Educational Technology & Society 6(3) 2003
ISSN 1436-4522
pp. 164-186

Мультимедиа тренажерные комплексы для технического образования

Н.Н. Филатова, Н.И. Вавилова, О.Л. Ахремчик
Тверской государственный технический университет, Тверь, Россия
nfilatova99@mail.ru

АННОТАЦИЯ
В статье приведены теоретические результаты и рассмотрен пример мультимедиа тренажерного комплекса для дистанционного образования. Рассматриваются особенности создания предметно ориентированных компонент тренажера (электронного пособия, тестирующей программы и предметной модели тренажера) при построении виртуального стенда для изучения методики поверки магнитного газоанализатора.

Ключевые слова
мультимедиа тренажер, дистанционное образование, виртуальный стенд.

 

Введение

В последние годы в практике инженерной подготовки все чаще используют компьютерные тренажерные комплексы. Тренажер позволяет построить обучение на основе проблемно-ситуационного подхода, реализовать активные методики обучения. В зарождающейся системе дистанционного инженерного образования компьютерный тренажер – единственно возможный путь реализации принципа системности обучения на завершающих этапах подготовки специалистов технических специальностей, так как обеспечивает использование всех видов дидактических приемов.
Необходимо отметить, что при ориентации ДО на тренажерные технологии мы получим значительное преимущество перед аналогичной стратегией на основе лабораторий прямого доступа пользователей через глобальную сеть к сложному и дорогостоящему оборудованию ведущих фирм и научных лабораторий. Этот подход в методическом плане имеет существенный минус, так как ограничивает диапазон действий пользователя исключительно штатными рабочими ситуациями. Разработка компьютерных тренажеров с использованием мультимедиа технологий создает возможность реализовать практически любые по сложности эксперименты с оборудованием и воспроизвести методики отработки любых нештатных ситуаций.
В Тверском государственном техническом университете проводятся работы по реализации проекта «Виртуальные лаборатории для ДО».
Поставлена задача создания технологии разработки недорогих, доступных каждому студенту мультимедиа обучающих средств, которые можно эксплуатировать как в глобальной сети, так и на локальном рабочем месте.
В статье приведены теоретические результаты и рассмотрен пример функционального тренажера.

1. Классификация компьютерных тренажеров

В развитии программных тренажерных комплексов можно проследить несколько этапов, которые сопоставимы с поколениями автоматизированных обучающих систем [Вавилова Н.И. 2002].
На первом этапе компьютерные тренажеры представляли собой комплексы инструктивного типа с жестким характером обучения. Программа требовала от обучаемого строго последовательного перечня шагов. Любое действие пользователя, не соответствующее алгоритму, воспринималось тренажером как ошибка, о чем немедленно сообщалось студенту. Визуализации подлежали исключительно верные шаги, ошибочные – не визуализировались. Область применения ограничивалась обучением пользователей методикам работы с оборудованием, т.е. для обучения действиям, которые могли быть изложены в виде алгоритма, а также контролем знаний и проведением аттестационных мероприятий.
Второй этап в рассматриваемом процессе связан с созданием тренажеров-симуляторов, основанных на применении имитационного и математического моделирования. Усложнение моделей, воспроизводящих объекты мира тренажера, визуализация всех действий обучаемого, сложные сценарии, допускающие имитацию аварийных ситуаций существенно расширили методические возможности тренажерных комплексов (ТК).
С появлением технологий multimedia, hypermedia начался третий этап в развитии тренажерных комплексов. Его главное отличие - возможность полисенсорного воздействия на обучаемого. Тренажеры 3-го поколения ориентированы на индивидуализацию обучения. Для этого в состав ТК включена модель обучаемого, которая используется для формирования индивидуальных вариантов объяснения задания, а также для генерации подсказок и подбор справочного материала.
Четвертый этап в развитии компьютерных тренажеров связан с использованием моделей и методов искусственного интеллекта (ИИ). ТК с элементами ИИ ориентированны на обучение решению сложных инженерных задач (проектирования, управления, принятия решений). ТК, включающие экспертную подсистему позволяют организовать проверку практически любого варианта решения задачи, сформированного обучаемый. Это особенно актуально для задач, имеющих большое количество альтернативных решений. Интеллектуальные тренажеры должны динамически отслеживать и анализировать решение на всех этапах работы, выполнять анализ ошибок студента, генерировать подсказки с подробным описанием ошибок и возможных путей их исправления.
Развитие сетевых технологий, предъявляя новые требования к ТК, приводит к созданию тренажеров пятого поколения, которые должны объединять возможности мультимеди и ИИ и функционировать в глобальной сети.
Архитектура любого компьютерного тренажерного комплекса (КТК) определяется его назначением, списком задач и функциональными возможностями, типом моделей мира ТК.
По назначению среди КТК выделяются пять типов разработок.

