Применение перспективных информационных технологий в тренажеростроении

29. Михалевич В. С., Каныгин Ю. М., Грищенко В. И. Информатика — новая область науки и практики: Науч. сб. «Кибернетика. Становление информатики». М.: Наука, 1986. С. 39-46.

30. Маклаков А. Г. Общая психология: Учеб. для вузов. СПб.: Питер, 2008. 583 с.

31. Губинский А. И., Евграфов В. Г. Эргономическое проектирование судовых систем управления. Л.: Судостроение, 1974. 224 с.

32. Сергеев С. Ф. Виртуальные тренажеры: проблемы теории и методологии проектирования // Биотехносфера. 2010. № 2(8). С. 15-21.

33. Котова Е. Е. Учет деятельности человека и проблемы автоматизации образования // Биотехносфера. 2010. № 2(8). С. 39-45.

34. Биденко С. И., Яшин А. И. Человеческий фактор в интеллектуальных системах // Биотехносфера. 2010. № 2(8). С. 45-49.

35. Печников А. Н., Шиков А. Н. Проектирование и применение компьютерных технологий обучения. СПб.: Изд-во ВВМ, 2014. 393 с.

36. Талызина Н. Ф. Формирование познавательной деятельности младших школьников. М.: Просвещение, 1988. 175 с.

УДК 159.9.01 С. Ф. Сергеев

Применение перспективных информационных технологий в тренажеростроении

Ключевые слова: обучающие среды, облачные технологии, ориентирующее обучение, интернет вещей. Keywords: learning environments, cloud technology, orienting education, Internet of things.

Обсуждены возможности использования перспективных сетевых и интернет-технологий для создания обучающих систем и тренажеров на методологических принципах неклассической и постнеклассической психологии и педагогики.

Введение

Интенсивное развитие технологий и сервисов Интернета, появление глобальных систем дистанционного сбора, распределенного хранения, обработки и использования информации («облачные» и «туманные» технологии), проекты «интернет вещей» (Internet of Things — IoT), «разумная среда» (Smart Environments) создают технологические иллюзии возможности реализации принципиально новых технологий обучения, существенно повышающих качество и эффективность систем подготовки. Однако эта точка зрения не подтверждена практикой, имеются свидетельства о низкой эффективности компьютерных обучающих систем и тренажеров.

По мнению А. Н. Печникова (и мы согласны с этой точкой зрения), «все беды электронного обучения идут от того, что оно реализует тупиковую педагогическую идею» [1, с. 330] и осуществляется чужеродными процедурами. Существующие варианты обучающих программ и тренажеров воспроизводят механистические, построенные на бихевиоризме, модели обучения, которые плохо работают в системах массовой профессиональной подготовки операторов сложных систем. Несмотря на это, в последнее десятилетие наблюдается парадоксальный факт возврата к методам и методологии программированного обучения, пик популярности которого пришелся на 70-е годы прошлого века. Суть программированного обучения состоит в последовательном предъявлении ученикам порций структурированной мультимодальной (главным образом аудиовизуальной) учебной информации с последующим контролем ее усвоения по результатам выбора правильного варианта ответов из нескольких предложенных [2]. Всеобщая компьютерная грамотность и доступность пакетов и оболочек обучающих программ делают программированное обучение популярным направлением е-обучения. Однако эти методы эффективны лишь при решении ограни-

ченного класса задач, которые связаны с изучением структурированной информации, отражающей последовательность причинно-следственных отношений в изучаемой системе. При этом игнорируются свойства и механизмы действующей когнитивной организации человека, использующей механизмы ориентации и социального коммуникативного обучения [3].

Сложное и часто отрицательное отношение к обучению с помощью машин высказывали многие представители западной психологической науки, столкнувшиеся с идеей программированного обучения (И. Грин, Р. Гудмен, Г. Кельбер, Л. Ку-финьяль, Л. Леин, К. и М. Смит и др.). Они интуитивно понимали всю сложность данной проблемы и видели ограничения, создаваемые алгоритмическим подходом в обучении.

