СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОБУЧЕНИЯ ДЛЯ СОВМЕЩЕНИЯ ВИЗУАЛЬНОГО И АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА ВОСПРИЯТИЯ ОБУЧАЮЩЕГО КОНТЕНТА
SYSTEM OF TRAINING EQUIPMENT FOR COMBINING VISUAL AND ACOUSTIC CHANNEL OF PERCEPTION OF TRAINING CONTENT

Изобретение относится к области образования, а именно к способам обучения с применением средств автоматизации.
Обучаемые могут воспринимать информацию в процессе обучения при помощи различных анализаторов, например, зрительного, слухового, тактильного, осязательного, вкусового [Ситдикова Г.Ф., Яковлева О.В., Яковлев А.В. Практикум по физиологии сенсорных систем: кожная сенсорная система, слуховой анализатор, вкусовая чувствительность/ Ситдикова Г.Ф., Яковлева О.В., Яковлев А.В. – Казань: КГУ.- 2009. – 39 с., стр. 1 – 39, Инженерная психология : метод. указания и контр. вопр. для студ. спец. «Моделирование и компьютерное проектирование радиоэлектронных средств» и «Техническое обеспечение безопасности» заоч. Формы обуч. / сост. В.М. Алефиренко. – Минск : БГУИР, 2009 – 17 с., стр. 1 - 17].
Существующие способы передачи информации обучаемому рассчитаны в основном на зрительный и слуховой анализаторы. При этом необходимо учитывать, что данные анализаторы имеют различную пропускную способность. Известно, что зрительные анализаторы обладают значительно более высокой пропускной способностью, чем слуховые. Так, на уровне сетчатки пропускная способность зрительного анализатора составляет десятки миллионов двоичных единиц в секунду. [Медицинский справочник. Информация и зрение. Электронный ресурс: http://www.medical-enc.ru/zrenie/propusknaya-sposobnost-zritelnogo-analizatora.shtml. Дата обращения 04.04.2020 г.] Информация, воспринятая зрительно, более осмысленна, лучше сохраняется в памяти.
Пропускная способность слухового анализатора – сотни бит/с [Лопотко А.И., Плужников М.С., Атамурадов М.А. Старческая тугоухость (пресбиакузис). Электронный ресурс: https://medbe.ru/materials/audiologiya/ propusknaya-sposobnost-slukhovogo-analizatora/ Дата обращения 04.04.2020 г.].
Кроме того, анализаторы человека и различные каналы приема информации функционируют не изолировано друг от друга. Они представляют собой единую систему, все части которой теснейшим образом взаимосвязаны. Воздействие раздражителя на какой-либо анализатор не только вызывает его прямую реакцию, но и приводит к определенным изменениям процессов функционирования всех других анализаторов.
Например, известна зависимость пропускной способности зрительного анализатора от логарифма яркости. Так, при малых уровнях яркости пропускная способность растет по линейному закону с возрастанием логарифма яркости. Увеличение яркости вдвое приводит к возрастанию пропускной способности приблизительно на 10 дв. ед./сек.  При снижении контраста на порядок (до нескольких процентов) кривая зависимости пропускной способности от яркости проходит ниже и насыщение достигается при меньших значениях пропускной способности [Медицинский справочник. Информация и зрение. Электронный ресурс: http://www.medical-enc.ru/zrenie/zavisimost-propusknoy-sposobnosti.shtml Дата обращения 04.04.2020 г.].
Повышение эффективности приема информации человеком осуществляется путем взаимодействия различных анализаторов.
Это обусловлено двумя причинами: во-первых, за счет повышения общего функционального состояния анализаторов и активизации нервной системы, так как полимодальная система приема информации позволяет подавать (в сумме) сигналы большей интенсивности, чем мономодальная; во-вторых, вследствие повышения информационной пропускной способности, поскольку человек во многих случаях способен одновременно (параллельно) перерабатывать информацию, поступающую к разным анализаторам. [Душков Б.А. Основы инженерной психологии. Электронный ресурс. https://klex.ru/grl. Дата обращения 14.04.2020 г.]
