Xây dựng phần mềm mô phỏng trong dạy học lý thuyết chuyên môn ngành động lực

Bộ giáo dục đào tạo

Trờng đại học bách khoa hà nội
-------------------------------------

Luận văn thạc sĩ khoa học

Xây dựng phần mền mô phỏng
trong dạy học lý thuết chuyên môn
ngành động lực
Ngành : S phạm kỹ thuật
M số :

Phạm hữu truyền

Ngời hớng dẫn khoa học: PGS-TS Nguyễn đức trí

Hà nội 2006


MụC LụC
Nội dung
Trang bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các từ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở đầu
Chơng I. Cơ sở lý luận của việc vận dụng phơng pháp mô phỏng

trong dạy học nghề động lực
1.1. Một số vấn đề về phơng pháp dạy học
1.2. Tổng quan về phơng pháp mô phỏng (PPMP).
1.3. Phơng tiện dạy học
1.4. Kết luận chơng I
Chơng II . Thực trạng PPDH và sử dụng phơng tiện dạy học tại
khoa cơ khí động lực trờng ĐHSPKT vinh
2.1. Chơng trình các môn học chuyên môn ngành động lực trong đào tạo
giáo viên dạy nghề trình độ cao đẳng ở trờng ĐHSPKT Vinh
2.2. Thực trạng PPDH và sử dụng phơng tiện dạy học
2.3. Kết luận chơng II
Chơng III. Xây dựng một số mô phỏng trong dạy học các môn học
chuyên môn ngành động lực
3.1. Các yêu cầu đối với mô phỏng
3.2. Một số mô phỏng
3.3. Tính u việt của dạy học theo phơng pháp mô phỏng trong bài soạn
so với cách dạy thông thờng
3.4. Thử nghiệm bớc đầu sử dụng mô phỏng
3.5. Kết luận chơng III
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

Trang

1
5
5
9
27

37
38
38
43
55
56
56
61
65
66
86
87
89
91


Danh mục các thuật ngữ viết tắt
TT

Từ viết tắt

Nghĩa của từ viết tắt

1

CKĐL

Cơ khí động lực

2

ĐHSPKT

Đại học s phạm kỹ thuật

3

GV

Giáo viên

4

SV

Sinh viên

5

HS

Học sinh

6

M

Mục tiêu

7

N

Nội dung

8

P

Phơng pháp

9

HS-SV

Học sinh, sinh viên

10

SCTB

Sửa chữa thiết bị

11

SPKT

S phạm kỹ thuật

Danh mục các bảng
Tên bảng
Bảng 2.1: Mặt bằng trình độ giáo viên khoa Cơ khí động lực trờng

Trang
45

ĐHSPKT Vinh
Bảng 2.2. Kết quả điều tra nhận thức về cải tiến PPDH

48

Bảng 2.3. Kết quả điều tra về thực trạng PPDH tại khoa cơ khí động

49

lực trờng ĐHSPKT Vinh
Bảng 2.4. Bảng kết quả điều tra về nguyên nhân và thực trạng

50

Bảng 2.5. Bảng kết quả điều tra về điều kiện để cải tiến PPDH

50

Bảng 2.6. Bảng đối tợng khảo sát

53

Bảng 2.7. Kết quả điều tra, khảo sát qua phiếu câu hỏi dành cho HS

54

SV
Bảng 3.1. Bảng phân phối số học sinh (Fi) đạt điểm (Xi), đợt 1

77

Bảng 3.2. Từ bảng phân phối trên ta có bảng tần suất (Fi%), đợt 1

78

Bảng 3.3. Từ hai bảng trên có bảng tần suất hội tụ tiến (Fi ), đợt 1

78

Bảng 3.4. Tính , , V cho lớp đối chứng, đợt 1

78

Bảng 3.5. Tính , , V cho lớp thử nghiệm, đợt 1

79

Bảng 3.6. Bảng so sánh, đợt 1

79

Bảng 3.7. Bảng phân phối số học sinh (Fi) đạt điểm (Xi), đợt 2

81

Bảng 3.8. Từ bảng phân phối trên ta có bảng tần suất (Fi%), đợt 2

81

Bảng 3.9. Từ hai bảng trên có bảng tần suất hội tụ tiến (Fi ), đợt 2

82

Bảng 3.10. Tính 2, , V cho lớp đối chứng, đợt 2

82

Bảng 3.11. Tính , , V cho lớp thử nghiệm, đợt 2

83

Bảng 3.12. Bảng so sánh, đợt 2

83

2

2

2


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

Hình 1-1: Mục đích nội dung quy định phơng pháp

7

Hình 1-2: Cấu trúc đa cấp của phơng pháp trong một hoạt động

8

Hình 1-3: Phân loại mô hình theo lý thuyết xây dựng mô hình

13

Hình 1-4: Quá trình mô phỏng

20

Hình 1-5: Quá trình mô phỏng số

23

Hình 1-6: Mô hình dạy học theo Heimann

28

Hình 1-7: Mô hình dạy học của Frank

28

Hình 1-8: Mô hình quan hệ dạy học cơ bản theo Hortsch

29

Hình 1-9: Tam giác quan hệ giáo viên học sinh nội dung trong

29

day học
Hình 1-10: Vai trò của phơng tiện dạy học trong tam giác quan hệ

30

Hình 2.1. Tổ chức bộ máy khoa cơ khí động lực

44

Hình 3.1. Quy trình xây dựng mô hình trên phần mền dạy

60

Đồ thi 3.1. Đờng tần suất của lớp đối chứng (ĐC) và lớp thử

80

nghiệm (TN), đợt 1
Đồ thi 3.2. Đờng tần suất hội tụ tiến của lớp đối chứng và lớp thực

81

nghiệm, đợt 1
Đồ thi 3.3. Đờng tần suất của lớp đối chứng (ĐC) và lớp thử

84

nghiệm (TN), đợt 2
Đồ thi 3.4. Đờng tần suất hội tụ tiến của lớp đối chứng và lớp thử
nghiệm, đợt 2

