О развитии адаптивного человеко-машинного интерфейса и критериях его оценки в учебных системах

Яковлев Юрий Сергеевич

д.т.н., старший научный сотрудник, заведующий отделом

проблемно-ориентированных компьютеров и систем,

Институт кибернетики имени В.М.Глушкова НАН Украины,

проспект Академика Глушкова, 40, МСП, г. Киев-187, 03680, (044)5263204

jakus@bigmir.net

Курзанцева Лариса Игоревна

к.т.н.,  научный сотрудник отдела

проблемно-ориентированных компьютеров и систем,

Институт кибернетики имени В.М.Глушкова НАН Украины,

проспект Академика Глушкова, 40, МСП, г. Киев-187, 03680, (044)5263204

lar_ku@mail.ru

 

Аннотация

Сформулирована задача исследований, отражены результаты её решения по созданию адаптивного человеко-машинного интерфейса, обеспечивающего повышение эффективности взаимодействия пользователя с компьютерной системой. Предложены структурная схема, алгоритмы функционирования и методика проектирования адаптивного человеко-машинного интерфейса с применением множества критериев его оценки. Методика позволяет разработать структуру интерфейса для систем различного назначения с необходимой степенью адаптивности, а также выполнить предварительную оценку эффективности интерфейса на различных этапах проектирования. Приведена структура разработанного исследовательского образца интерфейса и предложена методика комплексного исследования эффективности его применения. При этом пользователи, не обладающие должным уровнем информационной компетентности, также как и пользователи, обладающие повышенной эмоциональностью, не будут допущены к работе с системой, что свидетельствует о защите системы от некомпетентных и эмоционально неуравновешенных пользователей. Архитектурно-структурные решения, положенные в основу предлагаемого адаптивного интерфейса, хорошо согласуются с перспективами его развития.

The research problem is formulated, results of its decision on creation of the adaptive man-machine interface providing increase of efficiency of interaction of the user with computer system are reflected. The structural scheme, algorithms of functioning and a method of designing of the adaptive man-machine interface with application of set of criteria of its estimation are offered. The method allows to develop structure of the interface for systems of different function with required degree of adaptability, and also to execute a tentative estimation of efficiency of the interface at various design stages. The structure of the developed research sample of the interface is resulted and the technique of complex research of efficiency of its application is offered. Thus the users who are not possessing due level of information competence, also as well as the users possessing the raised emotionality, will not be admitted to job with system that testifies to protection of system against incompetent and emotionally unbalanced users. Architectural and structural solutions are the basis of the proposed adaptive interface, in good agreement with the prospects of its development.

Ключевые слова

Адаптивный интерфейс, системы учебно-тренировочного типа, модель пользователя, интерфейсные агенты, критерии оценки качества интерфейса.

Аdaptive interface, training systems, user model, interface agents, criteria for assessing the quality of the interface.

Введение

Для современного общества с его глобализацией общественных процессов и изменениями в информационно-коммуникационной инфраструктуре характерна концепция непрерывного образования в течение всей жизни (long-life education) [1].

Её становление приводит к трансформации традиционных технологий учебного процесса и созданию единого образовательного пространства, в котором активно развивается дистанционное образование [2].

Однако, несмотря на существующий спрос на системы дистанционного образования, которые выполнены на базе различных научно-технических парадигм и поддерживаются перспективными информационными технологиями, дистанционное образование в нашей стране на сегодняшний день не получио широкого распространения. Одной из причин такого положения является недостаточная эффективность технологической поддержки этих систем. Поэтому сейчас именно интеграция дистанционных и очных форм обучения является наиболее перспективной для среднего и высшего образования [3].

В настоящее время получили распространение системы для учебно-тренировочных целей, приближенные к традиционным подходам использования информационных технологий в обучении. При их разработке основное внимание уделяется поддержке процесса обучения, а именно: определению знаний и умений ученика, выработке для него стратегии обучения, генерации и актуализации учебного материала, проверке полученных знаний, диагностике ошибок.

В состав такой системы предлагается включить адаптивный интерфейс, что позволяет приспосабливать систему как к индивидуальным особенностям ученика, так и к его параметрам, изменяющимся в период обучения.

Опубликовано большое количество статей как украинских, так и зарубежных ученых, которые внесли свой вклад в решение проблем человеко-машинных интерфейсов, в том числе: А.П. Бень, А.М. Довгялло, В. Денинг, Т.А. Гаврилова, Л.М. Радванская, В.Ф. Хорошевский, В.Е. Ходаков, A. Kobsa, B. Kules, и др.

Исследования, проведенные в области применения адаптивных человеко-машинных интерфейсов и обучающих систем показали, что недостаточно внимания уделено проблеме предоставления конкретному пользователю комфортных условий работы с системой, что удлиняет процесс обучения, создает трудности при работе с системой и, в целом, не может не сказаться на эффективности применения обучающих систем.

Все вышеизложенное свидетельствует о том, что задача создания адаптивного человеко-машинного интерфейса для учебно-тренировочных целей для обеспечения пользователя комфортными условиями работы в течение всего периода взаимодействия с системой, является задачей актуальной для построения современных и перспективных систем образования.

Постановка задачи

Основной задачей данной статьи является отображение результатов исследований по созданию адаптивного человеко-машинного интерфейса, обеспечивающего повышение эффективности взаимодействия пользователя с компьютерной системой, а также перспектив его развития.