Таким образом, особенности функционирования зрительного и слухового анализаторов человека должны учитываться при проектировании и применении технических средств обучения.
В настоящее время известен ряд систем и способов обучения с использованием технических средств обучения (ПЭВМ, проекторов, видеомагнитофонов, магнитофонов и др.).
Однако при их использовании каналы восприятия образовательного контента обучаемых, как правило, не совмещены по месту и времени, то есть преподаватель представляет аудиоинформацию из одной точки аудитории, а видеоинформацию показывает в другой точке аудитории. Это приводит к тому, что обучаемым сложно концентрировать внимание и синхронизировать каналы визуальной и аудиоинформации, что снижает эффективность обучения. Наиболее высокое качество усвоения материала достигается при синхронном сочетании акустического образовательного контента и предъявляемого обучаемым графического и (или) мультимедийного контента в процессе обучения.
Так, известна компьютерная демонстрационная обучающая система (RU 2251745, G06N 1/00, G09B 5/14, 10.05.2005 г., Бюл.№13), характеризующаяся тем, что система содержит рабочее место преподавателя с блоком коммутации и управления и персональным компьютером, рабочие места обучающихся с индивидуальными блоками коммутации и управления, взаимосвязанные локальной сетью с блоком коммутации и управления рабочего места преподавателя. Имеются также монитор с большим экраном и видеомагнитофон, включенный между персональным компьютером и монитором. Все блоки коммутации и управления выполнены с возможностью формирования и выдачи команд управления в локальную сеть в последовательном коде, блок коммутации и управления рабочего места преподавателя, подключенный к персональному компьютеру через LPT-порт, - с возможностью выдачи команд управления видеомагнитофоном, а монитор - с возможностью отображения на экране только полезной информации.
Недостатком данной системы является то, что обучаемые воспринимают поток поступающей информации из разных точек аудитории, что снижает эффективность процесса обучения.
Известен способ обучения и усвоения учебного материала (RU 2363054, G09B 5/14, G09B 5/06, 27.07.2009 г., Бюл. №21). В способе синхронно передается в локальной сети обучающий контент, но не решается важная задача синхронизации естественных каналов восприятия учебного материала. Техническим результатом способа является снижение трудоемкости процесса обучения, увеличение удельного объема информации учебного материала, транслируемого обучаемым, улучшение процесса хранения информации учебного материала путем использования базы данных учебного материала по дисциплине, создаваемой в процессе обучения и пополняемой в период всей последующей профессиональной деятельности обучаемого.
Недостатком данного способа является то, что в способе обеспечивается только синхронная передача по локально-вычислительной сети в аудио и визуальной форме. Достигнутый при этом технический результат не направлен на совмещение по месту и времени акустического и визуального канала в процессе восприятия обучающего контента, реализуемого в лекционной форме.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной системе, принятым за прототип, является многофункциональный интерактивный учебный кабинет-полигон (RU 2635790, G09B 5/14, G09B 5/06, 15.11.2017 г., Бюл. №32), характеризующийся тем, что многофункциональный интерактивный учебный кабинет-полигон включает два светоотражающих экрана, которые установлены горизонтально и встроены в столешницу, выше которых размещены два мультимедийных проектора и две приставки к мультимедийным проекторам. Входы мультимедийных проекторов подключены к выходам коммутатора видеосигналов, к первому и второму входу которого поступает видеосигнал с первых выходов первого и второго компьютеров преподавателя соответственно, со вторых выходов которых поступает УСБ сигнал на две приставки к мультимедийным проекторам. На третий вход коммутатора сигналов поступает УСБ сигнал с третьего выхода одного из компьютеров, с четвертого выхода которого поступает аудиосигнал на первый вход микшера, на второй вход которого поступает аудиосигнал с третьего выхода другого компьютера. На третий и четвертый входы микшера поступают аудиосигналы с микрофонов преподавателей. Выход микшера подключен через акустический усилитель к распределенной акустической системе. При этом планшеты преподавателей, планшетные компьютеры обучаемых, компьютеры преподавателей объединены локальной вычислительной сетью.