85


1

Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, số HS SV ( học sinh - sinh viên) vào học hệ công nhân kỹ
thuật, cao đẳng hoặc đại học; kể cả những ngời đang đi học trở lại học với
các chuyên ngành nâng cao ngày càng đông. Trớc tình hình đó, ở nhiều nớc
trên thế giới, các phơng pháp dạy học mới dựa trên quan điểm phát huy tính
tích cực của ngời học, đề cao vai trò tự học của học trò, kết hợp với sự hớng
dẫn của thầy đang đợc áp dụng rỗng rãi. Sự thay đổi này đã làm thay đổi
không chỉ cách giảng dạy mà còn thay đổi cả việc tổ chức quá trình giáo dục,
ứng dụng những công nghệ dạy học, phơng tiện kỹ thuật trong giảng dạy ...
do đó, khắc phục nhợc điểm của phơng pháp cũ, tạo ra một chất lợng mới
cho giáo dục - đào tạo. ở nớc ta trong quá trình cải cách giáo dục - đào tạo,
mục tiêu, chơng trình, nội dung giáo dục đào tạo đã thay đổi nhiều lần cho

phù hợp với yêu cầu phát triển kinh tế xã hội và đã đạt đợc những tiến bộ
đáng khích lệ. Tuy nhiên, những thay đổi về phơng pháp quá ít, quá chậm.
Phơng pháp đang sử dụng phổ biến là thuyết giảng có tính chất áp đặt của
thầy, coi nhẹ hoạt động tích cực, chủ động của trò. Sự chậm trể đổi mới
phơng pháp dạy học là trở ngại lớn cho việc thực hiện mục tiêu giáo dục mà
Đảng ta đề ra là đào tạo ngời lao động tự chủ, năng động, sáng tạo. Để
khắc phục tình trạng này, Đảng đã đề ra định hớng chiến lợc chung Tiếp
tục nâng cao chất lợng giáo dục toàn diện, đổi mới nội dung, phơng pháp
dạy và học .... Thực hiện phơng châm học đi đôi với hành, giáo dục kết hợp
với lao động sản xuất, nhà trờng gắn với xã hội. (1, tr.109). Một trong
những giải pháp đợc nhấn mạnh là: Đổi mới phơng pháp dạy và học, phát
huy t duy sáng tạo và năng lực tự đào tạo của ngời học .... Từng bớc áp
dụng các phơng pháp tiến tiến và phơng pháp hiện đại vào quá trình dạy
học (1, tr.204) để học sinh khi ra trờng có đủ khả năng và trình độ tiếp cận


2

với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, không chỉ làm việc cho hiện tại mà
phải sẵn sàng làm chủ tơng lai.
Trong cuộc sống hiện đại, khi công nghệ đang phát triển với tốc độ cao
thì việc ứng dụng vào giảng dạy và học tập trong nhà trờng càng trở nên cần
thiết. Công nghệ thông tin và truyền thông mới là một cuộc cách mạng giáo
dục thật sự đang và sẽ xẩy ra đối với nhân loại. Trong khung cảnh đó, cũng
chính công nghệ thông tin truyền thông mới có thể giúp con ngời chọn
nhập và xử lý thông tin nhanh chóng để biển thành tri thức. Ngoài ra, công
nghệ mới là một khía cạnh văn hoá của thế giới, và nh mõi văn hoá, nó sẽ
đợc tiếp nhận tốt nhất ở tuổi trẻ, giúp ngời học định hớng t duy và thái độ
của mình trong thời kỳ đổi mới. Từ đó cần qua dạy và học làm cho thế hệ trẻ
nhanh chóng làm quen và sử dụng công nghệ mới một cách đúng đắn để hình

thành phong cách văn hoá mới.
Một yếu tố quan trọng trong đổi mới phơng pháp dạy và học trong nhà
trờng là đổi mới phơng tiên dạy học, sử dụng các phơng tiện và trang thiết
bị hiện đại trong dạy học. Trong những năm gần đây các thành tựu của công
nghệ thông tin và công nghệ dạy học đang đợc đa vào ứng dụng trong lĩnh
vực giáo dục và đào tạo, nhiều phần mền trở giúp cho quá trình dạy và học đã
đợc xây dựng, đa vào triển khai ứng dụng và chứng tỏ là một công cụ hỗ trợ
đắc lực cho quá trình dạy và học, tạo điều kiện cho khả năng mở rộng và đào
sâu kiến thức của học sinh. Sự phát triển mạnh mẽ và rộng khắp của công
nghệ thông tin, công nghệ dạy học đã và đang cung cấp những phơng tiện và
phơng pháp hỗ trở hiệu quả cho quá trình dạy và học. Trong các cơ sở đào
tạo tuy cơ sở vật chất dùng cho quá trình dạy và học kỹ thuật còn nghèo nàn,
lạc hậu nhng có đợc trang bị một số máy tính nên tiềm năng sử dụng máy
tính làm phơng tiện dạy học rất lớn.
ứng dụng mô phỏng trên máy tính vào dạy học kỹ thuật ngoài việc phần
nào giảm chi phí cho giáo cụ còn đảm bảo các yêu cầu về s phạm nh tính


3

trực quan sinh động của bài giảng. T duy theo phơng pháp mô hình giúp
cho học sinh hiểu sâu kiến thức và có khả năng đáp ứng đợc xu thế phát triển
của khoa học kỹ thuật.
Tuy khả năng ứng dụng của phơng pháp mô phỏng trên máy tính trong
dạy học kỹ thuật nói chung và dạy học nghề động lực nói riêng, là rất lớn
nhng hiện nay việc sử dụng còn hạn chế, cha có sự áp dụng một cách hệ
thống, cha khai thác hết đợc tiềm năng các thiết bị dạy học hiện có. Một số
chơng trình mô phỏng về lĩnh vực công nghệ ôtô đã có sẵn và đợc sử dụng
nhiều trong các hãng xe phục vụ cho tập huấn kỹ thuật, nhng không đợc sản
xuất cho việc dạy học theo chơng trình đào tạo. Do đó tôi chọn đề tài này,

với hy vọng tìm ra một giải pháp nâng cao chất lợng dạy và học nghề động
lực trong trờng ĐHSPKT (đại học s phạm kỹ thuật) Vinh.
2. Mục đích nghiên cứu

