CAT系统及其在载人航天训练中的应用
作者：朱秀庆 陈道木
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：载人航天；航天训练；训练装置；计算机辅助教学
航天医学与医学工程000119
摘要:随着载人航天任务日益频繁、复杂，对训练的要求越来越高，需要多层次的训练工具。计算机辅助训练(CAT)系统由于它的经济、有效、灵活，正日益受到人们的重视。本文论述了CAT系统的基本要素，并介绍了其在国际载人航天训练领域的应用概况，展望了它的发展趋势。
中图分类号：V527；TP 391.7 文献标识码：A
文章编号：1002-0837(2000)01-0074-05
, http://www.100md.com
CAT System and Its Application in Training for Manned Space Flight
ZHU Xiu-qing,CHEN Dao-mu
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract:As aerospace missions get increasingly frequent and complex,training becomes ever more critical.Training devices in all levels are demanded.Computer-Aided Training(CAT)system,because its economic,efficient and flexible,is attracting more and more attention.In this paper,the basic factors of CAT system were discussed; the applications of CAT system in training for manned space flight were illustrated.Then we prospected further developments of CAT system.
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Key words：manned space flight；space flight training；training devices;computer aided instruction
CAT(Computer-Aided Training，即计算机辅助训练)系统，是以计算机为工具，学员自主掌握学习步骤，通过与教学软件包的通讯，交互式地呈现教学内容，达到教学与训练目的的辅助训练器。随着计算机软硬件技术，尤其是多媒体与网络技术的发展，CAT系统不但日益显示出在教学和训练领域的优势，费用也逐步趋向低廉，因此，得到了越来越广泛的应用[1～4]。在航天领域，载人飞船和航天飞机的发射日益频繁，国际空间站也已开始构建。各种飞行任务、空间实验和设备维修等工作，都需要由胜任的航天员和地面支持人员来完成[1,2，5～8]。为使人的作用能够有效、充分地发挥，必须以科学、合理的训练为条件。随着训练的需求越来越多，迫切需要寻找新型的训练设备，CAT系统正是这种客观需要和信息技术进步的必然产物。
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CAT系统概述
系统组成 CAT系统由硬件和软件组成[1,4]。硬件按学习环境不同，可分为网络型和单台站型两种。网络型系统是由多个学员站和教员站及服务器通过计算机网络联结在一起，学员通过网络上的学员站登录到服务器上，可打开服务器上的课件进行学习，并可和教员站进行通讯，获得指导和帮助。单台站型系统硬件要求更简单，普通微机即可满足要求，也有使用工作站的情况。一般应配有多媒体，触摸屏等。为携带方便，也可使用笔记本计算机。
CAT系统的软件即教学软件，一般称为课件。目前的课件大多都采用集成文本、图形/图象、声音、动画和视频的多媒体形式。
课件开发 CAT课件的开发涉及多方面因素，如教学内容的组织与表达、教学方法的运用、音响与视觉效果运用等等，需要由各方面专业人员来共同参与。一个CAT课件开发组一般由下列人员组成：领域专家(负责课件内容相关领域知识的提供与组织)、教育技术专家(对课件的教学策略提出建议，提出与教学内容及受训对象相适宜的课件设计风格)、媒体艺术专家(对课件中应用的各种媒体形式进行设计和制作，包括图形/图象，动画，声音及视频等)、程序员(负责程序编制和课件的集成)等。所以，开发CAT课件需要以上人员互相之间的密切配合，形成统一的设计思想，并体现在最后的课件当中。
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影响CAT系统效果的关键因素是课件制作的质量，应在满足训练目标的前提下，减少开发时间和节省开发经费。既不能简单地照本宣科，也不能偏离教学训练作用去片面地追求华丽的界面和屏幕视觉效果，而需要根据课件涉及的内容考虑课件应该采取的不同形式。从简单的电子书形式到复杂的交互式仿真型课件，其开发的复杂性和费用是差别很大的，必须根据课件内容的适宜性在财力允许的范围内权衡考虑。据调查，一般1 h普通CAT课件的开发约需耗费200人小时，涉及仿真等形式的复杂课件则花费300人小时以上，所以，课件形式选择适当可以省时省力。