Недостатком данного изобретения является то, что используется распределенная акустическая система, не совмещенная с экраном. Кроме того, не учитывается уровень яркости и контрастности изображения на экране в зависимости от освещенности помещения.
Техническим результатом, достигаемым при применении предлагаемой системы является совмещение по месту и времени акустического и визуального канала восприятия обучаемых в процессе восприятия обучающего контента, реализуемого в лекционной форме, обеспечение требуемого уровня яркости и контрастности изображения на визуальный экран за счет управления системой общего освещения и обеспечения управления яркостью осветительного прибора преподавателя в необходимые моменты времени.
Технический результат достигается тем, что Система технических средств обучения для совмещения визуального и акустического канала восприятия обучающего контента, включающая ПЭВМ преподавателя с несколькими портами ввода-вывода, мультимедийный проектор, вход которого подключен к первому порту ПЭВМ, микрофон преподавателя, что дополнительно в состав системы технических средств обучения включают сенсорную панель ввода информации, подключенную к второму порту ПЭВМ, мультиплексор, управляющий вход которого соединяют с третьим портом ПЭВМ, второй вход мультиплексора соединяют с выходом усилителя низкой частоты, со входом которого соединен микрофон преподавателя, матричную из k-элементов акустическую систему, входы каждого элемента матрицы которой соединяют с выходами мультиплексора, который как минимум имеет k+1 выход, к которому подключается как минимум один акустический излучатель общего озвучивания аудитории,  визуальный экран, который по размерам и местоположению совмещается с матричной акустической системой, управляемый компаратор, который подключается к четвертому порту ПЭВМ, к первому, второму и третьему входам компаратора подключены выходы первого, второго и третьего люксметров соответственно, устройство управления уровнем напряжения, которое подключается к пятому порту ПЭВМ, на вход устройства управления уровнем напряжения поступает напряжение электросети, один выход соединен с осветительным прибором преподавателя, второй выход соединен с системой общего освещения аудитории.
Из уровня техники не выявлено решений, касающихся систем технических средств обучения, характеризующихся заявленной совокупностью признаков, следовательно, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 – система технических средств обучения для совмещения визуального и акустического канала восприятия обучающего контента;
Фиг. 2 – первый слой совмещенного аудио-визуального экрана;
Фиг. 3 – второй слой совмещенного аудио-визуального экрана;
Фиг. 4 – третий слой совмещенного аудио-визуального экрана.
Предлагаемая система технических средств обучения для совмещения визуального и акустического канала восприятия обучающего контента содержит следующие элементы (фиг. 1):
ПЭВМ 1  преподавателя с не менее 5 портами ввода-вывода;
сенсорную панель 2 с разметкой, эквивалентной разметке матричной акустической системы 14;
мультимедийный проектор 3;
микрофон преподавателя 4;
усилитель низкой частоты (УНЧ) 5;
совмещенный аудио-визуальный экран 6, состоящий из матричной акустической системы 14, и визуального экрана 15, совмещенных по местоположению;
мультиплексора 7;
компаратора 8;
3-х люксметров 9;
акустического излучателя преподавателя (АИП) 10;
осветительного прибора преподавателя (ОПП) 11;
системы общего освещения аудитории 12;
устройства управления уровнем напряжения (УУУН) 13;
акустической системы общего озвучивания аудитории (АСОЗА) 16.