Решение задачи построения человеко-машинного интерфейса с взаимной адаптацией пользователя и системы

Предложена методика создания человеко-машинного интерфейса, обеспечивающего взаимную адаптацию для сложных информационных систем, отличающаяся использованием множества параметров, характеризующих пользователя, окружающую среду, информационную систему и другие факторы. При этом большое внимание уделено выбору критериев комплексной оценки интерфейса на различных этапах его проектирования.

Применительно к решаемой задаче предложенный адаптивный интерфейс представляет собой совокупность программно-аппаратных средств, обеспечивающих пользователя (в зависимости от его индивидуальных особенностей) оптимальной для работы конфигурацией системы и сервисов с возможностью их корректировки при изменении параметров пользователя. Адаптация системы к потребностям пользователя осуществляется за счет настроек сервисов системы согласно модели пользователя, которая создается при первом входе пользователя в систему, а затем корректируется при последующих его входах. Настройка сервисов системы осуществляется путем подключения подсистемы помощи и подсказки, установления связи с Internet (фильтрация и поиск), изменения интенсивности информационного обмена в соответствии с индивидуальными особенностями пользователя, а также путем подключения баз данных, оборудования в зависимости от решаемых им конкретных задач. Адаптация пользователя к системе осуществляется путем обучения его работе с системой за счет различного рода тренингов, подсказок и объяснений.

Поскольку речь идет о системах массового применения, то одними из основных требований, которым должен удовлетворять такой интерфейс - это относительно небольшие затраты времени и стоимости на его разработку, возможность использования в системах различного назначения и с различными операционными системами, возможность реализации с использованием современных и перспективных информационных технологий.

В основу предложенной методики положена модель пользователя в составе адаптивного интерфейса, которая отражает индивидуальные особенности пользователя, а также средства и способы, реализующие функции адаптации этой модели во взаимосвязи пользователя с информационной системой. При создании модели учитываются особенности пользователя, его информационная компетентность и психофизиологические характеристики (состояние работоспособности). Все это определяется путем специального тестирования. Причем информационная компетентность определяется дважды: сначала при предыдущем тестировании, затем при прохождении пользователем тестов на знание работы с системой. При этом осуществляется корректировка модели пользователя, которая происходит при его обращении к системе каждый раз, кроме первого. Уточняется уровень информационной компетентности пользователя на основании анализа его действий в течение прошлого сеанса и тестирования его состояния трудоспособности в текущем сеансе.

Для построения адаптивного интерфейса применена многоагентная технология [4]. Разработаны состав и структуры рабочих мест многоагентных интерфейсных систем для однопользовательского и сетевого вариантов.

С учетом указанных выше положений, предложена математическая модель стратегии построения адаптивного интерфейса Е, отражающая связь параметров пользователя с параметрами оптимальной конфигурации системы и сервисов, ему предоставляемых. Модель можно представить в следующем виде [5]:

 

Это означает, что интерфейс предлагает каждому пользователю p, принадлежащему множеству пользователей P, такую конфигурацию системы и сервисов sp, принадлежащую множеству конфигураций S, которая является для него оптимальной при условии ее выводимости sp из множества ответов пользователя на запросы  интерфейса Ip, где Iр  можно представить как функцию аргумента F:

 

Iр = φ(F),

 

В свою очередь аргумент F можна представить в виде набора процедур ki, отображающих последовательность действий по настройке конфигурации информационной системы: 

 

F =   (k1, k2, k3, … , kn),

 

где k1обращение пользователя к системе; k2проверка пароля; k3 оценка истории взаимодействия и т. д.; kn завершение работы системы.

Принимая во внимание отображение модели Е интерфейса, а также содержательную сущность F, разработана архитектурно-структурная организация адаптивного интерфейса, укрупненная структурная схема которого представлена на рис. 1 и обобщенный алгоритм его функционирования – на рис. 2.

 

 

Рис. 1. Структурная схема адаптивного человеко-машинного интерфейса

Алгоритм предусматривает создание модели пользователя при входе в информационную систему (первый режим) с последующей корректировкой при повторном входе (второй режим) на основе сведений о действиях пользователя с предыдущего сеанса его работы с системой [6].

 

 

Рис. 2. Обобщенный алгоритм адаптивного человеко-машинного интерфейса

 

На основании обобщенного алгоритма работы интерфейса разработаны схемы детализированных алгоритмов взаимодействия пользователя с системой.

Структурная схема адаптивного интерфейса (рис. 1) содержит следующие подсистемы: контроля и координации, моделирование пользователя, помощи и подсказок, мультимодульного ввода-вывода, истории взаимодействий пользователя с системой.

Действия указанных на рис. 1 агентов выполняются по разработанным сценариям. Например, подсистема моделирования пользователя формирует модель пользователя и  корректирует её при изменении параметров пользователя в процессе взаимодействия с системой. Для их определения  применен метод стереотипов, с использованием которого осуществляется распределение пользователей в зависимости от информационной компетентности по категориям: «новичок», «пользователь», «специалист», а в зависимости от состояния работоспособности по группам: «высокая работоспособность», «нормальная рабочая», «низкая работоспособность», «тревожное состояние». Для распределения пользователей по категориям и группам предложены оригинальные алгоритмы отбора. Так, алгоритм распределения пользователей по состоянию работоспособности основывается на методе цветовых выборов, а алгоритм распределения пользователей по уровню информационной компетентности - на основании исходных условий [7].