Общая критика программированного обучения сводилась к следующему:

• программированное обучение не использует положительных сторон группового обучения;

• оно не развивает инициативы учащегося, поскольку программа как бы ведет его за руку;

• с помощью программированного обучения можно обучить лишь простому материалу;

• теория обучения, основанная на подкреплении, хуже, чем основанная на интеллектуальной гимнастике;

• программированное обучение не революционно, а консервативно, так как оно книжное и вербальное;

• программированное обучение игнорирует достижения психологии, изучающей структуру деятельности мозга и динамику усвоения знаний;

• программированное обучение не дает возможности получить целостную картину об изучаемом предмете и представляет собой «фрагментарное обучение» [2, с. 15].

Основные проблемы тренажеростроения и автоматизированного обучения также связаны скорее с нерешенностью психолого-педагогических и методических вопросов использования обучающих сред, нежели с отсутствием инженерных решений и технологий. Возможности создания высокоточных имитаций рабочей среды не привели к появлению высокоэффективных тренажеров. Этому препятствует наблюдаемый в сложных обучающих средах эффект методической избыточности среды обучения, ведущий к появлению неопределенности в выборе и постановке учебных задач и целей. Моделирующая среда современного тренажера позволяет сгенерировать любые учебные задачи в любом количестве, а их выбор становится неопределенным и зависимым от произвола и квалификации инструктора.

Следует признать, что современные системы обработки, преобразования и представления информации могут реализовать большинство известных в классической педагогике форм и методов обуче-

ния, но их «электронное» исполнение на практике желает лучшего в силу слабой подготовки учителей в сфере разработки учебного программного обеспечения и инженеров-программистов в области дидактики.

Вместе с тем новые информационные технологии имеют значительный потенциал для реализации методологии обучающих иммерсивных сред [4], что позволяет создавать средоориентированные тренажеры для подготовки операторов сложных эргатических систем [5]. Теоретико-методологическому обоснованию возможности внедрения новых информационных технологий в практику проектирования тренажеров методически реализованных на базе положений постнеклассической педагогики и инженерной психологии посвящена настоящая статья.

Е-дидактика в круге классической рациональности

Основные вопросы, рассматриваемые во всех вариантах педагогического знания, связаны с решением проблемы эффективного управления учебным процессом. При этом делается акцент на обеспечение взаимодействия между преподавателями и учениками, активными элементами обучающей среды и ее обучающим контентом, образовательной средой и личностно-мотивационной и когнитивной сферами учеников [3]. Решение данного комплекса вопросов оказывает стимулирующее влияние на выбор технологий, методов и средств обучения, в том числе использующих компьютерные технологии.

Дидактическое содержание среды обучения определяет внешнюю предметно-активную часть среды обучения и ассоциируется с информационно-материальными ресурсами, реализующими педагогические воздействия. Внутренняя часть обучающей среды, определяемая индивидуально-психологическими и личностными качествами ученика, отражает субъектно-активную часть обучающей среды. Эффективное объединение данных ресурсов в рамках единой среды обучения, формирующей индивидуальные обучающие среды учеников, и является главной задачей педагогической науки и е-обучения в частности.

Классические модели обучения в виде дидактического треугольника, включающего ученика, учителя и учебное содержание, отражают ряд широко используемых в педагогике дидактических принципов, которые рассматривают в качестве главного активного элемента среды обучения преподавателя, реализующего методику обучения. Именно отношения педагога и ученика определяют качество педагогического процесса. Следовательно, по мнению проектировщиков электронных систем обучения и тренажеров, для того чтобы создать эффективную систему е-обучения достаточ-

но с помощью технологии смоделировать рабочую среду, функции и логику действий педагога. Это во многом спорное с точки зрения педагогической психологии предположение широко тиражируется в инженерно-педагогической среде и является основой е-дидактики — комплексной дисциплины о методах обучения в новой педагогической реальности века технологий. М. А. Чошанов определяет е-дидактику как «науку, искусство и инженерию обучения» [6, с. 692]. Им вводится понятие дидактической инженерии, которая «концентрируется на детальном конструировании учебных процессов и содержит шаги по анализу, разработке и конструированию обучающих продуктов и их использованию в образовательном процессе» [6, с. 694]. Однако основная проблема такого подхода заключается в том, что он отражает в рамках классической рациональности инженерное понимание обучения как управляемого извне информационного процесса, связанного с передачей знаний как порций структурированной информации. Это противоречит современным научным данным в области обучения человека, в соответствии с которыми обучение имеет коммуникационную, ориентирующую ученика в зоне учебного содержания, природу [7].

