автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление обучением посредством автоматизации оценки информационных воздействий на участников образовательного процесса

На правах рукой /

005007038

СТРАЖМЕЙСТЕР Икоа Борисовна

УПРАВЛЕНИЕ ОБУЧЕНИЕМ ПОСРЕДСТВОМ АВТОМАТИЗАЦИИ ОЦЕНКИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА УЧАСТНИКОВ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (образование)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 ЯНВ 2012

Санкт-Петербург - 2011

005007038

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) на кафедре компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РСФСР Дульнев Геннадий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Короткой Константин Георгиевич

кандидат физико-математических наук, доцент Зимина Татьяна Михайловна

Ведущая организация: Санкт-Петербургский филиал ФГУП

«ЭМП» ФМБА России - СКТБ Биофизприбор

Защита диссертации состоится 26 января 2012 года в 17.00 на заседании диссертационного совета Д.212.227.06 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики, расположенном по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, центр интернет-образования.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке НИУ ИТМО.

Автореферат разослан 23 декабря 2011 года. Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя учёного секретаря диссертационного совета.

Учёный секретарь диссертационного совета -

доктор технических наук, профессор «^-¿гД. Л.С.Лисицына

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Использование в современной системе обучения компьютерных информационных технологий открывает новые возможности усовершенствования образова!ельного процесса. Наличие мировых научных и образовательных ресурсов позволяет осуществить глобализацию процесса обучения и усовершенствовать обмен информацией между учебными заведениями всего мира. Применение телекоммуникаций и Интернета позволяет не только преподносить учебный материал в электронном виде, но и производить обучение в виртуальном диалоговом режиме между обучающим и обучающимся, а также устраивать телеконференции.

В прежней системе обучения передача информации осуществлялась, в основном, от человека к человеку. В современной системе осуществляется переход к человеко-машинному комплексу передачи учебной информации. При этом основное внимание исследований в области образовательных технологий уделяется разработке аппаратно-программных комплексов образовательных систем и машинному компоненту, но не достаточно исследуется человек как приёмник учебной информации.

Кибернетический подход к педагогике позволяет использовать теорию информации для количественной оценки информационной ёмкости учебного материала, но не учитывает его смысловую ценность для каждого обучающегося и разную степень его сложности. При этом не возможно определить оптимальный объём учебного материала, доступного для усвоения конкретным обучающимся.

Технологический подход к учебному процессу позволяет рассматривать его как объект теории управления. Использование логико-математических моделей и средств вычислительной техники для исследования учебного процесса обеспечивает объективность и точность измерений, но не может учесть стохастические процессы, обычно возникающие в реальном процессе обучения.

В уравнениях, математически оиисьшающих учебный процесс, есть параметры, которые зависят от шщивидуального восприятия обучающимся учебной информации. Эти параметры нужно измерять и исследовать непосредственно в процессе обучения. Применение автоматизации и компьютерных технологий для исследования информационных взаимодействий между обучающим и обучаемым позволит с высокой точностью оценить качество учебного процесса и использовать полученные данные для управления обучением.

Объектом исследовапия в дайной работе является автоматизация исследований реакции обучаемых на информационные воздействия образовательного процесса.

Целью диссертационной работы является осуществление управления обучением на основании результатов исследования информационных воздействий на обучающихся.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ возможности представления образовательного процесса как объекта управления, провести предварительные эксперимопы по информационным воздействиям на человека, создать модели исследования информационных потоков;

- разработать критерий и метод оценки информационных воздействий образовательного процесса на человека, оценить методические и инструментальные погрешности, разработать меры по их устранению;

- разработать автоматизированную систему оценки процессов и результатов информационных воздействий на человека или группу лиц и их взаимодействий в процессе информационного обмена при обучении;

- апробировать автоматизированную систему оценки информационных воздействий на участников образовательного процесса, использовать полученные результаты для управления обучением.

Научпая новизна состоит в том, что в диссертационной работе впервые:

1. Произведена оценка информационных воздействий на человека через критерий хаоса, основанный на изменении локального удельного потока энтропии человека до информационного воздействия, в процессе и после него.

2. Предложен автоматизированный комплекс управления информационными воздействиями на человека в ходе образовательного процесса в реальном масштабе времени.

3. Осуществлено управление обучением на основе данных регистрации результатов информационных воздействий на участников образовательного процесса

Практическая ценность работы:

1. Разработанное приборное и программное обеспечение позволяет исследовать информационные воздействия на человека путём анализа изменения локального удельного потока энтропии в реальном масштабе времени.