Xây dựng một số phần mền mô phỏng cho học phần lý thuyết chuyên
môn nghề động lực sử dụng trong dạy học một cách hợp lý góp phần cải tiến
một bớc PPDH cho học phần.
3. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tợng nghiên cứu là quá trình tổ chức dạy học lý thuyết chuyên
môn nghề động lực tại trờng ĐHSPKT Vinh.
Phạm vi nghiên cứu là lý thuyết mô phỏng trong dạy học trên lớp cho
phần lý thuyết chuyên môn nghề động lực, tổ chức và vận dụng một số bài
trên máy tính.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tổng quan những vấn đề lý luận và thực tiễn của việc dạy học theo phơng
pháp mô phỏng.
- Xây dựng một số phần mền mô phỏng cho một số bài cụ thể trong chơng
trình lý thuyết chuyên môn ngành động lực.


4

- Tổ chức thử nghiệm bớc đầu sử dụng mô phỏng và hoàn thiện các kết quả
đa ra.
5. Phơng pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý luận: Tham khảo sách báo, tạp chí về phơng pháp dạy học,
lý thuyết mô phỏng, các công trình nghiên cứu liên quan để xác định mục

tiêu và nhiệm vụ của đề tài.
- Phơng pháp chuyên gia: Lấy ý kiến các chuyên gia phơng pháp dạy học,
các chuyên gia chuyên môn ngành động lực để nhận định đánh giá tính
khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng phơng pháp mô phỏng trong dạy
học ngành động lực qua hình thức báo cáo, hội thảo tại khoa, tổ bộ môn có
tham gia của các chuyên gia phơng pháp dạy học.
- Phơng pháp quan sát: Dự giờ, quan sát việc dạy học của các giáo viên để
nắm đợc thực trạng và điều kiện sử dụng phơng pháp mô phỏng.
- Phơng pháp điều tra: Dùng phơng pháp trng cầu ý kiến, trao đổi trực
tiếp với các giáo viên và học sinh .
- Thử nghiệm bớc đầu sử dụng mô phỏng: Xây dựng một số chơng trình
mô phỏng, tổ chức thử nghiệm, đánh giá kết quả và hoàn thiện.
6. Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn đợc chia thành 3 chơng với
nội dung sau:
Chơng 1: Cơ sở lý luận của việc vận dụng phơng pháp mô phỏng trong dạy
học nghề động lực.
Chơng 2: Thực trạng về PPDH và sử dụng phơng tiện dạy học trong giảng
dạy ở khoa Cơ khí động lực trờng ĐHSPKT Vinh.
Chơng 3: Xây dựng một số chơng trình mô phỏng áp dụng trong dạy học lý
thuyết chuyên môn nghề động lực.


5

Chơng I

Cơ sở lý luận của việc vận dụng phơng pháp mô
phỏng trong dạy học nghề động lực

1.1. Một số vấn đề về phơng pháp dạy học

1.1.1. Khái niệm:
Theo triết học, ta có thể nêu một số nhận định sau đây của khái niệm về
phơng pháp:
Phơng pháp từ gốc tiềng Hy Lạp Methodou, gồm Mela là sau,
Odou là con đờng, nghĩa là con đờng dõi theo sau một đối tợng.
Nó có nhiều nghĩa, ít nhiều, rộng hẹp, nông sâu.
Phơng pháp là cách nhận thức con đờng, phơng tiện, là tổ hợp các
bớc mà trí tuệ phải đi theo để tìm ra và chứng minh chân lý (trong triết
học và các khoa học). Chẳng hạn, phơng pháp biện chứng, phơng pháp
diễn dịch, phơng pháp phân tích hệ thống. Trong trờng hợp này,
phơng pháp đồng nghĩa với tiếp cận, với lôgic.
Phơng pháp cũng đồng nghĩa với biện pháp kỹ thuật, biện pháp khoa
học. Chẳng hạn cải tiến phơng pháp trồng lúa, phơng pháp thí nghiệm.
Phơng pháp còn là tổ hợp những quy tắc, nguyên tắc, quy phạm dùng để
chỉ đạo hành động. Chẳng hạn trong dạy và học phải tuân theo nguyên
tắc trực quan.
Trong lĩnh vực quản lý, phơng pháp còn đợc hiểu theo nghĩa kế hoạch
có hệ thống hay quy trình các giai đoạn cần triển khai làm một việc gì đó.
Vì thế ta quen nói làm việc có phơng pháp tức có kế hoạch, có tổ chức
hợp lý.
Tuy nhiên, chỉ có định nghĩa của Hêghen đa ra là chứa đựng nội hàm
sâu sắc và bản chất nhất, đợc Lênin nêu lên trong tác phẩm Bút ký triết


6

học của mình: phơng pháp là ý thức về hình thức của sự tự vận động
bên trong của nội dung.

