Potential ability to manage professional operator training based on the assessment of their psychophysiological state

Успешность любого вида профессиональной деятельности во многом определяется состоянием человека в процессе ее выполнения ^[1]. Состояния являются важной составной частью жизни человека, от которой зависит не только эффективность труда специалистов, но и их самочувствие и здоровье ^[2]. Постоянное совершенствование систем «человек–машина» (эргатических систем), приводящее к увеличению интенсивностей информационных потоков с одновременным сокращением резерва времени, имеющегося на принятия решений, обусловливают высокий уровень рабочей нагрузки человека–оператора ^[3]. Установлено, в частности, что ошибочные и несвоевременные действия персонала при управлении сложными техническими объектами вызывают до 40% неблагоприятных исходов при испытании ракет, более 60% тяжелых происшествий на транспорте, до 80% аварий и катастроф в авиации ^[4].

Однако в практике обучения операторов эргатических систем технологии, использующие информацию о психофизиологическом состоянии обучаемых в интересах реализации адаптивных персонализированных стратегий обучения, используются недостаточно ^[5-10]. Между тем, прогресс информационно-телекоммуникационных технологий обеспечивает такую возможность: разработано большое число технических решений, обеспечивающих возможность получения информации о психофизиологическом состоянии человека без помех для выполняемой им деятельности ^{[11, 12]}.

Изложенное обусловливает актуальность совершенствования технологий управления профессиональной подготовкой операторов на основе оценки психофизиологического состояния.

Эффективность профессиональной деятельности оператора по качеству его функционирования в производственном процессе, точности и своевременности действий, по достижению поставленных целей, то есть по конечному результату деятельности характеризуется профессиональной надёжностью ^[13].

Основой для исследования профессиональной надежности оператора служит анализ допущенных им ошибок с точки зрения причин их возникновения по признакам их проявления в зависимости от вида профессиональной задачи, этапа, условий и последствий ее решения, режима деятельности, а также содержания операционных и предметных компонентов деятельности ^[14]. Наряду с профессиональной надежностью рассматривается функциональная надежность профессиональной деятельности.

Функциональная надежность — это свойство функциональных систем организма оператора обеспечивать его динамическую устойчивость в выполнении профессиональной задачи в течение определенного времени и с заданным качеством ^{[13, 15]}. Это свойство проявляется в адекватном требованиям профессиональной деятельности уровне развития профессионально значимых психических и физиологических функций и механизмов их регуляции в нормальных и экстремальных условиях ^[16].

Основу функциональной надежности составляют функциональные резервы — профессионально–специализированная часть резервных возможностей организма, предназначенная для обеспечения его работоспособности и надежности деятельности ^[17].

Для повышения эффективности и надёжности профессиональной деятельности оператора необходимо проведение диагностики их состояния в реальном масштабе времени с обязательным учётом её результатов при организации управления эргатической системой. Важнейшим компонентом функциональной надежности оператора является его психофизиологическое (функциональное) состояние ^[18].

Под психофизиологическим (функциональным) состоянием оператора понимают интегральный комплекс наличных характеристик тех свойств, функций и качеств его организма, которые прямо или косвенно обусловливают осуществление им заданной профессиональной деятельности ^{[1, 2]}.

Применительно к операторской деятельности понятия «состояние», «психофизиологическое состояние» (ПФС) и «функциональное состояние» часто отождествляют, а наличие непосредственной причинно–следственной связи между ним и надёжностью деятельности обусловливает необходимость использования оценки ПФС в интересах управления профессиональной подготовкой ^[19].

Несмотря на наличие публикаций по проблеме исследования, практическая реализация технологий управления профессиональной подготовкой операторов на основе оценки психофизиологического состояния осуществляется крайне редко. В научных публикациях до 2010 года говорится о том, что реализация таких технологий затруднена в связи с тем, что мониторинг психофизиологического состояния, осуществляемый с использованием электродов и систем проводной регистрации показателей, создает помехи профессиональной деятельности обучаемых, что отрицательно влияет на качество профессиональной деятельности и на качество обучения ^{[2, 3, 6, 13]}.