Наблюдаемая в эволюции глобальной техногенной среды тенденция к тотальному охвату всепроникающими компьютерными технологиями всех сфер жизнедеятельности человека, в том числе и сферы образования, требует адекватных ответов со стороны создателей систем обучения и тренажеров. Необходим переход от моделей локального тренажерного обучения к сетевому обучению. Это возможно при использовании представлений о тренажере как о сложной коммуникационной системе.

Тренажер как сложноорганизованная коммуникационная система

Категории «сложность» и «сложные системы» давно являются объектами внимания науки и философии. Их понятийный состав отражен в исследованиях ведущих отечественных и зарубежных ученых, работающих в рамках концептуальных представлений радикального и эпистемологического конструктивизма (В. И. Аршинов, В. Г. Буданов, Ф. Варела, К. Х. Делокаров, Е. Н. Князева, С. П. Курдюмов, В. А. Лекторский, Н. Луман, У. Матурана, И. Р. Пригожин, Г. Хакен).

В тренажеростроении в настоящее время начинают доминировать конструктивистские представления о сложности и сложных системах в обучении, пришедшие на смену логическим, теоретико-информационным и алгоритмическим концепциям классического системного подхода в педагогике.

Подход к тренажерам как к сложным системам требует от проектировщиков нового понимания, что среда и система являются взаимодополняющими

понятиями и рассмотрение сложных систем вне среды их существования невозможно. Неклассические и постнеклассические представления, положенные в основание методологии проектирования тренажеров сложных эргатических систем и сред, основаны на синергетических и конструктивистских моделях обучения, рассматривающих процессы самоорганизации и развития сложных систем и сред.

Методологической основой обучения в сложных средах является когнитивная педагогика. В ней по аналогии с классической педагогикой человек рассматривается как познающая мир система, но в неклассических представлениях это система самоорганизующаяся в пределах своего опыта, а в постне-классических — саморазвивающаяся историческая система аутопоэтического типа, которая испытывает ориентирующее влияние со стороны учебной коммуникации, возникающей в обучающей среде.

Тренажер, в соответствии с излагаемой концепцией, создает среду обучения, которая, взаимодействуя с психофизиологической системой ученика, создает в ней особую форму психической реальности — обучающую среду. Именно в обучающей среде консолидируется и приобретается новый опыт (обучение). Свойства обучающей среды являются определяющими для получения обучающего эффекта [3].

Большинство современных компьютерных тренажеров используют технологии обучения в искусственных средах, создаваемых моделирующими системами. Методическое обеспечение, определяющее формы взаимодействия участников учебного процесса, базируется на моделях ориентирующего обучения, которые довольно редко применяются в классическом тренажерном обучении. Рассмотрим ряд новых компьютерных технологий, позволяющих реализовать модели педагогической ориентации, и их применение в тренажерном обучении.

Обучение в рамках ориентирующей кооперации

Для объяснения процессов обучения в сложных операционально-замкнутых самоорганизующихся системах, к которым относится человек, предложена обобщенная модель ориентирующей кооперации, в соответствии с которой коммуникационная ориентация является основным механизмом научения в живой системе [3]. В силу этого обучающие системы организуют и поддерживают процессы коммуникации, которые ориентируют когнитивные и личностные механизмы ученика в зоне учебного содержания, направленные на порождение (конструирование) учебного результата. Рассмотрим возможности ряда сетевых компьютерных технологий с точки зрения реализации постулатов ориентирующей педагогики.

Облачные технологии в ориентирующем обучении

Термин «облачные вычисления» (cloud computing) был предложен в 1993 году Э. Шмидтом (компания Sun Microsistem) для обозначения сервисов, которые поддерживают приложения, размещенные на удаленных серверах. Это новая парадигма, предполагающая удаленное и распределенное хранение и обработку данных. Поскольку обучение есть рекурсивная коммуникационная ориентация ученика в учебной информации, а облачные технологии осуществляют эту ориентацию независимо от природы информации, местоположения и времени участников информационного взаимодействия, то очевидно, что облачные сервисы могут расширить возможности тренажеров и обучающих систем. Среда обучения должна обеспечить существование дискурсного пространства для свободного обмена знаниями.