1.1.2. Những đặc điểm cơ bản của phơng pháp dạy học:
* Mặt khách quan và chủ quan của phơng pháp dạy học
Phơng pháp gồm 2 mặt:
Mặt khách quan: Gắn liền với đối tợng của phơng pháp, là quy
luật khách quan chi phối đối tợng mà chủ thể phải ý thức đợc.
Chẳng hạn, trong việc giảng dạy của Giáo viên, mặt khách quan
của phơng pháp giảng dạy là những quy luật tâm lý lý luận
dạy học chi phối quá trình lĩnh hội của học sinh - đối tợng của
phơng pháp dạy, mà Giáo viên ý thức đợc.
Mặt chủ quan: Gắn liền với chủ thể sử dụng phơng pháp. Đó là
những thao tác hớng vào đối tợng mà chủ thể lựa chọn hợp với
quy luật chi phối đối tợng, là hành động đúng đắn hợp quy luật.
Hai mặt khách quan và chủ quan của phơng pháp luôn luôn tơng tác
với nhau và tạo nên sự hiệu nghiệm của phơng pháp. Nói đơn giản, khi chủ
thể nắm vững đối tợng, thì trên cơ sở đó lựa chọn thao tác, qui trình hành
động đúng đắn hợp lý mới thực hiện đúng đắn hợp lý hành động đó, và đi tới
kết quả. Hiểu đúng bản chất của đối tợng thì hành động sẽ hiệu nghiệm.
Từ những điều vừa trình bày, ta có thể nêu lên tiêu chuẩn thứ nhất tính
hiệu nghiệm của phơng pháp: Chủ thể phải có kiến thức chân thực về đối
tợng, và trên cơ sở đó thao tác đúng đắn với đối tợng.
Về nguyên tắc, hiểu biết chân thực về đối tợng sẽ giúp chủ thể tìm ra
đợc thao tác đúng đắn với đối tợng. Nói cách khác, kiến thức chân thực về
đối tợng chuyển hoá thành thao tác đúng đắn với đối tợng. Muốn làm đúng
phải có kiến thức tốt.


7

* Phơng pháp dạy học chịu sự chi phối của mục đích nội dung dạy học
Phơng pháp (P) gắn bó với mục đích (M), nội dung (N) của hoạt động

theo quy luật:
Mục đích và nội dung quy định phơng pháp
M

N

P

Hình 1-1: Mục đích nội dung quy định phơng pháp
Mục đích nào, phơng pháp nấy, không có phơng pháp vạn năng,
chung cho mõi hoạt động. Muốn cho phơng pháp đợc hiệu nghiệm, hoạt
động thành công thì phải bảo đảm đợc hai điều: 1) Xác định mục đích; 2)
Tìm đợc phơng pháp thích hợp với mục đích. Tính có mục đích của phơng
pháp là nét đặc trng cơ bản nổi bật nhất của nó.
Sự thống nhất của nội dung với phơng pháp thể hiện ở lôgic phát triển
của bản thân đối tợng nghiên cứu. Đúng nh Hegen đã nêu, phơng pháp là ý
thức về hình thức của sự vận động bên trong của nội dung. Đối với các vật thể
hiện tợng, nội dung là cấu trúc, tổ chức bên trong của hệ, là thành phần, tức
là bộ phận, những mối liên hệ cấu tạo nên hệ; còn hình thức là cách tồn tại và
biểu hiện của nội dung, cách thức tổ chức bên trong của nội dung, cách thức
liên hệ các bộ phận lại với nhau (tơng tác), là tính chất của những tơng tác
giữa các bộ phận của hệ. Do đó, theo Hegen, phơng pháp là nhận thức của
chủ thể về hình thức, về cách thức tổ chức bên trong (tơng tác, liên kết, tự
vận động) của các thành tố cấu tạo nên hệ, tức là thành phần của hệ (nội
dung). Rõ ràng là cấu trúc của hệ (nội dung) quyết định cách thức tự tổ chức
của hệ, tức là quyết định phơng pháp tự tổ chức của hệ, chức năng và kết quả
vận hành của hệ.
Quy luật trên đây đa ta đến một hệ quả rất quan trọng về mặt phơng
pháp luận: Một lý thuyết khoa học trởng thành sẽ có khả năng tác động nh

8

một phơng pháp khoa học. Đó là vì lý thuyết khoa học phanh phui đợc bản
chất cấu trúc của hệ (nội dung) và cách thức vận hành của hệ, cách thức tồn tại
và biểu hiện của hệ (hình thức).
Tiêu chuẩn thứ hai : Về tình hiệu nghiệm của phơng pháp là: trong
mọi hoạt động cần tìm chọn đợc phơng pháp thích hợp với mục đích và nội
dung, thống nhất với mục đích và nội dung.
* Phơng pháp dạy học hoạt động có tổ chức hợp lý
Theo lý thuyết hoạt động, phơng pháp là một hoạt động có tổ chức hợp
lý. Hoạt động bao gồm nhiều hành động (Ký hiệu A), mỗi hành động bao gồm
nhiều thao tác (O). Toàn bộ hoạt động có một mục đích lớn, chung (M), mỗi
hành động lại có một mục đích riêng (Chẳng hạn M, A1) là bộ phận của mục
đích chung. Thao tác không có mục đích riêng.
Nh vậy phơng pháp là một hệ cấu trúc đa cấp, phức tạp. Sơ đồ sau
đây minh hoạ trực quan cho cấu trúc phơng pháp theo lý thuyết hoạt động.

Hoạt động
to

tn
A1

A2

MA1

An

MA2

MAn

Hình 1-2: Cấu trúc đa cấp của phơng pháp trong một hoạt động
Tiêu chuẩn thứ ba của tính hiệu nghiệm của phơng pháp là biết tổ
chức hợp lý cấu trúc bên trong của phơng pháp và triển khai quy trình đó một
cách đúng đắn, tinh thông. Đây là một kỹ thuật của phơng pháp.


9

1.1.3. Hệ thống các tiêu chuẩn về tính hiệu nghiệm của phơng pháp
Hiểu quy luật khách quan và hành động chủ quan theo quy luật đó là
bản chất của hệ thống các tiêu chuẩn về tính hiệu nghiệm của phơng pháp ta
có thể tóm tắt hệ thống đó nh sau:


Nắm vững quy luật khách quan chi phối đối tợng của hoạt động,
hành động chủ quan theo quy luật đó.



Bảo đảm nhất quán sự thống nhất biện chứng của mục đích, nội
dung và phơng pháp hoạt động.
M



N

P

Phát triển kế hoạch và thi công đúng đắn, thành thạo cấu trúc công
nghệ của phơng pháp.



Chuyển hoá và phối hợp tối u nhiều phơng pháp thành phơng
pháp mới, phù hợp với mục đích, nội dung đặc thù của hành động.

