Юрков Н.К. Интеллектуальные компьютерные обучающие системы

Подождите немного. Документ загружается.

271

Окончание табл. 11

Симптом

Степень переутомления

I – начинаю-

щееся

II – легкое

III – выра-

женное

IV – тяжелое

Расстройства

сна

Трудно

засыпать

и просыпаться

Труднее

засыпать,

просыпаться

Сонливость

днем

Бессонница

Снижение

умственной

работоспо-

собности

Нет

Трудно

сосредото-

читься

Временами

забывчивость

Заметное

ослабление

внимания

и памяти

Вегетативные

сдвиги

Временами

тяжесть

в голове

Часто

тяжесть

в голове

Временами

головные

боли, сниже-

ние аппетита

Частые

головные

боли, потеря

аппетита

Профилактиче-

ские

мероприятия

Упорядочение

отдыха,

физическая

культура,

культурные

развлечения

Отдых,

физическая

культура

Организован-

ный отдых,

предоставле-

ние отпуска

Лечение

Таким образом, умственная деятельность, связанная с психи-

ческими напряжениями, предъявляет высокие требования к орга-

низму и при определенных неблагоприятных условиях может быть

причиной серьезных заболеваний.

Основной проблемой при создании адаптивных обучающих

систем является сложность в построении такой программной сре-

ды, которая могла бы «понять» человека. Поэтому большинство

разработок в данной области строятся на создании моделей обу-

чаемых 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. Панюковой,

И. В. Роберт, Э. Г. Скибицкого, О. К. Тихомирова и др.). Моделям

присваивается определенный набор характеристик, которые впо-

следствии влияют непосредственно на построение самой обучаю-

щей системы. Известно достаточно большое количество сущест-

вующих моделей обучаемого – нормативная, предметная, темати-

ческая, функциональная, процедурная, операционная, семантиче-

ская. Однако представленные модели слабо учитывают психофи-

зиологические особенности и характеристики обучаемого и, как

правило, не используются при формировании структуры образова-

272

тельных 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 индивидуаль-

ный способ получения информации и взаимодействия с ней. Вы-

деляют такие модальные типы, как кинестетик, аудиал и визуал.

Ведущая модальность – предпочтение субъектом одного из ин-

формационных каналов (зрительного, звукового или тактильного);

 тип его темперамента;

 текущее психоэмоциональное состояние обучаемого.

Особый интерес представляет определение текущего психо-

эмоционального состояния обучаемого. В качестве реальных инст-

рументов, определяющих психоэмоциональное состояние, можно

выделить две большие группы:

 тесты и тестирующие программы;

 специальные аппараты или системы.

Среди тестов можно в первую очередь выделить тесты Леон-

гарда, Айзека, Люшера, методику Горской и целый ряд других.

Интерес представляет тест Люшера как один из прожективных

тестов, дающий достаточно глубокую и обширную, свободную от

сознательного контроля испытуемого характеристику его внутрен-

них диспозиций за весьма короткое время.

В психофизиологии накоплен достаточно богатый опыт изу-

чения и разработаны различные методы и методики конкретного

диагностирования или выявления интеллектуально-психофизиоло-

гических состояний человека. Каждая из методик реализует опре-

деленный исследовательский методологический принцип психо-

диагностики, имеет свой алгоритм получения результата и, следо-

вательно, 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 воз-

273

можности манипулятора и прибора для индивидуального контроля

функциональных возможностей пользователя. Применяемая мето-

дика определения функционального состояния организма основана

на применении математического анализа параметров ритма сердца;