课件也是软件，因此CAT课件的制作也需要采取软件工程化的开发方法，按流程可分为需求分析、概要设计、脚本与故事板编写、媒体制作、课件合成、测试评价等阶段[9,10]。在课件合成之前的设计阶段，开发者必须对课件的内容及使用对象进行细致的分析，考虑课件所要达到的目的，选取适当的教学方法和策略，使所设计的课件更加有针对性。脚本与故事板的编写便于领域专家、教育技术专家与媒体艺术专家和程序员之间的互相交流与沟通，也是课件设计与修改的依据。在故事板阶段，由于采用框架和草图来勾画课件原型，可以预览课件表现，也更便于修改，节省了开发时间。所以，工程化的开发方法可以使课件设计达到事半功倍的效果。
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总之，课件的研制开发，无论从哪一个角度来看，都必须贯彻系统论的思想，以系统工程的方法来组织和管理课件的研制过程，从而做到学科领域专家、教育技术专家、媒体艺术专家和软件专家等各方面人员互相配合，同心协力，才能够优质高效地完成课件开发任务。
课件测试和评价 课件在初步制作完成以后，在正式使用前，还需要进行严格的测试和评价工作。包括课件运行测试，课件内容科学性评价和用户反馈调查等。课件运行测试是针对课件将来可能的运行环境，如软、硬件平台情况等，检查课件运行当中出现的问题，以排除课件中的设计问题，如交互响应不正常，不可达帧面或造成死机等，保证课件发布后的正常运行。课件内容科学性评价需要相关的领域专家对整个课件内容详细审查，以保证课件内容的正确性。用户反馈调查是邀请课件目标用户代表对课件进行试用并给出评价意见，根据他们的习惯和爱好，调整课件的设计风格和策略，使课件更适合使用者的特点，提高教学训练的可用性。一个课件的制作过程中可能需要经过几次测试和评价，以确保最终完美地交到用户手中。
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标准化 课件开发的全过程都涉及到标准化的问题，通过标准化的方法，可以方便开发人员的交流，使课件具有通用性，减少不必要的开销，等等。例如，课件脚本编写标准规定了脚本应包含的内容及书写的格式等，遵循这个标准，可以使脚本编写效率提高，也更易读懂，设计人员的意图和思路可以被更好地理解，也便于以后的修改和维护；课件演播平台标准规定了课件运行平台的软、硬件配置，使用户参照标准购置相应的设备；课件和教学管理系统(CMI)互操作性标准规定了课件和教管系统的数据表达和交流方法，便于不同来源的课件可以集成在一个教学管理系统之下。目前，航空工业计算机辅助训练协会(AICC)规定了一系列相关标准可以参考利用。NASA在其CAT课件开发当中也形成了一套相关标准，ESA在课件开发中参考了这些标准。从航天领域的国际化趋势来看，形成一套共同遵循的标准是十分必要的。
CAT系统在载人航天训练中的应用
在国际航天领域，NASA和ESA都已在航天员、飞行控制人员和地面支持人员的训练中使用了CAT系统，并且将其视为未来训练领域的重要工具之一，这是因为CAT系统在教学和训练中具有如下所述的优越性：(1)课件选择灵活，可有效地利用训练时间。(2)CAT系统以交互方式进行学习和训练，利用多媒体技术，吸引学员多种感觉器官的注意，可调动学员的积极性，提高了训练效果。(3)不受时间和地点的限制，节省训练费用。(4)教学与评价系统标准化，学员学习效果的评价容易，方便等。
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可以说，航天员需要掌握的大部分知识和部分技能都可以应用CAT系统训练来获得。例如，借助CAT系统训练航天员，使他们熟悉航天器各分系统部件构造、工作原理与操作规程，熟悉船载计算机用户界面，熟悉各种故障状况及相应的处理方法，进行计算机模拟的全飞行过程的动态演示和操作步骤训练，提供训练效果评价等等。
ESA虽然现在还没有自己的载人航天器，但它的航天员已搭载俄罗斯的“联盟”号飞船和美国的航天飞机多次执行任务，截止到1998年底，ESA航天员上天已达35人次[11]。在90年代初，ESA已经在航天员的基础和专业训练中使用CAT系统[2]。在未来的国际空间站计划中，ESA将拥有自己的Columbus轨道实验舱，航天员的上天任务将更加频繁，对训练的要求也将更多，因此，ESA非常重视CAT系统的开发和利用，并准备将其作为在轨训练的一种手段[5,6]。对于长期飞行任务来说，在轨训练是十分必要的。某些执行频次较少的工作，航天员虽然已经过了训练，但也可能由于时间过长而遗忘了，因此，必须不断进行刷新式的训练。某些不太重要，不涉及安全问题的任务，可能在地面训练很少或没有训练，在任务执行时，可以使用CAT系统进行即时训练(Just-in-time training )。这种训练利用万维网WWW (World Wide Web)来实现，采用客户/服务器结构，学员在终端节点通过一个网络浏览器来学习课程内容。对于出差和休假的人员及在轨的航天员，可以使用便携式电脑在任意方便的时刻自我训练。
