Введение к работе
Актуальность темы.
Актуальность и полезность подавляющего большинства как новых, так и действующих технологий человечества неразрывно связана с биологическими законами жизнедеятельности человека, как биологического объекта Важнейшим из этих технологий следует считать учебный процесс, представляющий собой базовое основополагающее формирование системы знаний как п области современных "информационных технологий", так и информационного развития прошедших поколений человечества Естественно, что совершенствование учебного процесса являлось и является актуальной задачей всех поколений и человечества Об этом свидетельствует как история развития науки и образования общества, так и отражение важности этого процесса всеми религиями.
За прошедшие века выполнено огромное количество работ по формированию содержания и методики преподавания. При этом дальнейшее повышение эффективности учебного процесса требует разработки новых научно-обоснованных методик построения специальных форм обучения и организации учебного процесса, учитывающих биофизические, биологические и психологические свойства и закономерности функционирования организма человека во время обучения. В этой ситуации важнейшей проблемой является проблема построения модели функционирования нейронной системы че-яовека в процессе интеллектуальной деятельности и поиск свойств и закономерностей функционирования такой системы.
В настоящее время большинство научных исследований, направленных *а изучение функционирования нейронных систем, в основном связано либо ; проблемой нахождения взаимосвязи электроакпшности некоторых областей коры головного мозга с внешними (сенсорными) воздействиями на ор-~аны чувств биологического объекта, либо с попытками построения аналогов нейронной системы - "нейрокомпьютеров". При всей важности и значимости такой постановки задачи, как построенные до сих пор модели, так и юлученные на их основе результаты моделирования далеки от решения іроблем, связанных с функционированием нейронной системы.
. Данная работа посвящена изучению функционирования нейронной сис-емы в процессе интеллектуальной деятельности. Модели, построенные в >амках данного исследования, включают в себя как формальные статиста-іеские подходы, так и модели, выполненные на основе кинетических представлений функционирования биологической системы с применением из-іестньїх физических подходов решения проблемы.
Учитывая, что "коре головного мозга приписывается целый ряд слож-гых функций - от интеллектуальной деятельности до управления мотоней-юнами" (Шаде Дж., Форд Д. (1973)), разработанная модель апробирована
ма применимость как н описании учебного процесса, так и в описании управления движениями биологического объекта.
Цст. и задачи исследования.
Целью проведенного в диссертационной работе исследования является построение модели функционирования нейронной системы на основе кинетических представлений, сопоставление полученных теоретических результатов исследования с результатами экспериментальных исследований и совершенствование теории обучения на основе полученных результатов.
Для достижения поставленной цели была принята следующая рабочая гмиотеза:
-
Описание процесса обучения может быть выполнено на основе кинетической модели функционирования нейронной системы, в рамках которой стационарные состояния системы могут быть проанализированы с позиций спектральных представлений.
-
Процесс обучения подчиняется общему биологическому закону природы (закономерности), имеющему место как при обучении отдельного индивидуума, так и при групповом обучении, и проявляющего себя в закономерности функционирования нейронной системы как закон адаптации при информационных и физических воздействиях.
В рамках поставленной цели и принятой рабочей гипотезы были поставлены и решались следующие задаче:
-
Разработать модель нейронной системы на основе кинетических представлений.
-
Обобщить известные формальные разностные модели обучения путем разработки обобщенной модели авторегрессии и сопоставить с разрабо-', тайной кинетической моделью.
-
Разработать методику анализа стационарных состояний системы на основе спектральных представлений и решения уравнений, полученного а явном виде.
-
Разработать модель стационарных состояний электрической актив-пости нейронной системы и сопоставить результаты теоретических и экспериментальных исследований.
-
Выполнить численное интегрирование полученных уравнений для анализа свойств нейронной системы и сопоставить полученные результаты с результатами экспериментальных исследований.
Научная повнів» работы состоит в том, что:
В Впервые построена кинетическая модель функционирования нейронной системы с помощью которой удалось описать интеллектуальную деятельность коры головного мозга, особенности отклика системы на внешнее импульсное воздействие, а также процессы управления мышцами, что позволило по-новому формировать педагогический процесс, учитывая получению закономерность как индивидуального, так и группового обучения.
На основе полученной закономерности выполнено обобщение результатов педагогических и биологических исследований различных авторов;
я Впервые построены статистические модели электроактивности нейронной системы позволившие оценить спектральную плотность такого колебательного процесса Показано, что для описания стационарных стохастических процессов могут быть использованы тригонометрические ряды с изменяющимися во времени по случайному закону фазами, в соответствии с которыми разработан х(стод спектрального анализа электроактивности, как стационарного случайного процесса, с повышенной разрешающей способностью, основанный на свойейчзах рассмотренных тригонометрических рядов;
П Впервые показано, что спектр электрической активности нейронной системы представляет собой спектр излучения черного тела, который может быть аппроксимирован спектром стохастических колебаний осциллятора при наличии внешних случайных воздействий на него.
Научпая н практическая значимость работы определяется тем, что:
о показано существование общей закономерности процесса обучения, " использование которой в учебной процессе позволяет оптимизировать этот процесс;
получено новое представление стохастических процессов в виде тригонометрического ряда с изменяющимися во времени по случайному закону фазами, применение которого позволяет по-новому описывать колебательный процесс и выполнять спектральный анализ электроактивности нейронной системы с повышенной разрешающей способностью.
Достоверность результатов обеспечивается сопоставлением результатов теоретических исследований с результатами как машинных экспериментов, так и экспериментальных исследований, выполненных различными отечественными и зарубежными исследователям». Ааробаннп работы.
Материалы диссертационной работы и наиболее существенные выводы выполненных исследований докладывались и обсуждались на
семинаре лаборатории лазерной и математической биофизики кафедры Общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (декабрь 1995 г.);
Международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и наука - третье тысячелетие" (г. Москва, январь-февраль 1996 г.).
Международной конференции "Физические процессы на океанском шельфе" (г, Светлогорск, Калининградской обл., июнь 1996 г.).
Всероссийской научной конференции "Взаимодействие в системе литосфера - підросфера - атмосфера" (г. Москва, МГУ, физический факультет, ноябрь, 1996 г.).
Публикации. Основное содерясанис диссертационной работы изложено в се«и научных публикациях, список которых цр.ггеден в конце автореферата.
Осаоаимс полоаепкя вьшоснмые па застнту;
3 модели функционирования нейронной системы человека;
И обшую закономерность обучения;
В спектральное представление эдектроактивностн нейронной системы в виде тригонометрических радов с изменяющимися во времени по случайному закону фазами;
и метод обобщенного корреляционно-спектрального анализа стохастических процессов, повышающий разрешающую способность спектра и ис-. пользующий представление колебательных процессов в виде гармонических функций с изменяющимися во времени по случайному закону фазами.
Структура к объем работы.
Диссертация состоит нз введения, аналитического обзора, четырех основных разделов, заключения, списка цитированной литературы, включающего 138 наименований и приложения. Общий объем работы составляет 202 страницы машинописного текста, 36 рисунков, 7 таблиц.