,2. Воспроизводимые результаты по исследованию информационных воздействий образовательного процесса позволяют определить адапгационную способность обучающего адекватно реагировать на особенности восприятия обучающимися учебной информации. 3. Установленная обратная связь на основе оценки информационных воздействий на обучающихся используется для управления обучением. Внедрение результатов. Результаты исследований, включающие «Автоматизированный комплекс оценки информационных воздействий на человека по изменению локального удельного потока энтропии» и методическое обеспечение к нему, внедрены в нейрохирургическом центре Санкт-Петербургской городской многопрофильной больницы № 2 и региональной общественной организации учёных РФ «Балтийская педагогическая академия». Система оценки информационных воздействий на человека используется в учебном процессе Санкт-Петербургского национально-

исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Апробации результатов работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались на VII Международном научном конгрессе внекомпьютерные информационные технологии»: (Барнаул, 2004), VIII Международном научном конгрессе «Биоинформациошше и знергоинформационмые технологии в производственной, в социальной и в духовной сферах» (Москва, 2005); IV Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые пода и излучения в биологии и медицине» (СПб, 2006); ХП Всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2005» (СПб, 2005); XXXIV, XXXV, XXXVI и ХХХХ научной и учебно-методической конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО (СПб, 2005, 2006, 2007, 2011); П, III и IV конференциях молодых учёных СПбГУ ИТМО (СПб, 2005, 2006, 2007); VII Международный форум "Биофизтехнологии" (Биосистемы, физические поля и технологии - на службе здоровья человека) (СПб, 2010).

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Качество образовательного процесса с точжи зрения увеличения хаоса или порядка определяется при помощи метода оценки информационных воздействий на обучающихся.

2. Обратная связь, возникающая при информационном воздействии процесса обучения, выявляется введенным критерием хаоса, основанным на изменении локального удельного потока энтропии обучающегося до информационного воздействия, в процессе и после него.

3. Управление обучением осуществляется на основе представленных в графическом виде результатов автоматического сбора и обработай данных по оценке информационных воздействий на обучающихся.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них один патент на изобретение № 2290058 от 27.12.2006, 11 статей (3 статьи опубликованы в изданиях, относящихся к перечню рекомендуемых ВАК), 2 тезиса к докладам.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 80 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 126 страницах машинописного текста. Работа содержит 52 рисунка, схем и графиков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели работы, показаны её научная новизна и практическая значимость полученных результатов, указаны объект и предмет исследования, даны сведенья о структуре и содержании работы и приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 дан обзор литературы по вопросам, лежащим в основе диссертационной работы. Учебный процесс рассмотрен как объект теории

управления. Приведены особенности управления обучением, цели, методы и средства обучения. Особенное внимание уделено технологическому подходу к учебному процессу, в частности, информационным технологиям в образовании, наличию прямой и обратной связи, используемой для управления обучением.

Доказывается возможность применения средств автоматизации к исследованию учебного процесса, которые придают этим исследованиям объективность и точность. Рассмотрим модель учебного процесса с точки зрения потоков передаваемой информации. Представим эти потоки в виде функциональной схемы (рис. 1):

Рис. 1. Схема потоков передаваемой информации в учебном процессе

Движение информации в учебном процессе происходит от источника информации, которым может быть преподаватель, автор учебника или обучающей программы, через канал связи (прослушивания лекции, просмотр видеофильма или компьютерный учебный курс) к приёмнику информации (обучаемому). Информация, переданная от источника - обучающего (Т - от англ. teach, учить), может не совпадать по объёму с принятой приёмником -обучаемым (S - or англ. study, учиться) по причинам, характеризующимся внутренними каналами обратной связи (КОС). Канал KOCf (от англ. forget -забывать) характеризует способность обучаемого забывать информацию и является отрицательной обратной связью. Канал КОСс (от англ. conclusion -умозаключение) характеризует способность увеличивать информацию за счёт умозаключений и является положительной обратной связью. Канал КОСг (от англ. résistance - сопротивление) характеризует способность отвлекаться от обучения за счёт внутреннего сопротивления и является каналом отрицательной связи.

Канал внешней обратной связи KOQ (от англ. disturbance - помехи) характеризует наличие помех (плохая слышимость и шум в аудитории, плохое качество видеоматериала, сбои в работе компьютера) между источником и

приёмником информации и является каналом отрицательной обратной связи. Канал KOQ (от англ. interaction - взаимодействие) характеризует адаптациошгую способность обучающего адекватно реагировать на особенности восприятия обучающимися учебной информации и соответствующим образом управлять процессом обучения.

Проанализированы существующие методы и приборы оценки информационных воздействий на человека и биообратной связи. В ходе проведения серии предварительных экспериментов по информационным воздействиям на человека было установлено, что достаточно чувствительным к внешним воздействиям физиологическим параметром является локальный тепловой поток, поэтому для исследования информационного обмена решили использовать термоэлектрические датчики (ТЭД).

