Thí nghiệm thực hành ảo ứng dụng trong dạy nghề Điện công nghiệp

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

Nguyễn thị minh nguyệt

Thí nghiệm thực hành ảo - ứng dụng trong
dạy nghề điện công nghiệp

Chuyên ngành: Sư phạm kỹ thuật

Luận văn thạc sỹ khoa học

Người hướng dẫn khoa học:
GS.TS. Nguyễn Xuân Lạc

Hà Nội - 2008


1

Lời cảm ơn
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành:
Thầy hướng dẫn: GS. TS. Nguyễn Xuân Lạc đà tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hoàn thành luận văn này.
Khoa Sư phạm kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện đào tạo sau
đại học đà tạo mọi điều kiện cho việc học tập, nghiên cứu, tiến hành luận văn.
Gia đình và toàn thể bạn bè, đồng nghiệp đà quan tâm, động viên, giúp
đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2008
Tác giả

Nguyễn Thị Minh Nguyệt


2

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan những gì mà tôi viết ra trong luận văn này là do sự
tìm hiểu và nghiên cứu của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý
tưởng của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ.
Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội
đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như nước ngoài và cho
đến nay chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đà cam đoan
trên đây.
Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2008
Tác giả

Nguyễn Thị Minh Nguyệt


3

Mục lục
Trang
Lời cảm ơn

1

Lời cam đoan

2

Mục lục

3

Danh mục các chữ viết tắt

5

Mở đầu

6

Chương 1- Cơ sở lý luận và thực tiễn của việc xây

13

dựng và sử dụng Thí nghiệm thực hành ảo trong
đào tạo nghề
1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu TN TH ảo

13

1.1.1. Trên thế giới

13

1.1.2. Tại Việt Nam

18

1.2. Cơ sở lý luận của việc xây dựng và sử dụng TN TH ảo trong

22

đào tạo nghề
1.2.1. Một số khái niệm

22

1.2.2. Thực tại ảo

34

1.2.3. Dạy học thực hành nghề

45

1.2.4. Thí nghiệm thực hành ảo

54

1.3. Cơ sở thực tiễn của việc xây dựng và sử dụng TN TH ảo

71

trong đào tạo nghề
1.3.1. Yêu cầu của việc đổi mới phương pháp đào tạo kỹ thuật thực

71

hành
1.3.2. Hiệu quả ứng dụng Công nghệ thông tin trong đào tạo nghề

76

1.3.3. Khả năng áp dụng TN TH ảo trong đào tạo nghề

78

Kết luận chương 1

83

Chương 2- xây dựng và sử dụng thí nghiệm thực

85

hành ảo trong đào tạo nghề. ứng dụng xây dựng
và sử dụng một số bài thí nghiệm thực hành ảo


4

trong chương trình khung dạy nghề điện công
nghiệp
2.1. Xây dựng TN TH ảo trong đào tạo nghề

85

2.1.1. Nguyên tắc xây dựng TN TH ảo trong đào tạo nghề

85

2.1.2. Qui trình xây dựng TN TH ảo trong đào tạo nghề

92

2.2. Sử dụng TN TH ảo trong đào tạo nghề

97

2.2.1. Nguyên tắc sử dụng TN TH ảo trong đào tạo nghề

98

2.2.2. Qui trình sử dụng TN TH ảo trong đào tạo nghề

100

2.3. Xây dựng và sử dụng một số bài TN TH ảo trong chương

102

trình dạy nghề Điện công nghiệp
2.3.1. Giới thiệu về CTK TĐTCN Điện công nghiệp

102

2.3.2. Phân tích một số bài TN TH ảo trong nội dung CTK TĐTCN

110

Điện công nghiƯp
2.3.3. VÝ dơ vỊ sư dơng thÝ nghiƯm ¶o “Kh¶o sát mạch điện R-L-C

135

để củng cố và minh họa cho nội dung bài dạy
2.3.4. Đánh giá hiệu quả sử dụng thí nghiệm ảo Khảo sát mạch điện