Корректировка уровня владения пользователя компьютером проводится на основании разработанного набора правил, которые размещены в базе знаний.

При проектировании адаптивного интерфейса были учтены не только эти категории пользователей системы, но и требования стандартизации, поскольку отдельные его показатели должны находиться в рамках типовых стандартов.

Оценка качества интерфейса известными методами, в основном, делается на этапе завершения разработки, когда законченное изделие тестируется как пользователями, так и экспертами. К тому же, несмотря на наличие большого количества разнообразных критериев, освещенных в отечественных и зарубежных источниках информации, неизвестны критерии и методы для формализованной оценки интерфейса со взаимной адаптацией. Особенность предложенного подхода к разработке набора критериев для оценки качества интерфейса заключается в том, что он учитывает способность человеко-машинного интерфейса к взаимной адаптации. При этом для обеспечения соответствующих функций интерфейса определяются  необходимые для этого его признаки, ресурсы и процедуры, применение которых оказывает влияние на его соответствующие параметры, определяющие возможности к адаптации. Далее кратко описана сущность предлагаемого подхода.

Пусть мы имеем множество элементов Б, определяющих критерии оценки аппаратно-программной платформы интерфейса (Пинт) и требования для обеспечения  удобной для пользователя работы с системой (Укор)  [8, 9]:

 

Б = {Пінт, Укор}.                                                                   (1)

 

Пінт Ê {Т, Ф, Г};                                                                    (2)

 

Укор  Ê {Н, Д, К},                                                                   (3)

 

где Т - время от момента обращения к системе различных категорий пользователей до получения разрешения на работу с ней;

Ф – функциональность, отображается набором функций, необходимых для реализации процесса допуска пользователя к системе и достаточных для выполнения задач пользователями различных категорий;

Г - гибкость – способность интерфейса адаптировать возможности системы под потребности пользователей с разными особенностями;

Н – защищенность интерфейса от ошибок, совершенных пользователем при наборе информации, при выборе им ложных путей или ответвлений, при неправильных обращениях к данным во время сеанса работы с системой и т.д.;

 Д – доступность, определяется наличием навигации, прозрачной для пользователя, легкостью при установке системы, ясностью и четкостью текстов, а также целевой ориентацией в программе;

К - комфортность взаимодействия с системой, отражает наличие вспомогательных средств поддержки пользователя, а именно: поисковых, справочных, нормативных, в том числе и для принятия решения в неопределенной ситуации, а также скорость обучения работе с системой.

Совокупность указанных параметров влияет на два важных для интерфейса показателя: способность адаптации пользователя к возможностям системы W1 и способность адаптации системы к индивидуальным особенностям пользователя W2.

 

W = {W1, W2}.                                                        (4)

 

В результате анализа существующих технологий создания интерфейса выделены следующие группы (категории) доминирующих признаков предметной области «Интерфейс пользователя», которые наиболее полно характеризуют параметры ПИ как функционально законченного изделия, а именно: группа А - «Требования к техническим средствам»; B - «Функциональные возможности интерфейса»; C - «Особенности ввода- вывода информации для пользователя»; D -«Возможности расширения интерфейса»; E - «Внешний вид интерфейса и средства навигации»; F - «Технологии и методы ведения диалога интерфейса с пользователем»; G - «Учет личных параметров пользователя»; X - «Обеспечение безопасности системы»; Y - «Свойства коммуникационности при взаимодействии с системой»; L - «Обучение и оказание помощи и подсказок» [9].

Количество групп может быть изменено в соответствии с задачами, стоящими при проектировании.

На основе анализа отечественных и зарубежных источников для каждой группы U =(A, B, C, D, E, F, G, Y, X, L) определены основные признаки и составлены таблицы, отражающие влияние этих признаков на свойства интерфейса согласно     (1-3) и на параметры, определяющие адаптацию. Фрагмент такой таблицы «Набор основных признаков группы В» приведен в таблице 1.

Далее (как видно из таблицы 1, первый столбец слева) каждая группа множества U представляется соответствующими наборами  признаков:

 

A = (a1, a2, …, am); B = (b1, b2, …, bn); C = (c1, c2, …, co); D = (d1, d2, …, dp); E = (e1, e2, …, eq); F = (f1, f2, …, fr); G = (g1, g2, …, gs); X = (x1, x2, …, xu);               Y = (y1, y2, …, yv); L = (l1, l2, …, lj).

 

Анализ информации, приведенной в таблицах, показывает, что каждому параметру множества Б выражения (1) соответствует набор признаков Рі  (і = т , ф, г, н, д, к) , где согласно (2)  т Î Т, ф Î Ф,    г Î Г, а согласно (3)  н Î Н, д Î Д, к Î К.

Элементы Рi могут принадлежать одновременно различным группам признаков множества U = (A, B, C, D, E, F, G, X, K, L).