По мнению И. Н. Голицыной и А. Н. Афзаловой, облачные технологии в интернете могут обеспечить оптимальную на сегодня инфраструктуру образовательного пространства, так как они представляют образование как информационную услугу, создаваемую путем кооперации множества разработчиков, теоретиков и практиков образования [8].

Облачные технологии позволяют снизить затраты на инфраструктуру системы обучения, формировать эффективные обучающие программы, фильтровать неудачные решения и интегрировать пользовательский опыт, возникающего в кооперативных взаимодействиях участников учебного процесса. Облачные вычисления позволяют экономить на масштабах, используя меньшие аппаратные ресурсы, чем требовались бы при выделенных аппаратных мощностях на каждого потребителя, снизить затраты на абонентское обслуживание.

С технической точки зрения в рамках данной технологии возможны получение услуги с высоким уровнем доступности и надежности при низких рисках неработоспособности оборудования, оперативное конфигурирование вычислительной системы без необходимости создания, обслуживания и модернизации собственной аппаратной инфраструктуры.

Облачные сервисы позволяют организовать сетевое обучение в рамках единой виртуальной среды, предоставляющей образовательные услуги широкому кругу распределенных территориально пользователей.

Национальным институтом стандартов и технологий США определены и свойства модели облачных вычислений:

• удобный доступ посредством сети к общему пулу с настраиваемыми вычислительными ресурсами (например, сети, сервера, системы хранения, приложения, услуги);

• возможность самообслуживания по требованию, широкий доступ к сети, объединенный ресурс,

независимое расположение, гибкость, измеряемые сервисы.

Облако содержит три сервисные модели (программное обеспечение как услуга, платформа как услуга, инфраструктура как услуга) и четыре модели развертывания [приватные (privatecloud) — это собственные или арендованные облака, публичные (общественные) облака (publiccloud) — общедоступные облака, гибридные (hybridcloud) — облака, состоящие из двух и более облаков различного типа].

Облачные вычисления позволяют использовать в качестве сервисов программное обеспечение, компьютеры и данные, которые постоянно хранятся на виртуальных серверах, расположенных в облаке, а также временно хранятся на компьютерах клиентов. Примерами сервисов, построенных на платформе облачных вычислений для образования, могут служить Live@edu (Microsoft) и Google Apps Education Edition (Google).

Вместе с тем использование транснациональных облачных технологий в военно-профессиональном обучении и подготовке в определенной мере ограничено и связано со спецификой оборонной деятельности:

• необходимостью обеспечения информационной безопасности;

• необходимостью ограждения облачных структур от специальной информации и решения проблем стыковки курсов, созданных на разных технологических платформах;

• борьбой с системами глобального анализа интернет-информации.

Облачные технологии в ближайшем будущем могут стать основным технологическим элементом систем образования и профессионального обучения. Это альтернатива традиционному обучению, создающая возможности для персонального обучения, накопления и использования педагогического и учебного опыта. Сетевое облако предоставляет возможности для всех участников образовательного процесса вести совместную работу и вступать в обучающую ориентирующую коммуникацию с широким кругом пользователей, независимо от их местоположения.

Проект «интернет-вещей» в технологиях тренажерного обучения

Термин «интернет вещей» (Internet of Things — IoT) был предложен в 1999 году Кевином Эшто-ном — основателем исследовательского центра Auto-ID Center в Массачусетском технологическом институте. Он отражал в своем первоначальном значении вычислительную сеть объектов (вещей), оснащенных устройствами и технологиями для связи и взаимодействия между собой [9]. После появления в 2003 году протокола IPv6, позволяющего присвоить адреса 1039 объектов, данная технология

получила новое развитие, давая возможность создания компьютерных сетей, связывающих в виртуальной цифровой реальности все объекты мира между собой, обеспечивая глобальное позиционирование и сбор информации о свойствах и истории каждого из них. Этими объектами могут быть и конкретные люди.