Những tiêu chuẩn trên đây phản ánh những quy luật chi phối phạm trù
phơng pháp . Chúng có giá trị nh những nguyên tắc chỉ đạo việc lựa chọn,
phối hợp, sử dụng phơng pháp.
1.2. Tổng quan về phơng pháp mô phỏng (PPMP).

1.2.1. Khái niệm
Mô phỏng từ lâu đã đợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nh
kỹ thuật, kinh tế, xã hội..... Ngày nay nhờ có sự trợ giúp của máy tính có tốc
độ tính toán nhanh, dung lợng bộ nhớ lớn mà phơng pháp mô phỏng phát
triển mạnh mẽ và đem lại hiệu quả cao.
Mô phỏng bắt đầu từ việc chú ý nhấn mạnh các quy tắc, quan hệ và quá
trình phát triển của đối tợng nghiên cứu cùng với sự thay đổi của chúng. Các
quan hệ này của đối tợng có thể tạo ra các tình huống mới, thậm chí các quy
luật mới, đợc phát hiện trong quá trình mô phỏng. Trong khoa học và công


10

nghệ, mô phỏng là con đờng nghiên cứu thứ ba, song song với việc nghiên

cứu lý thuyết thuần tuý và nghiên cứu thực nghiệm trên đối tợng thực. Nó
đợc sử dụng khi không thể, không cần hay không nên thực nghiệm trên đối
tợng thực.
Theo Robert. E. Stephenson (5,tr10), mô phỏng là nghiên cứu trạng thái
của mô hình để qua đó hiểu đợc hệ thống thực. Việc mô phỏng bắt đầu việc
tạo ra một mô hình nhờ trí tởng tởng (có suy nghĩ) của con ngời về những
yếu tố có liên quan đến hệ thống thực. Đôi khi ngời ta nhận thấy rằng, giữa
mô hình nhận đợc và thực tế có mâu thuẫn, song việc khảo sát đợc bổ sung
và tiếp tục cho đến khi thoả mãn yêu cầu mà giả thuyết đề ra.
Một cách tổng quát, mỏ phỏng là thực nghiệm quan sát đợc và điều
khiển đợc trên mô hình của đối tợng khảo sát.
Mô phỏng thuận lợi cho ngời sử dụng về các mặt (12):
Nhận thức : trực quan hoá, dễ tiếp cận và đo lờng, lặp lại đợc nhiều
lần theo ý muốn, gởi mở tiên đoán, sáng tạo và thử nghiệm......
Công nghệ (về thiết bị, phơng tiện cũng nh kỹ năng): Khả thi, an
toàn, hiệu quả kinh tế, tiết kiệm thời gian, luyện kỹ năng trớc khi tiếp
xúc vật thực tế.....
1.2.2. Mô hình
Mô hình là công cụ đặc biệt để nghiên cứu thực nghiệm, cơ sở là lý
thuyết mô phỏng.
Khái niệm về mô hình đợc sử dụng rộng rãi trong ngôn ngữ thông
thờng hàng ngày với những ý nghĩa rất khác nhau. Trong các giờ khoa học tự
nhiên học sinh thờng gặp mô hình tế bào, mô hình lò cao, mô hình động cơ
đốt trong tức là vật có cấu tạo không gian giống nh vật thật mà ta cần nghiên
cứu. Mô hình phân tử, mô hình nguyên tử lại mô tả những vật thể mà ta chỉ
biết đợc những tính chất của chúng chứ không quan sát trực tiếp đợc. Mô
hình quá trình dạy học lại không phản ảnh một vật thể nào cả mà phản ảnh


11

một sự kiện trừu tợng, mô hình con ngời mới lại là mẫu mực mà ta phải
vơn tới chứ không phải là phỏng theo một thực thể đang tồn tại.
Trong vật lý học, V.A Stopho đã định nghĩa Mô hình là một hệ thống
đợc hình dung trong óc hay đợc thực hiện một cách vật chất, hệ thống đó
phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tợng nghiên cứu hoặc tái tạo nó,
bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ cung cấp cho ta nhng thông tin mới về
đối tợng. Định nghĩa này cha nêu bật đợc tính chủ quan của mô hình.
Cùng một đối tợng nghiên cứu chúng ta có thể xây dựng đợc nhiều mô hình
khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và khả năng thể hiện của mỗi
ngời. Việc chọn thuộc tính nào và quan hệ nào của đối tợng là đặc trng tuỳ
thuộc vào ngời nghiên cứu.
Theo nghĩa chung nhất, mô hình đợc hiểu là một thể hiện bằng thực
thể hay bằng khái niệm một số thuộc tính và quan hệ đặc trng của một đối
tợng nào đó (gọi là nguyên hình) nhằm mục đích nhận thức sau (12):
Làm đối tợng quan sát thay cho nguyên hình.
Làm đối tợng nghiên cứu (thực nghiệm hay suy diễn) về nguyên hình.
1.2.3. Tính chất của mô hình
Với t cách là một hệ thống phản ánh những thuộc tính bản chất của đối
tợng nghiên cứu, ngoài việc đáp ứng yêu cầu về tính đơn giản và trực quan,
một mô hình còn có những tính chất cơ bản sau:
a) Tính giống với vật gốc theo một nghĩa nào đó.
Một hệ thống chỉ có thể đợc coi là mô hình của vật gốc khi có thể
chuyển đợc những kết quả nghiên cứu trên mô hình sang vật gốc. Nghĩa là có
sự tơng tự giữa mô hình và vật gốc.
Sự giống nhau có thể về cấu trúc, tơng tự về chức năng, kết quả của
các quá trình trong hai hệ thống. Thuộc loại cuối cùng thờng thấy khi so
sánh một hệ thống vật chất thực và sự diễn tả toán học của nó. Các phần tử

