Машина обучает и тренирует

Все аспекты взаимодействия человека и машины, которые мы рассматривали до сих пор, имеют одну общую черту: они относятся непосредственно к выполнению определенных функций в производстве, на транспорте, связи. Но, прежде чем занять место за пультом, будущий оператор должен пройти более или менее длительную профессиональную подготовку. А еще раньше - получить общее образование. Возникают вопросы: имеет ли место какое-либо взаимодействие человека и машины на этапе профессионального обучения и если имеет, то какую роль играет в этом партнерстве инженерная психология?

Каждый, вероятно, читал популярные статьи про обучающие машины. В наши дни такие машины довольно широко применяются в вузах и техникумах. Имеются обучающие устройства и в некоторых общеобразовательных школах. Существуют различные типы обучающих машин, но цель у них одна - помочь преподавателям передавать, а учащимся усваивать теоретические знания.

О тренажерах широкому читателю известно меньше. Разработка научной основы теории тренажеров составляет одну из важнейших задач инженерной психологии¹.

¹ (См.: Ломов Б. Ф. Человек и техника, с. 19.)

Тренажер - это машина для тренировки. Тренировкой называют целенаправленные и интенсивные упражнения, целью которых является выработка профессиональных (в том числе, конечно, и спортивных) навыков. Под тренировкой понимают также целенаправленное формирование некоторых свойств темперамента и характера: самообладания, выдержки, внимательности, бдительности, настойчивости, осторожности, дисциплинированности и т. п.

У большинства тренажеров есть свой прототип - та реальная производственная машина или группа машин, для работы на которых и формируется данный комплекс профессиональных навыков или личностных качеств.

Общая структурная схема тренажера представлена на рис. 18. Сопоставив ее с общей схемой СЧМ, представленной на рис. 5, мы обнаружим много одинаковых черт.

Рис. 18. Общая структурная схема тренажера

Как и у любой другой машины, которая функционирует в непосредственном взаимодействии с человеком, у тренажера имеются уже известные нам элементы: индикаторы, органы управления, каналы прямой и обратной связи. Помимо этого, обязательным элементом тренажера является специальная подсистема для последовательного автоматического предъявления тренирующемуся заранее запрограммированных учебных стимулов (сигналов). Такая подсистема обычно включает в себя три основных элемента: 1) индикаторы для предъявления сигналов; 2) блок памяти, содержащий всю предусмотренную программой стимульную информацию; 3) блок оценки реакций учащихся, регулирующий предъявление очередного стимула в зависимости от правильности реакций на предыдущий стимул.

Наличие в тренажере особой подсистемы отнюдь не означает, что он обязательно должен быть более сложным или громоздким, чем машина-прототип. Обычно имеет место обратное соотношение, так как многие элементы машины-прототипа отсутствуют в тренажере. Какие же именно? Прежде всего те, которые непосредственно не связаны с формируемым навыком. Так, например, нет никакой необходимости сохранять в автомобильном тренажере, смонтированном на базе грузовика, кузов, а также прикрепленные к осям скаты. Тренажер, применяемый для обучения работе на гидролокаторе, не обязательно должен включать в себя модель отсека подводной лодки, в котором обычно устанавливается этот прибор. Сокращение является эффективным способом уменьшения стоимости тренировочных устройств, особенно при моделировании дефицитного или дорогостоящего оборудования.

Уменьшает стоимость тренажера и техническая замена. Поскольку тренажеры используются в основном в менее сложных и трудных условиях по сравнению с обычной производственной деятельностью, то к ним предъявляются менее высокие требования в отношении мощности, скорости, длительности непрерывной работы и т. д. Скажем, зачем в тренажере, предназначенном для начального обучения экскаваторщиков, сохранять мощный и дорогостоящий дизельный двигатель, который требует много топлива и смазочных материалов? Ведь если при создании соответствующего тренажера установить менее мощный двигатель, то условия для тренировки от этого нисколько не ухудшатся.

Важную роль в конструировании тренажеров играет метод замещений. При использовании этого метода технические элементы машины-прототипа замещаются соответствующими изображениями или даже просто символами. Некоторое представление о символических замещениях читатель уже получил при знакомстве с аппаратурным тестом Г. Мюнстерберга. В наши дни, наряду со зрительными замещениями, широко используется также звуковая и вибрационная имитация.

Известно, например, что опытные мотористы (шоферы, трактористы, комбайнеры, машинисты дизельных установок) по характеру шума работающего двигателя могут определять не только режим его работы, но и причины возникающих в отдельных случаях неполадок. При этом, как показало исследование советского психолога Ю. А. Каликинского, во внимание принимаются различные параметры работающих шумов, служащие опознавательными признаками тех или иных неполадок:

1) категория звука (шум, стуки, "выстрелы", скрежет, визг и т. д.);

2) качество звука (сила, частотная характеристика, тембровая специфика);

3) ритм шума и характер его изменения (ровный ритм, колебания ритма, перебои, пульсация и ее темп);

4) локализация звуковых комплексов в двигателе (стук в верхней части блока, в средней части цилиндра, "выстрелы" в глушителе, в карбюраторе и т. д.);

5) условия отчетливого восприятия ненормальных звучаний (на малых, на больших оборотах, при нагрузке, на холостом ходу и т. д.).

