ИОС в режиме обучения по форме «Г» блок 21 инструктора модуля 2 группового обучения, используя сеть информационных и коммуникационных связей, коммутационный блок 17 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения и процессорный блок 22 модуля 2 группового обучения, управляет блоками 18…18 индивидуального обучения и осуществляет их загрузку, используя блок 14 доверенной загрузки, выполняет аутентификацию и регистрацию обучающихся, их обучение, входной и промежуточный контроль знаний, тестирование путем подключения к блокам 6, 7, 8, 9, 10, 13 и 16 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения, информация от которых, в свою очередь, отображается блоком 20 на средствах коллективного отображения учебных программ модуля 2 группового обучения, а персональные результаты обучения через сеть фиксируются на сервере 26 баз данных и могут быть выданы на печать блоком 25 модуля 5.
1
n
При функционировании ИОС в режиме обучения по форме «И» блоки 18…18 индивидуального обучения модуля 3 индивидуального обучения, используя сеть информационных и коммуникационных связей, коммутационный блок 17 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения и блок 19 модуля 3 индивидуального обучения, подключаются к блоку 14, выполняют с его помощью персональную аутентификацию, затем зарегистрировавшись в на сервере 26 баз данных индивидуально подключаются к блокам 6, 7, 8, 9, 10 и 17 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения и осуществляют информационный обмен с сервером 26 баз данных.
При функционировании ИОС в режиме обучения по форме «Т» процессорный блок 26 модуля 4 процедурного тренажера, используя сеть информационных и коммуникационных связей, коммутационный блок 19 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения подключается к серверу 7 баз данных, к блокам 6, 7, 8, 16 и 17 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения и осуществляют информационный обмен с блоком 21 инструктора модуля 2 группового обучения.
Подключение блока 21 инструктора модуля 2 группового обучения к блоку 15 обеспечивает генерацию возникновения в нужный момент и далее развитие аварийной ситуации, сформированной в подготовленном заранее и сохраненной на сервере 26 задании для отработки на процедурном тренажере. При этом упорядоченная совокупность действий обучаемого и время их выполнения, выполняемая на процедурном тренажере 4 фиксируется на сервере 26 баз данных персонифицировано.
Подключение процессорного блока 24 модуля 4 процедурного тренажера через интерфейс виртуального рабочего места управления к блокам 11 и 12 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения обеспечивает имитационную работу модуля 4 процедурного тренажера в заданных эксплуатационных режимах.
Подключение блока 21 инструктора модуля 2 группового обучения к блоку 16 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения при функционировании ИОС в режимах всех форм позволяет визуально проконтролировать деятельность обучаемых.
1
n
При функционировании ИОС в режимах обеспечения всех форм осуществляется совокупность целенаправленных взаимосвязанных действий обучающего (блок 21 инструктора модуля 2 группового обучения) и руководимых им обучаемых (блоки 18…18 модуля 3 индивидуального обучения), направленных на сознательное и прочное овладение ими системы знаний, навыков и умений, в результате которых развиваются профессиональные способности для выполнения обязанностей при управлении и эксплуатации различных сложных технических систем, предусматривающих включение в контур управления этими системами человека.
Следует отметить, что при функционировании системы во всех ее режимах активно используется обучающий блок 6 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения, выполненный в виде устройства, содержащего электронную библиотеку программ обучения, обеспечивающую следующие формы представления информации:
- текст;
- таблица;
- графика;
- аудио- видеоинформация;
- цифровые фотографии;
- анимация.
Обучающий блок 11 модуля 1 вычислительной системы управления процессом обучения имеет, например, следующие программы обучения:
- техническое описание изучаемого объекта, его систем и оборудования;
- блок-схемы, принципиальные и электрические схемы;
- рисунки изучаемого объекта, его систем и оборудования, при необходимости, в трех измерениях - объемное изображение с пространственным разделением деталей и разрезами;
- моделирование различных процессов и схем управления в реальном времени с помощью схем, чертежей, блок-схем с имитацией сигналов управления и т.д.
Таким образом, интегрированная обучающая среда обеспечивает:
- организацию индивидуального и группового обучения различных категорий специалистов, эксплуатирующих и обслуживающих сложные технические системы в соответствии с программой подготовки каждого специалиста;
- расширение дидактических возможностей обучающей среды за счет использования пополняемой базы знаний, размещенной на выделенном сервере баз данных;
- повышение уровня и качества обучения за счет сочетания теоретического обучения с выработкой практических навыков на процедурном тренажере, что в конечном итоге приводит к сокращению времени освоения такой изучаемой сложной технической системы как морская нефтегазодобывающая платформа;
1
n
- повышение уровня и качества обучения за счет осуществления объективного контроля уровня знаний обучаемых (блоки 18…18 индивидуального обучения модуля 3 индивидуального обучения) в автоматическом и полуавтоматическом режимах по всем упражнениям программы подготовки, включая визуальный контроль инструктора за деятельностью обучающихся;
В целом, приведенные результаты приводят к повышению эффективности обучения и эффективности применения его результатов на практике, обеспечивающих повышение безопасности эксплуатации сложных технических систем.
В настоящее время, интегрированная обучающая среда, как автоматизированная система обучения спроектирована и изготовлена из доступных промышленно выпускаемых элементов для проведения межведомственных испытаний.