 

Таблица 1. Фрагмент таблицы «Набор основных признаков группы В»

Обозна-чение

Описание признака

Влияние признака на:

критерии оценки

адапта-цию

1

2

3

4

b1

настройка внешнего вида интерфейса согласно желаниям пользователя (привычки, потребности) и сохранение этих настроек для пользователя

Т, Ф

W1, W2

 

b2

настройка (“справка”, обучающие материалы, диалог, Internet) на конкретного пользователя (опыт, квалификация пользователя, возрастные и др. ограничения);

Т, Ф, К, Г

W1, W2

b3

независимость в ресурсах для хранения и обработки данных для поддержки пользователя

Т, Ф

W2

 

Пример процедуры формирования наборов доминирующих признаков интерфейса графически отображена на рис. 3, а совокупность таких наборов Рi, согласно содержательной сущности входящих в него элементов – в таблице 2.

 

Таблица 2. Наборы признаков Рі для критериев интерфейса согласно (1)

Критерии

Наборы доминирующих признаков

Т=d1т)

Рт=(а1, а2, а5, b1, b2, b3, g1, g2,  g3, g4, x1, x4, y1, y2, y3) 

Ф=d2ф)

Рф=(b1, b2, b3, c1, c2, c3, f1, f2, f3, g1, g2, g3, g4, x1, x4, y1, y2, y3) 

Г=d3г)

Рг=(а5, а6, а7, а8, b2, c1, c2, c3, c4, c5, d1, d2, d3, f1, f2, f3, f4, f5, g1, g2, g3, g4, x1) 

Н=d4н)

Рн=(а3, c3, е2, e3, f2, f4, f5, x2, x3, x4, y1, y2, y3, l3, l8) 

Д=d5д)

Рд=(a3, a4, c3, c4, c5,  e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, f2, f3, l7, l8) 

К=d6к)

Рк=(а5, а8, b2, l1, l2, l3, l4, l5, l6, l7, l8) 

 

Если компонента множества Pi содержит элементы всех или большинства групп параметров A, B, C, D, E, F, G, X, Y, L, то эта компонента является доминирующей для интерфейса, так как его качественные и количественные показатели сформированы для всех категорий предметной области «Интерфейс пользователя». Среди выделенного множества параметров наибольший приоритет имеет тот, мощность множества Рі которого является наибольшей. Таким образом, для случая, приведенного в таблице 2, в порядке убывания приоритетов отражены критерии: гибкость (Г), функциональность (Ф), доступность (Д), время реализации (Т), защищенность (С), комфортность (К).

 

 

Рис. 3. Пример процедуры формирования наборов признаков интерфейса

 

В свою очередь, каждому элементу множества W соответствует набор признаков интерфейса Мz (z =w1, w2), где w1 Î W1, w2 Î W2. Элементы Мz также могут принадлежать различным группам признаков множества U. Совокупность таких наборов Мz согласно содержательной сущности входящих в него признаков представлены  в таблице 3.

 

Таблица 3. Наборы признаков Мz для свойств интерфейса согласно (4)

Элемент

Наборы доминирующих признаков

W1=g1w1)

Мw1 = (b1, b2, c1, c3, d3,, e1, e2, e4, e5, e6,f1, f4, f5,  y2, l1, l2, l3, l4, l5, l6)

W2=g2w2)

Мw2 = (а1, а2, а3, а4, а5, а6, а7, а8, b1, b2, b3, c1, c2, c3, c4,  c5, d1, d2, d3,  e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, f1, f2, f3,  f4, f5, g1, g2, g3, g4,  x1, x2, x3, x4, y1, y2, y3, l3, l7, l8)

 

Поиск признаков для наборов осуществлялся по W1 и W2 в колонке 4 таблице 1 и таблиц групп признаков аналогично поиску для набора признаков интерфейса Рi.

Далее отбираем наборы признаков, позволяющих реализовать как способность адаптации индивидуальных особенностей пользователя к возможностям системы W1, так и способность адаптации системы к индивидуальным особенностям пользователя W2 согласно выражению (4). Для каждого набора признаков Рi из таблицы 2 и набора параметров Мz из таблицы 3 определяем новые наборы доминирующих признаков Риw1 (табл. 4) и Риw2:

 

Риw1 = Ри Ç Мw1;                     Риw2  = Ри Ç Мw2.                                 (5)

Таблица 4. Наборы доминирующих признаков Риw1

Критерии

Наборы доминирующих признаков  Риw1

Т=j1тw1)

Ртw1=(b1, b2, y2)

Ф=j2фw1)

Рфw1=(b1, b2, c1, c3, f1, y2)

Г=j3гw1)

Ргw1=( b2, c1, c3, d3, f1, f4, f5)

Н=j4нw1)

Рнw1=(c3, e2, f4, f5, y2, l3)

Д=j5дw1)

Рдw1=(c3, e1, e2, e4, e5, e6)

К=j6кw1)

Ркw1=(b2, l1, l2, l3, l4, l5, l6)

 

В результате анализа новых наборов обнаружено, что для интерфейса с преимуществом W1 наиболее значимыми критериями будут гибкость (Г) и комфортность (К), наименее значимыми - время реализации (Т). Следовательно, при реализации такого интерфейса необходимо максимально учитывать все факторы, обеспечивающие гибкость и комфортность.

На основании вышеизложенного разработаны основные положения методики выбора структуры адаптивного интерфейса с использованием множества критериев оценки его качества. Они включают [9]:

1.              Формирование набора критериев оценки качества интерфейса на основе исходной базовой информации. При этом необходимо учитывать совокупность параметров, характеризующих адаптивный интерфейс нового типа, его наиболее важные свойства для пользователя.

