Разработка теоретических основ и прикладных методов подготовки летного состава к эксплуатации воздушных судов нового поколения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И ПРИКЛАДНЫХ МЕТОДОВ ПОДГОТОВКИ ЛЕТНОГО СОСТАВА К ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Косачевский Сергей Григорьевич

Москва 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновское высшее авиационное училище гражданской авиации (институт)».

Научный консультант доктор технических наук, профессор Коваленко Г.В.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Логвин А.И.

доктор технических наук, доцент Борсоев В.А.

доктор технических наук, профессор Малоземов В.В.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации

Защита диссертации состоится 19 марта 2010 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д.223.011.01 Московского государственного технического университета гражданской авиации по адресу: Кронштадтский бульвар, 20, Москва, А-493, ГСП-3, 125993

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета гражданской авиации.

Автореферат разослан «_____»_____________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор С.В. Кузнецов

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Диссертационная работа посвящена решению важной научно-технической проблемы повышению качества профессиональной подготовки авиационного персонала для эксплуатации воздушных судов (ВС) нового поколения. Ее большое народно-хозяйственное значение обусловлено тесной связью с обеспечением безопасности полетов (БП) в гражданской авиации (ГА).

Важность этой проблемы отражена в документах ИКАО, где отмечено, что профессиональная подготовка авиационных специалистов представляет собой один из наиболее важных факторов, обеспечивающих БП. В Федеральной целевой программе «Модернизация транспортной системы России» (подпрограмма «Гражданская авиация») задача совершенствования системы подготовки кадров и сохранения высокого уровня квалификации авиационного персонала также отнесена к одной из главных задач государства в области регулирования авиационной деятельности.

На современном этапе развития ГА автоматизация процессов управления ВС нового поколения во многом изменяет характер профессиональной деятельности авиационного персонала и, в первую очередь, летного состава (ЛС). Это ставит новые задачи перед профессиональной подготовкой ЛС, совершенствование которой должно носить системный характер. В первую очередь необходимо приведение в соответствие со стандартами и рекомендуемой практикой ИКАО нормативной базы. Цели и содержание программ подготовки должны определяться в соответствии с рекомендуемым ИКАО компетентностным подходом, что согласуется с основным направлением модернизации всей системы российского образования, т.к. компетентностный подход положен в основу разработки федеральных государственных образовательных стандартов третьего поколения.

Следующим этапом должна стать разработка новых методов и средств подготовки, реализующих все преимущества компетентностного подхода и современных технологий обучения. Эффективным в решении этой задачи является применение в процессе профессиональной подготовки ЛС автоматизированных обучающих систем (АОС).

При подготовке диссертационной работы был изучен отечественный и зарубежный опыт применения АОС для подготовки ЛС. Результаты этой работы позволили сделать вывод, что проблема разработки программ подготовки ЛС на основе компетентностного подхода и его реализации в АОС до настоящего времени в комплексной постановке не ставилась и не рассматривалась.

Диссертация посвящена решению этой проблемы и базируется на работах автора, выполненных с 1975 по 1994 годы в Актюбинском ВЛУ ГА и с 1994 года по настоящее время в Ульяновском ВАУ ГА.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности профессиональной подготовки ЛС для эксплуатации ВС нового поколения путем реализации компетентностного подхода с использованием АОС.

В процессе достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведен анализ опыта применения традиционных методов и средств профессиональной подготовки ЛС и определены пути их совершенствования с учетом особенностей эксплуатации ВС нового поколения и возможностей современных технологий обучения.

2. Разработаны теоретические основы профессиональной подготовки ЛС на основе компетентностного подхода и теории трансформационного обучения.

3. Предложены методологические основы применения математического моделирования в процессе теоретической подготовки ЛС.

4. Разработана методика автоматизированного контроля качества профессиональной подготовки ЛС.

5. Разработан комплекс компьютерных средств для профессиональной подготовки ЛС.

Объектом исследований является система профессиональной подготовки ЛС ГА.

Методы исследований основываются на теории профессиональной подготовки операторов, теории трансформационного обучения и теории поэтапного формирования умственных действий, теории математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики, факторного анализа, теории тестирования, теории моделирования и параметризации педагогических тестов IRT, методике разработки учебно-тренировочных курсов ISD, аэродинамике и динамике полета.

Научная новизна. Впервые поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Разработаны теоретические основы профессиональной подготовки ЛС с использованием АОС и предложены научно обоснованные пути ее совершенствования.

2. Предложена методология реализации компетентностного подхода при разработке АОС для подготовки ЛС на основе теории трансформационного обучения.

3. Показана возможность применения концепции опорных фрагментов деятельности (ОФД) для выбора критериев оценки освоения профессиональных компетенций ЛС.

4. Обоснован выбор комплекса математических моделей (ММ) для профессиональной подготовки ЛС с учетом особенностей эксплуатации ВС нового поколения.

5. Разработан метод автоматизированного контроля качества обучения на основе теории моделирования и параметризации педагогических тестов IRT.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты позволяют повысить эффективность процесса профессиональной подготовки ЛС на основе:

- разработки нормативных документов, регламентирующих процесс профессиональной подготовки ЛС, соответствующих стандартам и рекомендуемой практике ИКАО;

- подготовки научно обоснованных рекомендаций и требований по созданию и сертификации АОС;

- внедрения в систему профессиональной подготовки ЛС АОС, обеспечивающих реализацию компетентностного подхода и математического моделирования;

- индивидуализации процесса обучения и эффективной реализации контрольно-коррекционной функции.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методология разработки АОС на основе компетентностного подхода и теории трансформационного обучения.

2. Методика применения результатов математического моделирования в процессе теоретической подготовки ЛС.

3. Комплекс ММ для профессиональной подготовки ЛС с учетом особенностей эксплуатации ВС нового поколения.