 видеокомпьютерная система предназначена для объектив-

ной, оперативной и бесконтактной психодиагностики в задачах

определения психофизического состояния человека. Одним из ос-

новных потоков информации, которую можно считать с человека

посредством видеокамеры, является информация о его глазах. Ин-

формация 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 вы-

вод о состоянии человека. На сегодняшний день широка распро-

странена технология оценки психофизического состояния на осно-

ве виброизображения [5]. Виброизображение – это изображение,

получаемое при обработке видеосигнала и отражающее параметры

вибрации и перемещения объекта. Частотная составляющая виб-

роизображения информативно характеризует психофизиологиче-

ское состояние человека, так как она практически не зависит от

статического изображения и определяется динамикой движения

человека или психомоторикой. Проведенные исследования виб-

роизображения человека объединяют различные направления нау-

ки и включают в себя медико-биологические знания, психологию,

электронику и биометрию. Технически виброизображение челове-

ка представляет собой наложенные друг на друга два процесса

вибрации или перемещения в относительной и абсолютной систе-

мах координат. Первая составляющая определяется микропереме-

щением точек тела человека друг относительно друга. Вторая со-

ставляющая связана с макроперемещением тела человека, прежде

всего головы. В основе каждой технической составляющей виб-

роизображения лежат свои психосоматические механизмы, что де-

лает получаемое виброизображение человека уникально информа-

тивным для характеристики психофизиологического состояния;

 на основе анализа клавиатурного почерка. Известно, что

клавиатурный почерк человека изменяется при изменении его пси-

хофизиологического состояния и основывается на особенностях

подсознательных движений при какой-либо деятельности.

На рис. 70 представлена структурная схема ИКОС с адапта-

цией под психофизическое состояние обучаемого.

274

Контроль

МО

Интерфейс

пользователя

БИОПФС

Обучаемый

Система управления процессом обучения

МПО

Система

датчиков

ИКОС

Рис. 70. Структурная схема ИКОС с адаптацией

под психофизическое состояние обучаемого

Основная идея функционирования ИКОС с использованием

предлагаемой методики построения модели обучаемого основана

на предварительной оценке психофизиологических характеристик

обучаемого и формировании с учетом этой информации образова-

тельного контента. При формировании содержания обучения учи-

тывается интеллектуальный уровень обучаемого, а также уровень

и качество ранее приобретенных знаний.

Информация о текущем ПФС обучаемого непрерывно отсле-

живается ИКОС посредством датчиков и анализируется в блоке ин-

тегральной оценки ПФС (БИОПФС), при этом в системе управле-

ния процессом обучения осуществляется непрерывная коррекция

основных параметров обучающей системы, что позволит получить

максимальную отдачу от использования учебного времени.

275

Наличие дополнительного контура обратной связи сущест-

венно повышает гибкость и эффективность интеллектуальной

компьютерной обучающей системы. При этом осуществляется ав-

томатическая 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 контроль-

ному опросу. В режиме контроля знаний, интерактивного выпол-

нения лабораторных работ и проведения практических занятий

достаточно объективно может быть установлен режим общения

обучаемого с системой.

7.2. Определение электрокожного сопротивления

Важным моментом в оценке функционального состояния

обучаемого является уровень его нейропсихического (эмоцио-

нального) напряжения. Известно два типа разбалансирования ре-

гуляторной функции в этой сфере – гипермобилизация (чрезмер-

ное возбуждение) и развитие тормозных процессов (охранительное

торможение). Для обоих случаев характерны специфические про-

явления нарушения способности произвольного переключения от

состояния релаксации к активации (концентрации на предстоящем

действии), и наоборот [1, 2]. Поскольку такая картина отражает

объективные процессы, происходящие в организме, оба случая

можно определить как полярные проявления психофизического

состояния (ПФС).

Многие исследователи отмечают, что слежение за эмоцио-

нальным напряжением позволяет при определенных условиях

предсказывать возможное ухудшение работоспособности человека

до того, как это произошло [3]. При этом в качестве информатив-

ного показателя изменения ПФС человека-оператора используют-

ся вегетативные реакции – электрокожное сопротивление (ЭКС),

кожно-гальваническая реакция (КГР) [4]. Так, КГР широко исполь-

зуется для изучения вегетативной нервной системы, определения

особенностей психофизиологических реакций и исследования черт

личности.

В частности, А. А. Алдерсонс отмечает, что КГР «использу-

ется во всех случаях как индикатор – и притом весьма чувстви-

тельный – состояния активации человека» [5]. Однако проблема

количественного оценивания ПФС затруднена рядом технических

сложностей. Ведь при регистрации электрофизических парамет-

ров, характеризующих функциональное состояние биологического

276

объекта (в том числе ЭКС), сам объект и средство измерения нахо-

дятся в двустороннем взаимодействии. Степень и характер такого

взаимовлияния отражаются на погрешности измерения, что приво-

дит к снижению диагностической ценности измеряемого параметра.