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1997年2月，ESA利用俄罗斯的“和平”号空间站进行了应用CAT系统在轨训练的实验，该CAT系统是ESA开发的一个集成3个教学课件的教学训练环境，采用的计算机是IBM ThinkPad笔记本电脑，课件的内容是关于一个进行材料科学实验的加热炉的使用，其中包括正常操作课件，非正常操作课件，仿真操作课件3个训练模块。正常操作课件训练航天员执行炉子的正常操作，如炉子的开启和关闭，实验样本的装入和取出，启动实验并观察它的进展等。非正常操作课件训练航天员识别炉子的故障原因并找出解决故障的办法。仿真操作课件提供一个可视化的图形界面，通过进行点-击的交互操作，受训者可以观察炉子模型的结构并对其进行控制练习。当训练需要时，可以通过Web从地面上载新的训练材料。这只是有效载荷训练的一个例子，实际上，一个航天项目中的任何一个子系统或一件设备，都可以有一个CAT课件来对应它的教学和训练。由于CAT系统能够实现的功能、所起的作用及具有的优势，使它得到了ESA特别的重视。在ESA及其各成员国，有数支CAT课件开发队伍，他们与NASA等其他航天伙伴采用相同的开发标准，互相交换课件材料，包括协同进行课件的开发。目前，为国际空间站各部分准备的CAT系统正在开发之中。
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NASA对航天员进行任务训练的方法一般包括课堂教学、阅读工作手册、CAT系统训练、单项系统训练器和综合任务训练模拟器等阶段。CAT系统起到了承上启下的作用，既弥补了课堂教学和阅读手册等学习方式的不足，又为进一步深入的训练打下了基础。因此，NASA在航天器各系统，从推进到环境控制，都采用了CAT系统训练。在80年代末期，NASA在CAT中采用人工智能方法，创立了智能化的计算机辅助训练模型[7,8]。应用此模型，可以较快速地实现智能化的计算机辅助训练系统(ICAT)。该模型由用户界面、领域专家、训练系统管理器、学员模型、训练场景发生器等5个模块组成，生成的ICAT系统能够模拟真实教练员的行为，可对受训者的各种活动进行指导。如根据学生的不同情况，生成不同的学习场景，评价学员的行为，对学员的错误进行纠正等。该项目获得1994年度的NASA发明奖，在约翰逊航天中心的一系列课件开发中也采用了该模型。第一个应用此模型开发的是载荷辅助舱部署ICAT系统，它用于训练NASA飞行控制人员掌握应用航天飞机部署卫星的方法，包括执行部署时机及飞船朝向的计算和其他的操作。其他的项目还有用于训练推进系统测试工程师的主推进气体力学ICAT系统，训练载荷和任务专家的VVL(Vacuum Vent Line)ICAT系统，仪器对准ICAT系统以及SpaceHab智能熟悉训练器(SHIFT)等等。SpaceHab是设置在航天飞机载荷舱中的一个可重用的舱室，它扩大了航天飞机的可生存空间，主要用于特别任务和实验项目。SHIFT用于训练航天员熟悉SpaceHab舱的工作环境，它使用实际飞船和SpaceHab控制面板的位图照片，提供各种旋钮、按键及开关的仿真操作，是一个非常有效的训练环境，已多次应用在航天飞机任务的训练中，包括STS-57、STS-60、STS-63、STS-76、STS-77和STS-79等。近年来，随着网络技术的发展和Internet的应用，一种协同训练的ICAT系统CTT(Collaborative Team Training)正在约翰逊航天中心研究开发，这种系统可以将ICAT模型应用到远程的教学训练网中，以适应未来国际空间站时代的训练需求。由于日益增多的需接受训练的人员可能来自相隔遥远的不同国家和地区，如果使他们可以通过互联网进行协同训练，就不必花费旅途时间和经费去集中到一地训练，也可以使训练在低成本条件下更经常地进行，从而为飞行任务的完成提供更充分的保障。
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随着我国载人航天事业的发展，CAT系统在航天训练领域的应用需求将会显现出来。考虑到目前我国还不可能开发太多大型训练设备，必须尽量采用经济实用的训练设备来达到我们的训练目的。在这种情况下，充分利用CAT系统训练，减轻对大型训练设备的需求，或者，预先应用CAT系统训练，达到一定熟练程度后，再转入更复杂，功能更强的训练设备，减少其使用时间，以满足更多受训者的需求，无疑是一种比较现实的、合理的选择。
CAT系统的发展趋势
CAT系统作为一种教学训练手段，是随着计算机技术、教育训练技术及其他相关技术的发展而发展，将会不断推陈出新。从目前的CAT系统研制发展趋势可以看出其未来发展方向将是朝着网络化、智能化，虚拟现实技术也将在CAT系统中得到越来越多的应用。
网络化(有线或无线)的CAT系统具有多媒体、分布式、可交互及平台独立等多种特点，对于目前航天领域多国参与，教学训练资源分散在各个参加国的状况，无疑是非常适合的一种训练形式。