139

R-L-C
Kết luận chương 2

142

Kết luận và kiến nghị

143

Tài liệu tham khảo

145


5

Danh mục các chữ viết tắt
Nội dung viết tắt

Nghĩa đầy đủ

CNH, HĐH

Công nghiệp hóa, Hiện đại hóa

CNTT

Công nghệ thông tin

CSDN

Cơ sở dạy nghề

CSVC

Cơ sở vật chất

CTK TĐTCN

Chương trình khung trình độ trung cấp nghề

ĐTKTTH

Đào tạo kỹ thuật thực hành

GD- ĐT

Giáo dục- Đào tạo

KHKT

Khoa học kỹ thuật

MVT

Máy vi tính

PPDH

Phương pháp dạy học

PTDH

Phương tiện dạy học

PTKTDH

Phương tiện kỹ thuật dạy học

TBDH

Thiết bị dạy học

TN TH

Thí nghiệm thực hành

6

Mở đầu
I. Lý do chọn đề tài
1. Quan điểm, chủ trương chính sách của Đảng về phát triển dạy
nghề trong thời kỳ CNH, HĐH đất nước
Nghị quyết Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ X của Đảng đà đề ra chủ
trương phát triển Giáo dục, đào tạo và dạy nghề giai đoạn 2006-2010 là:
Phát triển mạnh hệ thống giáo dục nghề nghiệp, tăng nhanh quy mô
đào tạo cao đẳng nghề, trung cấp nghề cho các khu công nghiệp, các vùng
kinh tế động lực và cho xuất khẩu lao động. Mở rộng mạng lưới cơ sở dạy
nghề, phát triển trung tâm dạy nghề quận huyện. Tạo chuyển biến căn bản về
chất lượng dạy nghề tiếp cận với trình độ tiên tiến của khu vực và thế giới.
Đẩy mạnh xà hội hoá, khuyến khích phát triển các hình thức dạy nghề đa
dạng, linh hoạt: dạy nghề ngoài công lập, tại doanh nghiệp, tại làng nghề....
Thể chế hoá chủ trương của Đảng về phát triển dạy nghề, Quốc hội đÃ
ban hành Luật Giáo dục- năm 2005, quy định dạy nghề có ba trình độ đào tạo
(Sơ cấp nghề, Trung cấp nghề và Cao đẳng nghề); Luật Dạy nghề- năm 2006,
quy định chi tiết về tổ chức, hoạt động của CSDN; quyền và nghĩa vụ của tổ
chức, cá nhân tham gia hoạt động dạy nghề. Trong Luật Dạy nghề đà xác định
chính sách đầu tư của Nhà nước về phát triển dạy nghề: Đầu tư có trọng
tâm, trọng điểm để đổi mới nội dung, chương trình và phương pháp dạy nghề,
phát triển đội ngũ giáo viên, hiện đại hoá thiết bị, đẩy mạnh nghiên cứu khoa
học nhằm nâng cao chất lượng dạy nghề; tập trung xây dựng một số cơ sở dạy
nghề tiếp cận với trình độ tiên tiến của khu vực và thế giới; chú trọng phát
triển dạy nghề ở các vùng có điều kiện kinh tế- xà hội đặc biệt khó khăn; đầu
tư đào tạo các nghề thị trường lao động có nhu cầu, nhưng khó thực hiện xÃ
hội hoá.

Trong những năm qua, nền kinh tế nước ta đà đạt tốc độ tăng trưởng
cao, cơ cấu kinh tế có bước chuyển dịch mạnh mẽ theo hướng công nghiệp