  1. Тренажеры, обучающие моторным навыкам, широко применяются для обучения вождению различных транспортных средств, стрельбе, сварочным работам, спортивным играм [URL 1, URL 2, URL 3, URL 4, URL 5].
  2. Тренажеры, обучающие распознаванию образов, используются для подготовки специалистов в области медицинской диагностики, для обучения навыкам синхронного перевода. Но наиболее интенсивно этот тип тренажеров применяется для обучения операторов различных военных специальностей [URL 5].
  3. Тренажеры, обучающие работе по алгоритму, предназначены для обучения методикам работы с оборудованием [URL 11, URL 9], эксплуатации сложной техники, в том числе и медицинской. Эти тренажеры строятся на статической модели мира, не предусматривающей влияния внешних возмущений или случайных факторов на объекты мира. Они моделируют работу с исключительно исправной техникой. Тренажер обычно имеет довольно жесткий сценарий обучения: обучаемый пользуется полной свободой действий только в промежутках между контрольными ситуациями, а верное решение (ситуация) всегда единственно и от обучаемого, в конечном итоге, требуется его точное воспроизведение.
  4. Тренажеры, обучающие поведению в нештатных (аварийных) ситуациях, используются для тренировки персонала и операторов электростанций, атомных станций, химических производств, а также при обучении управлению движущимися объектами (самолет, судно) в сложных ситуациях, когда существует опасность столкновения с другим объектом [URL 12, URL 10].
  5. Тренажеры, обучающие решению задач с разветвленным деревом допустимых решений. Основной упор в них делается на проверку решения, предложенного обучаемым. Подобным образом проводится обучение навыкам проектирования, монтажа, сборки систем, а также навыкам поиска неисправностей и ремонта оборудования [URL 9].
Важной характеристикой программного тренажера является тип модели мира [Filatova N.N., Vavilova N.I., 2001], на основе которой он построен.
Тренажеры, построенные на основе статической модели мира, обучают действиям с некоторыми статичными объектами при отсутствии внешних возмущений. По умолчанию считается, что все объекты тренажера исправны. В таких тренажерах нет ситуаций, развивающихся во времени. Пользователь попадет в идеальный мир, не подверженный изменениям по причинам, не зависящим от его действий. На основе статической модели мира строятся технические тренажеры, представляющие собой виртуальные стенды для отработки методик действий с приборами и оборудованием (http://www.swman.com/index.htm).
Тренажеры на основе динамической модели мира предназначены для обучения действиям с объектами при наличии внешних возмущений. Ситуации, возникающие в ходе работы, могут развиваться во времени. На основе динамической модели мира строятся тренажеры - симуляторы (управление судном, самолетом и т.д.) а также технические тренажеры для отработки действий в нештатных ситуациях. Внешние возмущения мира тренажера задаются преподавателем при составлении задания или прямо во время работы обучаемого на тренажере, а также могут являться факторами, заложенными в сценарий обучения.
Анализ современных программных тренажеров показал, что общими функциями, поддерживаемыми всеми ТК, являются функции имитации объектов реального мира и интерактивного взаимодействия с пользователем.
Имитация объектов реального мира в ТК . Реализация этой функции связана с воспроизведением образов реального мира и имитации управления объектами мира, путем интерактивного взаимодействия. Имитация объектов мира имеет две составляющие: визуальная имитация и функциональная имитация. При этом виртуальный объект должен соответствовать реальному объекту и по своим визуальным характеристикам, и по функциональным возможностям.
Визуальные образы объектов создаются в большинстве существующих тренажерах с помощью программно генерируемой графики. При этом реалистичность изображения часто остается низкой, т.к. разработчики не всегда стремятся к адекватному изображению внешнего вида объектов. Для реализации любых движений разработчики используют только программную анимацию. Использование звука ограничивается имитацией переговоров (телефон, рация), но даже в этих случаях звук часто заменяется текстовыми сообщениями. Из-за повышенных требований к ресурсам компьютера, большого объема файлов и сложностей с синхронизацией видео практически не применяется. В целом качество визуальной имитации объектов для технических тренажеров значительно ниже качества имитации объектов для тренажеров, обучающих управлению движущимися объектами, т.е. для тренажеров, требующих постоянной имитации обзора .
В подавляющем большинстве существующих программных тренажеров функциональная имитация объектов осуществляется на основе математических моделей. Существует и иной способ функциональной имитации объектов тренажера - это имитация только внешнего поведения объектов, заключающаяся в управлении отображением мультимедиа образов в зависимости от состояния объектов тренажера. Мультимедиа образы в данном случае - визуальные представления конкретного состояния объектов.
Взаимодействия пользователя с объектами ТК может быть реализовано путем использования профессиональных пультов управления. В этом случае тренажер создается в виде специализированного аппаратно-программного комплекса, который позволяет обучаемому не только изучить все органы управления реальных устройств, но и довести до автоматизма моторные навыки, необходимые для работы с объектом.
Однако наиболее распространенным способом реализации функции взаимодействия ТК и пользователя является использование виртуальных органов управления. Во многих случаях они визуально реализованы с достаточно хорошим качеством и чувствительны к щелчкам мыши. Однако довольно много и устаревших решений на базе клавиатуры для ввода команд - наборов символов, которые никак не связаны с работой на реальном объекте. Иногда используются графические метафоры команд - кнопки на экране пользователя, активизирующие при щелчке мышью некоторое действие. В этом случае при работе на реальном объекте обучаемый вынужден будет заново изучать органы управления.
Функция информационной поддержки обучаемого реализуется далеко не всеми программными тренажерами. Имеется два способа управления информационной поддержкой. Интерактивное управление подразумевает отображение информации по требованию пользователя и с учетом ситуации, в которой он находится. При контекстном управлении информация отображается не по инициативе пользователя, а в зависимости от текущей ситуации (например, если обучаемый допустил ошибку). В качестве информационной поддержки широко применяются текстовые или гипертекстовые структуры. При этом контекстная поддержка реализуется на основе простого текста, а интерактивная - на основе гипертекста.
Функция контроля действий обучаемого является одной из основных . Крайне редко в современных тренажерах реализуется входной контроль, представляющий собой набор тестов с вопросами по основным положениям, понятиям и концепциям теории. По результатам входного контроля организуется допуск к выполнению работы на ТК. Профильный контроль, заключающийся в постоянном мониторинге действий пользователя, реализуется практически во всех без исключения тренажерах. Заключительный контроль представляет обычно проверку пользовательского решения, причем не все тренажеры способны проводить ее автоматически, а большинство предоставляет преподавателю проводить проверку. Для проверки производится сохранение экранов тренажера в контрольные моменты. В дальнейшем от преподавателя требуется провести анализ изображений и выдать заключение о правильности результата и хода выполнения работы пользователем. Отдельными тренажерами поддерживаются функции автоматической проверки решений пользователя. В ряде случаев поддерживается функция автоматического анализа работы обучаемого, а не простого указания ее правильности или неправильности.
Выделенные структурно-функциональные характеристики позволили сформировать ограниченную классификацию программных тренажеров (рис.1), которая может оказаться полезной при разработке новых архитектурных вариантов тренажерных комплексов.
Анализ экспонируемых в глобальной сети компьютерных тренажеров и описаний ПО этого типа позволяет сформулировать следующие выводы:
  1. Основное множество ТК, представленные на рынке в настоящее время, обучают работе по алгоритму или порядку действий в аварийных ситуациях. Полностью отсутствуют многовариантные тренажеры по проектированию, сборке, монтажу систем (технологических и управления). Программная реализация тренажеров, обучающих программированию устройств управления, морально устарела, не соответствует операционным системам и телекоммуникационным ресурсам;
  2. Визуальное соответствие объектов мира технических тренажеров реальным устройствам крайне низкое. По этой причине имеющиеся технические тренажеры не оказывают обучаемому поддержки в формировании соответствия между его теоретическими представлениями и объектами реального мира. Вместо этого у обучаемого формируется устойчивая паразитическая связь, соотносящая его теоретические представления с объектами мира тренажера. Она не является необходимой для успешной последующей практической деятельности обучаемого, а ее формирование лишь увеличивает время обучения;