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应用人工智能技术的智能CAT系统能够模拟教师行为，考察学生的学习能力、认知特点和当前知识水平，根据学生的不同特点选择适当的教学内容和方法，对学生进行有针对性的个别指导，一定程度上作到“因才施教”，会使CAT系统的教学效果更加显著。
虚拟现实(VR)是由多媒体与仿真技术相结合而生成的一种交互式人工世界，它可以创造一种身临其境的感觉。在教学与训练领域，VR技术有令人鼓舞的应用前景[7,12]。在航天领域，ESA和NASA的各中心均已开始了VR的各种研究和应用，如利用VR系统训练航天员进行太空各种操作训练(哈勃望远镜的维修训练即是一例)等。我们也开展了在CAT中应用最简单、实现最方便、最经济的一类VR系统的研究工作，即所谓WOW(Window On World)系统。这种系统使用普通计算机监视器来显示虚拟的3D世界，使用者通过键盘、鼠标或操纵杆来控制虚拟世界中物体的运动，可以用来进行操作训练，熟悉练习等。
另一方面，CAT系统的应用范围将会不断扩大，不仅应用于航天员训练中，飞行控制人员，地面支持人员及航天领域其他相关人员的训练中，都将会更多地使用CAT系统。而且，由于NASA在CAT系统的开发中，多是委托给相关的专业开发公司或与之合作，这些公司在开发完成后，将开发过程中获得的成熟理论和方法应用到其他行业当中，由此推动了CAT的更广泛应用[1,3]。比如，前文提到的ICAT模型，就已经推广应用到包括政府，军队，工业，教育等部门和行业的人员培训过程当中。
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结束语
CAT系统在NASA和ESA的航天员和其他支持人员的训练中，已经发挥了重要的作用，被认为是一个非常有效的训练工具。与一般课堂教学相比，它具有多媒体、学习自主性、可交互性等特点；与模拟器等大型训练设备相比，它具有费用低、开发周期短、随时随处可用等优势，并且CAT系统能够快速吸收新的技术不断丰富实现手段，如互联网、人工智能和虚拟现实等新兴技术都已在CAT系统中得到了应用。随着计算机技术及其他相关技术领域的不断进步，CAT系统在技术上的这种发展趋势将会更加明显，其在航天训练领域的作用将会更大。而任何新的教学训练工具的出现，也必然会引发教学训练的理念、模式和组织管理等方面的变化，出现新的研究课题。
[参考文献]
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[12]CHEN Shan-guang.Virtual reality and its possible application in apace medico-engineering[J].Space Medicine & Medical Engineering,1996,9(2):140～146
陈善广.虚拟现实技术及其在航天医学工程领域的应用前景[J].航天医学与医学工程,1996,9(2):140～146
收稿日期：1999-05-26, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：载人航天；航天训练；训练装置；计算机辅助教学
航天医学与医学工程000119
摘要:随着载人航天任务日益频繁、复杂，对训练的要求越来越高，需要多层次的训练工具。计算机辅助训练(CAT)系统由于它的经济、有效、灵活，正日益受到人们的重视。本文论述了CAT系统的基本要素，并介绍了其在国际载人航天训练领域的应用概况，展望了它的发展趋势。
中图分类号：V527；TP 391.7 文献标识码：A
文章编号：1002-0837(2000)01-0074-05
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CAT System and Its Application in Training for Manned Space Flight
ZHU Xiu-qing,CHEN Dao-mu
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract:As aerospace missions get increasingly frequent and complex,training becomes ever more critical.Training devices in all levels are demanded.Computer-Aided Training(CAT)system,because its economic,efficient and flexible,is attracting more and more attention.In this paper,the basic factors of CAT system were discussed; the applications of CAT system in training for manned space flight were illustrated.Then we prospected further developments of CAT system.