Сигналы от ТЭД, закреплённых на обучающем q, и обучаемом qs и термопар на обучающем 1, и обучаемом /„ подавались на измерительный стенд. В реальном масштабе времени г регистрировалась зависимости удельных тепловых потоков и температур от времени (рис. 2 - 5):

Я, = /(«•), i, = <р,(т) для обучающего, (1)

Я, = /Лт)> = <рА') для обучаемого, (2)

t с

ttl 2DJ яг ----- — — •— — — — tc ** !

ш i /^v

i /

эй SU ®Л » Г, мим. » i/

«п* 31/ «и /

/

г\ t 1 ) » 3 Ь i ь * ) 8 1 а / 1 « 1 1

и 7] лам.

Рис. 2. Показания термопары на обучаемом

q. Втыг*

i i ..... 1 .. К

i i_t

\ \

Л ¡J

r\

! ! 1 1 I

Рис. 3. Показания термопары на обучающем

q, Вт/м2

A f !

J 1 \ 1 !

JLljl_ 11 1 — —

V 1 /

— V 1 T ^ — yt

Рис. 4. Показания ТЭД на обучаемом Рис. 5. Показания ТЭД на обучающем

Произведённая корреляционная обработка объективно подтверждала различие сигнала во время регистрации фона, в период воздействия и последействия. Было замечено, что при повышении температуры значение полученного при помощи ТЭД потока могло уменьшаться, а при понижении -увеличиваться. Кроме того, во время эксперимента энергетические потоки, вызванные повышением температуры, снятой с локальных участков тела

испытуемых, возрастали фактически линейно. Изменение потоков, снятых при помощи ТЭД, имели нелинейный харакгер.

Возникло предположение о том, что измеряемый поток имеет не столько энергетическую (тепловую), сколько информационную природу. Это привело к необходимости исследования свойств ТЭД, обладающего двойным электрическим слоем, выделения информационной составляющей и разработки критерий оценки качества информационных воздействий на человека в процессе обучения.

В главе 2 представлены модели процессов, возникающих при информационном обмене. Для измерения нестационарных потоков ТЭД был смоделирован как неограниченная пластина на полупространстве, была составлена математическая задача и сформированы краевые условия. Была рассчитана инерция ТЭД и её влияние на точность измерения. Были созданы стенды с заданным изменением потока и проведет опыты для различных законов изменения потока во времени. Измеряемый поток соответствовал задаваемому потоку.

Для расчета методических погрешностей было исследовано изменение температуры свободной поверхности датчика и при помощи математической модели рассчитан коэффициент теплоотдачи в среду. Для проверки точности работы системы экспериментально был получен коэффициент теплоотдачи на модели. Теоретический расчет коэффициента теплоотдачи совпал с коэффициентом, полученным экспериментально при помощи измерительного комплекса оценки информационных воздействий.

В качестве модели испытуемого использовалась наполненная водой металлическая ёмкость в форме куба площадью поверхности 5 = 5-1<Г2.и2, объёмом К = 1Сг3.«3; степень черноты поверхности соответствовала степени черноты кожи человека и составляла е - 0,9; температура воды составляла 36 С, что близко к температуре тела человека. Погрешность измерения нестационарного потока вследствие инерционности термоэлектрического датчика не превышала 3% от измеряемой величины.

Для проверки возможности оценки информационных воздействий ТЭД, обладающим двойным электрическим слоем, сконструирован тепловой датчик (ТД), измеряющий только тепловые потоки, проведено сравнение показания этих датчиков, как на модели, так и на живом объекте - человеке.

Проведена серия экспериментов по информационному воздействию и доказана возможность оценки именно информационных воздействий, в отличие от энергетических воздействий, измеряемых тепловым датчиком как на живом объекте - человеке, так и на модели.

Приведём пример воздействия сеанса психотерапии (рис. 6 - 9). ТЭД были закреплены непосредственно в межбровном промежутке у участников эксперимента. У пациентки под ТЭД расположен ТД. Как видно из рис.^9, температура поверхности тела пациентки менялась мало, в пределах 0,5 С, следовательно тепловой поток можно считать стационарным. При толщине ТД 0,2 мм боковыми потерями можно пренебречь.

До 10 минуты записывался фон. С 10 по 40 минуту проходил сеанс лечения заикания методом регрессивной терапии. На 17 минуте пациентка вспоминает событие, которое послужило причиной заикания: «Чуть не утонула в Финском заливе», значение потока на ТЭД поднялось до максимальных значений, отражая реакцию пациентки на воспоминание о травме. После осознания причины заикания пациентка расслабляется, поток на ТЭД падает. С 33 по 43 минуту обсуждаются результаты сеанса, и записывается последействие. Из рис.7, 8 и 9 видно, что изменение потока, снятого при помощи ТЭД, в отличие от потока, снятого при помощи ТД, не зависит от температуры, но отражает особенности терапии и синфазно с изменением потока терапевта (рис. 6).

