|
Главная / Виртуальная реальность и Промышленный дизайн / Статьи / Технологии виртуальной реальности как мощное средство подготовки высокопрофессиональных кадров
Технологии виртуальной реальности как мощное средство подготовки высокопрофессиональных кадров
Tell me and I forget.
Show me and I may remember.
Involve me and I’ll understand.
Confucius, 450BC.
Специалисты, занимающиеся оценкой перспектив развития России на ближайшие 10-15 лет, единодушны во мнении, что страна неизбежно столкнется с целым рядом серьезных проблем, которые окажут серьезное влияние на целостность государства как такового.
Среди подобных проблем есть, по-нашему мнению, самая главная. Это проблема, связанная с уменьшением количества трудоспособного населения. По прогнозам, начиная с 2010 года, оно будет сокращаться с темпом 8-10% за каждое пятилетие. Для того, чтобы компенсировать потери в производительности труда, в зависимости от уменьшения количества работающих в различных отраслях народного хозяйства, ежегодно ее необходимо поднимать не менее, чем на 3-4%.
Сегодня, когда отчетливо прослеживается тенденция снижения рентабельных запасов полезных ископаемых, наличие высокопрофессионального трудоспособного населения является главным конкурентным фактором развитого общества в современном глобализованном мире. Даже при отсутствии собственных значимых природных минеральных запасов, общество, располагающее высококвалифицированным, умелым, знающим трудоспособным населением, сможет решить проблемы своего поступательного развития за счет большей инновационной восприимчивости, применения прогрессивных ресурсосберегающих технологий, за счет прорывных открытий в науке и технике и т. п.
В этой связи, проблема профессиональной подготовки высококачественных кадров для различных отраслей народного хозяйства приобретает особую значимость.
Занятия любой деятельностью требуют определенного уровня профессионального мастерства. Принято выделять три уровня квалифицированной деятельности, различающихся по производительности:
1.практический (рутинный) уровень
2.нормативный уровень
3.уровень, основанный на знаниях.
Поведение практического уровня характеризуется высокой сенсомоторной и когнитивной производительностью и осуществляется бессознательно, проявляясь в отработанных целостных шаблонных действиях. Гибкость и производительность практического поведения обусловлена богатым набором доведенных до автоматизма рутинных процедур, выбираемых в зависимости от конкретной ситуации.
На нормативном уровне выбору действия предшествует активизация в рабочей памяти определенной иерархии правил. Мысленно просмотрев эти правила, человек принимает волевое решение следовать одному или нескольким из них.
Поведение, основанное на знаниях, проявляется тогда, когда возникают совершенно новые, запутанные или сложные проблемы. В этом случае нет ни автоматического отображения стимулов в реакции, ни инструкций, ни каких бы то ни было других знаний, которыми можно было бы руководствоваться. На этом уровне может возникать необходимость в решении задач и принятии решений. Процесс принятия решения включает, во-первых, идентификацию и рассмотрение имеющихся альтернатив с точки зрения их привлекательности и осуществимости и, во-вторых, интеграцию всех этих предварительных рассуждений, чтобы выявить, какой способ действий лучше. При решении задач человек пытается определить текущее состояние системы, найти подходящее целевое состояние, а потом применить соответствующие операции и методы, чтобы перевести систему из текущего состояние в целевое.
Для привития того или иного уровня квалификации существуют различные методы передачи и контроля усвоения переданных знаний (закрепления стереотипа). Целью систематического обучения является обеспечение усвоения определенной совокупности навыков, умений и процедур (рис.1).
Рис. 1. Обучение плаванию экипажей английских военных кораблей (конец XIX века).
Задача обучающего – обеспечить соответствие усваиваемых материалов или навыков требованиям предстоящей работы, эффективность учебного процесса, а также добиться того, чтобы усвоенные при обучении стереотипы были успешно перенесены на условия реальной работы (рис.2).
Рис.2. Закрепление полученных теоретических инструкций на практике.
Требование передачи информации в нужной форме обычно сводится к выбору одного из трех широких классов методов подачи материала. Наиболее традиционный способ - рассказать обучаемому, что он должен делать, т. е. применить вербальные методы; либо показать ему, что нужно делать, с помощью демонстрации или направляющих указаний; либо позволить ему попрактиковаться в выполнении задания в специально созданных условиях.