Однако достижения современных информационно-телекоммуникационных технологий позволяют осуществлять мониторинг психофизиологического состояния скрыто (например, с помощью биорадиолокации) или с применением портативных беспроводных регистраторов (типа наручных браслетов, спортивных часов) ^{[11, 12, 15, 16]}. Современные подходы к мониторингу психофизиологического состояния человека открывают новые возможности использования информации о психофизиологическом состоянии для управления профессиональной подготовкой операторов – и, соответственно, требуют специальных исследований, демонстрирующих эффективность их применения в педагогической практике.

Для использования при определении надежности деятельности оператора, наряду с результирующими показателями качества деятельности (успешности выполнения тестовых заданий при профессиональной подготовке), оценок ПФС, необходимы показатели, отражающие психофизиологическую реакцию человека на условия, характер и результат деятельности ^[20]. Одним из наиболее распространенных показателей является психофизиологическое напряжение (ПФН).

ПФН – это специфическая характеристика функционального состояния человека, выражающая его психофизиологическую реакцию условия, характер и результат деятельности ^{[1, 2, 13]}. Количественным показателем ПФН является его уровень – условная величина, отражающая результат преобразования совместных измерений ряда психофизиологических характеристик ^[21].

При решении многих практических задач диагностики состояния человека следует учитывать, что значения характеристик ПФС являются косвенным проявлением физиологических, психологических и психофизиологических реакций, зависящих не только от природы вызывающих их стимулов (сложность выполняемого задания, воздействие неблагоприятных факторов условий деятельности и т.п.), но и от внутренних факторов (исходный уровень функционирования организма, уровень тренированности, индивидуальные особенности реагирования и т.п.), в значительной степени определяющих интенсивность реакций человека ^[22-24].

Таким образом, значения характеристик состояния человека несут в себе информацию о результате совместного воздействия на него совокупности факторов. При решении задачи исследования влияния на человека какого–либо неблагоприятного фактора условий деятельности возникает необходимость выделения из значения характеристики состояния вклада, обусловленного воздействием изучаемого фактора (совокупности факторов) ^[25-27].

Показано, что важнейшими эндогенными факторами, влияющими на психофизиологические реакции человека, измерение которых (количественное или качественное) возможно осуществить в практических условиях, являются исходное значение характеристики состояния и индивидуальные особенности ответных реакций человека ^{[2, 21]}. Особенности ответных реакций человека могут быть оценены по двухбалльной системе (нормальная или повышенная реактивность). Величины факторов условий деятельности могут регистрироваться средствами объективного контроля.

Подобный подход к измерению характеристик состояния позволяет выделить из их зарегистрированных значений ту часть, которая непосредственно связана с реакцией человека на воздействие изучаемого фактора (психофизиологическая составляющая обучения).

Одной из эффективных методик диагностики ПФС на основе оценки ПФН является методика, разработанная для использования при тренажерной подготовке летного состава ^{[3, 21, 28]}.

В качестве характеристик состояния человека при оценивании ПФН используются: частота сердечных сокращений (ЧСС), частота дыхания (ЧД) и минутный объём дыхания (МОД). Перед началом выполнения упражнения в течение трёх минут производят измерение исходных значений характеристик ПФС (ЧСС_исх, ЧД_исх и МОД_исх). При выполнении упражнения значения этих же показателей регистрируют в режиме реального времени, рассчитывая оценку ПФН по формуле:

ПФН = 0,57 ЧСС/ЧСС_исх + 0,45 ЧД/ЧД_исх + 0,08 МОД/МОД_исх + 5.

Рассчитанная оценка ПФН изменяется от 0 (значение, соответствующее минимальному ПФН) до 10 (максимальное ПФН).

Эффективность предлагаемого подхода к управлению профессиональной подготовкой операторов исследована при проведении педагогического эксперимента.

Группа 20 обучаемых – водителей легковых машин, направленных для получения квалификации водителей-операторов автопогрузчиков случайным образом разбита на 2 подгруппы по 10 человек в каждой.