7
hóa. Các vùng kinh tế trọng điểm, các khu công nghiệp, khu chế xuất, các
ngành kinh tế mũi nhọn ngày càng phát triển; đầu tư trong nước và quốc tế
thời gian qua vµ dù kiÕn trong thêi gian tíi ngµy càng tăng; kỹ thuật, công
nghệ mới được đưa vào sản xuất ngày càng nhiều đòi hỏi nguồn nhân lực phải
tăng về số lượng và chất lượng, hợp lý về cơ cấu ngành nghề đào tạo và cơ cấu
trình độ đào tạo.
Hiện tại, tỷ lệ lao động qua đào tạo nghề ở nước ta còn thấp (khoảng
20% năm 2006) chất lượng GD- ĐT nói chung và chất lượng đào tạo nghề nói
riêng còn nhiều bất cập, nhất là cơ cấu đào tạo. Trình độ nhân lực chưa đáp
ứng được những đòi hỏi ngày càng cao của thị trường lao động trong nước và
quốc tế. Theo đánh giá của Ngân hàng thế giới (WB) chất lượng nguồn nhân
lực của Việt Nam chỉ ®¹t 3,79 ®iĨm (thang ®iĨm 10)- xÕp thø 11 trong 12
nước ở Châu á được tham gia xếp hạng.
Quá trình CNH, HĐH và hội nhập kinh tế quốc tế ở nước ta yêu cầu
phải đáp ứng đủ số lượng lao động kỹ thuật chất lượng cao cho các ngành kinh
tế, nhất là các ngành công nghiệp mũi nhọn, công nghệ cao: tin học, tự động
hóa, điện, cơ điện tử, chế biến xuất khẩu v.v... và đòi hỏi lao động qua đào tạo
trên 60%, trong đó trên 30% có trình độ trung cấp trở lên, có như vậy các
doanh nghiệp mới đủ sức cạnh tranh trên thị trường trong nước và quốc tế.
Để đáp ứng được yêu cầu đó, hệ thống đào tạo kỹ thuật thực hành phải
thường xuyên bổ sung, cập nhật hoàn thiện các chương trình dạy nghề hoặc
xây dựng các chương trình dạy nghề mới; đổi mới mạnh mẽ, sâu sắc và toàn
diện, nâng cao chất lượng đội ngũ giáo viên, cán bộ quản lý; đầu tư, đổi mới
trang thiết bị giảng dạy, đặc biệt chú trọng đổi mới phương pháp đào tạo để
đào tạo đội ngũ nhân lùc kü tht trùc tiÕp lµm viƯc víi kü tht, công nghệ

mới đó.
2. Thực trạng công tác dạy nghề ở nước ta hiện nay
Thực hiện các Nghị quyết của Đảng về định hướng phát triển dạy nghề
và Chiến lược phát triển giáo dục 2001-2010, từ năm 2001 đến nay ngành D¹y


8
nghề đà được phục hồi sau một thời gian dài bị suy giảm, từng bước được đổi
mới và phát triển đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu nhân lực kỹ thuật trực
tiếp trong sản xuất kinh doanh, dịch vụ phục vụ phát triển kinh tế- xà hội.
Mạng lưới các cơ sở dạy nghề (CSDN) giai đoạn 2001- 2007 được phát triển
theo quy hoạch trên toàn quốc, đa dạng về hình thức sở hữu và loại hình đào
tạo. Bên cạnh những kết quả đà đạt được, ngành dạy nghề vẫn còn tồn tại
nhiều yếu kém, bất cập do vậy, chất lượng dạy nghề còn thấp chưa đáp ứng
được yêu cầu của thị trường lao động.
Một trong những nguyên nhân cơ bản phải kể đến đó là do các điều
kiện bảo đảm chất lượng dạy nghề tuy đà được cải thiện nhưng vẫn còn bất
cập:
- Đội ngũ giáo viên còn thiếu về số lượng và yếu về chất lượng, nhất là
trình độ kỹ năng thực hành nghề, ngoại ngữ, tin học ứng dụng, phương pháp
giảng dạy;
- Nhiều chương trình, giáo trình dạy nghề chậm được cập nhật, sửa
đổi, bổ sung để phù hợp với yêu cầu của sản xuất, kinh doanh, dÞch vơ;
- NhiỊu CSDN cã diƯn tÝch nhá so víi quy mô đào tạo, thiếu xưởng
thực hành, ký túc xá, khu thể dục thể thao; trang thiết bị dạy nghề thiếu về
chủng loại, số lượng và lạc hậu về công nghệ.
Thực tế trên đòi hỏi hệ thống dạy nghề phải được đổi mới và phát triển
nhằm khắc phục các yếu kém và đáp ứng nhu cầu nhân lực của thị trường
trong nước và xuất khẩu lao động. Điều này cũng đồng nghĩa với yêu cầu phải
nâng cao chất lượng nguồn lao động kỹ thuật- công nghệ, đòi hỏi người lao

động phải có kỹ năng và đạo đức nghề nghiệp, có kỷ luật, năng lực sáng tạo,
biết làm chủ và tiếp cận nhanh với những công nghệ hiện đại.
Rõ ràng, thực tế trên đòi hỏi hệ thống đào tạo kỹ thuật nghề nghiệp phải
hết sức coi trọng kỹ năng các hoạt động thực hành để nâng cao năng lực, kỹ
năng hoạt ®éng cđa ng­êi lao ®éng trong nghỊ nghiƯp cịng nh­ trong cuéc
sèng x· héi.