4. Методика реализации контрольно-коррекционной функции на основе адаптивного тестирования.

5. Комплекс компьютерных средств предтренажерной подготовки ЛС.

Апробация работы. Основные положения работы, научные и практические результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на международных, всесоюзных, всероссийских, отраслевых и вузовских научных конференциях в г.г. Пенза, Ленинград, Актюбинск, Ульяновск, Москва, Казань, Егорьевск, Хургада (Египет), Алма-Ата (Казахстан), Партенит (Украина), Рига (Латвия), Киев (Украина), где было представлено около 50 докладов. Итоговые результаты диссертационной работы были заслушаны 15 января 2009 года в МГТУ ГА на заседании Международного авиационно-космического научно-гуманитарного семинара имени С.М. Белоцерковского.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 78 печатных работ, в том числе 2 монографии и 14 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук.

Результаты научных исследований по теме диссертации изложены также в двадцати заключительных отчетах о НИР, где автор являлся научным руководителем или ответственным исполнителем и которые выполнялись по контрактам с государственными органами управления ГА России.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебных заведениях, авиационных учебных центрах и авиакомпаниях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 347 источников и 5 приложений. Диссертация изложена на 342 страницах, включает 68 рисунков и 21 таблицу. Основная часть работы изложена на 317 страницах текста.

2. Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяется цель исследований. В соответствии с целью и на основе анализа современного состояния профессиональной подготовки ЛС определены задачи исследований. Излагается краткое содержание диссертации и полученные результаты, приводятся положения, которые выносятся на защиту, показана научная новизна и практическая ценность работы. Представлены сведения об апробации работы и публикациях по теме диссертации.

В первой главе на основе статистических данных показана взаимосвязь качества профессиональной подготовки ЛС и БП с учетом особенностей летной эксплуатации ВС нового поколения.

Согласно «Анализу состояния безопасности полетов в гражданской авиации Российской Федерации в 2008 году» негативные тенденции в обеспечении БП коммерческой ГА Российской Федерации стали проявляться с 2003 года и приобрели устойчивый характер с 2006 года, что подтверждается как абсолютными, так и относительными показателями (рис. 1 и 2). В 2008 году 46% всех авиационных происшествий было связано с недостатками в работе ЛС. Снижение профессиональной подготовленности ЛС самолетов 1-3 классов проявилось в 2008 году в значительном количестве событий, связанных с нарушением РЛЭ, технологии работы экипажа и схем захода на посадку.

Очевидно, что основной причиной указанных негативных тенденций является несоответствие системы профессиональной подготовки ЛС требованиям, предъявляемым ВС нового поколения. Подавляющему большинству выпускников российских летных учебных заведений приходится осваивать ВС зарубежного производства, что создает дополнительные трудности, т.к. их первоначальная подготовка осуществляется на устаревших ВС отечественного производства. Планируемые для решения этой проблемы мероприятия, в частности, утвержденный распоряжением Минтранса России от 10.06.2009 № ИЛ-53-р «План мероприятий по реализации рекомендаций комиссии по расследованию катастрофы самолета Боинг-737 VP-BKO, происшедшей 14.09.2008 в районе аэропорта г. Пермь», в основном направлены на совершенствование переподготовки ЛС на новые типы ВС, хотя изучение особенностей летной эксплуатации ВС нового поколения должно начинаться в летных учебных заведениях. Этому, несомненно, будет способствовать внедрение в учебно-летный процесс УВАУ ГА в 2009 году в качестве выпускного ВС самолета DA-42.

Программы подготовки ЛС на ВС нового поколения должны учитывать, что автоматизация управления при уменьшении физической нагрузки на пилотов в ряде случаев приводит к возрастанию умственной нагрузки, создавая проблемы, связанные с утратой ситуативной осмотрительности; непониманием принципов и алгоритмов работы функциональных систем или ошибочным представлением о том, как они могут работать в различных эксплуатационных условиях; изменением в технологии взаимодействия членов экипажа в результате передачи компьютеру многих функций и сокращением состава экипажа и т.д. Все это свидетельствует о возрастании роли знаний как важнейшей составляющей профессиональных компетенций и необходимости создания новых технических средств подготовки и обучения (ТСПО).

Рис. 1. Динамика изменения абсолютных показателей безопасности полетов в гражданской авиации Российской Федерации за последние 10 лет



Рис. 2. Динамика изменения относительных показателей безопасности полетов в гражданской авиации Российской Федерации за последние 10 лет

Анализ опыта применения ТСПО для подготовки ЛС позволил определить следующие направления дальнейших исследований:

- определение путей совершенствования ТСПО с учетом особенностей эксплуатации ВС нового поколения и возможностей современных технологий обучения;

- разработка теоретических основ профессиональной подготовки ЛС на базе компетентностного подхода и теории трансформационного обучения;

- разработка методики применения математического моделирования в процессе теоретической подготовки ЛС;

- разработка методики автоматизированного контроля качества профессиональной подготовки ЛС.

Во второй главе исследуются особенности рекомендуемого ИКАО компетентностного подхода на примере программы подготовки пилотов в составе многочленного экипажа MPL (Multi-Crew Pilot License).

Разработка программы MPL является практически первым, начиная с 1944 года, фундаментальным пересмотром методологии подготовки пилотов ГА, в соответствии с которой уровень подготовки пилотов оценивался практически только опытом летной работы. Основными особенностями программы MPL является перенос основной части практической подготовки пилотов на тренажеры, подготовка пилотов для работы в составе экипажа современного самолета с электронной индикацией и внедрение компетентностного подхода к профессиональной подготовке ЛС.

В диссертационной работе выполнено исследование особенностей применения компетентностного подхода для профессиональной подготовки ЛС, начиная от терминологии и заканчивая характеристиками ТСПО и методикой их применения.