    Рис. 1. Классификация программных тренажеров.

  3. Низкий уровень информационной поддержки обучаемого создает трудности при использовании имеющихся тренажеров для самостоятельной работы и не позволяет использовать тренажер без дополнительных пояснений со стороны преподавателя;
  4. Полная свобода действий обучаемого при отсутствии средств автоматического анализа его работы (или автоматической проверки решения) не позволяют использовать тренажер без привлечения преподавателя;
  5. Обязательной составляющей современного тренажера является наличие средств редактирования сценария обучения, создания для обучаемых индивидуальных заданий преподавателем;
  6. Сложность современных программных тренажеров, из-за которой невозможно выполнить работу целиком за один сеанс, привели к обязательному наличию в тренажере функций протоколирования хода работы или сохранения результатов каждого сеанса по желанию обучаемого;
  7. Наиболее высокие требования по дизайну предъявляются к интерфейсу пользователя, связывая их с возможностью поддержки (со степенью активизации) когнитивных процессов в сеансе работы.

2. Учебно-дидактические средства в тренажерном комплексе

В Тверском государственном техническом университете проводятся работы по реализации проекта «Виртуальные лаборатории для ДО». В основу проекта положено базовое решение по архитектуре тренажерного комплекса, ориентированного на работу в глобальной сети [Филатова Н.Н., Ахремчик О.Л., Вавилова Н.И., Тулова С.А., 2002] и собственные технологии проектирования.
Базовая структура ТК включает универсальное ядро (блок экспертного оценивания, модель обучаемого, методическая база знаний и т.п.) и предметное порождение (блоки учебного курса, контрольного тестирования, предметная модель тренажера). Разработка каждого нового варианта ТК связана с проектированием и созданием нового варианта предметного порождения.
На основе найденных архитектурных и технологических решений создано несколько тренажеров, обучающих решению метрологических задач, и задач проектирования и настройке систем автоматизации.
В статье предлагается рассмотреть предметно зависимые компоненты одного из тренажерных комплексов. ТК предназначен для изучения методики поверки магнитного газоанализатора и выполнения лабораторных работ по изучению измерительной техники (Рис.2).
Студент, работая с указанным ТК, получает доступ к трем блокам:

2.1. Особенности проектирования блока теоретических материалов

Проектирование блока учебного курса (теоретических материалов) осуществлялось в стиле гипермедиа учебника с соблюдением основных рекомендаций и требований к классическим электронным учебным пособиям (ЭУП) [Зайнутдинова Л.Х., 1999].
Одной из главных задач, возникающих при разработке ЭУП, является задача структурирования изучаемой информации. От результатов ее решения во многом зависит эффективность и основные потребительские свойства программных продуктов этого класса.
Учитывая особенности программной реализации, ЭУП можно рассматривать как гипертекстовые базы данных со специальным пользовательским интерфейсом, который должен поддерживать, как минимум, функции вывода необходимой информации по ограниченным формам запросов. Средства редактирования и расширения информации ЭУП обычно не включают в состав пособия и классифицируют как оболочки для разработки пособий.
Рассмотрение ЭУП с позиций информационно-справочных систем позволяет использовать для решения задачи структурирования учебной информации технологии разработки концептуально-логических моделей баз данных и методы системного анализа. Все эти методы базируются на том или ином виде модели предметной области. Для формализованной организации учебной информации произвольного объема и вида нами предлагается использовать наиболее общий тип информационных моделей: понятийную модель
Понятийная модель предметной области может быть представлена в виде графа Md :
(1)
где: Wd – множество вершин, соответствующих понятиям предметной области, Ld – множество дуг, представляющих связи между понятиями.
Граф (1) и модель вида Md в дальнейшем могут быть расширены за счет множества интерпретаций понятий. Получаемая в этом случае структура фактически являются частным случаем модели онтологии:
(2)
где: Ф – конечное множество функций интерпретации, заданных на понятиях и/или отношениях онтологии.
В информатике принято рабочее определение, по которому онтология представляет собой базу данных/знаний, описывающую факты, которые предполагаются всегда истинными в рамках определенной предметной области и определенного сообщества пользователей.
В частном случае имеем таксономию, которая определяется в виде:
(3)
Таксономическая структура подразумевает иерархическую систему понятий, связанных между собой отношениями вида (is_a) ‘быть элементом класса’. Этот вид отношения позволяет организовать структуру понятий онтологии в виде дерева, т.е. делает ее тождественной модели (1).
Понятийная модель вида Md , разработанная при создании тренажера для лабораторной работы по изучению принципов действия магнитного газоанализатора, включает 6 понятий базового уровня (Принцип действия, измерительная схема, лабораторный стенд, методика поверки, выполнение работы, содержание отчета Вершины первого уровня, образующие множество , определяют базовые концепты рассматриваемой предметной области. Каждый концепт из , является корневой вершиной для некоторого фрагмента предметного знания, определяющего понятия нижнего уровня.
Однако, формирование информационных моделей (In_Mi ) на основе установления отношения эквивалентности типа не целесообразно. Опыт создания прикладных интеллектуальных автоматизированных систем в области исследования, диагностики, проектирования и обучения показывает, что разработка программного обеспечения на базе моно-альтернативного множества информационных моделей приводит к ограничению функциональных возможностей обучающих средств (например, ЭУ первого поколения с поддержкой гиперсвязей только между оглавлением и заголовками разделов). В зависимости от целей и способов обработки информации для ключевых концептов (из ) необходимо разработать несколько различных моделей представления.
(1) отображает базовые понятия предметной области и существующие между ними родо-видовые (класс-подкласс) отношения Ld . Каждое понятие или их конъюнкция может интерпретировать некоторый факт, определять объект или абстрактную сущность. При расширении множества Ld путем включения множества функциональных связей, каузальных отношений возможно отображение более сложных высказываний и взаимосвязей между объектами.
Понятийная модель предметной области является основой для проектирования графа сценария ЭУП. Однако для детальной его разработки необходимо также учесть основные дидактические функции, возлагаемые на электронное пособие, которые определяют функционально-структурные ограничения на сценарий [Зайнутдинова Л.Х., 1999].
Анализ предложенной структуры понятийной модели предметной области и дидактических ограничений позволил сформулировать следующие требования к информационным моделям макета ЭУП:

  1. Для каждого концепта целесообразно создание подмножества информационных моделей;
  2. Между моделями, входящими в одно подмножество, должна существовать система иерархических взаимосвязей;
  3. Между моделями, относящимися к разным концептам, должны существовать взаимосвязи, соответствующие отношениям между соответствующими понятиями предметной области.
Графовая модель сценария (ЭУП) должна отражать: Методика построения графовой структуры на основе модели вида (1) неоднократно описана в литературе и самоочевидна. Рассмотрим реализацию принципа полиальтернативности образов при интерпретации отдельных концептов .
В качестве первого примера рассмотрим структуру для интерпретации концепта <Измерительная схема>: W2 1 (рис.2а). Указанное понятие имеет три альтернативных способа интерпретации, позволяющее осуществить презентацию учебной информации как с ориентацией на студентов, предпочитающих аудио канал для восприятия информации, так и на тех, кто предпочитает зрительные, символьные образы. Этот подход может использоваться и при интерпретации сложных графических объектов.
В качестве второго примера рассмотрим концепт <Схема измерительной ячейки термомагнитного газоанализатора>: . Для обоснования принципа действия устройства необходим рисунок со схемой ячейки. Замена его фотографией реального устройства не целесообразна при объяснении принципов работы. Однако на плоском рисунке трудно воспроизвести объемные эффекты. Иерархия рисунков с последовательной раскраской презентуемых в тексте элементов схемы позволяет повысить когнитивный эффект и упрощает схему объяснений (рис. 2б).
Для оптимального размещения информации в окне ЭУП целесообразно использовать фреймовые структуры. Фреймы прекрасно подходят для оформления следующих элементов.
Оглавление. Помещая оглавление в виде вертикального столбца на страницу, мы позволяем пользователю обращаться к нему в любой момент, поскольку, находясь в фрейме, оглавление всегда будет под рукой.
Неподвижные элементы интерфейса. На экране можно “закрепить” графику и другие элементы, в то время как остальная часть страницы будет прокручиваться в другом фрейме.
Формы и результаты. Можно создать форму в одном фрейме, а в другом отобразить результаты запроса.



Рис.2а. Фрагмент графовой модели сценария ЭУП (вершина W21).





Рис. 2б. Фрагмент графовой модели сценария ЭУП (вершина W41).

В соответствии с эргономическими исследованиями, принципами поли альтернативности образов и возможностями языка HTML при разработке ЭУП предлагается иерархия из 4-х фреймов (рис.3).



Рис. 3. Фреймовая структура для макета ЭУП.

Фреймы вида А, Б, В располагаются в видимой части экрана, и определяют разбиение окна для вывода учебной информации. Фрейм Г – скрытый, используется для служебной информации.
Соотношения между фреймами по размерам закрепляемой площади экрана: А=40%, Б=60%, В=10%(от А).
Назначение фреймов.
А – для оглавления, вывода текстовой поддержки графических образов;
Б – для вывода графических объектов, текста, анимационных клипов;
В – для размещения элементов управления навигацией;
Г – для служебной информации.

2.2. Блок контрольного тестирования

Блок контрольного тестирования (рис.4) введен в состав тренажера- с целью организации:

Студент может осуществлять свободную навигацию по списку вопросов, возвращаться на любой вопрос, исправлять ответы. Так как речь не идет о контрольной проверке знаний, никаких временных ограничений на работу пользователя не устанавливается, список вопросов сформирован с учетом смыслового контекста и помогает студенту лучше усвоить учебный материал. Для того, чтобы исключить формальный подбор правильного варианта ответа путем механического перебора вариантов, в программе отсутствует подтверждение правильности ответа на отдельный вопрос (или указание на ошибку). Студент получает итоговое сообщение о количестве ошибок после окончания сеанса работы с БКТ. Информация о том, в каких вопросах сделаны ошибки, студенту не сообщается. Эти данные в виде протокола ответов заносятся в скрытую форму и доступны только преподавателю.
Программа разработана на языке JavaScript и представляет интерес, т.к. воспроизводит варианты всех известных типов тестовых вопросов (рис.5 -11).



Рис. 4. Титульная страница БКТ.





Рис. 5. Шаблон (полиальтернативного) тестового вопроса с несколькими вариантами правильных ответов.





Рис. 6. Шаблон (моноальтернативного) тестового вопроса с единственным правильным вариантом ответа.





Рис. 7. Шаблон (полиальтернативного) тестового вопроса с группами, включающими несколько правильных ответов.





Рис. 8. Шаблон вопроса с конструируемым из отдельных блоков ответов.





Рис .9. Шаблон вопроса с символьным вводом ответов.





Рис. 10. Шаблон вопроса с символьным вводом ответов.





Рис. 11. Заключительный вопрос в тесте, позволяющий студенту оценить свою готовность к выполнению лабораторной работы.