9
3. Sự xuất hiện hình thức đào tạo mới
Thế kỷ 21 được đánh dấu bởi các biến đổi của xà hội dưới tác động của
một nền kinh tế mới, được định nghĩa từ nhiều góc độ quan sát: nền kinh tÕ tri
thøc, nỊn kinh tÕ sè ho¸, nỊn kinh tÕ internet,... Là một trong các động lực
chính của nền kinh tế mới, ngành GD- ĐT cũng đứng trước những biến
chuyển mạnh mẽ do xuất hiện các mâu thuẫn giữa nhu cầu học tập của xà hội
và khả năng đáp ứng của các nguồn lực trong nhà trường, sự gia tăng không
ngừng về khối lượng kiến thức, sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ
và kỹ thuật mới... tất yếu dẫn đến việc hình thành một phương thức giáo dục
mới: giáo dục điện tử với mục tiêu cơ bản là tạo ra một môi trường hỗ trợ hoạt
động học tập trên cơ sở những trang thiết bị công nghệ điện tử thích hợp,
nhằm phục vụ cho nhu cầu nâng cao kiến thức, kỹ năng đáp ứng đòi hỏi của
xà hội hiện đại.
Theo xu thế đó, ngành giáo dục đà có nhiều giải pháp nhằm đa dạng
hóa loại hình đào tạo như: mở các lớp học tại chức, các khóa học ngắn hạn,
các khóa học theo chứng chỉ, các khóa học từ xa... với nhiều hình thức đào tạo
mới đà ra đời đáp ứng nhu cầu học mọi lúc, mọi nơi, suốt đời như đào tạo từ
xa qua phát thanh truyền hình (Broadcast Education); đào tạo dựa trên công
nghệ Internet (Internet Based Traning); đào tạo dựa trên công nghệ web (Web
Based Training); học điện tử (E-learning).
Rất nhiều các quốc gia phát triển như Đức, Anh, Mỹ đà tiến hành

nghiên cứu và áp dụng đào tạo từ xa nói chung. Về kỹ thuật, đào tạo từ xa đÃ
được nghiên cứu tương đối toàn diện. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ
của khoa học kỹ thuật, đặc biệt với sự hỗ trợ của CNTT thì cách thức tiến
hành, qui mô, chất lượng đào tạo những khóa học từ xa đà có tiến bộ vượt bậc.
Đối với Việt Nam, đào tạo từ xa chưa phát triển do một số nguyên nhân
khách quan và chủ quan trong đó có trình độ đội ngũ giáo viên, trình độ đội
ngũ phát triển đa phương tiện, cơ sở hạ tầng về thông tin và kinh phí. Tuy mới
được phát triển ở nước ta song những kết quả đẫ đạt được cho thấy phương


