CC BY
98
Граб И.Д. , Затылкин А.В., Алмаметов В.Б., Юрков Н.К. АДАПТАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБУЧЕНИЯ К ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ ОБУЧАЕМОГО В ИКОС
Повышение эффективности информационных технологий обучения связано с развитием и применением методов и средств построения информационно-образовательных систем на основе адаптивных алгоритмов управления обучением и контроля уровня подготовки. Подобные алгоритмы используют принцип обратной связи и их возможности определяются составом параметров доступных для измерения во время обучения и контроля. Традиционно обратная связь строится по результатам анализа ответов обучающегося и не учитывает его психофизическое состояние в реальном масштабе времени. Целью данной работы является повышение эффективности интеллектуальной компьютерной обучающей системы (ИКОС) за счет введения в архитектуру дополнительной ветви обратной связи на основе оценки психофизического состояния (ПФС) обучаемого.
Известно, что в течение учебного периода центральная нервная система (ЦНС) обучаемого испытывает чрезвычайно большую нагрузку. Помимо учебной нагрузки сказывается также экологическое влияние окружающей среды и социально-бытовые проблемы, проблемы межличностных отношений в быту и в учебной группе, постоянный дефицит времени. Совокупность этих факторов воздействия на ЦНС обучаемого, многие из которых можно определить как стрессовые, дает основание классифицировать структуру его деятельности в учебный период как деятельность человека-оператора [1].
С точки зрения психологии профессиональной деятельности обучаемому необходимо в условиях постоянного лимита времени воспринимать и обрабатывать большой объем информации, анализировать изменение ситуации, принимать конструктивные решения и предпринимать действия направленные на эффективное их исполнение. Совершенно очевидно, что такой род деятельности предъявляет чрезвычайно высокие требования к психофизическому состоянию. Именно высокий уровень функционального состояния психофизической сферы обеспечивает обучаемому возможность в конкретный отрезок времени качественно реализовать имеющийся в наличии собственный психомоторный и интеллектуальный потенциал, что в конечном итоге определяет эффективность его учебной, а в дальнейшем и профессиональной деятельности.
Важнейшим фактором обеспечения высокого качества профессиональной подготовки выпускников вузов является активная учебно-трудовая и познавательная деятельность студентов. Эта деятельность представляет собой сложный процесс в условиях объективно существующих противоречий, к которым относятся:
противоречия между большим объемом учебной и научной информации, и, дефицитом времени на ее освоение;
между объективно текущим постепенным, многолетним процессом становления социальной зрелости будущего специалиста и желанием как можно быстрее самоутвердиться и проявить себя;
Между стремлением к самостоятельности в отборе знаний с учетом личных интересов и жесткими рамками учебного плана и учебных программ
Эти противоречия создают высокое нервно-эмоциональное напряжение, которое отрицательно отражается на здоровье и физическом состоянии студентов.
Однако, многие факторы, сопутствующие умственной деятельности студентов, снижают эффективность кровообращения в головном мозге, ухудшают его кровоснабжение. К ним относятся: длительное пребывание в положении сидя за столом, нервно-психическое напряжение, отрицательные эмоции, напряженная работа в условиях дефицита времени, высокая ответственность за результаты усвоения знаний и др.
Длительная напряженная умственная работа снижает также возможности организма к ее качественному продолжению, наступает утомление, как нормальная реакция организма и как итог такого процесса
- снижение успеваемости. Утомление может вызвать состояние усталости, которое появляется перед наступлением утомления и является субъективным чувством человека. Усталость нарастает при непонимании значения выполняемой работы, неудовлетворенности ее результатами. Наоборот, усиление интереса, успешное завершение работы снижает чувство усталости. Утомление не всегда обнаруживается в одновременном ослаблении всех сторон деятельности. Снижение работоспособности в одном виде учебного труда может сопровождаться сохранением его эффективности в другом виде. Так, например, устав производить вычислительные операции, можно успешно заниматься чтением. Такое утомление, частичного характера, свойственно определенным видам умственного труда и является обратимым процессом. Утомление снимается своевременным эффективным отдыхом.
При систематическом перенапряжении нервной системы возникает переутомление, для которого характерны чувство усталости до начала работы, отсутствие интереса к ней, апатия, повышенная раздражительность, снижение аппетита, головокружение и головная боль.
Объективными признаками переутомления являются: снижение веса тела, диспепсические расстрой-
ства, повышение сухожильных рефлексов, лабильность частоты сердцебиения и артериального давления, потливость, выраженный дермографизм, снижение сопротивляемости организма инфекциям, заболеваниям и т.п. Оценка степеней переутомления представлена в таблице 1.