Возраст обучаемых составлял 19-28 лет (группа 1: 23,6±2,6 лет; группа 2: 24,9±1,9 лет), водительский стаж составлял 3-8 лет (группа 1: 6,2±1,9 лет; группа 2: 6,0±1,2 лет), в используемой записи M±m: M – среднее арифметическое значение, m – стандартная ошибка (ошибка среднего арифметического).

Обучение продолжалось 10 дней, по завершении каждого из которых все обучаемые сдавали контрольные упражнения на тренажере. Контрольные упражнения предполагали выполнение рабочих операций (элементы вождения и манипулирования органами управления автопогрузчика), качество их выполнения оценивалось автоматизировано (средствами тренажера) по четырехбалльной шкале (5, 4, 3, 2). Решение о зачете выполненного упражнения принимал инструктор, число контрольных упражнений в курсе подготовки составляло 10.

Содержание курса профессиональной подготовки в первой и во второй группе было идентичным:

обучаемым первой группы каждое контрольное упражнение засчитывалось как «успешно освоенное» после получения ими оценки «5»;

обучаемым второй группы при выполнении контрольных упражнений надевали спортивные часы, обеспечивающие регистрацию и передачу по беспроводному протоколу в реальном времени показателей, требуемых для расчета оценки ПФН: ЧСС, ЧД и МОД. Каждое контрольное упражнение засчитывалось как «успешно освоенное» после получения ими оценки «5» и одновременно, величины ПФН, меньшей 4.

Среднее время тренажерной подготовки (за курс обучения) одного обучаемого первой группы составило 72,4±5,2 ч, а второй группы - 91,6±6,3 ч, причем различие средних оказалось статистически достоверным (по критерию Манна-Уитни).

На 180-200 сутки после завершения обучения все 20 обучаемых выполнили те же самые 10 контрольных упражнений на том же тренажере (на котором проводилось выполнение контрольных упражнений). Каждое упражнение каждым выпускником выполнялось однократно, повторные попытки не допускались. Распределение оценок (100 оценок: 10 обучаемых выполнили по 10 контрольных упражнений) в группах оказалось следующим:

первая группа: «5» – 51, «4» – 31, «3» – 18, «2» – 0;

вторая группа: «5» – 67, «4» – 32, «3» – 1, «2» – 0.

Результаты экспериментальных исследований убедительно свидетельствуют о больших потенциальных возможностях управления профессиональной подготовкой операторов на основе оценки психофизиологического состояния. В процессе эксперимента чётко прослеживаются общие закономерности становления навыка управления объектом слежения: уровень ПФН снижается по мере формирования навыка, а его стабилизация адекватно отражает реакцию операторов на результат профессиональной деятельности. Также четко прослеживается лучшая сформированность навыка, отрабатываемого при обучении с учетом оценки ПФС.

Для классификации ПФС по критерию адекватности формируемого состояния человека требованиям выполняемой деятельности используется понятие «физиологический эквивалент деятельности», под которым понимается состояние динамической активности функциональных систем организма, обеспечивающих выполнение конкретной профессиональной деятельности ^[13]. Физиологический эквивалент формируется в процессе освоения профессиональной деятельности и отдельных её элементов; процесс его формирования представляет собой адаптацию оператора к конкретному виду деятельности. Физиологический эквивалент деятельности имеет три градации: повышенный, должный и пониженный.

Должный уровень физиологического эквивалента деятельности характеризуется такой активацией функций, которая обеспечивает высокую продуктивность работы при наиболее экономном расходовании физиологических ресурсов и стабильном функционировании гомеостатических и адаптивных механизмов регуляции организма.

Повышенный уровень физиологического эквивалента деятельности характеризуется величинами эффективности деятельности физиологических реакций, которые достоверно превышают адекватные нормативы «эквивалента».

Пониженный уровень физиологического эквивалента деятельности характеризуется достоверным его уменьшением по сравнению с должным уровнем.

В качестве примера, отражающего переход физиологического эквивалента от повышенного уровня к должному, рассмотрим процесс изменения профессиональных и физиологических показателей у летчиков при заходе на посадку в зависимости от налета на конкретном типе самолета (рис. 1).

Рисунок 1 – Изменение профессиональных и физиологических показателей у летчиков при заходе на посадку в зависимости от налета на определенном типе самолета (26 летчиков, 72 полета).