За последние несколько лет опережающее развитие получили технологии виртуальной реальности (ВР), позволяющие создавать практически любую учебную обстановку, где обучаемый может всесторонне попрактиковаться. Сегодня эти технологии дают возможность моделировать с высокой адекватностью обучение человека в любой предметной области.
Мы предлагаем более подробно рассмотреть проблему технического обслуживания авиационной техники, как одного их самых актуальных примеров подготовки высокопрофессионального персонала.
Традиционно процесс обучения персонала техническому обслуживанию авиационных систем и агрегатов является трехступенчатым. Как правило, он начинается в классе с проведения лекции, в которой инструктор дает теоретический обзор и осуществляет вводный курс тренажа. Далее, лекционный материал фокусируется вокруг объяснения, из чего состоит данное оборудование и как его части функционируют и взаимодействуют друг с другом. На третьем этапе, обучаемые начинают работать на тренажере, который построен с использованием реального оборудования (рис.3).
Рис.3. Отработка учебного материала на реальном тренажере авиационного двигателя.
Эту методологию обучения никто не собирается отменять, но из этого не значит, что другие технологии не имеют права на жизнь. Очевидно, что реальная работа на реальном оборудовании является наиболее надежной формой привития обучаемому необходимого стереотипа деятельности. Но также очевидны и проблемы, которые тянет за собой использование такого подхода.
Одна из них заключается в том, что использование в обучающих тренажерах реального оборудования или их точных функциональных макетов является очень дорогим удовольствием. Например, тренажер по обслуживанию авиационного двигателя стоит несколько миллионов долларов. Поэтому их не может быть много. Зато может быть много обучаемых. Если при работе на тренажере создается группа из более чем 10 человек, то начинают возникать задержки при доступе к оборудованию, или ограничивается время непрерывной работы обучаемого при освоении какой-либо технической операции и т. п.
Если в качестве тренажера используется реально действующий агрегат, то возникают ресурсные проблемы. Например, нормированным является количество включений-выключений агрегата. Или монтаж-демонтаж гидроразъема должен происходить один раз в год при регламентных работах, а в процессе тренировки это делается многократно для приобретения и закрепления необходимых навыков. Проблемой (финансовой) является и поддержание такого тренажера в работоспособном состоянии, поскольку необходимо заменять вышедшие из строя узлы и системы, практически, как и на реальном оборудовании летательного аппарата.
Одной из типичных задач обучения персонала, обслуживающего авиационную технику, является задача обнаружения и устранения различных неисправностей. Если имитацию отказа электрических цепей еще как-то можно удобно реализовать, то уже имитация отказов гидросистем является серьезной проблемой.
Развитие авиационной техники идет в направлении дальнейшего усложнения летательного аппарата в целом. Перед традиционными методами подготовки персонала встают практически неразрешимые проблемы повышения качества подготовки при одновременном снижении ее стоимости. С такими проблемами, по нашему мнению, можно успешно справиться, широко внедряя современные технологии ВР в дополнение к традиционным методам обучения.
Виртуальные тренажеры, в частности, по обслуживанию авиационной техники представляют собой виртуальное воссоздание оборудования и его функций - это то, что позволяет персоналу изучать процедуры обслуживания, управление оборудованием, задачи по обслуживанию, а также диагностику и устранение неисправностей.
Несмотря на то, что сегодняшние виртуальные тренажеры в основном используют технологии двухмерной графики (электронные чертежи, изображения, видео) ощущается сильная тенденция к использованию максимально реалистичного и интуитивного понятного виртуального трехмерного макетирования оборудования. Это позволяет персоналу видеть все компоненты оборудования в трехмерном виде, часто с применением стерео изображения, одновременно наблюдая внутреннее устройство систем и реализацию процессов его функционирования, выполняя при этом все необходимые ручные манипуляции. Такого рода тренажеры :
- дают возможность студентам возможность черпать опыт из совершенных ими ошибок без опасности для их жизни;
- позволяют тренироваться без дополнительных расходов, связанных с использованием реального оборудования;
- повышают эффективность тренажа за счет снижения времени тренировки;
- обеспечивают получение большего объема тренажа, чем тот, который приобретается за пределами классной комнаты;
- обеспечивают более качественный и стандартизованный доступ к тренажу.