Навык слухового контроля работы двигателя приобретается годами, причем усваивается он в значительной мере на уровне подсознания. Приведенная выше классификация опознавательных признаков может придать этому процессу более осознанный, а значит, и более интенсивный характер. Однако времени на обучение все равно потребовалось бы очень много, поскольку инструктор не всегда может вызвать по своему усмотрению те или иные признаки в работе двигателя. Эта проблема легко решается, если создать специальный тренажер, основу которого будет составлять магнитофон с записями шумов, необходимых для усвоения данного навыка.

Примером замещения зрительных стимулов может служить тренажер для формирования у паяльщиц навыка точного и быстрого попадания паяльником в заданную точку обрабатываемого узла, сконструированный психологами Пермского телефонного завода. В этом тренажере используется лист миллиметровой бумаги с нанесенными на нем маленькими кружочками, символизирующими точки обрабатываемого узла. К рабочей части паяльника прикрепляется короткий карандаш. В процессе тренировки автоматически регистрируются на бумаге количество и величина отклонений от кружочков.

Особенно большой эффект метод замещений дает при моделировании окружающей среды. Так, с помощью кинофильмов, теневой проекции, телевидения в авиационных, шоферских и других водительских тренажерах имитируются условия взлета или посадки самолета, дорожно-транспортная обстановка (рис. 19). При этом у тренирующегося часто возникает иллюзия реального движения, то есть он испытывает примерно такие же ощущения и эмоции, как и при управлении транспортным средством в обычных условиях.

Рис. 19. Схема пилотажного тренажера с телевизионной имитацией условий посадки

Вот как описываются в одной специальной работе упражнения на пилотажном тренажере. Перед началом упражнения инструктор подключает к тренажеру источник питания и, регулируя соответствующие потенциометры на своем пульте управления, устанавливает на индикаторах кабины полетный вес, показатели заправки топливом и другие исходные данные. Учащийся занимает место в кабине и, следуя указаниям инструктора, поворачивает соответствующие выключатели. Запускаются сперва первый, затем второй "двигатели", и установленные в кабине репродукторы сразу же воспроизводят их гул. Одновременно начинают изменяться показания тахометра, манометра масла и других контрольных приборов. Учащийся производит предполетные проверки органов управления, гидросистемы, радиооборудования и т. д., после чего запрашивает разрешение на выруливание. Как только он дает газ и убирает тормоза, к возросшему гулу двигателей добавляются удары колес на стыках бетонных плит рулежной дорожки. Во время выруливания на взлетно-посадочную полосу производится обычная предполетная проверка манометров, термометров и гидроприборов. Удерживая "самолет" на тормозах, учащийся дает вперед оба сектора газа и последовательно проверяет показания приборов. Температура выходящих газов постепенно возрастает, тахометры показывают нарастание скорости вращения турбин. Давление в норме.

Неожиданно среди рева двигателей раздается пронзительный скрип, и вслед за тем учащийся слышит по радио голос инструктора: "Отпустите тормоза! Горят покрышки!" Указание выполнено, скрип прекратился. Внутренняя шкала указателя скорости начинает поворачиваться, показывая нарастание скорости. Звуки и толчки от ударов колес на стыках плит учащаются. От напряжения на лице учащегося выступает пот. На скорости 195 км/ч он пробует взять на себя ручку. Она затяжелена, оказывает сопротивление перемещению, значит, рули действуют. Скорость - 203 км/ч. Учащийся тянет ручку немного посильнее и чувствует, что самолет оторвался от земли. Машина в воздухе! Учащийся нажимает кнопку уборки шасси. Контрольные лампочки сигнализируют о том, что шасси полностью убраны. Стрелка высотомера продолжает двигаться. Начинает возрастать воздушная скорость.

"Переходите в горизонтальный полет на высоте 1500 метров", - раздается в наушниках голос инструктора. Вслед за этим начинают работать два радиомаяка. Набрав заданную высоту, учащийся переводит самолет в крейсерский режим...

В любой момент инструктор может изменить условия полета, сымитировать механическую неисправность или пожар в определенной зоне самолета. Учащийся должен обнаружить возникшую опасность по показаниям приборов или по изменениям нагрузок на органах управления. Его ответные реакции непрерывно фиксируются регистрационным устройством.

