CC BY
53
ЭНЕРГОИНФОРМАЦИОННЫЕ ПОТОКИ ПРИ ОБУЧЕНИИ И ИХ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И.Б. Стражмейстер
Процесс обучения рассматривается как энергоинформационный обмен между обучающим и обучающимися субъектами. Носителями и приемниками энергоинформационных потоков являются люди, которые представляются как термодинамическая система, далекая от состояния равновесия и обладающая открытостью, нелинейностью, когерентностью. В качестве количественных характеристик потоков при обучении принимаются описанные в статье термодинамические показатели.
Введение
Процесс обучения характеризуется созданием энергоинформационного потока между преподавателем и студентами, посредством которого происходит передача знаний. Для оценки происходящих при этом процессов предлагается применить способ определения локального удельного потока энтропии человека [1]. С тех пор, как возникло научное знание, начали формироваться науки, разрабатываться научные методы, одним из объектов исследования, естественно, был сам человек. Особенно перспективными являются приборные методы, использование которых позволило получить новые знания не только о физиологических и анатомических процессах в организме человека, но и о его психических состояниях. В последнее время развиваются такие науки, как синергетика и энергоинформатика [2]. Первая рассматривает процессы самоорганизации, перехода в открытых нелинейных средах различной природы от хаоса к порядку и обратно; вторая - энергоинформационные взаимодействия в природе.
Возможность расширения числа приборных методов исследования человека представляет в настоящее время термодинамика открытых систем, далеких от состояния равновесия. Термодинамические методы исследования постоянно расширяют сферу своего применения. В связи с развитием синергетики в конце ХХ века энтропия широко используется для исследования открытых термодинамических систем, далеких от состояния равновесия и обладающих, в частности, такими свойствами, как нелинейность и когерентность. Особый интерес представляет функция диссипации при учете сопряженных процессов при обмене энергией в открытых, нелинейных, когерентных системах, которыми являются и биологические объекты, в частности, человек как субъект процесса обучения.
Постановка задачи
Одним из перспективных направлений термодинамических исследований является изучение энергоинформационных потоков человека под воздействием различных внутренних и внешних факторов, в частности, в процессе обучения. Исследования энергоинформационных воздействий на человека проводятся в Центре энергоинформационных технологий при кафедре компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПбГУ ИТМО под руководством д.т.н., профессора Г.Н Дульнева [3, 4]. Для оценки реакции человека на информационное воздействие процесса обучения предлагается такой показатель, как энтропия, которая является мерой характеристики перехода системы от хаоса к порядку и обратно в процессе обмена с окружающей средой. Поскольку исследуется изменение энергоинформационных потоков в процессе обучения и полученные результаты сравниваются с показаниями фона и последействия, рассчитывается скорость изменения энтропии, или функция диссипации. Изменение энергоинформационных потоков человека в процессе обучения выводится в виде зависимости коэффициента хаоса от времени до информационного воздействия, в процессе
обучения и после него. Сравниваются показатели группы лиц, участвующих в процессе обучения.
Количественное определение энергоинформационных потоков при обучении
Понятие энтропии впервые было введено в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии. Энтропия - параметр, определяющий состояние системы с точки зрения ее внутренней упорядоченности и являющийся функцией этого состояния: чем больше хаос в системе, тем выше ее энтропия [5].
По определению Клаузиуса, изменение энтропии равно сообщенной теплоте ЛQ, отнесенной к абсолютной температуре Т.
л*=Т; ^=т (1)
Энтропия является функцией состояния, как и давление, температура, объем, внутренняя энергия, т.е. любому состоянию можно сопоставить вполне определенное значение энтропии. При абсолютном нуле температуры по теореме Нернста энтропия тоже равна нулю.
Энтропия открытой системы постоянно изменяется под влиянием внешних условий, воздействующих на систему: внешние условия определяют микросостояния, доступные системе, и их число. В пределах доступных для нее микросостояний система достигает равновесия, а энтропия, следуя за изменениями внешних условий, достигает своего максимального значения. Чем более сильно упорядочена система, тем меньше число микросостояний, которыми осуществляется макросостояние.
Австрийский физик Л. Больцман, изучая статистическое распределение молекул в определенном объеме газа, вывел формулу, по которой энтропия * определяется логарифмом числа микросостояний Р, посредством которых реализуется рассматриваемое макросостояние (статистическим весом системы) [6]
8=к1пР, (2)
где к=Я/К= 1,38-10-23 Дж/К - фундаментальная мировая постоянная Больцмана; ^=8,31 Дж/(моль-К) - молярная газовая постоянная; #=6,06-1023 моль-1 - число Аво-гадро. Менее упорядоченное состояние (больший хаос) имеет больший статистический вес, так как оно может быть реализовано большим числом способов. Следовательно, энтропия - мера неупорядоченности системы. Порядок создается искусственно, беспорядок - самопроизвольно, так как ему отвечает большая вероятность, большая энтропия. Разумная деятельность человека, в частности, процесс обучения, направлена на преодоление неупорядоченности.
