Система контроля состояния учащегося при его работе на персональном компьютере

Калакутский Л.И., Молчков Е.В., Конюхов В.Н.

Самарский государственный аэрокосмический университет имени акад. С.П. Королева

Широкое распространение в учебном процессе образовательных учреждений всех уровней компьютерных технологий обучения ставит задачу контроля влияния компьютерных средств обучения на организм учащегося. Это влияние связанно с высокой интенсивностью обучения, характерной для использования компьютерных средств, а также действием на организм учащегося техногенных факторов, определяемых аппаратными средствами компьютерных технологий. Данные факторы могут ограничивать время пребывания учащегося за персональным компьютером, так как их длительное воздействие, рассматриваемое как стрессорное раздражение, снижает эффективность использования компьютерных технологий обучения и может оказать неблагоприятное влияние на состояние здоровья учащегося.

Организм человека, испытывающий в современных условиях постоянные стрессовые воздействия (физические, психоэмоциональные и др.), можно рассматривать как динамическую систему, которая непрерывно приспосабливается к условиям окружающей среды путем изменения своего состояния, сопровождаемого изменением уровня функционирования отдельных физиологических систем и соответствующего напряжения их регуляторных механизмов.

Состояние организма в рассматриваемом случае можно оценить с помощью некого интегрального комплекса, в котором суммируются разнородные физиологические показатели и проявляются некоторые новые свойства, возникающие за счет взаимодействия этих показателей между собой / 1 /.

Тогда задача оценки состояния включает выбор физиологических параметров систем организма, наиболее полно характеризующих то или иное состояние, определение взаимосвязи между ними и количественную оценку изменения состояния во времени. Каждое состояние может быть задано набором переменных в многомерном пространстве параметров и текущее состояние отображается точкой в данном пространстве. Недостатком такого подхода можно считать необходимость измерения значительного числа физиологических параметров. Кроме того, выбор самого набора параметров часто ограничен.

Другой подход в определении состояния организма, широко используемый при оценке стрессорных воздействий, основан на построении интегрального показателя, определяемого по результатам наблюдения хронотропной структуры изменения одного физиологического параметра / 2 /. В этом случае, необходим выбор для исследования такой физиологической системы организма, которая, с одной стороны, включена в формирование интересующих состояний, и, с другой стороны, допускает достаточно простое измерение физиологического параметра, характеризующего эту систему.

Для рассматриваемой задачи оценки состояния учащегося, в качестве такой системы организма может быть выбрана сердечно-сосудистая система, а наблюдаемым физиологическим параметром – длительность кардиоинтервала (КИ) - временного интервала между двумя последовательными сокращениями сердца / 3, 4 /. Временной интервал между двумя последовательными сокращениями сердца может быть определен как интервал между соседними R-зубцами электрокадиосигнала, пульсовыми волнами на фотоплетизмограмме или реограмме и т.д..

Выбор сердечно-сосудистой системы в качестве индикатора состояния организма основывается на том, что она участвует в формировании важнейших функциональных систем организма, оперативно реагирует изменением своих параметров на действие внешних и внутренних раздражителей и, кроме того, для сердечно-сосудистой системы хорошо разработаны методики и технические средства регистрации параметров, в частности длительностей КИ.

Параметры временного ряда КИ формируются целым рядом регуляторных процессов организма, в его структуре заключена информация об уровнях активности основных регуляторов и, как следствие, функциональном состоянии человека. Для количественной оценки состояния предложен целый ряд показателей, характеризующих временной ряд длительностей КИ. В частности, в / 1 / исследовалась связь среднеарифметического значения длительностей КИ и коэффициента вариации КИ от скорости обработки информации оператором. Показано, что при увеличении скорости обработки до некоторого предела оба этих показателя уменьшаются. После достижения определенного значения и дальнейшего увеличения скорости обработки наблюдается рост обоих показателей. Причем среднеарифметическое значение достигает своего первоначального уровня в отличие от коэффициента вариации, что может говорить о различных физиологических механизмах лежащих в основе этих показателей.

В работе / 5 / использовались показатели вариабельности сердечного ритма (ВСР) для оценки эмоционально напряженной деятельности подростков. Установлено, что увеличение эмоциональной напряженности тесно связано с предложенными авторами показателями.

Приведенные примеры показывают принципиальную возможность оценки состояния человека для рассматриваемой задачи с помощью анализа временных рядов длительностей КИ. При этом, очевидно, что различные диагностические показатели, полученные путем анализа ВСР, будут иметь различную информативность. Так некоторые данные показывают, например, что среднеарифметическое временного ряда КИ не отражает рост затрат организма после некоторого критического уровня скорости обработки информации оператором, а коэффициент вариации в определенной мере может служить индикатором состояния человека.

В этой связи возникает проблема выбора диагностических показателей адекватно отражающих состояние для различных видов операторской деятельности, инвариантных к конкретному оператору, дающих возможность вести оценку в реальном масштабе времени, обладающих достаточной помехоустойчивостью при действии помех физической и физиологической природы.

Вариабельность сердечного ритма может быть оценена различными методами. Можно выделить три основные группы методов оценки ВСР: методы оценки во временной области, методы оценки в частотной области и методы оценки, основанные на использовании представлений нелинейной динамики и теории хаоса / 6 /.

Методы оценки ВСР во временной области являются наиболее простыми. В этих методах в качестве исходной информации используется выборка длительностей КИ фиксированного объема.

Наиболее распространенными являются статистические подходы в формировании диагностических показателей состояния, связанные с преобразованием последовательности КИ интервалов в геометрическую структуру, такую как гистограмма, скатерограмма, распределение плотности длительности КИ, распределение плотности разницы между смежными КИ и т. д.

Гистограмма - это графическое изображение сгруппированных значений длительностей КИ, где по оси абсцисс откладываются временные значения, по оси ординат - их количество.

Различают следующие типы гистограмм распределения ритма сердца: нормальная гистограмма, близкая по виду к кривым Гаусса, типична для здоровых людей в состоянии покоя; асимметричная - указывает на нарушение стационарности процесса, наблюдается при переходных состояниях; эксцессивная - характеризуется очень узким основанием и заостренной вершиной, регистрируется при выраженном стрессе, патологических состояниях. Встречается также многовершинная гистограмма, которая обусловлена наличием несинусового ритма (мерцательная аритмия, экстрасистолия), а также множественными артефактами.

Примеры гистограмм, зарегистрированных у оператора до начала деятельности (фон), и после 30 минут выполнения работы по набору текста на компьютере, даны на рис. 1 и 2.