10
thức đào tạo này là một trong những giải pháp có tính chiến lược đáp ứng nhu
cầu học tập ngày càng tăng của xà hội.
Kết luận như vậy, không có nghĩa là đào tạo từ xa không có những khó
khăn, không còn những hạn chế. ở đây chỉ đề cập tới một hạn chế cụ thể rất
khó khắc phục của đào tạo từ xa đó là vấn đề thí nghiệm thực hành (TN TH)
của các môn khoa học tự nhiên và kỹ thuật. Cụ thể hơn là làm thế nào ®Ĩ cã
thĨ tỉ chøc TN TH trong gi¸o dơc tõ xa. Có nhiều phương án được đề xuất,
trong đó việc xây dựng các bài TN TH ảo trong máy tính mà đề tài đề cập tới
là một giải pháp góp phần giải quyết cho vấn đề nêu trên. Mặc dù TN TH ảo
đề cập trong luận văn này được định hướng và xây dựng chủ yếu cho hình
thức dạy học giáp mặt, tuy nhiên, có thể hỗ trợ rất tốt cho các hình thức đào
tạo kể trên.
II. Mục đích nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu cách thức xây dựng và sử dụng TN TH ảo trong đào
tạo nghề. Trên cơ sở đó, tiến hành xây dựng một số bài TN TH ảo trong CTK
đào tạo nghề Điện công nghiệp nhằm hỗ trợ TN TH thực đồng thời bổ sung
những TN TH mà trong thực tế khó hoặc không thể thực hiện được.
III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là TN TH ảo.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Đề tài nghiêu cứu về TN TH ảo trong
đào tạo nghề, trên cơ sở đó xây dựng và sử dụng một số bài TN TH ảo cho
chương trình dạy nghề Điện công nghiệp.
IV. Giả thuyết khoa học
Xây dựng và sử dụng TN TH ảo trong đào tạo nghề sẽ góp phần nâng
cao hứng thú nhận thức, ph¸t huy tÝnh tÝch cùc häc tËp cđa häc sinh, do đó góp
phần nâng cao chất lượng đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật.
V. Nhiệm vụ nghiên cứu


11
Nghiên cứu cơ sở lý luận và thực tiễn của việc xây dựng và sử dụng
TN TH ảo trong đào tạo nghề.
Đề xuất cách thức xây dựng và sử dụng TN TH ảo; nghiên cứu và đưa
vào sử dụng một số bài TN TH ảo điển hình hỗ trợ cho đào tạo nghề Điện
công nghiệp.
VI. Phương pháp nghiên cứu
Phân tích, tổng hợp tài liệu và công trình nghiên cứu trong lĩnh vực giáo
dục, đào tạo nghề ở Việt Nam và nước ngoài.
Quan sát hoạt động dạy học và đánh giá trong DHTHN ở một số trường
dạy nghề.
Phương pháp chuyên gia nhằm đánh giá tính cấp thiết và khả thi của
quy trình và công cụ đánh giá đà xây dựng.
VII. Những đóng góp của đề tài
Phân tích và làm rõ được một số khái niệm cơ bản liên quan tới TN TH
ảo như: TN TH; thuật ngữ ảo; mô phỏng; TN TH ảo; mối liên hệ giữa mô
phỏng và TN TH ảo, góp phần hoàn thiện lý luận về TN TH ảo.
Đề xuất qui trình xây dựng và sử dụng TN TH ảo;
Khai thác chương trình có sẵn trên Internet, dựa trên các kết quả nghiên
cứu của đề tài tác giả đà xây dựng được 2 bài TN TH nằm trong chương trình

môn học MH 08 Mạch điện và mô đun MĐ 17 Máy điện trong chương trình
khung dạy nghề Điện công nghiệp trình độ Trung cấp nghề.
VIII. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung
của luận văn được thể hiện trong 2 chương được trình bày dưới đây:
Chương 1
Cơ sở lý luận và thực tiễn của việc xây dựng và sử dụng
thí nghiệm thực hành ảo trong đào tạo nghề


12
Ngoài phần tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng TN TH ảo
trên thế giới và tại Việt Nam, chương này trình bày cơ sở lý luận về TN TH
ảo, trong đó đi sâu vào phân tích các khái niệm: mô phỏng, TN TH ảo; mối
liên hệ giữa mô phỏng và TN TH ảo; khả năng xây dựng và sử dụng TN TH ảo
trong đào tạo nghề nhằm nâng cao chất lượng nguồn nhân lực kỹ thuật.
Chương 2
Xây dùng vµ sư dơng mét sè bµi thÝ nghiƯm thùc hành ảo
trong chương trình đào tạo nghề điện công nghiệp
trình độ trung cấp nghề
Nội dung chương này là vận dụng kết quả nghiên cứu trong chương 1,
đề xuất quy trình xây dựng và sử dụng TN TH ảo; nghiên cứu và đưa vào sử
dụng 02 bài TN TH ảo cho một số nội dung cụ thể trong chương trình đào tạo
nghề Điện công nghiệp trình độ Trung cấp nghề.