Данная методика основана на таком известном факте, как

изменение ЭКС человека в состоянии релаксации и активации

психомоторных функций. Доказано, что в норме электрокожное

сопротивление человека в состоянии релаксации растет, а в со-

стоянии активации уменьшается.

Согласно теории генеза кожно-гальванической реакции сек-

реторная деятельность потовых желез тесно связана с активностью

нервной системы человека. Активация психомоторных функций

вызывает обильное выделение пота, и сопротивление кожи падает.

При обратном течении процесса пот поглощается, и сопротивле-

ние кожи растет. Причем первое состояние ЦНС принято называть

концентрацией, а второе – релаксацией [6].

Известны исследования, устанавливающие взаимосвязь спо-

собности человека к произвольному изменению уровня активности

центральной нервной системы (ЦНС) с готовностью к высокоре-

зультативной деятельности. Более того, на основе изучения осо-

бенностей изменения показателя ЭКС определены как взаимосвязь

этой динамики с успешностью деятельности, так и девять основ-

ных графических конфигураций этой динамики. При этом динами-

ка значений ЭКС, отмеченная у испытуемых при произвольном

переходе от релаксации к активации, классифицирована соответ-

ственно на девять вариантов, характеризующих различные состоя-

ния ЦНС [7] (табл. 12).

Таблица 12

Состояния ЦНС

(первая стрелка – релаксация, вторая – активация)

Графическая

конфигурация

Характеристика состояния

Состояние высокой «боевой» готовности

Некоторое преобладание возбуждения, способность

к релаксации ослаблена

Чрезмерное возбуждение, «предстартовая

лихорадка»

277

Окончание табл. 12

Графическая

конфигурация

Характеристика состояния

Начальная стадия охранительного торможения.

Заторможенность локомоций

Глубокая заторможенная апатия, нет динамики

процесса «релаксация-активация»

Крайняя степень возбуждения, на грани адаптации

возможны неадекватные реакции

Переутомление на грани срыва адаптации, вялость

Срыв адаптации, состояние болезни

Запредельное переутомление ЦНС, депрессия,

состояние болезни

Существует два принципиально разных метода контактного

измерения электрических параметров кожи: по Тарханову (реги-

страция электрических потенциалов кожи) и по Фере (регистра-

ция электрического сопротивления кожи) (рис. 71). Оба метода как

показатели состояния организма дают идентичные результаты,

только латентный период изменения сопротивления кожи несколь-

ко выше, чем при изменении потенциалов кожи. В табл. 13, 14

представлена сравнительная характеристика обоих методов.

Рис. 71. Принципиальные различия активного (Фере)

и пассивного (Тарханов) методов исследования

электрической активности кожи

Источник

напряжения

Усилитель разности

потенциалов

Усилитель

тока

Электроды

278

Таблица 13

Методы исследования электрической активности кожи

По Фере

По Тарханову

Активный (с внешним источником поля)

Пассивный

Наложение электродов непосредственно на кожу испытуемого

(контактные)

Экзосоматический

Эндосоматический

Измерение сопротивления

или электропроводимости

Измерение электрических

потенциалов кожи

Таблица 14

Качественные характеристики методов измерения КГР

Характеристики

Методы измерения КГР

Пассивный

(по Тарханову)

Активный (по Фере)

Возмущающее

воздействие на объект

исследования

Слабое

От слабого до сильного

Помехоустойчивость

Плохая

Хорошая

Информативность

Состояние поверхности

кожи, величина

электродного

потенциала, состояние

подкожной структуры

Состояние поверхности

кожи, состояние

подкожной структуры

Техническая реализация

Сложная (фильтрация,

обработка и выделение

полезного сигнала,

масштабирование,

преобразование)

Простая (формирование

измерительного сигнала

масштабирование,

преобразование)

К негативным сторонам метода Фере следует отнести и то,

что, пользуясь этим методом, регистрируют изменения двух видов

сопротивлений: сопротивление самой кожи и контактного сопро-

тивления электродов.