2.3. Блок мультимедиа тренажера

Предметная модель тренажера (ПМТ) создается на основе концепции, изложенной в [Филатова Н.Н., Вавилова Н.И., 2000], и включает две взаимосвязанных составляющих модель T_extr (реализованную в рамках интерфейса пользователя) и модель T_intr (скрытая, атрибутивная модель).
Единство составляющих предметной модели T_extr и T_intr реализовано на основе технологии фреймов. В рассматриваемом варианте тренажера использовано 5 фреймов.
А) Навигационный фрейм , содержащий кнопки "Назад" "Меню".
Кнопка "Назад" позволяет вернуться в окно, предшествующее текущему, а с помощью кнопки "Меню" в любой момент можно прервать работу и вернуться в главное меню.
Б) Справочно-информационный фрейм.
По умолчанию содержит текст, поясняющий назначение кнопок навигации. В процессе работы в него выводятся элементарные образы, исполняющие вспомогательные функции в составных интерпретациях отношений между концептами предметной области. Например, в основной фрейм выводится анимационный образ (отображает перемещение стрелки на шкале показывающего прибора), во фрейме Б отображается текстовый образ, содержащий пояснения.
В) Основной рабочий фрейм.
В него помещаются визуальные интерпретации концептов и отношений онтологии [Вавилова Н.И., 2002]. Обучаемый взаимодействует с интерпретациями, меняя, таким образом, текущую ситуацию.
Г) Скрытый фрейм , содержащий аудио составляющие интерпретаций онтологии предметного мира тренажера.
Д) Скрытый служебный фрейм , содержащий модель T_intr.
Цикл функционирования сценария тренажера, реализующий переходы из одной ситуации в другую, показан на рис. 12. Обучаемый перемещается по вершинам треугольной структуры, образуемой окном "Общий вид" (окно I на рис. 12), окном "Укрупнение" (окно II) и окном "Анимация" (окно III).
Окно "Общий вид" содержит единственную статичную интерпретацию концепта "Поверочный стенд". На интерпретации выделены пять активных зон, соответствующих отдельным устройствам реального стенда (Рис.13.): W1 – аналитическое устройство; W2 – вторичный прибор; W3 – реометры и компрессор; W4 – манометр; W5 – сеть;



Рис. 12. Взаимосвязь окон в предметной модели тренажера.

Окно "Общий вид" содержит управляющую кнопку (W6 – "подать азот от баллона"), являющуюся графической метафорой действия.
При щелчке мышью по области активной зоны (W1 – W4) обучаемый попадает в одно из четырех окон "Укрупнение" (переход 1 на рис. 12.). Окна "Укрупнение" содержат множество интерпретаций концептов онтологии тренажера и множества активных зон второго уровня (рис 12а). Воздействуя на них обучаемый осуществляет управление отдельными устройствами стенда. Эти действия приводят его в третье окно - "Анимация" (переход 2), в котором обучаемому предъявляются динамические интерпретации отношений концептов онтологии тренажера. Открытие окна "Анимация" свидетельствует об успешности действия, произведенного обучаемым. Когда анимация закончена, пользователь должен вернуться в окно "Укрупнение" щелчком на кнопке "НАЗАД" фрейма навигации (переход 3). Далее пользователь продолжает работу с данным устройством или переходит к другому устройству, снова щелкнув на кнопку "НАЗАД" и, таким образом, вернувшись в окно "Общий вид" (переход 4).
Зона W6 ("сеть") не имеет дочернего окна "Укрупнение", ее активизация немедленно приводит к воспроизведению интерпретации соответствующего отношения.
Активные зоны 2-го уровня принадлежат статичным интерпретациям концептов окон "Укрупнение" (рис.14).
Активизация обучаемым активной зоны (как в окне "Общий вид", так и в окне "Укрупнение") запускает процедуру проверки правомерности действия. Каждое действие имеет ряд необходимых условий. Если проверка показывает допустимость данного действия в текущей ситуации, то обучаемый беспрепятственно перемещается к следующей вершине треугольника (рис.12). Действие признается ошибочным, если предварительно обучаемым не создана нужная ситуация. Интерпретация ошибочных действий не производится, перемещение обучаемого к следующей вершине треугольника блокируется.
Фрагмент сценария тренажера (рис.15).



Рис.12а. Действия пользователя по поверке газоанализатора.

Список всех ошибочных действий обучаемого, отслеживаемых тренажером, приводится в таблице 1. Здесь реакции тренажера на ошибки 1, 4, 6, 7 реализованы как дополнительные подсказки. При работе с реальным стендом они отсутствуют. Реакции на ошибки 2, 3, 5 реализованы как замечания преподавателя, которые присутствуют и при работе с реальным стендом (преподаватель проверяет подготовку стенда к подаче азота, к выключению и т.д.).



Рис. 13. Активные зоны виртуального стенда.

Грубые ошибки пользователя приводят к возникновению нештатной ситуации – аварии, поломке оборудования. Полный список нештатных ситуаций и исходных ситуаций, которые могут привести к аварии, показан в таблице 2.
Список возможных аварий сформирован по результатам анализа повреждений реального стенда, возникающих по вине студентов при выполнении ими лабораторной работы. Он включает поломки ручек управления элементами стенда. Когда обучаемый совершает опасное действие, начинается накопление его грубых ошибок. Пока их число не превышает критического уровня, обучаемому выдаются предупреждения, далее возникает авария, которая ведет к немедленному прекращению работы.
Для создания предметной модели использован язык DHTML, для написания сценария – языки JavaScript и VBScript. Структура ПО предметных компонент тренажерного комплекса показана на рис. 15.



Рис. 14. Фрагиент множества активных зон 2-го уровня для концептов окон "Укрупнение".