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Key words：manned space flight；space flight training；training devices;computer aided instruction
CAT(Computer-Aided Training，即计算机辅助训练)系统，是以计算机为工具，学员自主掌握学习步骤，通过与教学软件包的通讯，交互式地呈现教学内容，达到教学与训练目的的辅助训练器。随着计算机软硬件技术，尤其是多媒体与网络技术的发展，CAT系统不但日益显示出在教学和训练领域的优势，费用也逐步趋向低廉，因此，得到了越来越广泛的应用[1～4]。在航天领域，载人飞船和航天飞机的发射日益频繁，国际空间站也已开始构建。各种飞行任务、空间实验和设备维修等工作，都需要由胜任的航天员和地面支持人员来完成[1,2，5～8]。为使人的作用能够有效、充分地发挥，必须以科学、合理的训练为条件。随着训练的需求越来越多，迫切需要寻找新型的训练设备，CAT系统正是这种客观需要和信息技术进步的必然产物。
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CAT系统概述
系统组成 CAT系统由硬件和软件组成[1,4]。硬件按学习环境不同，可分为网络型和单台站型两种。网络型系统是由多个学员站和教员站及服务器通过计算机网络联结在一起，学员通过网络上的学员站登录到服务器上，可打开服务器上的课件进行学习，并可和教员站进行通讯，获得指导和帮助。单台站型系统硬件要求更简单，普通微机即可满足要求，也有使用工作站的情况。一般应配有多媒体，触摸屏等。为携带方便，也可使用笔记本计算机。
CAT系统的软件即教学软件，一般称为课件。目前的课件大多都采用集成文本、图形/图象、声音、动画和视频的多媒体形式。
课件开发 CAT课件的开发涉及多方面因素，如教学内容的组织与表达、教学方法的运用、音响与视觉效果运用等等，需要由各方面专业人员来共同参与。一个CAT课件开发组一般由下列人员组成：领域专家(负责课件内容相关领域知识的提供与组织)、教育技术专家(对课件的教学策略提出建议，提出与教学内容及受训对象相适宜的课件设计风格)、媒体艺术专家(对课件中应用的各种媒体形式进行设计和制作，包括图形/图象，动画，声音及视频等)、程序员(负责程序编制和课件的集成)等。所以，开发CAT课件需要以上人员互相之间的密切配合，形成统一的设计思想，并体现在最后的课件当中。
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影响CAT系统效果的关键因素是课件制作的质量，应在满足训练目标的前提下，减少开发时间和节省开发经费。既不能简单地照本宣科，也不能偏离教学训练作用去片面地追求华丽的界面和屏幕视觉效果，而需要根据课件涉及的内容考虑课件应该采取的不同形式。从简单的电子书形式到复杂的交互式仿真型课件，其开发的复杂性和费用是差别很大的，必须根据课件内容的适宜性在财力允许的范围内权衡考虑。据调查，一般1 h普通CAT课件的开发约需耗费200人小时，涉及仿真等形式的复杂课件则花费300人小时以上，所以，课件形式选择适当可以省时省力。
课件也是软件，因此CAT课件的制作也需要采取软件工程化的开发方法，按流程可分为需求分析、概要设计、脚本与故事板编写、媒体制作、课件合成、测试评价等阶段[9,10]。在课件合成之前的设计阶段，开发者必须对课件的内容及使用对象进行细致的分析，考虑课件所要达到的目的，选取适当的教学方法和策略，使所设计的课件更加有针对性。脚本与故事板的编写便于领域专家、教育技术专家与媒体艺术专家和程序员之间的互相交流与沟通，也是课件设计与修改的依据。在故事板阶段，由于采用框架和草图来勾画课件原型，可以预览课件表现，也更便于修改，节省了开发时间。所以，工程化的开发方法可以使课件设计达到事半功倍的效果。