В процессе обучения, по мере повторения полетов, у летчиков происходит совершенствование управляющих движений, экономизация физиологических, биохимических и других процессов в организме ^{[3, 24]}. При этом энергоинформационное обеспечение организма все более точно приспосабливается к фактическим «запросам» полетного задания, предопределяя тем самым целесообразность закрепления наиболее адекватных, а главное, биологически выгодных реакций летчика. Это является предпосылкой развития адаптации к профессиональной деятельности, связанных с ней соответствующих изменений в организме ^[15-17]. Из рис. 1 следует, что на этапе захода на посадку по мере приобретения опыта вначале стабилизируется оценка выполнения этого элемента, а затем физиологические показатели (в рассматриваемом случае – частота пульса). Оценки за качество захода на посадку, поставленные руководителем полетов, вначале быстро увеличиваются (при налете до 100 часов), затем их увеличение замедляется, а при налете 200 часов они практически не изменяются (физиологические показатели стабилизируются после налета порядка 300 часов).

По физиологическому эквиваленту деятельности ПФС разделяются на два класса: состояния адекватной мобилизации и состояния динамического рассогласования – при этом в качестве критерия используется ПФС человека в процессе деятельности, т.е. решается вопрос: если оператору можно осуществлять профессиональную деятельность – то каким образом, а если нельзя – то почему ^{[1, 2, 13]}.

Состояния адекватной мобилизации – это такие ПФС, при которых изменения характеристик состояния не выходят за пределы физиологической нормы. Понятие нормы – понятие вероятностное и варьирует в больших пределах (применительно к медицинским нормам диапазон вариации составляет 50…95%) ^{[1, 2]}. Вариация зависит от ряда факторов: какова стоимость обеспечения нормы, чем она обусловлена, какие возможности имеются для обеспечения этой нормы. Если речь идет о физиологических возможностях человека, то ситуация несколько упрощается, так как в большинстве случаев известна их зависимость от характеристик (показателей состояния), подлежащих нормированию и определяемым генетическими и приобретенными свойствами оператора, обусловливающими динамическую норму – это норма для конкретного ПФС оператора при определённой профессиональной деятельности. С учётом этого можно отметить, что состояние адекватной мобилизации – это такое ПФС, при котором изменения в организме адекватны тем требованием, которые предъявляет к нему профессиональная деятельность ^{[21, 22]}.

Если значение характеристики состояния находится вне диапазона нормы, то речь идет о динамическом рассогласовании. Состояния динамического рассогласования – это ПФС, возникающие тогда, когда нарушена адекватность компенсаторных механизмов организма оператора, и профессиональная деятельность осуществляется им при очень малом или чрезмерно большом напряжении функциональных систем. Чем более выражено динамическое рассогласование, тем более интенсивно организм пытается компенсировать возникшее нарушение физиологических функций, то есть состояние динамического рассогласования в большинстве случаев является обязательным условием для тренировки. Следовательно, определённые состояния динамического рассогласования могут считаться разрешёнными.

Появление состояния динамического рассогласования обусловливается несколькими причинами.

Во–первых, в силу особенностей профессиональной деятельности человека не всегда возможно обеспечить постоянную адекватную мобилизацию. Например, для гидроакустиков состояние адекватной мобилизации продолжается около 40 минут ^[2].

Во–вторых, в силу избыточной информационной нагрузки и ограниченности мобильных энергетических ресурсов организма, говоря о показателе динамического рассогласования, часто используют показатель времени: критерием динамического рассогласования скорее являются социально–общественные условия профессиональной деятельности, а не физиологические характеристики человека.

С развитием техники и совершенствованием способов ее применения достижение оператором высокого профессионального мастерства становится все более сложной и дорогостоящей задачей. Это связано с увеличением объема требуемых для успешной деятельности профессиональных знаний и необходимостью выработки, закрепления и постоянного совершенствования навыков в технике пилотирования в сложных условиях профессиональной деятельности.

Возможность обучения на реальной технике сложным видам профессиональной деятельности ограничена и зависит от наличия достаточного количества соответствующих учебно-тренировочных средств, ресурсной обеспеченности и т.д.