Таблица 1. Краткая характеристика степеней переутомления (по К.К.Платонову)
Симптом Степень переутомления
1 - начинаюшееся II - легкое III - выраженное IV- тяжелое
Снижение работоспособности Малое Заметное Выраженное Резкое
Появление ранее отсутствовавшей усталости при умственной нагрузке При усиленной нагрузке При обычной нагрузке При облегченной нагрузке Без видимой нагрузки
Компенсация понижения работоспособности волевым путем Не требуется Полностью Не полностью Незначительно
Эмоциональные сдвиги Временное снижение интереса к работе Временами неустойчивость настроения Раздражительность Угнетение, резкая раздражительность
Расстройства сна Трудно засыпать и просыпаться Труднее засыпать, просыпаться Сонливость днем Бессонница
Снижение умственной работоспособности Нет Трудно сосредоточиться Временами забывчивость Заметное ослабление внимания и памяти
Вегетативные сдвиги Временами тяжесть в голове Часто тяжесть в голове Временами головные боли, снижение аппетита Частые головные боли, потеря аппетита
Профилактические мероприятия Упорядочение отдыха, физическая культура, культурные развлечения Отдых, физическая культура Организованный отдых, предоставление отпуска Лечение
Таким образом, умственная деятельность, связанная с психическими напряжениями, предъявляет высокие требования к организму и при определенных неблагоприятных условиях может быть причиной серьезных заболеваний.
Основной проблемой при создании адаптивных обучающих систем является сложность в построении такой программной среды, которая могла бы «понять» человека. Поэтому большинство разработок в данной области строятся на создании моделей обучаемых с последующим описанием и построением всевозможных гипотез (работы В.П. Беспалько, А.Г. Гейна, Б.С. Гершунского, В.П. Зинченко, М.П. Лапчика, А.В. Осина, С.В. Панюко-вой, И.В. Роберт, Э.Г. Скибицкого, О.К. Тихомирова, и др.) . Моделям присваивается определенный набор характеристик, которые в последствии влияют непосредственно на построение самой обучающей системы. Известно достаточно большое количество существующих моделей обучаемого -нормативная, предметная, тематическая, функциональная, процедурная, операционная, семантическая модели обучаемого. Однако, представленные модели слабо учитывают психофизиологические особенности и характеристики обучаемого при формировании структуры образовательных ресурсов и их содержания, что снижает эффективность применения обучающей системы.
С этой точки зрения, модель обучаемого и, соответственно, реализуемая на базе применения технологий адаптации структура интеллектуальной компьютерной обучающей системы (ИКОС), должны учитывать:
модальность обучаемого - специфический индивидуальный способ получения информации и взаимодействия с ней. Выделяют такие модальные типы, как кинестетик, аудиал и визуал. Ведущая модальность - предпочтение субъектом одного из информационных каналов (зрительного, звукового или тактильного) ;
тип его темперамента;
текущее психоэмоциональное состояние обучаемого.
Таким образом, модель обучаемого имеет вид М = {R, E, S, T, P},
где R - тип репрезентативной системы обучаемого;
E - вариант оформления интеллектуального интерфейса пользо-вателя;
S - вид средства обучения, соответствующего этапу,
T - темперамент,
P - текущее психофизиологическое состояние. Тип репрезентативной системы:
R = {Audial, Vizual, Digital}; где Audial - аудиальная;
Vizual - визуальная;
Digital -дискретная.
Эргономические параметры:
E = {С1, С2, С3},
где С1-С3 - варианты оформления интеллектуального интерфейса пользователя ИКОС.
Вид средства обучения:
S = {MM, FT, PT},
где MM - аудиовизуальные средства (мультимедиа);
FT - функциональный тренажер;
PT - процедурный тренажер.
Тип темперамента:
T = {h, f, s, m} где h, - холерик, f, - флегматик, s, - сангвиник,
m - меланхолик.
Уровень психофизиологического состояния (ПФС):
P = ^1, p2, p3} где p1 - хорошее ПФС,
p2 - ПФС среднее, нуждается в коррекции, p3 - ПФС плохое, необходимо завершить обучение.
Обычно выделяются три типа методов, с помощью которых можно определить функциональное (психофизиологическое) состояние обучаемого: физиологические, психометрические и субъективные.
Физиологические исследовательские приемы имеют возможность объективно, за счет измерения определенных показателей, описать наблюдаемые явления и получить качественную оценку сдвигов любой биологической системы. Динамика физиологических показателей отображает не только общие сдвиги активности организма, а и изменения нагрузки отдельных функциональных подсистем. К наиболее информативным показателям динамики функциональных состояний относят различные параметры деятельности сердечнососудистой и дыхательной систем: частоту сердечных сокращений,
сердечный ритм и его изменения, величину артериального давления, состояния разных отделов сосудистого русла, частоту и глубину дыхания и т.п.
Вторым методом изучения динамики функциональных состояний является регистрация кожногальванического рефлекса, который используется как один из критериев оценки уровня активности. Применение этого показателя связано с задачей определения функционального состояния с учетом эмоционального состояния.
К субъективным методам оценки ПФС относятся рейтинговые оценки, полученные по результатам выполнения нескольких задач.
В качестве реальных инструментов, определяющих психо-эмоциональное состояние можно выделить две большие группы:
Тесты и тестирующие программы.
Специальные аппараты или системы.