Вт/зл2

Т. злил.

! Т" I \ е* 1 ! / ■Т.' ГТ1— 1 -

—1— ____^_и_ —^—

—г —р-/г-. с /1 4

3/1 1 I

1 1 V | 1 1 ! Е I 1 1

Т. мин.

Рис. 6. Изменение потока на ТЭД терапевта

с;, Вт/м2

Рис.7. Изменение потока на ТЭД пациентки

£ мих.

£ АйЫН.

Рис. 8. Изменение штока на ТД пациентки

Рис. 9. Показания термопары на ТЭД пациента

При сравнении полученных данных при помощи ТЭД и ТД можно сделать вывод о том, что ТЭД, в отличии от ТД обладающий ДЭС, может регистрировать информационные потоки, вызванные взаимодействием между людьми.

В главе 3 рассмотрены различные типы информационных воздействий на человека и возможность синергетического подхода к управлению обучением с учётом особенностей управления и самоорганизации в живых системах. На основании предварительных экспериментов разработана оценка информационных воздействий на человека по критерию хаоса, основанному на изменении локального удельного потока энтропии человека до информационного воздействия, в процессе и после него.

Обмен массой, энергией и информацией в термодинамике открытых систем, к которым относится процесс обучения, рассматриваются как сопряжённые процессы. Функция диссипации а массоэнергоинформационного обмена представляется в виде сумм функций диссипаций массообмена г>т, энергообмена оя и информационного обмена О/:

сг = а „+<т,+сг, (3)

Функция диссипаций массообмена ат создаётся удельным потоком массы

vJi^c]' энеРГообмена _ Удельным потоком энергии

информационного обмена о/ - удельным потоком информации Они

VdtyM с J

вызваны следующими движущими силами: удельный поток массы через единицу поверхности вызван разностью концентраций массы AC=Ci-C2; удельный поток энергии - разностью температур ЛГ= Тх - Т2. По методу аналогий можно сконструировать удельный поток информации, вызванный разностью концентраций информации Д1=1Х -12.

Обмена массой и энергией во время обучения не происходит, по информационные воздействия на человека влияют на производство его внутренней энтропии. Для оценки качества информационных воздействий используем меру хаоса X (аналогично энтропии), которая равна разнице между текущим а и минимальным ami„ значениями функции диссипации:

Х = (4)

Для сравнения разнородных и разномасштабных процессов обмена информацией при обучении введём относительную величину, числитель которой состоит из величины хаоса в соответствии с формулой (4), а знаменатель представляет собой разницу между максимальным crmax и минимальным ат„ значением функции диссипации (локального удельного потока энтропии) за время исследования.

(5)

° max ^пап

Производства массы в процессе обучения не происходит. Согласно результатам предварительных исследований информационных воздействий на человека, (рис. 2 - 5), энергия в течение ограниченного по времени эксперимента менялась по линейному закону. Производная удельной энтропии aq, вызванной энергетическими (тепловыми) процессами, является постоянной величиной, и сокращаются в числителе и знаменателе при расчете критерия хаоса. В графическом виде зависимость критерия хаоса от времени отражает именно динамику изменения состояния человека, вызванную информационными воздействиями на него и может использоваться в качестве обратной связи при управлении обучением.

Далее описана измерительная система и её основные элементы. Оценка информационного воздействия осуществлялась по регистрациям плотности локального потока и температуры с определённых участков кожи обследуемых с последующим графическим представлением результатов. Значения потока

<2(т) с площади А, или удельного потока ф) и температуры Т для промежутка времени Ах позволили получить в реальном масштабе времени текущие значешш приращешш локальной удельной энтропии Д5 на выбранном участке тела по формуле

AS =

С?(т)-Ах = д(г)-Аг Т-А ~ Т

Дж

К-м2

_dS ''dz

-ií£l Т

(6)

где 0(т) - информационный поток за промежуток времени Ах, </(т) - удельный информационный поток с площади А, Т- абсолютная температура датчика, А - площадь поверхности, с которой производи ся измерение.

Удельный поток и температура с. локальных областей поверхности тела человека измерялись термоэлектрическими датчиками (ТЭД) конструкции O.A. Геращенко с помощью лабораторного измерительного комплекса, позволяющего проводить комплексные .измерения полей различной физической природы (рис. 10).

О 3 4 5

ТЭД —► УК —► АЦП —» ПК

1 - человек, 2-термоэлектрические датчики, 3 - усилитель-коммутатор,

4 - аналого-цифровой преобразователь, 5 - персональный компьютер

ТЭД (2) фиксировались на биологически активных точках человека-испытуемого (1). Измерение потока основано на использовании физической закономерности эффекта Зеебека: возникновения разности электрических потенциалов на поверхностях датчика при прохождении через него теплового потока и возникновения, таким образом, двойного электрического слоя.