По данным зарубежной печати время обучения на тренажерах неуклонно возрастает, а время подготовки на реальных образцах техники уменьшается. Один час обучения на тренажере обходится примерно в 5–20 раз дешевле, чем на соответствующем самолете. Все большее распространение получают концепции «полной подготовки» и «программированного» обучения летного состава на тренажерах ^[28]. Установлено, что операторы, регулярно тренировавшиеся на тренажере, быстрее начинают самостоятельную деятельность, ее качество достоверно выше, чем у операторов, не освоивших задание на тренажере ^[2].

Процесс тренировки сопровождается повышением качества профессиональной деятельности и оптимизацией нервно–эмоциональных реакций оператора. Оценка уровня тренированности оператора только по успешности выполнения задания (по конечному результату) не всегда достоверна: высокая оценка может быть достигнута за счет избыточного напряжения сил, работы на пределе психических и психофизиологических возможностей (при отсутствии выработанных и устойчивых навыков). При этом надёжность профессиональной деятельности человека может оказаться довольно низкой, что особенно проявляется при усложнении условий выполнения заданий. Характерно, что стабилизация психофизиологических показателей наступает несколько позже, чем показателей качества деятельности ^[1]. Последнее имеет принципиальное и решающее значение при определении необходимого объема тренировок и оценке уровня обученности оператора. Надежность деятельности значительно повышается, когда результаты выполнения упражнения становятся стабильными, а уровень физиологических реакций соответствует сложности выполняемой задачи.

Концепция построения системы психофизиологической оценки подготовленности оператора на тренажерах определяет комплекс характеристик, который следует использовать для повышения объективизации самой оценки. Этот комплекс должен включать характеристики:

— эффективности выполнения задания;

— степени психофизиологического напряжения;

— резервных возможностей оператора.

Показатели психофизиологического напряжения являются важными, но косвенными показателями подготовленности оператора. Основными (прямыми) являются показатели эффективности деятельности. Поэтому было бы ошибкой забывать о приоритетности регистрируемых профессиональных показателей при оценивании подготовленности оператора. В то же время общий уровень его подготовки определяется не только качеством решения задач профессиональной деятельности, но и способностью в процессе ее выполнения решать и выполнять дополнительные задачи, что имеет большое значение, прежде всего, для оценивания надежности деятельности оператора при усложнении ее условий и возникновении аварийных ситуаций.

Возможность выполнения дополнительной задачи определяется уровнем резервных возможностей оператора по отвлечению внимания от выполнения основной задачи, что в первую очередь зависит от навыков перераспределения внимания, от широты оперативного поля зрения оператора. О резервных возможностях свидетельствует объем дополнительной информации, которую способен переработать оператор в процессе выполнения различных элементов полета. Количественная характеристика деятельности оператора по переработке этой информации является показателем резервов его внимания и может быть использована для оценивания уровня тренированности.

Оператор, выполняя задание на тренажере, решает дополнительную задачу по методике «Резервы внимания» (но не в ущерб качеству выполнения основной задачи деятельности) ^[2]. В этом смысл определения резервов внимания (остаточного внимания), на что должно быть указано оператору перед началом профессиональной деятельности.

Тренировки в выполнении дополнительной задачи в процессе профессиональной деятельности являются эффективным средством совершенствования структуры распределения и переключения внимания оператора, расширения его оперативного поля зрения. Методика определения резервов внимания выполняет в этом случае двоякую функцию: способствует тренировке операторов в распределении и переключении внимания, расширению оперативного поля зрения и служит контрольным тестом для определения уровня тренированности. Динамический контроль резервов внимания, осуществляемый совместно с контролем эффективности деятельности, позволяет полнее оценить уровень подготовленности оператора. Кроме того, при проведении тренажерной подготовки это позволяет повысить функциональную надежность профессиональной деятельности операторов.

При проведении исследования не вводились никакие специальные предположения, ограничивающие сферу ее использования, поэтому она может быть применена при решении широкого круга задач управления профессиональной подготовкой операторов для формирования и контроля профессиональной надежности обучаемых в зависимости от индивидуальной реакции на условия, характер и результат деятельности.