12

thuộc hai hệ thống này không có điểm giống nhau, nhng kết quả thu đợc
trong quá trình biến đổi toán học lại phù hợp với kết quả thu đợc bằng thực
nghiệm.
b) Tính lý tởng.
Tính lý tởng của mô hình khác với tính đơn giản ở chỗ, khi mô hình
hoá ngời ta không thể xây dựng đợc các tính chất giống hệt với nguyên
hình, ví dụ nh nhiễu từ môi trờng hay các đặc tính từ hoá trong lõi sắt
....Việc đơn giản hoá mô hình lại là một hoạt động có chú ý của ngời xây
dựng mô hình nhằm làm cho việc nghiên cứu thuận lợi hơn. Nh vậy mô hình
nào cũng có tính chất lý tởng ít hay nhiều. Nói cách khác không có mô hình
nào giống hệt thực tiễn bởi nếu nh vậy thì nó không còn tính cách là vật đại
diện, thay thế nữa.
Tính chất lý tởng của mô hình càng cao thì mô hình càng khái quát và
càng giúp ta nhận thức dợc những nét chung của hiện tợng và bao trùm
đợc một số càng lớn hiện tợng. Nhng càng khái quát, càng có tính lý tởng
cao thì khi sử dụng mô hình để nghiên cứu thực tế càng gặp nhiều khó khăn vì
mô hình càng xa rời thực tế.
c) Tính chủ quan.
Mỗi khi tạo ra một mô hình để nghiên cứu, ngời nghiên cứu đã có hình
dung trong óc về đối tợng cần nghiên cứu của họ theo quan điểm riêng của
mình. Trên thực tế mõi ngời nhìn nhận một vấn đề trên những khía cạnh,
những góc độ khác nhau, do đó quyết định những tính chất và mối quan hệ cơ
bản của đối tợng khác nhau. Điều này dẫn đến từ cùng một đối tợng mỗi
ngời xây dựng cho mình một mô hình khác nhau, đó là tính chủ quan của mô
hình.


13

1.2.4. Phân loại mô hình
Lý thuyết mô hình có nhiệm vụ xác định:
Mô hình thảo mãn các điều kiện cho trớc của bài toán về
nguyên hình t cách đại diện hay tính hợp thức của mô hình.
Các phép biến đổi kết quả từ mô hình thành kết quả tơng ứng về
nguyên hình.
Hiện cha có một lý thuyết tổng quát về mô hình nói chung, mà chỉ có
những lý thuyết đợc xây dựng cho từng loại mô hình. Việc phân loại mô hình
sẽ dựa trên cơ sở các lý thuyết này (Lê Thanh Nhu. LVTS, tr13).
Mô hình (MH)

MH thực thể

MH khái niệm

MH

MH

MH

MH

MH

trích

đồng

tờng

hệ

cấu

mẫu

dạng

tự

thức

trúc

MH

MH

MH

hình

động

động lực

học

hình học

học

Hình 1-3: Phân loại
mô hình
theo lý
thuyết
1.2.4.1.
Mô hình
thực
thể xây dựng mô hình
Mô hình thực thể là một hệ thống đợc hình dung trong óc hay đợc
thực hiện một cách vật chất, hệ thống đó phản ánh những thuộc tính bản chất
của đối tợng nghiên cứu hoặc tái tạo nó, bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ


14

cung cấp cho chúng ta những thông tin về đối tợng. Vậy mô hình thực thể là
những mô hình vật chất hoặc vật chất hoá đợc (ví dụ nh mô hình động cơ
đốt trong, mô ôtô, mô hình dao động....nói chung các mô hình này hay đợc
dùng trong quá trình thực nghiệm).
Dựa trên tiêu chuẩn cùng chất, giống về chất, khác về chất giữa nguyên
hình và mô hình, mô hình thực thể đợc chia thành ba loại: Mô hình trích
mẫu, mô hình đồng dạng, mô hình tơng tự.
a) Mô hình trích mẫu.
Mô hình trích mẫu là tập hợp những cá thể (thờng gọi là tập mẫu) trích
ra từ một tổng thể đợc xét. ở đây, mô hình là một thực thể cùng chất với
nguyên hình, lý thuyết mô hình là lý thuyết xác suất và thống kê toán học, cho

phép chọn dung lợng tập mẫu theo độ chính xác và mức tin cậy cho trớc, từ
đó đánh giá thống kê đúng đắn về tổng thể. Mô hình trích mẫu đợc sử dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quen thuộc nh: đánh giá chất lợng sản phẩm,
điều tra xã hội học, nghiên cứu môi trờng sinh thái....
b) Mô hình đồng dạng.
Hai thực thể đợc gọi là đồng dạng khi các đại lợng vật lý cùng tên
của chúng tỷ lệ với nhau. Đồng dạng hình học nếu chỉ có tỷ lệ về các chiều
dài tơng ứng, đồng dạng động hình học nếu có tỷ lệ về các vận tốc tơng
ứng, đồng dạng động lực học nếu có tỷ lệ về các lực tơng ứng. Dễ dàng nhận
thấy rằng đồng dạng động hình học thì cũng đồng dạng hình học và đồng
dạng động lực học thì cũng đồng dạng động hình học.
Mô hình đồng dạng là một thực thể có các thông số vật lý cùng tên với
nguyên hình (tức là giống chất với nguyên hình) và đợc xác định theo thuyết
đồng dạng.


15

Theo lý thuyết đồng dạng, điều kiện cần và đủ để hai thực thể đồng
dạng là mô tả toán học của chúng chỉ khác nhau về trị số của đại lợng có thứ
nguyên (giống chất) và các chuẩn số của chúng bằng nhau từng đôi một.
Ví dụ, các chuẩn số đồng dạng thờng đợc gặp trong Động lực học
chất lu là:
Số Reynold Re = l/à là tỷ số giữa lực quán tính và lực nhớt.
Số Mach M = /c là tỷ số giữa lực đàn hồi và lực quán tính, đánh giá ảnh
hởng tính nén đợc của chất lu...
Từ kết quả nhận đợc trên mô hình có thể suy ra nguyên hình thông qua
tỷ số đồng dạng. Tuỳ theo chuẩn cứ đồng dạng: hình học, động hình học hay
động lực học, có những mô hình đồng dạng tơng ứng.
* Mô hình đồng dạng hình học.