Термоэлектрический датчик (рис. 11) представляет собою пластину 3, состоящую го батареи идентичных (порядка 5000 шт.), дифференциальных, последовательно соединенных биметаллических термоэлектродов 1 и 2, заформованных в электроизоляционный компаунд 4. Датчик имеет отдельно встроенную медно-константановую термопару для измерения температуры поверхности кожи испытуемого с диаметром электродов 0,14 мм..

ТЭД обладает двойным электрическим слоем, который возникает между его внешней и внутренней поверхностью, состоящими ш двух разных электропроводных материалов - меди 1 и константана 2 (разрез А-А на рис. 11). Это позволяет регистрировать как энергетические (тепловые), так направленные на человека информационные воздействия. При расположении датчика на поверхности исследуемого тела на гранях промежуточного слоя возникает разность температур, пропорциональная пронизывающему его измеряемому потоку. Эта разность температур вызывает соответствующую

термо-ЭДС, которая токосъемиыми проводами подается на измерительную систему.

Рис. 11. Биметаллическая батарея.

1 - основной термоэлектрод, 2 - парный термоэлектрод, 3 - каркас, 4 - виток плоской спирали

Электрические сигналы напряжения от всех ТЭД подаются на усилитель-коммутатор (3), в качестве которого использован блок сопряжения Vl-logger, обеспечивающий согласование электрических сигналов. Коммутированные сигналы с ТЭД передаются на 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (4), в качестве которого используется многофункциональная плата сбора данных. В качестве АЦП использовано преобразовательное устройство NI-DAQCard-6036E (производство фирмы National Instruments, США). Оно встраивается в персональный компьютер Notebook (ПК) (5).

Регистрирующая запись сигналов проводится в реальном масштабе времени с частотой дискретизации 10 Гц при помощи специального программного управления National Instruments, позволяющего визуально контролировать процессы на мониторе персонального компьютера. Автоматизация управления экспериментом осуществлялась программой Measurement and Automation Explorer.

Протокол проведения экспериментов следующий: первые 10 минут записывался фон, но которому можно судить об исходном состоянии участников процесса информационного обмена. Далее записывался процесс информационного воздействия. По окончании воздействия обычаю в течение 10 минут записывалась реакция последействия.

Далее приведено программное обеспечение оценки информационных воздействий. Обработка результатов зарегистрироваЕЯшх данных проводилась средствами программного пакета MATLAB 6.5.

В алгоритме расчёта была выбрана частота опроса сигналов 10 значений в минуту из соображений инерционности ТЭД (5-7 секунд). По формуле (6) вычислялось текущее значение локального удельного потока энтропии.. Из всех полученных значений выбирались минимальное и максимальное значения. Из каждого текущего значения вычиталось минимальное значение по формуле (4). В обработке использовалось усреднение, позволяющее исключать шумы из анализируемых результатов. Полученная величина делилась на разность между максимальным и минимальным значениями в каждый момент времени.

Значения критерия хаоса, вычисленные по формуле (5), представлялись графически в реальном масштабе временн в ходе исследований.

Основные технические характеристики комплекса следующие: максимальное число точек съема данных, регистрируемых одновременно комплексом - 8. Число каналов регистрации данных - 16. Из них 8 каналов регистрируют информационные потоки, 8 - температуру поверхности тела испытуемых. Диапазон допустимых изменений регистрируемых сигналов ±1ОВ. Допустимое расстояние между точками съёма биосигналов и блоком сопряжения (УК) - 2 м. Допустимое расстояние между блоком сопряжегам (УК) и ПК -2 м.

ТЭД (2) устанавливались в биологически активных точках и рефлексогенных зонах испытуемых, выбор которых обоснован в данной главе. Под биологически активными точками (БАТ) погашаются дермалыше, аккупунктурные точки, расположенные в подкожной клетчатке в области которых электрическое сопротивление (электрическая проводимость) и температура отличаются от расположенных рядом участков тела. Под биологически активными зонами понимаются зоны Захарыша-Гедда. Локализация БАТ производится в соответствии с аккупунктур1шми атласами и проверяется измерением кожного сопротивления в выбранных точках.

Приведём пример исследования изменения Кх при помощи ТЭД, расположенных на нескольких БАТ тела обучаемого, соответствующих ментальному и эмоциональному центрам и нейтральным БАТ. До 10 минуты записывался фон. С 10 по 30 минуты производился расчет производных. С 30 по 40 минуту записывалось последействие. Из полученных результатов видно, что при ментальном усилии Кх на метальном центре (рис. 12) резко возрастал в процессе воздействия и убывал в последействии. Изменение Кх на эмоциональном центре зеркально противоположено изменению на ментальном центре (рис. 13). Кх на нейтральных точках менялся на уровне случайных флуктуаций.