2.              Выбор групп (категорий) доминирующих признаков предметной области «Интерфейс пользователя» на основе исходной базовой информации, включающей множество требований к интерфейсу пользователя.

3.              Определение доминирующих признаков, характеризующих интерфейс в соответствии с набором множества критериев и согласно (1 – 4), аналогично таблице 1.

4.              Создание набора характеристик основных категорий пользователей информационных систем на базе исходной информации о пользователях системы и корректировки сформированных групп признаков с учетом этих характеристик.

5.              Корректировка сформированных групп доминирующих признаков интерфейса, характеризующих его параметры на соответствие стандартам ISO, государственным, межгосударственным и республиканским стандартам Украины.

6.              Составление наборов доминирующих признаков интерфейса для набора критериев оценки его качества (рис. 3, таблица 2) и требований к адаптации интерфейса (рис. 3, таблица 3).

7.              Формирование базы данных групп признаков, характеризующих интерфейс, и заполнение соответствующих таблиц в базе данных.

8.              Создание наборов доминирующих признаков интерфейса согласно (5) (рис. 3, таблица 4).

9.              Выбор структуры интерфейса в соответствии с набором доминирующих признаков.

10.           Использование библиотек аппаратно-программных средств, ориентированных на поддержку работы интерфейса.

Реализация адаптивного человеко-машинного интерфейса

Разработан исследовательский образец адаптивного человеко-машинного интерфейса (в сокращенном варианте, но с выполнением базовых функций) в составе информационной системы «Тестирование знаний» (рис. 4) [10, 11].

 

 

Рис. 4. Структурная схема системы «Тестирования знаний»

 

Образец выполнен с использованием многоагентной технологии, которая позволяет реализовать необходимый набор функций интерфейса и сформировать модель обучаемого. В состав макета интерфейса вошли следующие подсистемы: координации и контроля, моделирования пользователя, помощи и подсказки и мультимодульного ввода-вывода.

Функционирование образца адаптивного интерфейса системы «Тестирование знаний» предусматривает три режима. Первый режим – обращение ученика к системе впервые; второй режим – постоянное обращение ученика к системе; третий режим представляет собой последовательность действий учителя при работе с системой. Обобщенный алгоритм взаимодействия ученика и учителя с интерфейсом от момента обращения к системе ученика до получения им доступа к системе при первом режиме представлен на рис. 5.

Пользователями системы являются ученики и учителя. Система предназначена для помощи учителю при обучении и проведении тестирования знаний учеников. Она предусматривает следующие возможности учителю для оценки знаний учеников:

·  проведение анкетирования с предварительной оценкой информационной компетентности ученика;

·  проведение тестирования психофизиологического состояния, при этом, если по результатам тестирования ученик определен, что находится  в нерабочем («тревожном») состоянии, то ему запрещен доступ к системе;

·  проведение тестирования информационной компетентности, при этом, если он не прошел тест три раза, то ему не разрешен доступ к системе и предложено пройти обучение; если число попыток вхождения в систему превышает Мдоп, (установленное учителем), то разрешение на вход в систему выдает учитель (тренер) после проверки знаний, которые пользователь получил в процессе обучения;

·  проведение тестирования знаний ученика о предметной области, при этом, если были получены правильные ответы на К% вопросов (устанавливается учителем) и менее, то ученику рекомендуют изучить учебный материал и следующее прохождение тестов возможно только после допуска учителя;

·  просмотр учебных материалов (электронных учебников, видеофильмов).

 

 

Рис. 5. Обобщенный алгоритм взаимодействия ученика и учителя с исследовательским образцом интерфейса системы “Тестирование знаний»

 

Особенностью системы является непосредственное участие учителя в контроле за процессами обучения и тестирования. Система предоставляет ему следующие возможности:

·   просмотр отчета о работе учеников с системой; учебного материала; тестов с ответами; журналов классов; результатов тестирования; ошибок учеников;

·   изменение настроек в модели ученика;

·   выдачу рекомендаций, замечаний и указаний ученикам;

·   установку времени на прохождение теста, коэффициентов Т% соотношения времени, на которое продлевается время для тестирования учеников категории «Низкая работоспособность» и К% соотношения правильных ответов к общему числу вопросов;

·   выдачу задания для определения уровня информационной компетентности ученика и установку допустимого числа попыток вхождения в систему;

·   наполнение системы тестами.

Анализ и оценка разработки

Известные способы оценки качества и эффективности работы адаптивного человеко-машинного интерфейса оценивают адаптивность системы к пользователю [11], однако не учитывают адаптивность пользователя к системе. Учет этого показателя очень важен, поскольку работа с системой для пользователя, находящегося в повышенном эмоциональном состоянии или не обладающего должным уровнем информационной компетентности, не будет эффективна, что может сказаться на увеличении себестоимости продукции в отраслях, связанных с энергоемким производством. При этом возрастает вероятность совершения ошибок пользователем (оператором), которые могут привести к трудноразрешимым проблемам, а их устранение к большим финансовым затратам.

Поэтому предложено в качестве критериев эффективности работы адаптивного интерфейса принять затраты времени при получении пользователем доступа к системе, поскольку затраты на доступ к системе пользователя, владеющего информационной компетентностью, а также обладающего психофизиологическими характеристиками на допустимом для работы с системой уровне, будут минимальными [11]. Немаловажное значение приобретает также вероятностная характеристика оценки появления нештатных ситуаций из-за ошибок оператора при работе с системой в таких областях, как АСУТП и др.