13

Chương 1
Cơ sở lý luận và thực tiễn của việc xây dựng và sử

dụng thí nghiệm thực hành ảo trong đào tạo nghề
1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu về thí
nghiệm thực hành ảo
1.1.1. Trên thế giới
Trong những năm gần đây, những ứng dụng của CNTT được đưa vào
cuộc sống ngày càng phong phú, đa dạng và thiết thực hơn. Sự phát triển
không ngừng của sức mạnh máy tính đà làm cho một số lĩnh vực khó phát
triển trước kia nay đà có khả năng vượt lên và đà đạt được những thành tựu
đáng kể. Chúng ta có thể kể đến cả các lĩnh vực như: các hệ chuyên gia, các
hệ xử lý thời gian thực,... và một lĩnh vực khác cũng cần phải nói là Thực tại
ảo (Virtual Reality- VR).
Thực tại ảo là một khái niệm mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90,
nhưng ở Mỹ và Châu Âu, VR đà và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn
nhờ khả năng ứng dụng rộng rÃi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công
nghiệp, giáo dục và đào tạo cũng như thương mại và giải trí). Về sản phẩm,
người ta đà tạo ra những hệ thống thực tại ¶o trong nhiỊu lÜnh vùc kh¸c nhau
nh­ c¸c chun du ngoạn ảo lên mặt trăng trong khoa học vũ trụ, bác sĩ thực
hiện những ca phẫu thuật lên bệnh nhân ảo trong y học thậm chí trong việc tái
hiện lại lịch sử. Chính vì vậy, công nghệ thực tại ảo- một công nghệ mới được
dùng để xây dựng một không gian, một thế giới ảo, nhằm tái tạo, bắt chước
phần nào thế giới thực đÃ, đang được nghiên cứu và chắc chắn sẽ phát triển
mạnh mẽ trong tương lai. Trong số rất nhiều tài liệu đề cập đến công nghệ
này, phải kể đến đó là: Thực tại ảo, bước sang thế giới bên kia (Virtual
Reality) [4], hay tạo dựng một hệ thống thực tại ảo cho riêng bạn (Creat your
own virtual reality system) [19].


14
Thực tại ảo- một thế giới thực song lại ảo, là một hệ thống rất phức tạp,
hiện tại chưa có ®iỊu kiƯn (vỊ c¬ së vËt chÊt) vËn dơng thùc tại ảo ở mức độ

hoàn hảo trong việc xây dựng bài TN TH phục vụ lĩnh vực đào tạo nghề ở
nước ta. Do đó, trong luận văn này, tác giả không đi sâu phân tích, thiết kế,
ứng dụng thực tại ảo vào trong đào tạo nghề mà chỉ nghiên cứu công nghệ này
như một phần của lý luận hoàn chỉnh về TN TH ảo.
ở mức độ đơn giản hơn, thực tại ảo (được trình bày trong luận văn này)
đó là các phần mềm chạy trên máy tính đơn lẻ hay mạng máy tính, chúng giả
lập phần nào thế giới thực. Từ đó, giúp người sử dụng thực hiện các thao tác
với môi trường, các đối tượng, quá trình, hệ thống do các chương trình đó tạo
ra nhằm khám phá, phát hiện các quy luật, kiểm nghiệm khoa học, hình thành
kỹ năng Khi đề cập tới những phần mềm, những thao tác trong môi trường
do các phần mềm đó tạo ra, thuật ngữ ảo cũng được sử dụng.
TN TH ảo là một lĩnh vực được nghiên cứu và phát triển trong những
năm gần đây và đà có nhiều sản phẩm được gọi là TN TH ảo được ứng dụng
trong rất nhiều lÜnh vùc cđa cc sèng trong ®ã cã lÜnh vùc GD- ĐT. Một vài
trong số đó là:
- Phần mềm Crocodile Physics là phần mềm được dùng để thiết kế các
TN ảo môn vật lý trong nhà trường, có rất nhiều phiên bản của phần mềm đÃ
được đưa ra và phiên bản mới nhất hiện nay là phiên bản Crocodile Physics
605, ra đời vào năm 2006 với rất nhiều tính năng mới so với các phiên bản
trước đó. Crocodile Physics có thể mô phỏng cơ học, điện, điện tử, quang học,
và sóng cơ học. Trong mỗi phần cơ, sóng, điện, quang có đầy đủ những thuộc
tính để ta có thể mô phỏng các TN vật lý phổ thông.
- Trong lĩnh vực điện- điện tử: Protel, Proteus, Matlab, MultiSim,
Orcad, Workbench... là các phần mềm hỗ trợ người sử dụng trong việc thiết kế
mạch điện- điện tử. Với sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực điện- điện
tử, việc thiết kế và mô phỏng mạch điện- điện tử trên máy tính bằng các phần
mềm chuyên dụng đà được triển khai, áp dụng rộng rÃi và rất có hiệu quả tại