На основе анализа терминологии, используемой в издании документов ИКАО на русском языке, в частности в документе «Подготовка персонала. Правила аэронавигационного обслуживания (Doc. 9868)» обоснована необходимость использования принятых в научной литературе терминов «компетентностный подход», «компетенция» и «компетентность» при исследовании проблем профессиональной подготовки ЛС.

Компетентностный подход основывается на деятельностной теории обучения, разработанной А.Н. Леонтьевым, в соответствии с которой эффективное овладение знаниями возможно только через собственную деятельность субъекта обучения в этой сфере деятельности. Поэтому, для освоения определенных документами ИКАО четырех уровней подготовки пилотов по программе MPL (основные навыки пилотирования - Core Flying Skills, базовый - Basic, промежуточный - Intermediate, продвинутый - Advanced) необходимо обеспечить на основе современных методов и средств обучения модульность и одновременно неразрывность процесса подготовки.

Перечень профессиональных компетенций для подготовки пилотов ГА может быть определен на основе концепции опорных фрагментов деятельности (ОФД), предложенной Г.В. Коваленко. Концепция основана на анализе деятельности пилотов и тех профессиональных задач, которые они выполняют для достижения той или иной цели. Под ОФД понимается процесс реализации того или иного функционального элемента, отобранного по критериям частоты встречаемости в полете, интенсивности деятельности и устойчивости. Использование ОФД позволяет обеспечить не только регистрацию отклонений от рекомендуемой технологии, но и выявить их причины.

Изучение структуры профессиональной подготовки ЛС позволяет сделать вывод, что если этапы тренажерной и летной подготовки выполняются на основе единых педагогических принципов, с использованием единых методов и средств подготовки, по единым нормативным документам и, как правило, одним инструкторским составом, то этап теоретической подготовки выпадает из единой системы по следующим причинам:

1. Цель теоретической подготовки формулируется как «приобретение специальных знаний, их поддержание и совершенствование в соответствии с установленными требованиями», тогда как для тренажерной и летной подготовки - «приобретение, поддержание и совершенствование практических умений и навыков», что явно не соответствует компетентностному подходу, предполагающему единство знаний и навыков их применения.

2. Содержание тренажерной и летной подготовки и методы их оценки конкретны и близки к профессиональной деятельности ЛС, тогда как для теоретического обучения они носят достаточно общий характер и не позволяют точно определить содержание учебного материала и критерии для оценки его освоения.

3. Методы и средства теоретической подготовки существенно отличаются от методов и средств тренажерной и летной подготовки.

Все это свидетельствует об отсутствии единой структуры профессиональной подготовки ЛС, одним из признаков которой является наличие неразрывной технологии обучения. Разработка такой технологии позволит устранить целый ряд проблем, оказывающих негативное влияние на качество подготовки ЛС из-за несогласованности ее теоретической и практической составляющих.

Технология обучения, как и любая промышленная технология, нуждается в теоретической основе, при выборе которой необходимо учитывать, что профессиональная деятельность пилота относится к сложным видам деятельности, что обуславливает немонотонный характер процесса обучения. На рис. 3 представлена полученная экспериментальным путем кривая обученности выпускников летного училища при освоении нового для них типа ВС. На кривой можно выделить 6 участков, которые существенно отличаются темпом обучения. На втором и четвертом участках (t₁ < t < t₂) и (t₃ < t <t₄) наблюдается даже временный спад, что обусловлено усложнением условий выполнения учебных задач.

С учетом указанных особенностей в качестве теоретической основы процесса подготовки ЛС предлагается использование теории трансформационного обучения (ТТО), которая позволяет описать и исследовать немонотонный процесс обучения сложным видам профессиональной деятельности. Согласно ТТО причинами возникновения спадов в процессе обучения являются переходы или трансформации структур-стратегий действий обучающегося.

Рис.3. Кривая обученности при освоении пилотами нового типа самолета

В соответствии с ТТО каждой структуре-стратегии соответствует характеристическая кривая, определяющая ее эффективность и универсальность (рис. 4). Согласно правилу инвариантности интегральной эффективности структур-стратегий при обеспечении постоянства основных характеристик учебного процесса интегральная эффективность специалиста при всех возможных структурах-стратегиях постоянна:

, (1)

где: Qi - эффективность i-й стратегии;

F_j - j-й фактор процесса обучения;

F_{ji min} и F_{ji max} - минимальное и максимальное значение j-го фактора для i-й стратегии, разность которых определяет универсальность i-й стратегии по фактору F_j.

Так как данное правило справедливо при сохранении постоянных средств и методов обучения, то в качестве оценки эффективности и универсальности новых методов и средств обучения может быть использована величина интегральной эффективности.

В соответствии с законом трансформации переход или трансформация одной структуры-стратегии в другую может происходить только через общее для обеих структур состояние системы, отображаемое пересечением их характеристических кривых и называемое трансформационной точкой. Она определяет критическое состояние системы, при котором принимается решение о выборе пути дальнейшего развития системы. Благодаря этому появляется возможность проектирования обучения как процесса последовательного освоения взаимосвязанных структур-стратегий.



Рис. 4. Характеристические кривые трех стратегий S_a, S_b, S_c с различной эффективностью Q_i и универсальностью по фактору F

В настоящее время подготовка ЛС во многом нацелена на освоение конкретных алгоритмов решения определенных задач. Такой путь обучения - от частного к общему, когда в процессе обучения первоначально осваиваются узкоспециализированные стратегии, а в дальнейшем осуществляется переход к общим универсальным стратегиям, можно отнести к программированному обучению. Однако возникающая при таком обучении автоматизация действий может привести к неправильным действиям пилота при решении нестандартных задач, весьма сходных по каким-либо признакам со стандартными и привычными. По этой причине, программированное обучение при подготовке ЛС должно сочетаться с элементами проблемного обучения, направленного на выработку универсальных стратегий, позволяющих в зависимости от конкретных условий работы сформировать специализированную и высокоэффективную стратегию.