« Г, мин.

Рис. 12. Показания ТЭД на ментальном центре обучаемого

Рис. 13. Показания ТЭД на эмоциональном центре обучаемого

Погрешности измерения функции диссипации оценивались на основе суммирования погрешностей измерения возникающего потока (5 - 6)%, времени 0,01% и температуры 0, IX:

~ = (5 - 6)% + 0,01% + -У- • 100% = (5 - 7)% (7)

' 300 4 '

Погрешность определения функции диссипации составляла не более 5 - 1%.

Были проанализированы возможные инструментальные погрешности и даны рекомендации по их устранению. Помехи, вызванные изменением контактного сопротивления вследствие изменения влажное™ поверхносги кожи человека в течение эксперимента, фактически не влияли на результаты измерений. Устранение возможных помех, вызванных нестабильностью источника электроснабжения измерительного стенда, решено с помощью использования в измерительном стенде Notebook, имеющего встроенный стабилизатор напряжения. Для устраиещм влияний температурных колебаний воздушных масс у внешней поверхности датчика в результате дыхания или разговора испытуемого в течение эксперимента датчик на поверхности кожи закреплялся эластичной лентой, служащей дополнительной изоляцией от внешних тепловых помех.

В главе 4 приведена апробация исследований информационных воздействий образовательного процесса на человека или группу лиц и взаимодействий между участниками в процессе обучения.

Эксперименты проводились в три этапа На первом этапе проводились исследования информационных воздействий в процессе обучения техническим наукам на базе НИУ ИТМО. Результаты экспериментов подтвердились итогами учебного процесса. На втором этапе проводились исследования обучения творческим дисциплинам на базе СПбГА ТИ и Балтийской педагогической академии. Результаты экспериментов подтвердились психологическими тестами. На третьем этапе исследовались информационные воздействия медицинского назначения под руководством члена РАН, проф., д.м.н. В. А. Хилько на базе ординатуры нейрохирургического отделения Городской многопрофильной больницы № 2. Результаты экспериментов подтвердились физиологическими методами исследований.

Для сравнения была произведена серия контрольных экспериментов по записи изменения локального удельного потока энтропии без информационного воздействия во времени, равном времени эксперимента с воздействием. Эксперименты проводились для различных возрастных категорий испытуемых, различного пола. Условия контрольных экспериментов были те же что и опытных. Исследовались как по одному (рис. 14), так и по два испытуемых одновременно для проверки наличия синфазкости изменения критерия хаоса во времени при отсутствии информационного обмена (рис. 15). Изменения Кх испытуемых без информационного воздействия не зависели от возрастной группы и пола испытуемых и были подобны графику на рис. 14. Как видно из рис. 15, при одновременном обследовании двоих испытуемых без информационного обмена синфазности не наблюдалось ни в одном из контрольных экспериментов. Участники контрольных экспериментов также обследовались в положении сидя и лёжа с закрытыми (рис. 16) и открытыми глазами (рис. 17).

AS S '

AQ МДт

<2 Г11

На всех полученных в контроле графиков не было отмечено тех изменений Кх, которые были получены в опытных сериях при начале, в процессе и окончании информационных воздействий.

К* -----

Т, мин.

Рис. 14. Измените Кх испытуемой в положении сидя в контроле.

л»

И 1 ! ! ;

0: * 3 чу! НЕ

\ ( 1т~т ;

м

\ У

« • «> < _1_ ! 1

Рис. 16. Изменение Кх испытуемой в положении лежа с закрытыми глазами в контроле.

Рис. 15. Изменение Кх двоих испытуемых в контроле.

Рис. 17. Изменение Кх испытуемого в положении лёжа с открытыми глазами в контроле.

В опытных исследованиях до воздействия, в ходе и после воздействия производились непосредственные измерения плотности информационного потока и температуры на локальных участках тела человека, принцип выбора которых приведён в главе 3. Затем производится пересчет полученных данных критерия хаоса в соответствш! с формулой (5).

На представленных графиках по оси абсцисс откладывалось текущее время и интервалы фона, воздействия и последействия, по оси ординат -критерий хаоса Кх. Производилось сравнение на графике фона, воздействия и последействия для регистрации наличия и характера воздействия и результатов воздействия с точки зрения критерия хаоса Также сравнивались графики Кг. участников информационного взаимодействия для выявления синфазности.