Таблица 1. Реакция тренажера на ошибочные действия обучаемого.

№ п/п Ошибка и действия пользователя Исходная ситуация Сообщение
1. Не включено питание стенда от сети. Пользователь пытается начать работу с любым из элементов стенда. Сеть - выключена. "Вы не включили стенд в сеть".
2. Стенд не подготовлен к подаче
азота от баллона.
Пользователь нажимает на кнопку "Подать азот от баллона"
Аналитическое устройство - выключено; или Вторичный прибор - выключен; или Рукоятки подачи азота и воздуха - завернуты не полностью. "Стенд необходимо подготовить к подаче азота, а вы этого не сделали".
3. Стенд не подготовлен к завершению работы.
Пользователь пытается отключить стенд от сети.
Аналитическое устройство - включено; или Вторичный прибор - включен; или Отметки реометров подачи азота и воздуха - не установлены на 0; или Компрессор - включен; или Подача азота от баллона - не отключена. "Не спешите! Приведите в порядок рабочее место: выключите приборы, закройте подачу газов".
4. Невозможно увеличить подачу воздуха.
Пользователь пытается увеличить подачу воздуха.
Компрессор - выключен. "Для подачи воздуха необходимо включить компрессор".
5. Не отрегулировано давление азота.
Пользователь пытается увеличить подачу азота.
Давление азота - не равно 0,3 кг с / см2. "Вы не отрегулировали давление азота".

Таблица 2. Нештатные ситуации, возникающие по вине обучаемого.

Авария и действия пользователя Исходная ситуация Предупреждение
1. Поломка рукоятки манометра. Пользователь пытается уменьшить / увеличить давление азота. Фиксирующая гайка - затянута;
Эта ошибка:
- первая - предупреждение;
- не первая - авария.
"Осторожно! Фиксирующая гайка сильно затянута. Вы можете сломать рукоятку манометра".
2. Поломка рукоятки манометра.
Пользователь пытается уменьшить давление азота.
Азот от баллона - подан; Фиксирующая гайка - ослаблена; Давление азота - 0; Эта ошибка:- первая - предупреждение; - не первая - авария. "Осторожно! Манометр уже на нуле. Вы можете сломать рукоятку манометра".
3. Поломка рукоятки манометра.
Пользователь пытается увеличить давление азота.
Азот от баллона - подан; Фиксирующая гайка - ослаблена;Давление азота - > 0,3 кг с / см2. Эта ошибка:
- первая - редупреждение;
- не первая - авария.
"Осторожно! Давление максимально. Вы можете сломать рукоятку манометра".
4. Поломка рукоятки реометра расхода азота.
Пользователь пытается уменьшить расход азота.
Расход азота - 0; Рукоятка расхода азота - закрыта до упора;
Эта ошибка:
- первая - предупреждение;
- не первая - авария.
"Осторожно! Ручка подачи азота сильно затянута. Вы можете ее сломать".
5. Поломка рукоятки реометра расхода азота.
Пользователь пытается увеличить расход азота.
Расход азота - > 3,5; Рукоятка расхода азота - на максимуме;
Эта ошибка:
- первая -предупреждение;
- не первая - авария.
"Осторожно! Ручка подачи азота больше не поворачивается.
6. Поломка рукоятки реометра расхода воздуха.
Пользователь пытается уменьшить расход воздуха.
Расход воздуха - 0;Рукоятка расхода воздуха - закрыта до упора;
Эта ошибка:
- первая - предупреждение;
- не первая - авария.
"Осторожно! Ручка подачи воздуха сильно затянута. Вы можете ее сломать".
7. Поломка рукоятки реометра расхода воздуха. Пользователь пытается увеличить расход воздуха. Подача воздуха - > 3,5; Рукоятка подачи воздуха - на максимуме;
Эта ошибка:
- первая - предупреждение;
- не первая - авария.
"Осторожно!"
Ручка подачи воздуха больше не поворачи-вается.




Рис. 15 Структура ПО предметных компонент тренажерного комплекса “Виртуальный стенд поверки магнитного газоанализатора”.

3. Методика работы с МТ

Цель лабораторной работы, выполняемой на рассматриваемом ТК, заключается в изучении принципа действия магнитного газоанализатора и методики его поверки.
Поверка магнитного газоанализатора осуществляется методом прямого измерения значений физической величины (в данном случае концентрации кислорода), воспроизводимых многозначной мерой. Такой мерой служат поверочные (калибровочные) газовые смеси. При поверке газоанализатора сличают его показания со значениями концентрации определяемого компонента (в данном случае кислорода) в поверочной газовой смеси, подаваемой при этом в газоанализатор.
Смеси создаются с помощью динамической газосмесительной установки. В данной установке воспроизведение различных концентраций кислорода (от 0 до 21% об) осуществляется путем смешивания потока воздуха с потоком азота в различных соотношениях. Этими соотношениями и определяются концентрации кислорода в газовом потоке, который поступает в магнитный газоанализатор из газосмесительной установки с постоянным объемным расходом. Концентрация кислорода в этом потоке определяется по результатам измерений расходов воздуха и азота.
Для измерения концентрации кислорода в поверочной газовой смеси необходимо принять значение объемного расхода Q поверочной смеси, поступающей в магнитный газоанализатор (значение этого расхода задается преподавателем). Значения Q может быть приняты равными 3,0; 2,75; 2,5; 2,0 см /с. Необходимо учитывать, что расход Q представляет собой сумму расходов потока азота и воздуха.
Для установки значений расходов по шкалам реометров (по высоте столба h жидкости отчетного устройства реометра) необходимо значение расхода разделить на градуировочный коэффициент соответствующего реометра Ка или Кв. Значения Ка и Кв указаны на соответствующих реометрах.
Методика выполнения лабораторной работы на виртуальном стенде предполагает выполнение следующих операций.