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总之，课件的研制开发，无论从哪一个角度来看，都必须贯彻系统论的思想，以系统工程的方法来组织和管理课件的研制过程，从而做到学科领域专家、教育技术专家、媒体艺术专家和软件专家等各方面人员互相配合，同心协力，才能够优质高效地完成课件开发任务。
课件测试和评价 课件在初步制作完成以后，在正式使用前，还需要进行严格的测试和评价工作。包括课件运行测试，课件内容科学性评价和用户反馈调查等。课件运行测试是针对课件将来可能的运行环境，如软、硬件平台情况等，检查课件运行当中出现的问题，以排除课件中的设计问题，如交互响应不正常，不可达帧面或造成死机等，保证课件发布后的正常运行。课件内容科学性评价需要相关的领域专家对整个课件内容详细审查，以保证课件内容的正确性。用户反馈调查是邀请课件目标用户代表对课件进行试用并给出评价意见，根据他们的习惯和爱好，调整课件的设计风格和策略，使课件更适合使用者的特点，提高教学训练的可用性。一个课件的制作过程中可能需要经过几次测试和评价，以确保最终完美地交到用户手中。
, http://www.100md.com
标准化 课件开发的全过程都涉及到标准化的问题，通过标准化的方法，可以方便开发人员的交流，使课件具有通用性，减少不必要的开销，等等。例如，课件脚本编写标准规定了脚本应包含的内容及书写的格式等，遵循这个标准，可以使脚本编写效率提高，也更易读懂，设计人员的意图和思路可以被更好地理解，也便于以后的修改和维护；课件演播平台标准规定了课件运行平台的软、硬件配置，使用户参照标准购置相应的设备；课件和教学管理系统(CMI)互操作性标准规定了课件和教管系统的数据表达和交流方法，便于不同来源的课件可以集成在一个教学管理系统之下。目前，航空工业计算机辅助训练协会(AICC)规定了一系列相关标准可以参考利用。NASA在其CAT课件开发当中也形成了一套相关标准，ESA在课件开发中参考了这些标准。从航天领域的国际化趋势来看，形成一套共同遵循的标准是十分必要的。
CAT系统在载人航天训练中的应用
在国际航天领域，NASA和ESA都已在航天员、飞行控制人员和地面支持人员的训练中使用了CAT系统，并且将其视为未来训练领域的重要工具之一，这是因为CAT系统在教学和训练中具有如下所述的优越性：(1)课件选择灵活，可有效地利用训练时间。(2)CAT系统以交互方式进行学习和训练，利用多媒体技术，吸引学员多种感觉器官的注意，可调动学员的积极性，提高了训练效果。(3)不受时间和地点的限制，节省训练费用。(4)教学与评价系统标准化，学员学习效果的评价容易，方便等。
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可以说，航天员需要掌握的大部分知识和部分技能都可以应用CAT系统训练来获得。例如，借助CAT系统训练航天员，使他们熟悉航天器各分系统部件构造、工作原理与操作规程，熟悉船载计算机用户界面，熟悉各种故障状况及相应的处理方法，进行计算机模拟的全飞行过程的动态演示和操作步骤训练，提供训练效果评价等等。
ESA虽然现在还没有自己的载人航天器，但它的航天员已搭载俄罗斯的“联盟”号飞船和美国的航天飞机多次执行任务，截止到1998年底，ESA航天员上天已达35人次[11]。在90年代初，ESA已经在航天员的基础和专业训练中使用CAT系统[2]。在未来的国际空间站计划中，ESA将拥有自己的Columbus轨道实验舱，航天员的上天任务将更加频繁，对训练的要求也将更多，因此，ESA非常重视CAT系统的开发和利用，并准备将其作为在轨训练的一种手段[5,6]。对于长期飞行任务来说，在轨训练是十分必要的。某些执行频次较少的工作，航天员虽然已经过了训练，但也可能由于时间过长而遗忘了，因此，必须不断进行刷新式的训练。某些不太重要，不涉及安全问题的任务，可能在地面训练很少或没有训练，在任务执行时，可以使用CAT系统进行即时训练(Just-in-time training )。这种训练利用万维网WWW (World Wide Web)来实现，采用客户/服务器结构，学员在终端节点通过一个网络浏览器来学习课程内容。对于出差和休假的人员及在轨的航天员，可以使用便携式电脑在任意方便的时刻自我训练。