Трансформационное обучение позволяет объединить преимущества программированного и проблемного обучения, т.к. оно направлено на формирование за минимальное время необходимого и достаточного набора стратегий путем быстрой трансформации известных стратегий. Для организации процесса обучения строятся графические зависимости, именуемые в ТТО квадриграммами (рис. 5). Квадриграмма носит замкнутый, циклический характер, т.е. переход из любого квадранта к следующему осуществляется с учетом соответствующих передаточных функций.

Рис. 5. Квадриграмма процесса обучения

В квадранте I показана динамика изменения учебной информации E(T), которую можно рассматривать как информационную модель учебной среды. В квадранте II представлен процесс отображения динамики учебной среды обучающимся. Множество возможных стратегий обучения представлено в квадранте III, где показана зависимость эффективности обучения Q от характеристик осваиваемой стратегии. В IV квадранте представлены траектории обучения при различной последовательности осваиваемых стратегий.

С помощью квадриграммы может решаться как прямая задача, заключающаяся в планировании траектории обучения на основании информационной модели и предлагаемых стратегий обучения, так и обратная задача, когда по траектории обучения определяется информационная модель учебной среды.

В третьей главе предложен подход к разработке ММ, позволяющих обеспечить освоение профессиональных компетенций пилота.

Изучение возможностей существующих систем математического моделирования, разработанных в основном для проведения научных исследований, позволяет сделать вывод, что, несмотря на их широкие возможности и высокую степень адекватности, они не могут быть использованы для профессиональной подготовки ЛС из-за сложности настройки, непривычной для пилота формы представления результатов моделирования и, главное, - отсутствия методики применения результатов моделирования в учебном процессе.

Более перспективным направлением решения этой задачи является разработка комплекса ММ на основе летных тренажеров. Такой подход позволяет создать комплекс компьютерных средств обучения на базе единой ММ, что обеспечивает адекватность результатов моделирования для каждого учебного модуля. Такой подход к разработке компьютерных обучающих систем получил название «top down» («сверху вниз»).

В диссертационной работе обоснована необходимость разработки для решения учебных задач комплекса ММ, обеспечивающих различную «глубину моделирования», под которой понимается степень детализации объекта и число моделируемых элементов. Разработана, архитектура и структура ММ для решения учебных задач (рис. 6).

В основе ММ динамики полета самолета лежит система дифференциальных уравнений движения самолета с постоянной полетной массой, что вполне допустимо для самолетов ГА из-за весьма малой скорости изменения массы:

,

.(2)

,

,

где m - масса ВС, t - текущее время, V_k - вектор земной скорости, F_i - векторы всех сил, I - моменты инерции самолета, - вектор угловой скорости вращения самолета, M_i - векторы всех моментов, X - вектор положения центра масс; - вектор угловой ориентации самолета.

Рис. 6. Структура математической модели динамики полета

Для моделирования управления составляется «сценарий полёта», реализуемый на трех уровнях:

- верхний уровень, на котором выполняется априорное формирование стратегии управления, исходя из конечной цели и условий полета для всего спектра ожидаемых полетных ситуаций;

- средний уровень, на котором происходит распознавание конкретной полетной ситуации и выбор соответствующей тактики управления объектом;

- нижний уровень, на котором выполняется многошаговый процесс реализации тактики управления.

Для реализации тактики управления использована модель пилота, задающая отклонения органов управления ВС в зависимости от целей пилотирования с имитацией эффекта запаздывания и зон нечувствительности по нескольким наблюдаемым параметрам движения. Приращение управляющего воздействия на каждом j-ом шаге интегрирования представляется линейной величиной, зависящей от наблюдаемых параметров:

, (3)

где - коэффициент усиления, и - наблюдаемое и целевое значения отслеживаемого i-го параметра.

Для реализации возможности имитации «пилотирования» ВС в процессе решения учебных задач разработана ММ с реализацией дискретно-непрерывного управления на заданном шаге наблюдения.

Проведены исследования по обоснованию допустимых упрощений ММ. В частности, при разработке ММ взлета самолета показана необходимость учета интерференции горизонтального оперения и струй реактивных двигателей, оказывающей существенное влияние на величину момента тангажа самолета (рис. 7). На рисунке показано, что без учета этого вида аэродинамической интерференции не обеспечивается даже качественное совпадение изменения угла тангажа в процессе взлета.

Рис. 7. Влияние интерференции горизонтального оперения и струй реактивных двигателей на изменение в процессе взлета приборной скорости и угла тангажа

Также показана необходимость учета продольного вращательного движения самолета при моделировании взлета. Пренебрежение этой составляющей движения при разработке ММ взлета самолета приводит к погрешности при расчете дистанций продолженного и прерванного взлета, величина которой может достигать 10% (рис. 8).

Результаты моделирования взлетных характеристик самолета Ту-204 при выполнении нормального, продолженного и прерванного взлета в условиях различного сочетания эксплуатационных факторов и параметров состояния внешней среды позволяют сформировать у обучающихся обоснованные представления о причинах введения эксплуатационных ограничений (рис. 9).



Рис. 8. Результаты моделирования прерванного и продолженного взлета с использованием математической модели продольного движения самолета как твердого тела (сплошная линия) и как материальной точки (пунктирная линия)



Рис. 9. Изменение высоты, приборной и вертикальной скорости при выполнении нормального и продолженного взлета

В четвертой главе рассмотрены проблемы реализации контрольно-коррекционной функции, которой при обучении с использованием АОС должно уделяться гораздо больше внимания, чем при использовании традиционных методов обучения. Это связано с тем, что обучение с использованием АОС предъявляет целый ряд новых требований как к организации и методике обучения, так и к самому обучающемуся.