А вот другой пример. Экипаж стратегического бомбардировщика совершал в тренажере "полет" на боевое применение. Все шло хорошо до тех пор, пока экипаж, вернувшись в район своей базы, не начал подготовку к посадке. И тут инструктор щелкнул выключателем, имитируя отказ всех двигателей на одном крыле самолета. Пораженный неожиданностью, экипаж не смог справиться с "аварией" и "разбился". Пилот попросил инструктора повторить задачу. Упражнения продолжались до тех пор, пока не возникла уверенность, что экипаж полностью овладел навыками, необходимыми для того, чтобы спасти самолет в таких необыкновенных условиях. Через неделю, когда тот же экипаж совершал реальный полет, все три двигателя самолета внезапно остановились. На тренажере летчики научились, как нужно действовать в таких условиях. Благодаря этому они теперь не растерялись и сделали все, что требовалось. Самолет благополучно совершил посадку.

Приведенные примеры показывают, какую огромную роль играют имитационные замещения в тренажерах. Они позволяют с большой эффективностью осуществлять противоаварийную тренировку операторов без какой-либо угрозы для их безопасности.

При высокой педагогической эффективности и абсолютной безопасности применение тренажеров обеспечивает значительные экономические выгоды. Например, нетрудно представить, какой дорогостоящей была бы тренировка машинистов на обычных локомотивах и поездных составах: из эксплуатации изымалось бы большое количество подвижного состава, учебные локомотивы и составы занимали бы железнодорожные пути, что значительно усложнило бы работу железной дороги.

- Все это очень интересно, - может возразить читатель, - но какое это имеет отношение к инженерной психологии? Ведь все, что было рассказано о тренажерах выше, не выходит за рамки здравого смысла...

Нет, уважаемый читатель, дело обстоит не совсем так. Возьмем, например, символические замещения. Этот метод является в известном смысле преодолением инерции здравого смысла, продуктом специальных исследований в области человеческого воображения. Приведем еще один пример. Если руководствоваться здравым смыслом, то можно предположить, что чем больше тренажер будет иметь всякого рода индикаторов обратной связи и чем дольше она будет действовать, тем более эффективным окажется разрабатываемое устройство. В одном зарубежном исследовании для формирования "чувства давления" при нажатии на рычаг машины было использовано специальное приспособление. Упражняясь на этом устройстве, учащийся непрерывно следил за величиной развиваемого им усилия по сигналу, который появлялся на экране осциллоскопа. В результате учащиеся очень быстро, буквально с первых проб, достигали установленных показателей. Однако при переходе к работе на реальной машине, в которой применяется такой же рычаг, но отсутствует специальный зрительный индикатор, резко ухудшилось качество выполнения данной операции, что свидетельствовало об отсутствии требуемого навыка. Повторные многократные упражнения на этом устройстве также не дали надлежащего эффекта.

Объяснить это можно лишь одним - упражнения с помощью указанного приспособления не активизировали механизмов внутренней обратной связи, основанных на ощущениях движения и осязании. Тренировочное задание могло успешно выполняться на основе использования механизма только внешней (зрительной) обратной связи. Более того, двигательная и кожная чувствительность учащихся тормозилась вследствие зрительного восприятия сигналов осциллоскопа. Между тем, как установлено специальными психологическими исследованиями, механизмы внутренней регуляции движений могут быть сформированы лишь при условии, что эти движения принимают существенное участие в выполнении тренировочных упражнений.

В описанной же конструкции не было обеспечено психологическое моделирование той трудовой деятельности, для овладения которой предназначалось данное приспособление.

Осознав сущность допущенной ошибки, авторы приспособления внесли в его конструкцию одну существенную поправку: вместо осциллоскопа они оборудовали устройство сигнальной лампочкой, которая загоралась в тот момент, когда рычаг приближался к заданному положению. Такое ограниченное использование внешней, зрительной регуляции движений не тормозило, а, наоборот, активизировало двигательные и осязательные ощущения. Тренировка на усовершенствованном приспособлении обеспечила успешное применение сформированных на нем навыков при переходе к управлению той машиной, которая являлась прототипом этого приспособления.

Нужно ли переносить в тренажер органы управления непосредственно из машины-прототипа или целесообразнее определенные модификации (видоизменения)? Когда следует предъявлять очередное задание - после полного овладения всеми предыдущими или же после поверхностного ознакомления с ними? Каким должен быть темп упражнений на том или ином этапе тренировки? Тотчас ли и все ли ошибки нужно показывать тренирующемуся на индикаторах обратной связи? Какой должна быть кинематографическая имитация дорожно-транспортной обстановки - цветная или черно-белая?..

Этот перечень вопросов, правильные ответы на которые в состоянии дать только инженерная психология, можно было бы увеличить в несколько раз. Однако мы надеемся, что приведенных примеров вполне достаточно для вывода: без инженерной психологии конструирование и применение тренажеров было бы малоэффективным занятием.