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1997年2月，ESA利用俄罗斯的“和平”号空间站进行了应用CAT系统在轨训练的实验，该CAT系统是ESA开发的一个集成3个教学课件的教学训练环境，采用的计算机是IBM ThinkPad笔记本电脑，课件的内容是关于一个进行材料科学实验的加热炉的使用，其中包括正常操作课件，非正常操作课件，仿真操作课件3个训练模块。正常操作课件训练航天员执行炉子的正常操作，如炉子的开启和关闭，实验样本的装入和取出，启动实验并观察它的进展等。非正常操作课件训练航天员识别炉子的故障原因并找出解决故障的办法。仿真操作课件提供一个可视化的图形界面，通过进行点-击的交互操作，受训者可以观察炉子模型的结构并对其进行控制练习。当训练需要时，可以通过Web从地面上载新的训练材料。这只是有效载荷训练的一个例子，实际上，一个航天项目中的任何一个子系统或一件设备，都可以有一个CAT课件来对应它的教学和训练。由于CAT系统能够实现的功能、所起的作用及具有的优势，使它得到了ESA特别的重视。在ESA及其各成员国，有数支CAT课件开发队伍，他们与NASA等其他航天伙伴采用相同的开发标准，互相交换课件材料，包括协同进行课件的开发。目前，为国际空间站各部分准备的CAT系统正在开发之中。
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NASA对航天员进行任务训练的方法一般包括课堂教学、阅读工作手册、CAT系统训练、单项系统训练器和综合任务训练模拟器等阶段。CAT系统起到了承上启下的作用，既弥补了课堂教学和阅读手册等学习方式的不足，又为进一步深入的训练打下了基础。因此，NASA在航天器各系统，从推进到环境控制，都采用了CAT系统训练。在80年代末期，NASA在CAT中采用人工智能方法，创立了智能化的计算机辅助训练模型[7,8]。应用此模型，可以较快速地实现智能化的计算机辅助训练系统(ICAT)。该模型由用户界面、领域专家、训练系统管理器、学员模型、训练场景发生器等5个模块组成，生成的ICAT系统能够模拟真实教练员的行为，可对受训者的各种活动进行指导。如根据学生的不同情况，生成不同的学习场景，评价学员的行为，对学员的错误进行纠正等。该项目获得1994年度的NASA发明奖，在约翰逊航天中心的一系列课件开发中也采用了该模型。第一个应用此模型开发的是载荷辅助舱部署ICAT系统，它用于训练NASA飞行控制人员掌握应用航天飞机部署卫星的方法，包括执行部署时机及飞船朝向的计算和其他的操作。其他的项目还有用于训练推进系统测试工程师的主推进气体力学ICAT系统，训练载荷和任务专家的VVL(Vacuum Vent Line)ICAT系统，仪器对准ICAT系统以及SpaceHab智能熟悉训练器(SHIFT)等等。SpaceHab是设置在航天飞机载荷舱中的一个可重用的舱室，它扩大了航天飞机的可生存空间，主要用于特别任务和实验项目。SHIFT用于训练航天员熟悉SpaceHab舱的工作环境，它使用实际飞船和SpaceHab控制面板的位图照片，提供各种旋钮、按键及开关的仿真操作，是一个非常有效的训练环境，已多次应用在航天飞机任务的训练中，包括STS-57、STS-60、STS-63、STS-76、STS-77和STS-79等。近年来，随着网络技术的发展和Internet的应用，一种协同训练的ICAT系统CTT(Collaborative Team Training)正在约翰逊航天中心研究开发，这种系统可以将ICAT模型应用到远程的教学训练网中，以适应未来国际空间站时代的训练需求。由于日益增多的需接受训练的人员可能来自相隔遥远的不同国家和地区，如果使他们可以通过互联网进行协同训练，就不必花费旅途时间和经费去集中到一地训练，也可以使训练在低成本条件下更经常地进行，从而为飞行任务的完成提供更充分的保障。