Возникающий поток информации позволяет создавать исторические описания каждого предмета, а в отношении человека — фиксировать весь его опыт взаимодействий с материальным миром. Интернет вещей не ограничен только связью с вещами, снабженными метками радиочастотной идентификации (RFID), а рассматривается в контексте объединения с такими технологиями будущего, как всепроникающие компьютерные системы и интеллектуальная окружающая среда (Pervasive Computing, Ubiquitous Computing, Ambient Intelligence). Возникающие в результате такого объединения возможности по направленному влиянию на человека чрезвычайно велики и позволяют проводить тотальный контроль и управлять его жизненным миром. У каждой из вещей реального физического мира в IoT будет цифровой двойник, ее виртуальное представление. Эти цифровые аналоги смогут воспринимать через распределенные сенсорные системы информацию из окружающего мира, вступать во взаимодействия, обмениваться данными. В результате сложится совершенно новая среда, где интеллект, заложенный в приложения, позволит оценивать происходящее в физическом мире, учитывать накопленные ранее сведения и опыт для поддержки принятия решений. Технологии IoT позволяют формировать непрерывный поток данных о человеке и среде его деятельности в реальном времени, на основании которого можно создавать индивидуальные обучающие среды-тренажеры, вовлекающие в свою организацию и функционирование только полезные в учебном контексте объекты мира и их виртуальные двойники. В зависимости от протекающих в обучающих сетях процессов возможно оперативное реконфигурирование обучающей сети для придания ей тех или иных свойств. Интересным вариантом обучающих сред может стать управляемая среда жизнедеятельности, вовлекающая в жизненный опыт человека те фрагменты отношений с реальными объектами (субъектами) мира, которые ведут к приобретению нового опыта.

Выводы

Развитие современных компьютерных сетевых глобальных технологий и методов сетевой интеграции разнородных данных позволяет реализовать перспективные технологии обучения, использующие методологические схемы неклассической и постнеклассической психологии и педагогики, учитывающие процессы самоорганизации в психике человека и социальной коммуникации в условиях тотальной информационной интеграции виртуального и физического маркированного миров.

I Литература I

1. Печников А. Н. Е-дидактика: кому, зачем и в каком виде она нужна / / Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society). 2013. Т. 16. № 3. С. 326-343. URL: http://elibrary.ru/download/91807992.pdf.

2. Сергеев С. Ф. Инженерно-психологические и педагогические проблемы и перспективы тренажеростроения // Актуальные проблемы психологии труда, инженерной психологии и эргономики / Под ред. А. А. Обознова, А. Л. Журавлева. Вып. 5. М.: Изд-во «Ин-т психологии РАН», 2013. С. 13-38.

3. Сергеев С. Ф. Обучающие и профессиональные иммерсив-ные среды. М: Нар. образование, 2008. 434 с.

4. Сергеев С. Ф. Методология проектирования тренажеров с иммерсивными обучающими средами // Науч.-техн. вестн. СПбГУИТМП. 2011. № 1(71). С. 109-114.

5. Сергеев С. Ф. Виртуальные тренажеры: проблемы теории и методологии проектирования // Биотехносфера. 2010. № 2 (8). С. 15-20.

6. Чошанов М. А. Е-дидактика: новый взгляд на теорию обучения в эпоху цифровых технологий // Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society). 2013. Т. 16. № 3. C. 684-696. URL: http://elibrary.ru/ download/91807992.pdf

7. Сергеев С. Ф. Образовательные среды в постнеклассических представлениях когнитивной педагогики // Открытое образование. 2012. № 1(90). С. 90-100.

8. Голицына И. Н., Афзалова А. Н. Использование облачных вычислений в образовательном процессе // Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society). 2014. Т. 17. № 2. С.450-459. URL: http://ifets. ieee.org/russian/periodical/V_172_2014EE.html.

9. Бородин В. А. Интернет вещей — следующий этап цифровой революции // Образовательные ресурсы и технологии. 2014. № 2 (5). С. 178-181. URL: http://www.muiv. ru/vestnik/pdf/pp/ot_2014_2_178-182.pdf