Для определения затрат времени при получении пользователем доступа к системе  разработана методика комплексного исследования адаптивного интерфейса, которая позволяет применить алгоритмы работы программ интерфейса, проведя их параметризацию [11]. Построены графики зависимости затрат времени от количества попыток вхождений в систему с момента обращения пользователя к системе до получения ему разрешения со стороны интерфейса на вход в систему для текущей работы.

Для пользователя, впервые обратившегося к системе (варианты вхождений С, D, E, F, G) время доступа (рис. 6) может увеличиваться за счет того, что он находится в нерабочем («тревожном») состоянии, не может пройти тест на знание работы с системой с первого раза или забыл пароль, и ему было предложено пройти анкетирование вновь. Так, для варианта C пользователем для доступа к системе сделано три обращения. При первом - он не вошел в систему в результате того, что забыл пароль. При втором - ему предложено пройти анкетирование и тестирование снова, но выявлено, что он находится в нерабочем («тревожном») состоянии. При третьем входе он получил доступ к системе, но потратил много времени на прохождение теста на знание работы с системой.

 

Рис. 6. График «Значения затрат времени интерфейса от количества попыток вхождений пользователя в систему (I режим)»

Для пользователя, постоянно работающего с системой, основными причинами увеличения времени доступа являются его нахождение в нерабочем («тревожном») состоянии или его несогласие со снижением уровня на знание работы с системой в процессе работы и оказания помощи в учебе.

По данным Всемирной организации здравоохранения, количество людей, находящихся одновременно в тревожном состоянии, составляет не менее 10–35% жителей стран мира [12].

Применение адаптивного интерфейса, особенностью которого является защита системы от некомпетентных и эмоционально неуравновешенных пользователей, особенно важно в системах, используемых на транспорте, в областях, связанных с энергоемким и взрывоопасным производством. На таком производстве ошибочные действия работника могут стать причиной различного рода чрезвычайных происшествий, приводящих к браку выпускаемой дорогостоящей продукции, нанесения ущерба окружающей среде или человеческим жертвам.

Были определены вероятности возникновения аварии при условии, что она произошла по причине ошибочных действий работника для случая, когда  применялась система с обычным интерфейсом, и когда в системе был использован такой адаптивный интерфейс [6]. При этом вероятность возникновения аварийных ситуаций из-за ошибочных действий работника при работе с системой с адаптивным интерфейсом снижается втрое по сравнению с системой с обычным интерфейсом, что также говорит об эффективности использования адаптивного интерфейса. Снижение вероятности аварии связано со снижением вероятности действий, приводящих к необратимым последствиям, а это возможно при допуске к управлению технологическим процессом только работника высокой квалификации в работоспособном состоянии. Системой предусматривается реализация поддержки соответствующего уровня квалификации пользователя за счет различных обучающих программ.

Перспективы развития адаптивного человеко-машинного интерфейса

Основные концептуальные положения, принятые при создании интерфейса такого типа, основаны не только на целевой функции повышения эффективности использования системы и её защиты от некомпетентных действий пользователя, но и на необходимости создания условий (с точки зрения научно-технических решений) перспектив его развития. Это достигается за счет:

·  независимости интерфейса от используемых в системе, содержащей данный интерфейс, аппаратно-программных платформ;

·  возможности смены параметров предметной области, в рамках которой решается задача пользователя, путем занесения их в соответствующие базы данных, находящихся в составе интерфейса, что существенно расширяет области его применения;

·  возможности формирования для каждой предметной области соответствующего набора критериев оценки качества с учетом влияния их на свойства адаптации человеко-машинного интерфейса;

·  возможности аппаратной реализации отдельных подсистем интерфейса, например, подсистемы моделирования пользователя, в качестве приставки к системам различного назначения, где реализация такой функции необходима;

·  применения при проектировании современных и перспективных информационных технологий, например, многоагентной технологии и онтологии, что обеспечивает гибкость и сокращение процесса проектирования.

Например, при применении в системах электронного (дистанционного) образования  данный адаптивный интерфейс может обеспечить [13]:

·  работу с обучающей системой в любое время при наличии доступа  в Интернет;

·  динамическое ведение «профиля» или «модели» текущего обучаемого в течение всей работы с системой;

·  сохранение информации о ходе процесса обучения и информационный образ обучаемого в сети;

·  формирование и корректировку индивидуального курса для каждого обучаемого в соответствии с целями и задачами обучения;

·  управление процессами умственной (интеллектуальной), психологической и физиологической нагрузки и разгрузки,

·  комфортность общения;

·  возможности индивидуального и коллективного обучения.

Кроме этого, разработка интерфейса должна происходить с учетом стандартов информационных технологий в обучающих системах, в соответствии с которыми интерфейс должен обеспечивать следующие возможности [14]:

·  взаимодействие с различными системами, что важно для распределенных учебных сред;

·  многократное использование компонентов обучающих систем, построенных на основе информационных технологий, тем самым повысив эффективность разработки и снизив стоимость;

·  включение новых информационных технологий без перепроектирования; встроенных методов для обеспечения индивидуализированного обучения;

·  соответствие разработанным стандартам и предоставление возможности вносить изменения без глобального перепрограммирования;

·  возможность работы с системой из разных мест (локально и дистанционно, из учебного класса, с рабочего места или из дома);

·  возможность работы пользователям разного образовательного уровня, разных физических возможностей (в т.ч. инвалидов), разных культур;

·  экономическую доступность, поскольку стандарты ориентируются на непрерывное образование, проходящее в течение всей жизни обучаемого.