Трехмерная графика позволяет обучающимся погрузиться в среду обучения, ускорить понимание сложного оборудования и проблем его обслуживания, одновременно усиливая накопление знаний. Обучаемые имеют возможность полноценно исследовать трехмерное виртуальное пространство, оценивая любую часть оборудования под различными углами, проводить сечения для лучшего понимания внутреннего устройства и взаимодействия между частями оборудования. Обучаемые могут наблюдать интерактивную трехмерную анимацию, которая иллюстрирует процедуры обслуживания и ремонта оборудования снова и снова, вплоть до тех пор, пока не будет достигнут необходимый уровень знания.
Как уже говорилось выше, виртуальные тренажеры по обслуживанию являются программными копиями оборудования, с которым необходимо научиться работать. Повсеместно используемая на Западе концепция “e-learning” является результатом действия Болонской инициативы, к которой планирует присоединиться и Россия. Эта концепция позволяет любому человеку, находящемуся в любом месте, оборудованном доступом в Интернет, получать доступ к любому учебному предмету, по которому он хочет повысить свою квалификацию.
Такая инициатива одновременно позволяет решать как вопрос с переподготовкой имеющихся трудовых ресурсов, так и с повышением эффективности и качества учебного процесса. Одной из проблем системы “e-learning” является проблема нехватки учебных курсов. В данном случае, технологии виртуальной реальности являются идеальным инструментом создания учебных курсов по различным областям подготовки персонала, в том числе и по работе со сложными техническими системами. Используемые сегодня виртуальные тренажеры являются образцами готового контента, пригодного для распространения в системе “e-learning”, а программные средства разработки тренажерного контента – идеальным инструментов для создания учебных курсов для “e-learning”.
Практика применения виртуальных тренажеров позволяет заявлять об их высокой экономической эффективности. Кроме того, что имеется экономия от отказа использования реального оборудования, также отмечено повышение качества усвоения знаний и сокращение (в разы) времени обучения. Также отмечается, что применение виртуальных тренажеров становится рентабельным, если они начинаю моделировать реальное оборудование стоимостью 70 тыс. долларов и выше. Организации могут рассчитывать на возврат средств, затраченных на применение виртуальных тренажеров в размере от 49% до 212%.
Наша компания уже много лет имеет дело с технологиями ВР. За это время буквально на глазах произошло заметное снижение стоимости оборудования, которое предназначено для создания виртуальных тренажеров при одновременном повышении его технологических возможностей. На сегодняшний день наибольшей статьей расходов при создании виртуальных тренажеров является стоимость программного обеспечения для разработки учебных курсов и, собственно, стоимость разработки указанных курсов. Справедливости ради надо отметить, что и программное обеспечение за это время приобрело новый функционал, позволяющий воспроизвести практически любую область человеческой деятельности в виде конкретных приложений, реализуемых в виртуальных тренажерах.
Сильнейшей стороной виртуальных тренажеров является то, что они позволяют обеспечить «погружение» (иммерсию) обучаемого в учебный процесс с одновременной интерактивной реакцией на его ошибки. Исследования, проведенные в целях оценки эффективности учебного процесса, показывают, что чем меньше запаздывание реакции на неверное действие обучаемого, тем с большим эффектом происходит усвоение материала. Этому также способствуют и контекстные подсказки со стороны виртуального тренажера, учитывающие особенности деятельности обучаемого. Такого не позволяют сделать тренажеры, базирующиеся на использовании реального оборудования, поскольку не имеют достаточных технических и программных средств для решения подобной задачи.
Для обеспечения иммерсии обучаемого в учебный процесс необходимо применять системы нашлемного отображения информации, позволяющие обучаемому оказаться внутри виртуальной сцены. Чтобы увидеть себя активным участником процесса обучения ему необходимо предоставить возможность манипулирования в виртуальном пространстве различными объектами виртуальной сцены (инструментом, системами и агрегатами летательного аппарата и т. п.). Такая функция обеспечивается использованием цифровых перчаток, визуализирующих тонкие движения пальцев рук. Для координированного перемещения в виртуальном пространстве требуется использовать датчики пространственного положения обучаемого. Все это, в совокупности с точными трехмерными виртуальными моделями систем и агрегатов, позволяет обучаемому оказаться внутри сцены и приступить к процессу обучения со всеми преимуществами, которые обеспечивают виртуальные тренажеры (рис.4).
Рис.4. Пример виртуального тренажера, оснащенного средствами погружения оператора в виртуальную среду.