Недостатком методики оценки ПФС обучаемого является то

обстоятельство, что абсолютные значения ЭКС, фиксируемые в

контрольных точках, существенно различны у разных испытуемых

даже при принципиально одинаковой форме кривой. Это объясня-

ется различной силой нервных процессов, связанной как с индиви-

дуальными особенностями ЦНС, так и со стадией развития кон-

тролируемого процесса у испытуемого. Кроме того, абсолютные

значения ЭКС в принципе весьма индивидуальны, что делает не-

279

возможным сравнение этих показателей у разных испытуемых.

Поэтому очевидно, что качественной оценки способности к изме-

нению активности ЦНС совершенно недостаточно для успешного

контроля функционального состояния. Для ведения контроля за

силой и глубиной процесса, за его динамикой внутри одного каче-

ственного диапазона необходимо иметь возможность получения

интегральной количественной оценки.

В соответствии с методикой, предложенной Ф. Я. Верховским

и модернизированной О. В. Жбанковым, специалистами Московско-

го государственного технического университета им. Н. Э. Баумана

был разработан аппаратно-программный комплекс «Visual SGR»,

который позволяет объективно определять психофизическое со-

стояние человека на основе относительного изменения электро-

кожного сопротивления.

Согласно теории генеза кожно-гальванической реакции сек-

реторная деятельность потовых желез тесно связана с активностью

нервной системы человека. Активация психомоторных функций

вызывает обильное выделение пота, и сопротивление кожи падает.

При обратном течении процесса пот поглощается, и сопротивле-

ние кожи растет. Причем первое состояние ЦНС принято называть

концентрацией, а второе – релаксацией.

Анализ динамики электрокожного сопротивления привлека-

телен для исследования также и с практической стороны [8]:

 отсутствие влияния постоянного сопротивления элемента

«электрод-кожа» в измерительной цепочке. Система «электрод-

кожа» представляет собой комплексное сопротивление и значи-

тельно влияет на результаты конечных измерений. Для его умень-

шения необходимо использовать специальные электроды и смачи-

вание поверхности контакта электрода с кожей токопроводящим

раствором. При измерении относительного изменения сопротивле-

ния эта постоянная величина вычитается и не влияет на результа-

ты, поэтому нет необходимости использовать специальные средст-

ва измерения;

 некритичность к постоянной погрешности измерения,

обусловленной техническими характеристиками средства измере-

ния. Такие требования существенно снижают стоимость техниче-

ских средств, применяемых для измерения ЭКС;

 отсутствие влияния внешних факторов на показания изме-

рения, таких как температура окружающей среды, помехи от бы-

280

товых электрических приборов и т.д. Все постоянные помехи в ре-

зультате измерения самовычитаются;

 низкие требования к персоналу, принимающему участие в

процессе измерения. Нет необходимости в навыках нахождения

биологически активных точек. Электроды можно накладывать на

любые участки кожи пациента.

Изолируясь от абсолютных значений ЭКС и принимая за фи-

зиологическую норму рост сопротивления в фазе релаксации и

уменьшение сопротивления в фазе концентрации, можно строить

объективную картину психофизического состояния человека.

Тестирование проводят по специальной программе. После

наложения электродов на два различных пальца одной из рук

(обычно правой) и включения прибора проходит период установ-

ления переходных процессов и стабилизации показателя ЭКС

(1 мин). Затем следуют периоды релаксации (5 мин) и активации

(3 мин) с установкой для испытуемого на достижение состояний

максимального расслабления или мобилизации соответственно.

В процессе тестирования фиксируются три ключевых значения со-

противления:

 в конце первой минуты, по завершении переходных про-

цессов (R1);

 в конце шестой минуты, по завершении фазы релакса-

ции (R2);

 в конце девятой минуты, по завершении фазы актива-

ции (R3).

По окончании времени тестирования строится график, отра-

жающий качественную сторону процесса, а также количественная

оценка – индекс психофизического состояния (ИПФС).

Значение ИПФС рассчитывается условно по формуле

ИПФС = R3/R1 + R2/R1,

т.е. определяется в условных единицах.

Переход в относительную систему вычислений позволяет

решить три основные методические задачи, ограничивающие ши-

рокое применение технологии в педагогической практике:

1) «уход» от оперирования с индивидуальными абсолютны-

ми значениями ЭКС, находящимися в весьма широком диапазоне;

2) нейтрализацию влияния на точность измерений усилия

прижатия электродов и места их наложения;