Особые требования предъявляются к модели обучаемого в соответствие со стандартами информационных технологий в обучающих системах [14] для того, чтобы:

- обеспечить индивидуальный подход к обучаемому и создать благоприятные условия для его обучения;

- предоставить возможность обучаемым любого возраста, образования, финансовых возможностей и т.д., создавать и строить персональную модель, основанную на национальных стандартах, которую они смогут использовать в течение всего периода обучения или рабочей деятельности;

- предоставить возможность разработчикам курсов создавать материалы, обеспечивающие более индивидуализированное и эффективное обучение;

- обеспечить фундамент для разработки дополнительных образовательных стандартов, ориентированных на обучаемого, в том числе для непрерывного образования;

- обеспечить идентификацию обучаемых.

В соответствии с вышесказанным, при создании нового интерфейса необходимо провести комплекс исследований, направленных на [13-15]:

·  изучение специфики процесса обучения по конкретной тематике, должны быть учтены особенности конкретной дисциплины или предметной области:

·  определение и реализацию комплекса функций интерфейса, ориентированных на его адаптацию к обучаемому, в том числе и на повышение его познавательного интереса, а также выбора им темпа усвоения учебного материала;

·  определение и реализацию различных форм аудиторной и самостоятельной работы обучаемых (видео-лекции, презентации, конференции, студенческие форумы, ввод комментариев по ходу занятия);

·  определение и реализацию комплекса функций интерфейса, обеспечивающих преподавателя следующими возможностями: отбором, разделением учебного материала в зависимости от системы обучения, углубленности изучения курса, уровня подготовки обучаемых; группового взаимодействия между обучающимися и преподавателем; обучения преподавателя знаниям работы с системой;

·  определение основных параметров, хранимых в модели обучаемого, которые  могут быть многократно применимы в различных дисциплинах (тип нервной деятельности, память, внимание, мышление, уровень информационной компетентности, уровень IQ и т.д.);

·  встраивание методов сбора информации об обучаемом (предварительных тестирований, создание игровых ситуаций) в процесс взаимодействия  пользователя с обучающей системой с целью корректировки  как психологических, так и информационных портретов обучаемого («модель обучаемого») для внесения изменений в среду;

·  встраивание механизмов анализа психофизиологического и других состояний обучаемого, на основе которых делаются выводы о его поведении в процессе учебы, а также о возникновении у него усталости и напоминании ему о необходимости делать перерывы;

·  встраивание в аудиовизуальной форме различных упражнений для снятия усталости, а также физических упражнений для развития кровообращения;

·  встраивание механизмов анализа интересов пользователя, его социального круга, и на основе анализа создавать естественные перерывы для снятия напряжения и повышения концентрации на обучении, отображая тематическую информацию;

·  использование новых интерфейсных технологий, например, таких как распознавание речи, силовая обратная связь, управление взглядом, трёхмерные среды, управление с помощью жестов, виртуальная реальность и т. п.;

·  внедрение механизмов, направленных на соблюдение гигиенических норм и требований безопасности для предотвращения нарушений функционального состояния психического и физического здоровья обучаемого;

·  корректировку прототипа модели интерфейса на соответствие требованиям стандартов информационных технологий;

·  определение параметров модели обучаемого (постановка цели, планирование, выполнение, наблюдение, документация, совершенствование непрерывного процесса и т.д.), необходимых для непрерывного обучения на основе информационных технологий и обеспечение возможности хранения этой информации на протяжении всего периода обучения (или всей жизни) для адаптации учебных материалов к конкретным потребностям или возможностям учащегося;

·   определение синтаксиса и семантики параметров модели обучаемого, которые характеризуют учащегося и его знания/способности (в т.ч. навыки, стили обучения, записи и личную информацию);

·  обеспечение конфиденциальности и безопасности информации об обучаемом;

·  построение идентификаторов обучаемых.

Заключение

Разработана методология построения и реализации функций человеко-машинного интеллектуального интерфейса, особенностью которого является обеспечение взаимной адаптации пользователя и системы. Результатом адаптации  пользователя к возможностям системы является допуск пользователя к работе с системой, обладающего знаниями и умениями, необходимыми для этой работы. Адаптация системы к параметрам пользователя осуществляется за счет настроек сервисов системы под модель пользователя, которая учитывает его индивидуальные особенности. Она создается при первом обращении пользователя к системе, а затем корректируется при последующих его входах в систему.

Данный интерфейс, в отличие от известных, дает возможность при создании человеко-машинного интерфейса учитывать множество факторов, в частности, информационную компетентность и психофизиологические характеристики пользователя. Учет этих факторов способствует расширению функциональных возможностей интерфейса и повышает эффективность использования системы, обеспечивая пользователя комфортной работой с системой.

Предложен метод разработки структуры адаптивного интерфейса с использованием разработанного набора критериев оценки его качества. Особенность этого метода заключается в анализе и выделении доминирующих признаков интерфейса, которые определяются соответствующими технологиями его реализации, и учет влияния этих признаков на параметры интерфейса. Метод позволяет разработать структуру интерфейса для систем различного назначения с необходимой степенью адаптивности, а также выполнить оценку эффективности интерфейса на этапе проектирования, что существенно снижает себестоимость и трудозатраты на его разработку.