15

các trường dạy nghề. Các phần mềm kể trên với tên gọi chung là EDA
(Electronic Design Automation- Tự động thiết kế mạch điện tử). Tuỳ thuộc
vào đặc điểm nội dung, mục tiêu của từng môn học mà các giáo viên dạy nghề
lựa chọn một trong số các phần mềm EDA làm phương tiện giảng dạy vì mỗi
phần mềm đều có một đặc điểm riêng. Chẳng hạn như, với một thư viện linh
kiện rất lớn và các công cụ tiện ích, MultiSim cung cấp một số công cụ ảo.
Chúng ta sử dụng các công cụ này để đo lường các thông số của mạch. Các
công cụ này gần tương ứng với các công cụ trong phòng TN. Chúng thật sự là
một phương tiện tốt và dễ dàng nhất để ta có thể quan sát đo lường kết quả mô
phỏng. Chính vì vậy, MultiSim đà được rất nhiều các giáo viên dạy nghề sử
dụng làm phương tiện giảng dạy và là công cụ hỗ trợ người học trong việc
thực hành mạch điện tử vì thiết kế đơn giản, dễ sử dụng, tính trung thực và
sinh động trong mô phỏng của nó.
Orcad cũng trở thành một trong những phần mềm hàng đầu, hỗ trợ
người sử dụng vẽ, mô phỏng và thiết kế mạch in qua th­ viƯn linh kiƯn rÊt lín
cïng víi c¸c công cụ tiện ích.
Bên cạnh MultiSim và Orcad phải kể ®Õn Electronic Workbench
(EWB). ThuËt ng÷ "work- bench" trong tiÕng Anh có nghĩa là bàn làm việc
của thợ. Có nghĩa là: khi thao tác trên EWB, ta có cảm giác giống như đang
làm việc trên bàn thợ vậy. Sau khi lựa chọn, sắp xếp các linh kiện, hàn nối dây
giữa chúng lại với nhau theo sơ đồ nguyên lý, rồi lắp các cơ cấu đo để đo các
thông số cần khảo sát (nếu cần) và cấp điện cho mạch để xem kết quả, có thể
điều chỉnh thông số hoặc vị trí của các linh kiện trong mạch mà không sợ bị
tiêu hao do cháy nổ, hư hỏng linh kiện, cơ cấu đo... Một ưu điểm nữa phải kể
đến trong việc sử dụng EWB để thiết kế mạch điện- điện tử đó là tính chuẩn
xác của tín hiệu bởi trong mạch thực tế, ngoài tín hiệu thực nó còn chồng
chập vào đó vô số những tín hiệu nhiễu trong khi với EWB thì tín hiệu nhận
được là tín hiệu thật 100%. Với những đặc tính vừa phân tích ở trên, ta nhận
thấy EWB rất thích hợp cho các lớp thực tập, trung cấp hoặc công nhân lành