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随着我国载人航天事业的发展，CAT系统在航天训练领域的应用需求将会显现出来。考虑到目前我国还不可能开发太多大型训练设备，必须尽量采用经济实用的训练设备来达到我们的训练目的。在这种情况下，充分利用CAT系统训练，减轻对大型训练设备的需求，或者，预先应用CAT系统训练，达到一定熟练程度后，再转入更复杂，功能更强的训练设备，减少其使用时间，以满足更多受训者的需求，无疑是一种比较现实的、合理的选择。
CAT系统的发展趋势
CAT系统作为一种教学训练手段，是随着计算机技术、教育训练技术及其他相关技术的发展而发展，将会不断推陈出新。从目前的CAT系统研制发展趋势可以看出其未来发展方向将是朝着网络化、智能化，虚拟现实技术也将在CAT系统中得到越来越多的应用。
网络化(有线或无线)的CAT系统具有多媒体、分布式、可交互及平台独立等多种特点，对于目前航天领域多国参与，教学训练资源分散在各个参加国的状况，无疑是非常适合的一种训练形式。
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应用人工智能技术的智能CAT系统能够模拟教师行为，考察学生的学习能力、认知特点和当前知识水平，根据学生的不同特点选择适当的教学内容和方法，对学生进行有针对性的个别指导，一定程度上作到“因才施教”，会使CAT系统的教学效果更加显著。
虚拟现实(VR)是由多媒体与仿真技术相结合而生成的一种交互式人工世界，它可以创造一种身临其境的感觉。在教学与训练领域，VR技术有令人鼓舞的应用前景[7,12]。在航天领域，ESA和NASA的各中心均已开始了VR的各种研究和应用，如利用VR系统训练航天员进行太空各种操作训练(哈勃望远镜的维修训练即是一例)等。我们也开展了在CAT中应用最简单、实现最方便、最经济的一类VR系统的研究工作，即所谓WOW(Window On World)系统。这种系统使用普通计算机监视器来显示虚拟的3D世界，使用者通过键盘、鼠标或操纵杆来控制虚拟世界中物体的运动，可以用来进行操作训练，熟悉练习等。
另一方面，CAT系统的应用范围将会不断扩大，不仅应用于航天员训练中，飞行控制人员，地面支持人员及航天领域其他相关人员的训练中，都将会更多地使用CAT系统。而且，由于NASA在CAT系统的开发中，多是委托给相关的专业开发公司或与之合作，这些公司在开发完成后，将开发过程中获得的成熟理论和方法应用到其他行业当中，由此推动了CAT的更广泛应用[1,3]。比如，前文提到的ICAT模型，就已经推广应用到包括政府，军队，工业，教育等部门和行业的人员培训过程当中。
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结束语
CAT系统在NASA和ESA的航天员和其他支持人员的训练中，已经发挥了重要的作用，被认为是一个非常有效的训练工具。与一般课堂教学相比，它具有多媒体、学习自主性、可交互性等特点；与模拟器等大型训练设备相比，它具有费用低、开发周期短、随时随处可用等优势，并且CAT系统能够快速吸收新的技术不断丰富实现手段，如互联网、人工智能和虚拟现实等新兴技术都已在CAT系统中得到了应用。随着计算机技术及其他相关技术领域的不断进步，CAT系统在技术上的这种发展趋势将会更加明显，其在航天训练领域的作用将会更大。而任何新的教学训练工具的出现，也必然会引发教学训练的理念、模式和组织管理等方面的变化，出现新的研究课题。
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收稿日期：1999-05-26, 百拇医药