В открытых системах, в частности, в биологических, обменивающихся с окружающей средой массой, энергией и информацией, однородное состояние равновесия может терять устойчивость и необратимо переходить в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений. В таких системах обнаружен эффект движения от хаоса к порядку, эффект самоорганизации. Вопрос состоит в том, как связано изменение энтропии с параметрами процессов в открытой системе и можно ли предсказать общее направление необратимых процессов в открытой системе по изменению ее энтропии. Указанная связь была установлена И. Пригожиным [7] и выражается в том, что общее изменение энтропии открытой системы может происходить независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой (¿45), либо вследствие внутренних необратимых процессов (¿5 ):
= йг$> + (3)
В классической термодинамике рассматриваются главным образом равновесные состояния системы, в которых параметры не изменяются во времени. Однако в открытых системах, в частности, биологических, реакции и соответствующие энергетические
превращения происходят постоянно, и поэтому здесь необходимо знать скорости трансформации энергии в каждый момент времени. Это значит, что в энергетических расчетах надо учитывать как фактор времени, так и фактор пространства. Для этого необходимо каким-то образом сочетать термодинамический и кинетический подходы в описании свойств открытой системы. При этом необходимо рассматривать скорость изменения энтропии - функцию диссипации о, которая описывает производство энтропии йг8 в единицу времени т в единице объема V:
Поскольку формула (4) учитывает время, то введение функции диссипации дает возможность перехода от равновесных процессов, протекающих очень медленно (где на каждом этапе достигается состояние равновесия) к неравновесным сопряженным процессам. По первому закону Бауэра все живые системы стремятся к устойчивому неравновесию, а косные - к равновесию.
В соответствии с соотношением Онзагера между движущими силами и скоростями (потоками) существует взаимосвязь, при которой увеличение (уменьшение) движущей силы вызывает соответствующее увеличение (уменьшение) скорости процесса. Это относится ко всем необратимым сопряженным процессам, которыми и являются перенос массы, энергии и информации. Во всех этих случаях возрастание энтропии (производная энтропии по времени, или функция диссипации) имеет вид
где Х - движущая сила, причина, вызывающая процесс; 3 - величина потока, вызванного данным процессом, следствие процесса. Таким образом, функция диссипации включает в себя различные сопряженные процессы обмена открытой термодинамической системы с окружающей средой, такие как обмен массой, энергией и информацией.
В такой открытой и неравновесной системе, как обучающий-обучающиеся, происходит в основном информационный обмен [8]. Количественная оценка переноса информации от обучающего к обучающимся осуществляется с помощью регистрации плотности локального потока и температуры определенных участков кожи участников исследования с последующим пересчетом их в коэффициент хаоса [9]. Результаты исследований представляются в виде графиков изменения коэффициента хаоса до, в процессе и после обучения для группы лиц, участвующих в учебном процессе.
Измерения реализуются преобразователями теплового потока (тепломеры Геращенко) со встроенными медно-константановыми термопарами с помощью лабораторного измерительного комплекса «Эниотрон-3», позволяющего проводить комплексные измерения полей различной физической природы. Тепломер Геращенко обладает двойным электрическим слоем, который позволяет регистрировать как энергетические (тепловые), так и информационные воздействия [10, 11]. Тепломер помещается в так называемых биологически активных точках тела испытуемого [1], с которых производится съем информации.
Значения теплового потока ^(т) с площади А температуры Т для промежутка времени Дт позволяют получить в реальном масштабе времени текущие значения удельной термодинамической энтропии Д8 на выбранном участке тела по известной формуле
(4)
п
а = 3!X! + 32X2 +... + 3пХп = £3гХг,
(5)
Основные результаты исследований
_д( ф) ■ Дж
йт Т 'К■ м2 '
где q(x) - плотность потока с площади поверхности тела А за промежуток времени Ar, Т - абсолютная температура датчика. Для открытой системы, которой является человек, полная энтропия вычисляется по формуле (3): складывается из производства энтропии diS и обмена энтропией с окружающей средой deS. Величина производства удельной энтропии для человека (средняя площадь поверхности тела которого около 2 м2) хорошо изучена и составляет d,S = 0,16 Дж/(м2-К) [6]. Поэтому величину обмена удельной энтропии находят по формуле:
deS = dS - diS = dS - 0,16. (7)
Для определения упорядоченности состояния системы используются меры порядка П и хаоса Х. Согласно Л. Бриллюэну [10], степень порядка в системе равна разнице между максимальным deSmax и текущим deS значениями энтропии, а степень хаоса -разнице между текущим deS и минимальным deSmin значениями энтропии:
П = deSmax — deS, (8)
По аналогии с формулой (8) выводим выражение для величины хаоса Х системы: X deS deSmin■ (9)
Действительно, для случая deS = deSmin степень хаоса равна нулю, для случая deS = deSmax степень порядка равна нулю, что и следовало ожидать.