Для реализации контрольно-коррекционной функции при подготовке ЛС ИКАО рекомендует использование тестов, соотнесенных с критериями, позволяющими обеспечить непрерывное и объективное оценивание процесса обучения в соответствии с заданными нормативами.

Представленные в диссертационной работе результаты исследований существующих систем тестового контроля качества профессиональной подготовки ЛС позволяют сделать вывод, что они не в полной мере соответствуют требованиям компетентностного подхода к обучению. Основными направлениями работы по их совершенствованию являются определение перечня профессиональных компетенций и контроль всех их составляющих с использованием объективных количественных критериев.

В качестве примера реализации предлагаемого подхода рассмотрен элемент профессиональной компетенции «Выполнение разбега при взлете». Цель подготовки по этому элементу, установленная для первого уровня подготовки пилотов по программе MPL «Основные навыки пилотирования», включает пять вспомогательных целей:

- применение режима взлетной тяги;

- выдерживание направления движения самолета;

- обеспечение путевого управления;

- слежение за показаниями приборов контроля работы двигателя;

- управление факторами угрозы и ошибок.

Последняя вспомогательная цель предполагает следующие контрмеры:

1. Проверка положения и установка параметров ВС.

2. Использование карт аэропорта и рулежных дорожек.

3. Обеспечение понимания и четкого повторения диспетчерских разрешений.

4. Отклонение элеронов против ветра (при боковом ветре).

5. Недопущение чрезмерной загрузки переднего колеса.

6. Обеспечение путевого управления.

7. Недопущение незавершенности в выполнении задач; эффективная приоритизация задач.

Так как каждый уровень подготовки предполагает освоение соответствующих профессиональных компетенций, контроль должен охватывать все их составляющие. Для организации такого контроля в дополнение к целям и навыкам, представленным в документах ИКАО, возникает необходимость разработки требований к знаниям, обеспечивающим достижение заданных целей.

Для отражения соответствия между знаниями и навыками предлагается использовать таблицу, в строках которой указываются требования к знаниям, в столбцах - к навыкам. В ячейке на пересечении i-й строки и j-го столбца записывается единица, если для формирования j-го навыка требуется i-е знание (таблица 1).

Таблица 1

Требования к знаниям	Вспомогательные цели
	1	2	3	4	5
1. Влияние на длину разбега режима работы двигателей, взлетной массы, скорости и направления ветра, состояния поверхности ВПП и т.д.	1				1
2. Нормирование скоростей VR и Vотр					1
3. Особенности продольной и боковой балансировки самолета при движении по ВПП		1	1
4. Особенности управляемости самолета при движении по ВПП		1	1
5. Боковые силы и моменты, возникающие при изменении режима работы двигателя	1	1			1
6. Контроль режимов работы двигателя	1			1
7. Характерные ошибки при выполнении разбега и способы их устранения					1

Использование подобных таблиц позволит упростить переход от существующей в настоящее время структуры теоретической подготовки, основанной на изучении отдельных учебных дисциплин, к модульной структуре, когда в основу курса подготовки положены рекомендации по летной эксплуатации ВС.

С учетом компетентностного подхода к обучению и основных положений ТТО предложены следующие критерии для определения уровня обученности пилота:

1. Оценка освоения обучающимся заданной стратегии действий.

2. Условие достижения состояния обученности, когда мера обученности Y превышает заданное пороговое значение Y_пор:

Y(n) ? Y_пор. (4)

3. Условие достижения плато на кривой обученности, когда изменение меры обученности на одном шаге обучения не превышает заданной величины:

Y(n+1) - Y(n) ?х_Y. (5)

4. Условие достижения заданной стабильности результатов обучения, когда величина среднеквадратического отклонения меры обученности не превышает порогового значения:

. (6)

Выбранные критерии оценки качества подготовки пилота должны основываться на анализе параметров, определяющих точностные, временные и надежностные показатели его деятельности и характеризующих, в конечном счете, вероятность выполнения поставленной задачи.

При известных граничных значениях вероятности для выставления однозначной оценки p₀ и p₁ задача сводится к выбору такого значения p_* (p₀ ?p_* ?p₁) и такого числа экспериментов n, при которых выставлялась бы оценка «зачет», если p_* > p₁, и «незачет», если p_* < p₀. При этом вероятность ошибок первого и второго рода составляют, соответственно, б и в.

Выражения для определения p_* и n имеют вид:

(7)

где Ш(z) - функция, обратная функции

;

Таким образом, величины p_* и n определяются заданными значениями вероятностей p₀ и p₁ и допустимыми вероятностями ошибок первого и второго рода б и в.

Для повышения эффективности контроля в диссертационной работе применен стандартизованный метод контроля знаний, позволяющий:

1. Сформировать выборку контрольных заданий из их генеральной совокупности.

2. Оценить различительную способность каждого тестового задания, что позволяет устранить дублирование тестовых заданий.

3. Выявить связи между отдельными заданиями.

4. Обосновать выбор времени, отводимого для решения каждого контрольного задания.

Достоверность тестового контроля достигается за счет использования метода адаптивного тестирования, основанного на теории моделирования и параметризации педагогических тестов IRT (Item Response Theory). Применение моделей IRT позволяет повысить точность измерений и оптимизировать процедуру контроля за счет подбора тестовых заданий в соответствии с уровнем подготовленности обучающихся. Это позволяет сократить время тестирования при условии сохранения точности измерений, достигнутой при использовании традиционных тестов фиксированной длины.