При исследовании воздействий процесса обучения техническим наукам проверялась реакция на освоение нового учебного материала во время лекций студентов 4 курса разных категорий успеваемости (А, В, С, Д, Е). Для сравнения приведём измените Кх студента успеваемости А (рис. 18) и студента успеваемости Е (рис. 19). Во всех проведенных экспериментах у студентов с отличной успеваемостью во время лекций Кх, начиная с высоких значений (уровень ответственности за участие в эксперименте) снижался по мере

усвоения нового материала. У студентов с посредственной успеваемостью при высоком уровне сложности учебного материала наблюдалось возрастание Кх.

;р и-11 —¡р.,..

1— $ — — —

4------ ----- "Г ____ ____

\

кх ,

Рис. 18. Изменение Кх студента успеваемости А во время лекции.

........ №

-тН

-4 ----

-4......!--•-

Рис. 19. Изменение Кх студента успеваемости Е во время лекции.

На рис. 20 приводится взаимодействие двух студентов при совместном решении задачи: Во время объяснения учебного материала одним студентом (кривая 1) другому (кривая 2) Кх снижался. Во время обсуждения решения с 20 по 30 минуту Кх возрастал. С 30 по 50 минуты студенты приходят к согласию, их графики Кх фактически совпадают. Кривая (1) идет с небольшим опережением во времени, так как студент (1) «ведет за собой» студента (2). В последействии с 50 по 60 Кх возрастал (оба студента отмечали усталость).

Рис. 20. Информационное взаимодействие студентов при совместном решении задач

Рис. 21. Взаимодействие преподавателя и сгуденгки на уроке актёрского мастерства

Приведём примеры второго этапа экспериментов. На рис. 21 приведено взаимодействие (работа над ролью го пьесы И.С. Тургенева «Месяц в деревне») между преподавателем (кривая 1) в роли Натальи Петровны и студенткой (кривая 2) в роли Верочки во время урока актёрского мастерства.

С 11 по 34 минуту происходил диалог. Значения Кх изменялись в соответствии с коллизиями действия. На 19 минуте происходит кульминация, график студентки доходит до максимума, после чего наступает синфазность. На 28 минуте график студентки опускается до 0. По замечанию преподавателя, она выложилась, успокоилась и не в состоянии продолжать диалог. Преподаватель управляет обучением, её график (1) опережает по фазе график (2) студентки.

На рис. 22 представлено обучение игре на скрипке: обучающий (кривая 1) -первая скрипка и обучаемый (кривая 2) - вторая скрипка. До 10 минуты записывался фон, оба исполнителя расслабляются и сосредотачиваются, значения К;: снижаются. С 10 по 20 минуту исполнялись 4 скрипичных дуэта Моцарта. По всей видимости, во время игры исполнители были напряжены и настолько поглощены музыкой, что не было доминирующих мыслей, значение. Кх дошло до максимума по сравнению с фоном. С 20 по 30 минуту записывалось последействие, Кх снижался. '!...........

Необходимо отметил, синфазность изменения графиков Кх обоих исполнителей. График обучающего опережает график обучаемого. Обучающий управляет учебным процессом и держит концентрацию на протяжении всего исполнения с 10 по 20 минуту. Обучаемый быстро успокаивается, его Кх начинает «писаться в процессе исполнения. Ему не хватает профессионализма, по замечанию преподавателя.

Приведём пример третьего этапа экспериментов: психотерапевт (1) проводил сеанс вербальной релаксации для снижения кровяного давления. Пациент (2) лежал в расслабленном состоянии на кушетке, не теряя самоконтроль. ТЭД у обоих участников были закреплены в межбровном промежутке (рис. 23).

С 10 по 30 минуту производилось вербальное внушение с целью снятия тревожности и понижения кровяного давления у пациента, страдающего гипертонией. Изменения Кх обоих участников сиифазны. При этом показания терапевта (2) опережают по времени показания пациента (1), терапевт ведет сеанс. Наблюдается понижение Кх в процессе последействия с 30 по 45 минуту, то есть в период снижения кровяного давления с 176/98 на 132/64 мм рт. ст'. Отметим синфазность в период последействия с 30 минуты - графики Кх идут фактически параллельно.

Статистика результатов апробации исследований информационных воздействий процесса обучения показала 90 % положительных результатов.

Управление обучением с использованием оценки информационных воздействий может комплексно решить такие вопросы как: • Неоднозначность усвоения материала у разных обучающихся.

Рис. 22. Изменение Кх при обучении исполнения на скрипке 1 - обучающий, 2 - обучаемый

Рис. 23. Изменение Кх при суггестивной терапии 1 - терапевт, 2 - пациент

• Зависимость успешности обучения от индивидуальных особенностей обучающихся, стиля их познавательной деятельности, от обстановки в учебном помещении, взаимоотношений обучающихся друг с другом и преподавателем и других факторов.

• Смысловая ценность учебного материала для каждого обучающегося и разная степень его сложности.