Среди тестов можно в первую очередь выделить тесты Леонгарда, Айзека, Люшера, методику Горской и целый ряд других. Интерес представляет тест Люшера, как один из основных тестов, дающий достаточно глубокую и обширную, свободную от сознательного контроля испытуемого характеристику его внутренних диспозиций за весьма короткое время.
В психофизиологии накоплен достаточно богатый опыт изучения и разработаны различные методы и методики конкретного диагностирования или выявления психофизиологических состояний человека. Каждая из методик реализует определенный исследовательский методологический принцип психодиагностики, имеет свой алгоритм получения результата и, следовательно, может быть воплощена в компьютерную технологию оперативного диагностирования индекса ПФС (ИПФС) субъекта.
Среди специальных аппаратно программных систем оценки ПФС наиболее эффективными для использования в обучающей системе являются:
- bioMouse - данное устройство относится к компьютерной периферии и является компьютерной мышью совмещающей возможности манипулятора и прибора для индивидуального контроля функциональных возможностей пользователя. Применяемая методика определения функционального состояния
организма основана на применении математического анализа параметров ритма сердца.
Комплекс позволяет выявлять и оценивать:
• психосоматические и психотерапевтические проблемы человека
• актуальное психическое состояние и особенности личности
• аномалии характера
• умственную работоспособность
• состояние центральной нервной системы
• функциональные возможности центральной регуляции сердечно-сосудистой системы и периферического кровообращения
• уровень нервно-психического напряжения и состояние стресса человека.
- Видео-компьютерная система предназначена для объективной, оперативной и бесконтактной психодиагностики в задачах определения психофизического состояния человека. Одним из основных потоков информации которые можно считать с человека посредством видеокамеры является информация о его глазах. Информация о глазах, совместно с информацией о положении головы, позволяет получить информацию о том, куда смотрит человек, а информация о частоте и скорости морганий позволяет сделать вывод о состоянии человека. На сегодняшний день широка распространена технология оценки психофизического состояния на основе виброизображения [5]. Виброизображение
- это изображение, получаемое при обработке видеосигнала и отражающее параметры вибрации и
перемещения объекта. Частотная составляющая виброизображения информативно характеризует психофизиологическое состояние человека, так как она практически не зависит от статического изображения и определяется динамикой движения человека или психомоторикой. Проведенные исследования виброизображения человека объединяют различные направления науки и включают в себя медико-биологические знания, психологию, электронику и биометрию. Технически виброизображение человека представляет собой наложенные друг на друга два процесса вибрации или перемещения в относительной и абсолютной системах координат. Первая составляющая определяется микроперемещением точек тела человека друг относительно друга. Вторая составляющая связана с макроперемещением тела человека, прежде всего головы. В основе каждой технической составляющей виброизображения лежат свои психосоматические механизмы, что делает получаемое виброизображение человека уникально информативным для характеристики психофизиологического состояния.
- на основе анализа клавиатурного подчерка. Известно, что клавиатурный почерк человека изменяется при изменении его психофизиологического состояния и основывается на особенностях подсознательных движений при какой-либо деятельности.
На рисунке 1 представлена Структурная модель интеллектуальной системы управления ИКОС.
Рисунок 1. Структурная модель интеллектуальной системы управления ИКОС.
Основная идея функционирования ИКОС с использованием предлагаемой методики построения модели обучаемого основана на предварительной оценке психофизиологических характеристик обучаемого и формировании, с учетом этой информации образовательного контента. При формировании содержания обучения учитывается интеллектуальный уровень обучаемого, а также уровень и качество ранее приобретенных знаний.
Информация о текущем ПФС обучаемого непрерывно отслеживается ИКОС посредством датчиков и анализируется в блоке интегральной оценки ПФС (БИОПФС), при этом системе управления процессом обучения осуществляется непрерывная коррекция основных параметров обучающей системы, что поз-
ис-
волит получить максимальную отдачу от пользования учебного времени.
Наличие дополнительного контура обратной связи существенно повышает гибкость и эффективность интеллектуальной компьютерной обучающей системы. При этом осуществляется автоматическая подстройка основных параметров ИКОС под ПФС обучаемого. Появляется возможность автоматически регулировать скорость подачи материала и его сложность, а также определять моменты перехода от выдачи материала к оперативному контрольному опросу. В режиме контроля знаний, интерактивного выполнения лабораторных работ и проведения практических занятий достаточно объективно может быть установлен режим общения обучаемого с системой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жбанков О.В., Толстой Е.В. - Технология контроля психофизического состояния студентов и управления им. lib.sportedu.ru/press/tpfk/19 97N8/p4 0-4 3.htm
2. Электрокожное сопротивление как показатель психофизического состояния человека. www.skgr.narod.ru
3. http://upravlaysoboi.info/?p=652
4. www.elsys.ru
5. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. - М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 2003.- 616 с.
6. Юрков Н. К. Мышинный интеллект и обучение человека: монография - Пенза: Информационно-
издательский центр ПензГУ, 2008. - 226 с.