В основу моделей IRT положено предположение о том, что вероятность правильного выполнения заданий теста есть функция от разности двух латентных переменных:

- - переменная, описывающая уровень знаний обучающегося;

- - переменная, описывающая уровень трудности задания теста.

Для проведения тестирования использована двухпараметрическая модель А. Бернбаума (A. Birnbaum), являющаяся дальнейшим развитием однопараметрической модели Г. Раша (G. Rasch):

, (8)

, (9)

где параметр, записанный справа от вертикальной черты в фигурных скобках, означает, что он фиксирован, а и - независимые переменные; D=1,7 - константа; _i - уровень знаний i-го обучаемого, ; _j - уровень трудности j-го задания, ; a_i и a_j - величины, характеризующие дифференцирующую способность задания.

Переменная x_ij принимает значение 1, если ответ i-го обучающегося на j-е задание правильный, и 0, если ответ i-го обучающегося на j-е задание неправильный.

С целью отработки методики адаптивного тестирования была разработана программа для контроля знаний по дисциплине «Аэродинамика и динамика полета». Каждое тестовое задание оценивалось по двухбалльной системе (1 - дан верный ответ, 0 - дан ошибочный ответ). Исходя из общей суммы набранных баллов, определялась итоговая оценка по четырехбалльной шкале.

С помощью показателей связи между результатами тестирования по конкретному заданию с суммарным баллом по всему тесту (использовались p-бисериальный коэффициент корреляции и классический коэффициент корреляции Пирсона) был рассмотрен вопрос о валидности каждого задания теста. Полученные расчетные данные для первых десяти тестовых заданий представлены в таблице 2.

В случае значительной положительной корреляции (r_xy > 0,3) есть основания считать тестовое задание валидным, т.е. оно отличает испытуемых с высоким уровнем знаний от слабо подготовленных курсантов. Из рассмотренных в таблице 2 первых десяти заданий теста следует удалить задания 2 и 10, т.к. они обладают почти нулевой различающей способностью (r_xy2=0,07; r_xy10=0,04), а валидность заданий 3 и 8 можно поставить под сомнение.

Затем была выполнена оценка корреляции заданий не только с суммарным баллом, но и между собой. Полученные результаты корреляционного анализа были сведены в матрицу R (в таблице 3 представлена корреляционная матрица R для первых десяти заданий теста), а затем произведена окончательная «чистка» теста.

Анализ корреляционной матрицы показал, что задания 2, 3, 8 и 10 необходимо убрать из теста, т.к. соответствующие им столбцы и строки матрицы R содержат отрицательные значения.

Таблица 2

Номер задания	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Количество правильных ответов на задание	30	13	29	1	3	16	28	27	13	17
Среднее арифметическое по всему тесту у курсантов, успешно ответивших на данное задание, Мв	20,7	20,7	20,6	30	29	23	21,2	20,7	24,1	20,4
Среднее арифметическое по всему тесту у курсантов, неверно ответивших на данное задание, Мн	12,5	19,9	16,3	19,9	19,3	17,4	13,5	17,6	17,6	20
p-бисериальный коэффициент корреляции, rpb	0,35	0,07	0,22	0,31	0,49	0,49	0,44	0,2	0,56	0,04
Выборочная дисперсия по заданию, SSxj	0,06	0,25	0,09	0,03	0,09	0,26	0,11	0,14	0,25	0,26
Выборочная ковариация (корреляционный момент), SPxjy	0,5	0,2	0,38	0,32	0,85	1,44	0,87	0,42	1,62	0,11
Коэффициент корреляции Пирсона, rxy	0,35	0,07	0,22	0,31	0,5	0,49	0,45	0,2	0,57	0,04

Таблица 3

Номера заданий	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	1	0,21	-0,08	0,05	0,08	0	0,68	-0,11	0,21	-0,24
2	0,21	1	-0,17	-0,15	-0,27	0,06	0,12	-0,17	0,09	0,14
3	-0,08	-0,17	1	0,06	0,1	-0,11	-0,12	-0,14	0,05	0,13
4	0,05	-0,15	0,06	1	0,56	0,18	0,07	0,08	0,22	-0,19
5	0,08	-0,27	0,1	0,56	1	0,11	0,12	0,14	0,17	-0,13
6	0	0,06	-0,11	0,18	0,11	1	0	0,09	0,19	-0,06
7	0,68	0,12	-0,12	0,07	0,12	0	1	-0,16	0,31	-0,17
8	-0,11	-0,17	-0,14	0,08	0,14	0,09	-0,16	1	-0,17	0,11
9	0,21	0,09	0,05	0,22	0,17	0,19	0,31	-0,17	1	0,14
10	-0,24	0,14	0,13	-0,19	-0,13	-0,06	-0,17	0,11	0,14	1

Соответствующий график зависимости вероятности правильного ответа на задание 6 от уровня знаний испытуемого приведен на рисунке 10.



Рис. 10. Зависимость вероятности правильного ответа от уровня знаний

С помощью метода наибольшего правдоподобия были вычислены числовые значения параметров a_j и в_j для каждого тестового задания. В таблице 4 представлены данные для оставшихся заданий из первых десяти, расположенных в порядке возрастания трудности задания.

Таблица 4

Номера заданий	1	7	6	9	5	4
Разрешающая способность j-го задания, aj	2,17	2,43	1,87	2,30	91,36	2,31
Трудность j-го задания, вj	-1,40	-0,97	0,07	0,29	1,07	1,77

В пятой главе предложена методика разработки и применения АОС для профессиональной подготовки ЛС.

Для реализации компетентностного подхода к подготовке ЛС использована модель разработки учебно-тренировочных курсов ISD (Instruction Systems Design), позволяющая установить взаимосвязь между знаниями и навыками, необходимыми для данного вида профессиональной деятельности, и соответствующей программой профессиональной подготовки.