Вплоть до последнего времени применение трехмерных технологий визуализации ограничивалось такими сложными приложениями, как авиационные тренажеры. Это происходило вследствие ограниченных возможностей традиционной трехмерной графики, для которой требовались продвинутые программисты, которые должны были разрабатывать контент и дорогостоящее графическое компьютерное оборудование, обеспечивающее запуск приложений в реальном времени. В последнее время были внедрены новые компьютерные технологии, которые позволили преодолеть указанные выше барьеры и обеспечившие применение трехмерных интерактивных приложений на обычных компьютерах, лэптопах и даже на наладонниках. Одновременно с этим были разработаны современные средства разработки контента, позволившие пользователям-непрограммистам (специалистам по узким вопросам) создавать передовые интерактивные трехмерные приложения для обучения.
Интерактивные трехмерные виртуальные тренажеры по обслуживанию техники могут использоваться на всех фазах процесса обучения. Виртуальное оборудование может применяться для усиления лекционного процесса в аудитории. Используются ли РР-презентации, которые дог сих пор остаются самым распространенным инструментом для обучения, или непосредственно технологии ВР, виртуальное оборудование предоставляет преподавателю мощный дидактический инструмент, позволяющий качественно объяснить обучаемому сложную тему. Появление в последнее время нового оборудования, например, для отображения информации, позволяет использовать для обеспечения высокого качества обучения так называемой «улучшенной реальности» (augmented reality). (рис.5). По сути, это комбинация реального оборудования с его виртуальным представлением, позволяющим воплотить в современных учебных технологиях все лучшее, что наработано специалистами в области профессионального обучения. Обучаемый, использующий нашлемную систему отображения информации с высоким разрешением ( 4000 х 4000 пикселей) с полем зрения, практически повторяющим человеческое, видит реальное оборудование, которое фиксируется видеокамерами, установленными на шлеме. Программное обеспечение совмещает виртуальный образ рассматриваемого оборудования с реальным, как бы снимая с последнего своеобразные «слои». При этом есть возможность видеть процесс функционирования того или иного агрегата, последовательности сигналов управления и результатов их воздействия на системы и агрегаты. Система позволяет выводить в поле зрения любую контекстную информацию, тем самым, поддерживая заданный темп обучения, а также сообщать об ошибках, которые необходимо исправить.
Рис.5. Пример современного виртуального тренажера с использованием технологий «улучшенной реальности».
Обучаемые обычно имеют ограниченное время для работы на реальном тренажере и вынуждены часто с кем-то разделять время тренажа на уникальном оборудовании. Трехмерные виртуальные тренажеры дают возможность обучаемым изучать объект в своем собственном темпе, наблюдать и отрабатывать процедуры повторно до тех пор, пока знания не будут закреплены. Такие виртуальные тренажеры могут успешно дополнять физические тренажеры, что позволит обучаемым предварительно подготовиться к работе на физическом тренажере, ожидая своей очереди работы на физическом тренажере.
Естественно, время непосредственной работы на физическом тренажере является существенной частью тренировки и не может быть заменено виртуальными процедурами, особенно если речь идет о сертификации обучаемого. Тем не менее, поскольку практически всегда обучаемых больше, чем физического оборудования (часто более 20-ти на одну машину), виртуальное оборудование может быть использовано для предоставления студентам возможности попрактиковаться хоть на чем-то, пока они ожидают своей очереди работы на реальном оборудовании.
Одно из главных преимуществ виртуальных тренажеров заключается в многократном использовании разнообразного учебного контента на типовом компьютерном оборудовании. Обучаемый может поработать с учебным курсом дома, на персональном компьютере перед посещением учебного класса. Учебная программа может быть использована непосредственно на рабочем месте, где идет ремонт и обслуживание реального оборудования для подсказки последовательности операций. В конце-концов, виртуальный тренажер может быть использован для серьезного улучшения качества электронной технической документации в качестве интерактивной информации.
Приведенные в данной статье рассуждения, основываются на анализе ситуации, которая складывается сегодня на рынке современных средств обучения, почерпнутой из зарубежной информации, а также на некотором опыте нашей компании. Было бы наивно полагать, что решение проблемы эффективной подготовки трудоспособного населения исчерпываются только лишь затронутыми вопросами. Однако, очевидно, что без применения самых современных на сегодня технических и программных средств, которые имеются на рынке, без ускорения процессов их разработки и изготовления в нашей стране, проблему повышения инновационной конкуренции России вряд ли удастся решить в принципе.
|
схема проезда
карта сайта
контакты
Статьи
|