Mô hình đồng dạng hình học là hình ảnh của đối tợng tại thời điểm
quan sát. Chúng ta nhận thức đợc thế giới xung quanh cơ bản là nhờ thị giác,
mà trực giác hình học có quan hệ chặt chẽ với thị giác. Vì vậy mô hình hình
học (mô tả trạng thái tĩnh) đợc dùng rất phổ biến trong dạy học. Ví dụ: bản
vẽ kỹ thuật, mô hình ôtô, mô hình máy bay, mô hình động cơ....
Trong dạy học kỹ thuật, từ trớc đến nay bản vẽ kỹ thuật cha đợc
xem là một mô hình hình học và việc nghiên cứu bản vẽ kỹ thuật cha đợc
xem là mô phỏng. Có thể thấy trong trờng hợp bản vẽ chi tiết hoặc bản vẽ lắp
(chi tiết và cụm máy cha đợc chế tạo), mô hình này đợc xây dựng theo sự
hình dung trong óc của ngời thiết kế và vật chất hoá trên bản vẽ có tác dụng
gúp họ dựa vào đó mà chọn phơng án công nghệ chế tạo sản phẩm hợp lý
nhất. Vì thế, không những chỉ việc nghiên cứu bản vẽ kỹ thuật để chế tạo mà
ngay cả việc vẽ nó sao cho đạt các yêu cầu chuyên môn cũng chính là quá
trình mô phỏng. Mô hình này không phải là ảnh chụp của nguyên hình mà
đợc xây dựng theo những quy ớc của tiêu chuẩn bản vẽ kỹ thuật (ví dụ: quy
ớc kích thớc bản vẽ, độ lớn của các đờng vẽ, chữ viết, mặt cắt, ren....)


16

* Mô hình động hình học.
Mô hình động hình học là mô hình trạng thái động của nguyên hình. Ví
dụ: mô hình động hình học mô tả chuyển động của cơ cấu trục khuỷu thanh
truyền.
* Mô hình động lực học.
Mô hình động lực học thờng sử dụng trong việc nghiên cứu sự biến đổi
trạng thái của một đối tợng dới tác dụng của môi trờng. Ví dụ: mô hình
thử nghiệm sức cản của gió đối với ôtô trong ống thổi ở phòng thí nghiệm.
c) Mô hình tơng tự.
Hai thực thể khác nhau về bản chất vật lý gọi là tơng tự khi trạng thái

của chúng đợc mô tả bằng cùng một hệ phơng trình vi phân với cùng một
điều kiện đơn trị.
Mô hình tơng tự là một thực thể có những thông số vật lý khác tên với
nguyên hình (tức là khác chất với nguyên hình) và đợc xác định theo lý
thuyết tơng tự. Mô hình tơng tự thờng đợc gọi tên theo chất liệu của mô
hình và nguyên hình, ví dụ mô hình điện cơ, trong đó quá trình dao động cơ
học ở nguyên hình (chẳng hạn một kết cấu thép) đợc mô tả bằng cùng một
phơng trình vi phân với quá trình dao động điện ở mô hình (là một mạch điện
tơng ứng). Từ đáp ứng tần số hay đáp ứng thời gian (dạng tín hiệu tơng tự)
trên mô hình điện, theo lý thuyết tơng tự, có thể dễ dàng suy ra trạng thái dao
động của nguyên hình cơ.
1.2.4.2. Mô hình khái niệm
Mô hình khái niệm khác mô hình thực thể ở chỗ đây là các mô hình có
tính chất hình thức, trừu tợng. Trong các ngành khoa học kỹ thuật, mô hình
toán học là điển hình của loại mô hình này. Mô hình toán học dùng ngôn ngữ


17

toán học để mô tả đối tợng. Việc nghiên cứu các mô hình toán học thờng
dựa trên cơ sở vận dụng các lý thuyết toán học hiện đại kết hợp công nghệ
thông tin.
Mô hình khái niệm là hệ thống những ký hiệu dùng với t cách là mô
hình: hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, chữ cái, các công thức, phơng trình toán học.
Mô hình toán học là mô hình khái niệm dới dạng cấu trúc hay một hệ
thức toán học. Nh vậy mô hình toán học dùng các ngôn ngữ toán học để khảo
sát, nghiên cứu đối tơng. Nguyên tắc của việc mô hình toán học nh sau: để
nghiên cứu nguyên hình mà không thể tiến hành đo đặc trực tiếp đợc, ngời
ta thờng tiến hành đơn giản hoá nguyên hình, chỉ giữ lại những yếu tố cần
thiết nhất và dùng các biểu thức toán học để mô tả trạng thái của nguyên hình.

Việc giải các phơng trình trạng thái trên đợc thực hiện bằng các mô hình
toán học trên máy tính điện tử (tơng tự hoặc số). Cuối cùng, các kết quả thu
đợc từ mô hình sẽ đợc phân tích, so sánh và diễn giải với nguyên hình. Nếu
việc phân tích và so sánh cho thấy sự tơng tự giữa nguyên hình và mô hình
thì từ đây ta có thể thay đổi các tham số của mô hình và nghiên cứu rồi đa ra
các kết luận tơng ứng đối với nguyên hình.
Chẳng hạn nh tất cả những đại lợng q biến thiên thoả mãn phơng
trình q + 2.q = 0 đều biến thiên theo một quy luật dao động điều hoà. Bởi vậy
có thể dùng công thức đó làm mô hình của mọi loại dao động điều hoà không
phụ thuộc vào bản chất của dao động.
Mục đích mô hình hoá là thay thế đối tợng nghiên cứu bằng phơng
trình sao cho có thể thu đợc những thông tin cần thiết một cách dễ dàng nhất.
Bởi vậy có thể ở giai đoạn đầu của quá trình nhận thức xuất phát từ những yếu
tố quan sát đợc (lực đàn hồi) để xây dựng mô hình dao động cơ học sau đó
dùng mô hình nghiên cứu dao động điện không quan sát trực tiếp đợc. Mô
hình khái niệm có thể phân chia thành hai loại sau:


18

a) Mô hình hệ thức.
Là mô hình dùng hệ thức hay phơng trình toán học để mô tả trạng thái
của đối tợng nghiên cứu. Chúng có thể là:
Tất định: mô tả bằng các đại lợng có trị số xác định.
Ngẫu nhiên: mô tả bằng các đại lợng có giá trị ngẫu nhiên (theo
lý thuyết xác suất và thống kê.
b) Mô hình cấu trúc.
Mô hình cấu trúc dùng cấu trúc toán học để mô tả cấu trúc và trạng thái
bên trong của nguyên hình. Một tập hợp nào đó đợc trang bị một cấu trúc
toán học là một tập hợp trên đó đã cho một hoặc nhiều quan hệ, một hoặc

nhiều luật hợp thành trong hay ngoài, một hoặc nhiều topo với những tính chất
cơ bản cho trớc phát biểu thành mệnh đề gọi là tiên đề của cấu trúc.
Có ba loại cấu trúc cơ bản:
* Cấu trúc thứ tự là cấu trúc có quan hệ trớc sau, trên dới ....Ví dụ
dùng một graph có hớng để mô tả tiến trình của một công việc.
* Cấu trúc đại số là cấu trúc trong đó có một luật hợp thành (trong hoặc
ngoài). Ví dụ: các mạch logic là mô hình của đại số logic.
* Cấu trúc topolaf cấu trúc trong đó có sự bất biến của các lân cận trong
các phép biến đổi liên tục.
Trong thực tế ta thờng gặp những mô hình là kết hợp của các loại mô
hình trên, ví dụ nh mô hình lợc tả. Mô hình lợc tả là mô hình biểu diễn
bằng hình học trực quan của những thuộc tính hay quan hệ nào đó (hình học
hoặc phi hình học) của đối tợng đợc xét. Các lợc đồ cấu trúc của một hệ
thống, lu đồ lập trình cho máy tính, lu đồ vận hành của một thiết bị, biểu đồ
tiến độ của một quá trình, .... là những ví dụ thờng gặp của mô hình này. Mô
hình lợc tả ngoài lợi ích về việc quan sát, trong nhiều trờng hợp, giúp ích


19

cho việc nghiên cứu phơng án quy hoạch, phân bổ hợp lý, ... trên nguyên
hình.
1.2.5. Phơng pháp mô phỏng
Trong nhiều lĩnh vực, các nhà nghiên cứu đã dùng phơng pháp mô
phỏng để nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nên nó là phơng pháp tổng
quát của nhiều ngành khoa học khác nhau.
Phơng pháp dạy học có sử dụng mô phỏng là một trong những phơng
pháp dạy và học, trớc hết là các môn khoa học tự nhiên và kỹ thuật, có hiệu
quả cao về nhiều mặt nh trực quan, sinh động, gây hứng thú học tập và
nghiên cứu, phát huy t duy sáng tạo, v.v...

Mô phỏng là thực nghiệm quan sát đợc và điều khiển đợc trên mô
hình, vì thế phơng pháp mô phỏng cũng có những tên gọi tơng ứng theo mô
hình, nh: mô phỏng hình học, mô phỏng động hình học, mô phỏng số,
....Cùng một đối tợng, tuỳ mục đích và điều kiện khảo sát, có thể mô hình
hoá dới dạng khác nhau, vì thế có nhiều cách mô phỏng khác nhau tơng
ứng. Trong công nghệ dạy học ở nớc ta hiện nay, ngoài các phơng pháp
quen thuộc là hình vẽ, đồ dùng dạy học trực quan và các phơng tiện nghe
nhìn mà thầy trò tham gia tạo dựng, cải tiến nh phim, băng hình,..... Do máy
tính ngày càng phổ biến, các phơng pháp mô phỏng bằng đồ hoạ vi tính đã
trở thành hiện thực ở khá nhiều trờng, Tuy nhiên, việc chọn phần mền tin học
nào là thích hợp với thực tế trong nớc, sản phẩm mô phỏng nào là thích hợp
với thực tế, sản phẩm mô phỏng nào cần tạo trớc và làm cụ thể nh thế nào,...
hiện đang là những vấn đề mà ngành s phạm kỹ thuật và dạy nghề cần quan
tâm nghiên cứu.


20

1.2.5.1. Cấu trúc của phơng pháp mô phỏng

Đối tợng
nghiên cứu

(1)

(2)
Mô hình

Kết quả

(3)

Hình 1-4: Quá trình mô phỏng
Phơng pháp mô phỏng đợc tiến hành theo ba bớc:
{1} Mô hình hoá: Từ mục đích nghiên cứu, cần xác định lựa chọn một
số tính chất và mối quan hệ chính của đối tợng nghiên cứu đồng thời loại bỏ
những tính chất và mối quan hệ thứ yếu để xây dựng mô hình.
Bằng quan sát thực nghiệm ngời ta xác định đợc một tập hợp những
tính chất của đối tợng nghiên cứu. Thông thờng, do kết quả của sự tơng tự
ngời ta đi đến hình dung sơ bộ về sự vật, hiện tợng cần nghiên cứu, tức là đi
đến một mô hình sơ bộ, cha đầy đủ. Trong giai đoạn này trí tởng tởng và
trực giác giữ vai trò rất quan trọng, nhờ đó ngời ta mới loại bỏ đợc những
tính chất và mối quan hệ thứ yếu của đối tợng nghiên cứu, thay nó bằng mô
hình chỉ mang tính chất và những mối quan hệ chính mà ta phải quan tâm. Mô
hình ban đầu mới có trong óc của ngời nghiên cứu. Nó trở thành mẫu, dựa
vào đó ngời nghiên cứu xây dựng đợc những mô hình thật (nếu nhà nghiên
cứu dùng phơng pháp mô hình vật chất). Trong trờng hợp mô hình lý tởng
thì ngời ta đem đối chiếu mô hình trí tởng tởng trong óc với những vật
thật, những hiện tợng mà ngời ta đã quen biết.