Методология ISD предлагает следующий порядок разработки программ профессиональной подготовки:

1. Анализ профессиональных задач для определения цели обучения.

2. Рассмотрение цели обучения и определение необходимости ее детализации на вспомогательные цели.

3. Перечисление шагов, требуемых для выполнения поставленной цели.

4. Создание тестового инструмента для контроля достижения обучающимися заданной цели.

5. Разработка программного обеспечения учебного курса.

Отработана методика организации контроля качества подготовки в АОС на основе концепции интерактивного самообучения, главным отличительным признаком которого является контролируемый и корректируемый на нескольких уровнях процесс и результат самообучения (рис. 11). Интенсификация процесса обучения обеспечивается за счет подкрепления внешнего самоконтроля и самокоррекции текущим многоуровневым объективным контролем. Это позволяет обеспечить поддержание на должном уровне функционирование механизма внутреннего развития, механизма формирования навыков и развитие умения учиться.

Рис. 11. Структурная схема модели интерактивного самообучения с рубежным контролем и коррекцией

Основным видом текущего контроля в АОС является распределенный контроль, на который ложится основная функция по обеспечению качества обучения на основе организации циклов контроля и коррекции (РКл, РКц). Достигается это за счет объединения четырех микромодулей в два учебных элемента УЭ1 и УЭ2, результаты усвоения и освоения которых контролируются внешним текущим распределенным контролем.

С целью достижения требуемого уровня обучения необходимо предусмотреть в дополнение к распределенному внешнему текущему контролю внешний текущий рубежный контроль (РбТКл) и рубежную коррекцию (РбТКц). При этом рубежный контроль должен содержать как типовые вопросы и задания, так и нестандартные, в том числе и поискового характера, формирующие способность к продуктивной профессиональной деятельности.

В конце обучения перед промежуточной аттестацией осуществляется текущий итоговый контроль и коррекция завершающегося процесса обучения, подтверждающий факт успешного освоения учебной программы.

Для проведения экспертной оценки учебных материалов АОС предложена методика, основанная на методе DACUM и позволяющая решить следующие задачи:

- определение компетентности экспертов и обобщенной оценки объектов экспертизы;

- построение обобщенной ранжировки объектов экспертизы;

- определение согласованности мнений экспертов;

- определение зависимостей между ранжировками.

Коэффициенты компетентности экспертов и обобщенные оценки объектов экспертизы для тех случаев, когда проводится непосредственное числовое оценивание альтернатив, можно вычислить по апостериорным данным, т.е. по результатам оценки объектов. При этом компетентность экспертов оценивается по степени согласованности их оценок с групповой оценкой объектов. В таблице 5 приведены значения коэффициентов компетентности экспертов, полученные после пяти циклов применения соответствующих рекуррентных формул.

Таблица 5

Эксперт	№ 1	№ 2	№ 3	№ 4
Коэффициент компетентности	0,250769	0,249850	0,251259	0,248122

математический автоматизированный авиация

Затем была получена обобщенная матрица отношений очередности учебных элементов (рис. 12).

Рис. 12 Обобщенная матрица отношений очередности учебных элементов АОС

Результаты описанных выше исследований использованы при разработке комплекса компьютерных средств предтренажерной подготовки ЛС, включающего:

- АОС для подготовки ЛС на самолет Як-18Т 36 серии;

- АОС по дисциплине «Аэродинамика и динамика полета».

Для разработки АОС был использован пакет программ Macromedia Flash Professional 8.0 со встроенным языком программирования ActionScript 2.0. Технология Flash, базирующаяся на векторной графике, дает широкие возможности использования графических средств, поддерживает анимацию, а также хорошо сопрягается с расширяемым языком разметки XML.

АОС для подготовки ЛС на самолет Як-18Т 36 серии предполагает три режима работы:

- режим обучающей системы, позволяющий пользователю обращаться ко всем информационным ресурсам, а также проходить тестирование по всем учебным дисциплинам (рис. 13);

- режим электронного учебника, позволяющий пользователю работать только с информационным модулем АОС, причем весь материал представлен в виде учебных элементов, порядок следования которых определен с помощью экспертной оценки;

- режим тестирования, в котором пользователю предоставлена возможность лишь проходить тестирование по всем учебным дисциплинам.

Рис. 13. Общий вид окна информационного модуля в режиме обучения с плавающим окном и анимированным клипом

АОС по дисциплине «Аэродинамика и динамика полета» объединяет в единый комплекс электронное учебное пособие и цикл компьютерных лабораторных работ, позволяющих исследовать влияние различных эксплуатационных факторов и параметров состояния внешней среды на аэродинамические и летные характеристики, а также характеристики устойчивости и управляемости самолета.

С целью максимально приблизить учебный материал к практическим задачам основой для разработки компьютерных лабораторных работ выбрана ММ самолета Як-18Т, который является основным самолетом первоначального летного обучения в ГА России.

В соответствии с компетентностным подходом учебный материал разделен на модули, которые включают не только текстовую и графическую информацию, но и анимационные клипы (рис. 14).

Рис. 14. Обучающий клип для изучения уравнений движения

Для каждой лабораторной работы разработаны компьютерные программы, в которых результаты моделирования полета представлены в привычном для пилота виде, для чего используются изображения основных приборов.

Одновременное представление аэродинамических и летных характеристик и их взаимосвязи позволяет реализовать при обучении компетентностный подход, когда изучение знаний сопровождается усвоением навыков их применения для решения задач летной эксплуатации и обоснования эксплуатационных ограничений (рис. 15 и 16).

Рис. 15. Обучающий клип для изучения аэродинамических и летных характеристик

В заключении диссертации сформулированы основные результаты, определяющие научную новизну работы, ее теоретическое значение и практическую ценность.