При этом на первый вход ПЭВМ преподавателя 1 подключается мультимедийный проектор 3, который проецирует изображение на совмещенный аудио-визуальный экран 6. Совмещенный аудио-визуальный экран 6 состоит из трех слоев. Первые его два слоя  представляют собой матричную акустическую систему 14 (фиг. 2, 3), третьим слоем является визуальный экран 15, на котором отображается образовательный контент (фиг.4). Матричная акустическая система 14 состоит из  двух слоев. Первый слой представляет собой силовую панель (фиг.2), на которую крепятся ячейки, каждая из которых включает три акустических излучателя (на низкие, средние и высокие частоты соответственно), что позволяет качественно воспроизводить акустическую информацию, формируя направленные звуковые колебания. При этом звуковая картина формируется в пределах всей зоны прослушивания. Более того, существует возможность корректировать размеры зоны оптимального звучания в зависимости от числа обучаемых в помещении, за счет включения определенных участков матричной акустической системы 14. Второй слой представляет собой частные диффузоры, предназначенные для перераспределения акустической энергии в пространство аудитории, а также выполняющие роль пылезащиты (фиг.3). Между вторым и третьим слоями предусмотрено расстояние. Это способствует устойчивой фиксации визуального экрана 15 на месте, от исходящих звуковых колебаний.
Ко второму вход ПЭВМ преподавателя 1 подключается сенсорная панель 2, которая по количеству клеток эквивалентна матричной акустической системе 14 и является ее топологическим аналогом.
На третий вход ПЭВМ преподавателя 1 подключен мультиплексор 7, представляющий собой комбинированное цифровое устройство, обеспечивающее поочередную передачу сигналов. Он позволяет передавать (коммутировать) сигнал с желаемого входа на выход, в этом случае выбор требующегося входа реализуется определенной комбинацией управляющих сигналов. Входы каждого элемента матрицы матричной k-элементной акустической системы 14 соединяют с выходами мультиплексора 7, который имеет, как минимум, k+1 выход, к которому подключается, как минимум, один акустический излучатель акустической системы общего озвучивания аудитории 16.
Микрофон преподавателя 4 подключается ко входу усилителя низкой частоты 5, который предназначен для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот, для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. (ГОСТ 24388-88 Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия). Выход усилителя низкой частоты 5 соединяется со входом мультиплексора 7.
На четвертый вход ПЭВМ преподавателя 1 подключен управляемый компаратор 8, представляющий собой устройство, которое сравнивает между собой не менее двух электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на увеличение одного входного сигнала над другим. (РМГ 29-2013 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения). Управляемый компаратор 8 в системе является устройством сравнения освещения. На входы управляемого компаратора 8 подключаются три люксметра 9, представляющие собой приборы для измерения освещенности, которые преобразуют световую энергию в энергию электрического тока.
При доведении образовательного контента только с помощью аудиоканала, формируется специальный сигнал на мультиплексор 7, который соединяет выход усилителя низкой частоты 5 с акустическим излучателем преподавателя 10, расположенным недалеко от рабочего места преподавателя. При представлении обучаемым визуального контента с рабочего места преподавателя 1 с помощью сенсорной панели 2 задействуются определенные акустические излучатели матричной акустической системы 14 путем формирования кода и проключения выхода усилителя низкой частоты 5 на тот или иной элемент матричной акустической системы 14.
На пятый вход ПЭВМ преподавателя 1 подключен порт устройства управления уровня напряжения 13. Устройство управления уровня напряжения 13 имеет один вход, куда поступает напряжение электросети и как минимум два выхода. На первый выход устройства подключается осветительный прибор преподавателя 11, а второй выход соединен с системой общего освещения аудитории 12. Освещение задается разностью между общим освещением рабочих мест обучаемых и рабочего места преподавателя.