Для количественной оценки информационных процессов, таких как обучение, предлагается использовать относительные нормированные оценки хаоса и порядка. Для этого значения хаоса Х и порядка П делят на общий знаменатель, представляющий собой разницу между максимальным deSmax и минимальным deSmin значениями приращения обмена энтропией с внешней средой, и для оценки состояния сознания используются сами коэффициенты Кх или Кп .
Оценки хаоса или порядка предлагается определять по следующим формулам:
= deS -deSmin , кп = deSmax -deS , Кх + Кп = 1, (10)
d S - d S d S - d S
e max e mm e max e mm
где deS, deSmax, deSmin - текущее, максимальное и минимальное приращение удельной термодинамической энтропии обмена с внешней средой. Можно считать, что масса и энергия изменяются по линейному закону, и в производной энтропии, вызванные данными процессами (функции диссипации), являются постоянными величинами и сокращаются при расчетах коэффициентов хаоса или порядка. Таким образом, можно предположить, что в графическом виде зависимость коэффициента хаоса от времени отражает именно динамику информационных процессов, возникающих во время обучения.
Апробация результатов производилась на базе СПбГУ ИТМО. На кафедре КТФ и ЭМ проводились исследования изменения энергоинформационных потоков в процессе устного счета, анализа сложных функций и взаимодействия двоих студентов при решении задачи по электронике. Результаты экспериментов приведены в статье [13]. На кафедре МПЧС проводились исследования изменения энергоинформационных потоков студентов в процессе прослушивания лекции и их реакция на дистанционное телепатическое воздействие из другой аудитории. Студенты выбирались для участия из различных групп успеваемости. Результаты экспериментов приведены в статье [14]. Данный метод и прибор используется в учебных программах курсов «Синергетика» и «Компьютерные технологии в образовании».
Заключение
Можно сделать вывод о том, что группа лиц, участвующих в процессе обучения, может рассматриваться как неравновесная термодинамическая система, обладающая свойствами открытости, нелинейности и когерентности. Термодинамические показатели, такие как энтропия и функция диссипации, могут служить количественными характеристиками энергоинформационных потоков при обучении. Посредством оценки сте-
пени хаотичности энергоинформационных потоков в сознании человека можно оценить глубину сосредоточенности обучающегося на изучаемом материале, импликативную связь между группой лиц, участвующих в процессе обучения, и динамику самого процесса.
Литература
1. Васильев В.Н., Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б., Агеев И.Л., Чащин А.В. Способ определения локального удельного потока энтропии человека. Патент на изобретение № 2290058 от 27.12.2006.
2. Дульнев Г.Н. В поисках тонкого мира. - СПб: Весь, 2004. - 286 с.
3. Дульнев Г.Н., Ипатов А.П. Исследование явлений энергоинформационного обмена: экспериментальные результаты. - СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 1998. - 70 с.
4. Дульнев Г.Н. Энергоинформационный обмен в природе. СПб: СПбГУ ИТМО, 2000. - 135 с.
5. Дульнев Г.Н. Введение в синергетику. - СПб: Проспект, 1998. - 256 с.
6. Волькенштеин М.В. Энтропия и информация. М.: Наука, 1986. - 192 с.
7. Николас Г. Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979. - 512 с.
8. Потеев М.И. Развитие профессионально-педагогического образования в университетах технического типа. - СПб.: Ива, 2005. - 440 с.
9. Бриллюэн Л. Научная неопределенность и информация. - М.: Иностранная литература, 1968. - 193 с.
10. Музалевская Н. И., Бобров А. В. О возможной роли двойных электрических слоев в реакции биологических объектов на внешнее воздействие // Биофизика. 1988. Т.33. №4. С. 725.
11. Полевые информационные взаимодействия. Сборник трудов. / Под ред. Боброва А.В. Орел: ОрлГУ, 2003. - 568 с.
12. Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б. Способ оценки степени хаотичности энергоинформационных потоков в сознании человека // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2005. Т.18. С.59-62.
13. Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б., Богданцев А.С. О возможностях и перспективах исследования процесса обучения человека регистрацией изменения в нем энергоинформационных потоков // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2006..
14. .Дульнев Г.Н., Стражмейстер И.Б. Оценка познавательных способностей человека по термодинамическим показателям // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2005. Т.20. С. 3-8.