Рис. 16. Обучающий клип для изучения боковой устойчивости и управляемости

На основании результатов исследований, проведенных в диссертационной работе, сделаны следующие выводы:

1. Одной из наиболее значимых причин авиационных происшествий продолжают оставаться недостатки в подготовке ЛС. Следовательно, совершенствование профессиональной подготовки ЛС является эффективным способом повышения уровня БП в ГА.

2. Выход в эксплуатацию ВС нового поколения с высокой степенью автоматизации изменяет характер профессиональной деятельности пилота, что выдвигает новые требования к его профессиональной подготовке.

3. Современная профессиональная подготовка ЛС должна носить системный характер и осуществляться на основе реализации компетентностного похода, как того требует ИКАО.

4. В качестве теоретической основы для реализации компетентностного подхода к профессиональной подготовке ЛС может быть использована ТТО, что позволяет выполнять коррекцию информационной модели учебной среды АОС для формирования индивидуальной траектории обучения с учетом осваиваемых стратегий и индивидуальных особенностей каждого обучающегося.

5. Для реализации компетентностного подхода необходимо использование методов математического моделирования с учетом особенностей подготовки ЛС, что позволяет обеспечить освоение всех составляющих профессиональных компетенций.

6. На основе ТТО должны быть сформулированы критерии оценки обученности ЛС, предусматривающие необходимость учета освоения заданной стратегии действий для решения учебных заданий.

7. Процесс профессиональной подготовки ЛС на протяжении всего периода обучения от его начала до завершения должен сопровождаться АОС, которые должны быть реализованы на основе положений, изложенных в представленной работе.

Основные публикации по теме диссертации

Основное содержание диссертации отражено в 78 печатных научных работах, наиболее важные из которых перечислены ниже.

Монографии

1. Ципенко, В. Г. Особенности выполнения полета самолетов в условиях обледенения [Текст]: монография / В. Г. Ципенко, В. П. Бехтир, С. Г. Косачевский. - М.: МГТУ ГА, 2001. - 68 с.

2. Ципенко, В. Г. Аэродинамическое обоснование выполнения посадки на самолете Ил-76ТД [Текст]: монография / В. Г. Ципенко, В. П. Бехтир, С. Г. Косачевский. - М.: МГТУ ГА, 2001. - 68 с.

Научные публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук:

3. Жучков, М. Ю. Минимальная эволютивная скорость разбега самолета Ил-96Т [Текст] / М. Ю. Жучков, И. Ф. Полякова, С. А. Ковалевский, В. П. Деев, С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика и прочность. - 1999. - № 15. - С. 103-105.

4. Жучков, М. Ю. Минимальная эволютивная скорость взлета самолета Ил-96Т [Текст] / М. Ю. Жучков, И. Ф. Полякова, С. А. Ковалевский, В. П. Деев, С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика и прочность. - 1999. - № 15. - С. 107-109.

5. Иванов, В. Э. Влияние противообледенительной обработки на взлет самолета Ту-154М при пониженных коэффициентах сцепления и отказах двигателя в системе управления [Текст] / В. Э. Иванов, Н. Б. Бехтина, Б. В. Горбань, А. Н. Кутумов, С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика и прочность. - 2000. - № 23. - С. 35-38.

6. Иванов, В. Э. Моделирование взлета самолета Ил-96-300 при отказе двигателя с учетом и без учета противообледенительной обработки [Текст] / В. Э. Иванов, Н. Б. Бехтина, Б. В. Горбань, А. Н. Кутумов, С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика и прочность. - 2000. - № 23. - С. 35-38.

7. Гребенкин, А. В. Математическая модель динамики управляемого полета самолета Ту-204 в тренажерном варианте [Текст] / А. В. Гребенкин, С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика и прочность. - 2001. - № 37. - С. 16-19.

8. Гребенкин, А. В. Понижение минимумов погоды системы «экипаж - воздушное судно» за счет улучшения характеристик штурвального управления [Текст] / А. В. Гребенкин, С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Безопасность полетов. - 2001. - № 40. - С. 52-66.

9. Дмитриев, В. А. Моделирование некоторых прикладных задач летной эксплуатации самолета Ил-96-300 на взлете [Текст] / В. А. Дмитриев, С. А. Ковалевский, С. Г. Косачевский, С. А. Маликов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика, прочность и поддержание летной годности. - 2003. - № 60. - С. 116-120.

10. Дмитриев, В. А. Моделирование перегоночного полета самолета Ил-96-300 на трех работающих двигателях [Текст] / В. А. Дмитриев, С. А. Ковалевский, С. Г. Косачевский, С. А. Маликов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика, прочность и поддержание летной годности. - 2003. - № 60. - С.187-189.

11. Косачевский, С. Г. Возможности применения новых информационно-образовательных технологий для совершенствования профессиональной подготовки летного состава [Текст] / С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика и прочность. - 2006. - № 97. - С. 118-123.

12. Косачевский, С. Г. Нормативная база применения новых информационно-образовательных технологий в процессе профессиональной подготовки летного состава [Текст] / С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика и прочность. - 2006. - № 97. - С.157-160.

13. Косачевский, С. Г. Применение теории трансформационного обучения для разработки автоматизированных обучающих систем подготовки летного состава [Текст] / С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика и прочность. - 2007. - № 111. - С.172-175.

14. Косачевский, С. Г. Разработка автоматизированной обучающей системы по динамике полета самолета [Текст] / С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика и прочность. - 2007. - № 111. - С.176-178.

15. Айдаркин, Д. В. Разработка алгоритма адаптивного тестирования для автоматических обучающих систем профессиональной подготовки летного состава [Текст] / Д. В. Айдаркин, С. Г. Косачевский // Научный вестник МГТУ ГА. Серия: Аэромеханика и прочность. - 2008. - № 125. - С.167-172.

...