В качестве примера реализации предлагаемого интерфейса разработан и исследован опытный образец адаптивного человеко-машинного интерфейса в составе информационной системы «Тестирование знаний». Интерфейс обеспечивает учащегося условиями комфортной работы с системой, оказание ему помощи в овладении соответствующим уровнем информационной компетенции с учетом его изменяющихся психофизиологических характеристик, а также предусматривает участие преподавателя/тренера в процессе обучения с использованием традиционных средств и методов обучения.

По результатам исследования предложена методика комплексного исследования эффективности применения адаптивного интерфейса. Она учитывает параметры пользователя (информационную компетентность, психофизиологические характеристики и др.) и определяет затраты времени на получение пользователем доступа к системе. Результаты исследования показали, что пользователи, не обладающие должным уровнем информационной компетентности, также как и пользователи, обладающие повышенной эмоциональностью, не будут допущены к работе с системой, что свидетельствует о защите системы от некомпетентных и эмоционально неуравновешенных пользователей.

Определены вероятности возникновения аварийных ситуаций по причине неправильных действий пользователя (оператора) при работе с системой с предлагаемым адаптивным интерфейсом и с обычным интерфейсом. Вероятность возникновения аварийных ситуаций при работе с системой с адаптивным интерфейсом снижается втрое по сравнению с системой с обычным интерфейсом, что говорит об эффективности использования адаптивного интерфейса. Его применение особенно важно в тех областях, где ошибочные действия работника могут стать причиной различного рода чрезвычайных происшествий, приводящих к браку выпускаемой дорогостоящей продукции, нанесению ущерба окружающей среде или человеческим жертвам, например, в системах, используемых на транспорте, медицине, управление технологическими процессами и др.

Результаты исследования подтверждают актуальность построения подобного интерфейса, корректность методологических положений и инженерно-технических решений. Приведены перспективы дальнейшего развития адаптивного человеко-машинного интерфейса и расширения его применения.

Литература

1.  Меморандум непрерывного образования Европейского Союза. – URL: http://www.znanie.org/docs/memorandum.html (дата обращения: 25.03.2011).

2.  Манако А.Ф., Синица К.М. ИКТ в обучении: взгляд сквозь призму трансформаций // Международный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)". – 2012. – Том 15. – №3. – С. 392 – 414. – ISSN 1436-4522.URL:  http://ifets.ieee.org/russian/periodical/V_153_2012EE.html.

3.  Тищенко В.А. Средства информационно-коммуникационных технологий как часть педагогической системы // Международный журнал «Образовательные технологии и общество (Educational Technology&Society)» – 2012. –V.15. – 2. – С. 565 – 580 – ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/depository/v15_i2/html/15.htm.

4.  Курзанцева Л.И.  О применении агентной технологии при создании интеллектуального пользовательского интерфейса // Комп'ютерні засоби, мережі та системи. – 2003. – № 2. – С. 15 – 24.

5.  Курзанцева Л.И.  О построении интеллектуального адаптивного интерфейса на базе агентной технологии для компьютерных систем  широкого назначения // Інформаційні технології та комп’ютерна інженерія – 2010.–  № 1. –  С. 16 – 21.

6. Курзанцева Л.И. Исследование и разработка адаптивного человеко-машинного интерфейса для учебно-тренировочных целей: дисканд.техн. наук. Киев, 2012. 240 с

7.  Курзанцева Л.И.  О построении интеллектуального интерфейса компьютерной системы со свойствами адаптации // Комп'ютерні засоби, мережі та системи. – 2007.– № 6. – С. 104 – 110.

8.  Яковлев Ю.С. О концепции построения и выбора распределенных баз данных информационно-поисковых систем // Математичні машини і системи. – 2003. – №2.

– С. 35 – 52.

9.  Курзанцева Л.И. Разработка адаптивного человеко-машинного интерфейса с использованием множества критериев оценки его качества // УСиМ. – 2011. – № 6.

 – С. 47 – 51.

10.  Курзанцева Л.И. Макет адаптивного интерфейса для учебно-тренировочных целей // Комп'ютерні засоби, мережі та системи. – 2011.– № 10. – С. 112 – 118.

11.  Курзанцева Л.И. Методика комплексного исследования адаптивного человеко-машинного интерфейса  // Математичні машини і системи – 2011. – № 4. – С. 69 – 77.

12.  Бездетко Н.В., Зупанец И.А. Фармацевтическая опека: симптоматическое лечение тревожных состояний. URL: http://www.provisor.com.ua/archive/2002/N24/ art_22.php (дата обращения:  05.02.2012).

13.  Интерактивная компьютерная технология обучения (с использованием контролирующих программ и электронных учебников). URL: http://nmcpo.narod.ru/biblioteka/metres/mr2_IKT.doc (дата обращения: 05.08.2012).

14.  Стандарты информационных технологий в обучающих системах (Learning technology systems standards). URL: http://dl.nw.ru/standarts/index.shtml (дата обращения: 01.02..2012).

15. Адамов В.Р. Интерфейс компьютерной обучающей системы. URL:  http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Esu/2010_4/R_5_112-116.pdf. (дата обращения: 10.03.2011).