Алгоритм функционирования системы происходит следующим образом:
- перед началом занятия преподаватель с помощью ПЭВМ 1 загружает лекционный материал текущего занятия;
- с  выхода 1 ПЭВМ преподавателя видеосигнал, содержащий информацию лекционного материала, поступает на мультимедийный проектор 3;
- изображение с мультимедийного проектора 3 проецируется на совмещенный аудио-визуальный экран 6, состоящий из матричной акустической системы 14, и визуального экрана 15, совмещенных по местоположению;
- преподаватель начинает занятие и доведение образовательного контента до обучаемых с помощью микрофона 4, подключенного ко входу усилителя низкой частоты 5, который в свою очередь, соединяется со входом мультиплексора 7;
- в этот же момент срабатывает акустический излучатель преподавателя 10, соединенный со входом мультиплексора 7, синхронно, совместно с осветительным прибором преподавателя 11, соединенным с первым выходом устройства управления уровнем напряжения 13;
- в тот момент, когда преподаватель с помощью сенсорной панели 2 проключает образовательный контент на совмещенный аудио-визуальный экран 6, осветительный прибор преподавателя 11 и акустический излучатель преподавателя 10 выключаются, а система общего освещения аудитории 12, подключенная ко второму выходу устройства управления уровнем напряжения 13 и акустическая система общего озвучивания аудитории 16 включаются. При этом включение акустических излучателей матричной акустической системы 14 совмещенного аудио-визуального экрана 6 соответствуют ячейкам сенсорной панели 2, которые выбрал преподаватель. Тем самым все внимание обучаемых концентрируется на образовательном контенте, отображаемом на совмещенном аудио-визуальном экране 6;
- яркость и контрастность изображения на визуальном экране 15, а также уровень освещенности преподавателя, общего освещения аудитории, регулируется и настраивается автоматически до уровня, необходимого для максимального восприятия образовательного контента обучаемыми, путем работы в автоматическом режиме трех люксметров 9, а именно: первого люксметра 9, находящегося вблизи ПЭВМ преподавателя 1, второго люксметра 9, находящегося перед совмещенным аудио-визуальным экраном 6  и третьего люксметра 9, необходимого для регулирования системы общего освещения аудитории 12. Три люксметра 9 подключены на входы компаратора 8, который в свою очередь подключен на 4 вход ПЭВМ преподавателя 1.
В ходе проведения занятия, в те или иные моменты, возможны следующие варианты с чередованием или совмещением визуального и акустического канала для более эффективного восприятия образовательного контента:
- яркость и контрастность визуального экрана 15 на минимальном уровне, система общего освещения аудитории 12 выключена, акустическая система общего озвучивания аудитории 16 отключена, акустический излучатель преподавателя 10 включен,  осветительный прибор преподавателя 11 включен, микрофон преподавателя 4 включен. В этом варианте все внимание обучаемых концентрируется только на преподавателе;
- яркость и контрастность визуального экрана 15 на максимальном уровне, система общего освещения аудитории 12 приглушена, акустическая система общего озвучивания аудитории 16 включена, все акустические излучатели в матричной акустической системе 14 включены, либо включены только те ячейки матричной акустической системы 14, которые выбрал преподаватель на сенсорной панели 2, акустический излучатель преподавателя 10 отключен, тем самым весь акустический материал преподавателя воспроизводится только с помощью акустической системы общего озвучивания аудитории 16 и выбранных ячеек матричной акустической системы 14, осветительный прибор преподавателя 11 отключен. В этом варианте все внимание обучаемых направленно только на визуальный контент, проецируемый с помощью мультимедийного проектора 3.
- вариант, когда преподаватель делает свои собственные замечания и комментарии к лекционному материалу, либо акцентирует особое внимание на конкретных моментах уже в ходе проведения занятия. В этом случае яркость и контрастность визуального экрана снижены, работает только акустический излучатель преподавателя 10, система общего освещения аудитории 12 выключается, осветительный прибор преподавателя 11 включается на максимальный уровень, микрофон преподавателя 4 также включается.
Таким образом, за счет применения предлагаемой системы обеспечивается достижение технического результата, а именно совмещение по месту и времени акустического и визуального канала восприятия обучаемых в процессе восприятия обучающего контента, реализуемого в лекционной форме, обеспечение требуемого уровня яркости и контрастности изображения на визуальный экран в результате управления системой общего освещения и обеспечения управления яркостью осветительного прибора преподавателя в необходимые моменты времени, что позволит получить максимальный эффект от образовательного процесса, увеличить объем и качество  усвоения обучаемыми образовательного контента.