Приведенная выше методика поверки, реализуемая студентом на виртуальном стенде, полностью соответствует методике работы с физическим стендом.
В отличие от физического стенда программа поддерживает два режима работы:
  1. знакомство со стендом;
  2. выполнение работы (рис. 16).




Рис. 16. Главное меню тренажера.

В режиме 1 обучаемый знакомится с методикой проведения лабораторной работы, изложенной в виде пошагового алгоритма. Активность студента в этом режиме направлена исследование стенда, его элементов, органов управления. В режиме 2 от студента требуется реализовать изученную методику поверки, выполнив индивидуальный вариант задания.
Перед началом работы пользователю предлагается выбрать значение объемного расхода смеси газов и относительно него произвести все необходимые расчеты (Рис. 17.).



Рис. 17. Выбор варианта задания.

Дальнейшие действия студента (в режиме выполнения работы) должны определяться необходимыми этапами описанной выше методики поверки магнитного газоанализатора. Однако сценарий имеет большую "степень свободы" и допускает произвольные последовательности шагов. Не имеет значение последовательность включения устройств, степень поворота регулирующих ручек и т.п. Результаты работы фиксируются в структурах модели T_intr.

4. Заключение

Описанный тренажерный комплекс используется в учебном процессе кафедры автоматизации технологических процессов Тверского государственного технического университета, а также как прототип при разработке новых вариантов виртуальных лабораторных стендов. Применение описанного программного продукта повышает интерес студентов к техническим дисциплинам и позволяет более эффективно организовать работу со студентами заочной формы обучения.

Литература

[Вавилова Н.И. 2002] Вавилова Н.И. Модели и алгоритмы автоматизированного проектирования макетов сцен мультимедиа тренажеров. Диссертация на соиск. уч. ст. к.т.н. Тверь. 2002
[Filatova N.N., Vavilova N.I., 2001] "The trainer-simulator's models of the world on the basis of the plurality of the figurative representations" // International Journal "Information Theories and Applications" - 2001, volume 8, number 4, pp. 176-184.
[Зайнутдинова Л.Х., 1999] "Создание и применение электронных учебников. На примере общетехнических дисциплин", Астрахань – 1999.
[Филатова Н.Н., Вавилова Н.И., 2000] "Представление знаний в мультимедиа тренажерах" // сборник научных трудов V международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в электротехническом образовании", Астрахань - 2000, стр. 258-263.
[Вавилова Н.И., 2002] "Проектирование моделей тренажера на основе онтологического подхода" // сборник материалов всероссийской заочной конференции "Перспективы развития волжского региона", Тверь – 2002, вып.4, стр. 142-146.
[Филатова Н.Н., Ахремчик О.Л., Вавилова Н.И., Тулова С.А., 2002] "Тренажеры для обучения разработке систем автоматизации, реализованные в WWW" // proceedings IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies, Kazan – 2002, pp. 288-292.
[URL 1] http://logos.cyber.mephi.ru/new/ - танковые тренажеры – симуляторы "Т-72", "Т-90С", "ВМР-3".
[URL 2] http://pkbct.css-mps.ru/ - "Тренажер машиниста".
[URL 3] http://www.traintech.ru/ru/train/refru.html - тренажерные технологии на железнодорожном транспорте.
[URL 4] http://www.scatt.ru/runner.asp - стрелковый тренажер "СКАТТ – Runner".
[URL 5] http://www.aeron.ru/inetsite/index.htm - тренажер "Профи-200" для диспетчеров аэропортов, входящий в модуль профподготовки для поддержания квалификации диспетчеров ОВД.
[URL 9] http://www.ntutc.ru/ - тренажеры судовых энергетических систем.
[URL 10] http://dtug.chat.ru/comp.htm - тренажерный комплекс "Алрус V–5.1" для водителей городского электротранспорта.
[URL 11] http://home.uic.tula.ru/~ga111149/naladka.htm - тренажер по наладке автоматических систем регулирования уровня воды, температуры пара и расхода топлива.
[URL 12] http://www.sbcinfo.ru/articles/8th_2000conf/6_28.htm - тренажер для обучения операторов установок каталитического риформинга бензинов.