• Оптимальный объём учебной информации, доступной для усвоения конкретным обучающимся.

• Адаптационная способность обучающего адекватно реагировать на особенности восприятия обучающимися учебной информации и соответствующим образом управлять процессом обучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационных исследований получены следующие результаты:

1. Образовательный процесс представлен как объект управления, дан обзор литературы по управлению образовательными процессами. Рассмотрены возможные информационные воздействия на человека и существующие методы оценки обратной связи. Проведены предварительные эксперименты по информационным воздействиям на человека. Выявлены возможности оценки информационных воздействий. Составлены модели процессов, происходящих при информационных воздействиях на человека.

2. Разработан метод оценки информационные воздействия на человека в процессе обучения. В качестве критерия оценки выбран критерий хаоса -относительная величина, вычисление которой основывалось на изменении локального удельного потока энтропии во времени. Обоснован выбор точек съёма термодинамических показателей как биологически активных точек тела человека. Оценены методические и инструментальные погрешности, разработаны меры по их устранению.

3. Разработана автоматизированная система исследования информационных воздействий на человека в процессе обучения. Проведены серии экспериментов по количественной оценке информационных воздействий на человека в процессе обучения и выявлены закономерности, соответствующие обучению точным наукам, творческим и терапевтическим процессам. Изменение критерия хаоса в процессе обучения выявляет степень вюпочаемости учащегося в процесс обучения, степень взаимодействия в учебной группе и наличие внутреннего контакта между обучающим и обучающимся, уровень понимания нового материала, оптимальное время обучения до наступления усталости.

4. Выявленная в процессе апробации исследования информационных воздействий обучения обратная связь дала возможность оценки особенностей восприятия информации различными участниками образовательного процесса, что позволило использовать автоматизацию оценки информационных воздействий на человека для управления обучением.

Основное содержание и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи, включённые в перечень рекомендуемых ВАК издании:

1. Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б. Способ оценки степени хаотичности энергоинформационных потоков в сознании челозека // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО: том 18, СПб.: 2005. - С. 59-62.

2. Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б. Исследование степени хаотичности энергоинформационных потоков в сознании человека // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО: том 18, СПб.: 2005. - С. 63-67.

3. Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б. Дунаевский И.В. Оценка познавательных способностей человека по термодинамическим показателям // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО: том 20, СПб.: 2005. - С. 3-8.

4. Патент на изобретение № 2290058 от 27.12.2006. Васильев В.Н., Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б., Агеев И.Л., Чащин A.B. Способ определения локального удельного потока энтропии человека.

Статьи:

5. Стражмейстер И.Б. Оценка состояния сознания человека по термодинамическим показателям // Вестник II межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО:

том 2, СПб.: 2005, с.200-203.

6. Агеев И.Л., Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б. Исследование степени упорядоченности информационных потоков сознания // Доклады VIII Международного научного конгресса «Еиоинформационные и энергоинформационные технологии в производственной, в социальной н в духовной сферах», том 2, М.: 2005. - С. 10-16.

7. Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б., Богданцев A.C. О возможностях и перспективах исследования процесса обучения человека регистрацией изменения в нем энергоинформационных потоков // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО: том 32, СПб.: 2006. - С. 298-304.

8. Стражмейстер И.Б. Термодинамическая оценка влияния творческого процесса на человека // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО: выпуск 26, СПб.: 2006.-С. 212-222.

9. Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б. Энергоинформационные патоки при обучении и их количественные характеристики // Научно- технический вестник СПбГУ ИТМО: том 45, СПб: 2007. - С. 27-31.

10. Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б. Оценка влияния творческих процессов на энергоинформационные потоки человека // Новые медицинские технологии. Новое медицинское оборудование: № 8, М.: 2007. - С. 45-48.

П. Агеев И.Л., Дульнев Г.Н., Кокин A.B., Колмаков С.Н., Стражмейстер И.Б. Теоретическое обоснование и экспериментальные исследования энтропийных методов в живой и неживой природе. Регистрация удельного потока энтропии //

Новые медицинские технологии. Новое медицинское оборудование' № 8 М ■ 2007.-С. 58-62. ' "

12. Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б., Крашешок А.II, Влияние различных способов воздействия на энергоинформационные процессы // Материалы первой международной научно-практической конференции "Наука, культура, оздоровление, становление личности", Вологда, 2009, стр. 12-17.

Тезисы к докладам:

13. Стражмейстер И.Б. Оценка информационных потоков в сознании обучающегося при дистанционном обучении // Труды XII Всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2005»: том 2 СПб • ?005 - С 515-516.

14. Агеев И.Л., Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б. Информационные воздействия на человека через различные экраны и их применение в медицине // Труды IV Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине», СПб.: 2006. - С. 92.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 46 69. Объем 1,0 у.п.л. Тираж 100 экз.