16
nghề vì ở đây yêu cầu chính là định tính còn định lượng là không cao. Đặc
biệt rất thích hợp đối với các kỹ thuật viên sửa chữa điện tử, EWB có thể xem
như một bàn thợ "cao cấp".
Để hỗ trợ việc tính toán trong kỹ thuật, Matlab cung cấp một môi
trường tính toán mạnh và tiện dụng cho các ứng dụng thuộc lĩnh vực kỹ thuật.
Bên cạnh đó, các phần mềm này thường cung cấp khả năng mô hình hóa và
mô phỏng hệ thống (ví dụ công cụ Simulink trong Matlab). Công cụ mô
phỏng này chủ yếu dựa trên khả năng tính toán số của phần mềm, trong đó
động học của một hệ thống chủ yếu được mô tả bởi các phương trình vi phân
thường. Với phần mềm Matlab, các thí nghiệm (thí nghiệm tiến hành trên máy
tính) được thực hiện một cách hết sức mềm dẻo và linh hoạt. Các tính chất và
các thông số của hệ thống xử lý được thay đổi, thử nghiệm và tính toán hết sức
nhanh chóng và chính xác. Do vậy hệ thống xử lý được đánh giá, xem xét
dưới nhiều góc độ trước khi đưa vào thực thi thực tế. Về phương diện này thì
phần mềm Matlab đến nay là một công cụ hàng đầu.
- Trong lĩnh vực thiết kế cơ khí: Phần mềm thiết kế cơ khí hiện nay có
khá nhiều và được gọi chung là các ứng dụng CAD, viết tắt của thuật ngữ
tiếng Anh là Computer- Aided Design (có nghĩa là thiết kế với sự trợ giúp của
máy tính) hoặc Computer- Aided Drawing (có nghĩa là vẽ kỹ thuật với sự trợ
giúp của máy tính). Lựa chọn và sử dụng phần mềm thiết kế cơ khí nào là phụ
thuộc vào mục đích, thói quen sử dụng hoặc được đào tạo. Một số phần mềm
thiết kế cơ khí phổ biến đó là: Catia, ProE, Unigraphics, SolidWorks,
Inventer Chúng có tính năng về cơ bản là tương đương nhau. Nhiều chương
trình CAD hiện nay cho phép tạo ra các mô hình ba chiều (còn gọi là 3D) để
có thể khảo sát mô hình từ mọi góc độ. Có các chương trình dựng mô hình 3D
dạng khung lưới (wireframe), dạng mặt (surface) và dạng khối đặc (solid).
Các chương trình CAD mô hình hóa vật thể đặc tiên tiến là một hệ thống thiết
kế hiện thực ảo. Người sử dụng chỉ cần thiết kế, lựa chọn các chi tiết, xác định

kiểu ghép nối, liên kết cho chúng, việc còn lại như hệ thống ấy sẽ hoạt động ra


17
sao, ghép nối như vậy có truyền động được không những công việc đó hoàn
toàn do chương trình tính toán và cho ra kết quả phù hợp với thực tế. Ngoài ra,
chương trình còn cho phép chúng ta tiến hành nhiều giả lập vật lý để khảo sát
sự hoạt động như thật của vật thật, phát hiện ra những bất hợp lý của thiết kế
mà nếu máy chưa hoạt động thì khó mà thấy được. Đây cũng được coi là
những hệ thống, chi tiết, mối ghép ảo. Ngoài ra, những mô hình đặc như vậy
còn có thể được dùng làm cơ sở cho các phân tích phần tử hữu hạn (Finete
element analysis- FEA) và/hoặc tính toán động lực dòng chảy (Computational
Fluid Dynamics- CFD) của thiết kế. Những phân tích này cho chúng ta biết về
các khả năng chịu lực, biến dạng, bị phá hủy của các chi tiết máy dưới tác
động của nội hoặc ngoại lực, giống như trong điều kiƯn sư dơng thùc tÕ.
- Trªn Internet, mét sè trang web [20], [21], [22] và [23] đà giới thiệu
các bài TN TH ảo, theo đó, bất cứ ai truy cập vào các web site đó đều thao tác
được với các bài TN TH đà được chuẩn bị sẵn. Đó là các chương trình mô
phỏng được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java và tồn tại trên trang web dưới
dạng những Java Applet. VÝ dô nh­ trong lÜnh vùc Kü thuËt điện tử, thí
nghiệm thiết kế mạch điện logic cũng được xây dựng. Hình 1.1 minh hoạ về
thí nghiệm loại này tại địa chỉ />

18

Các cổng
lôgic cơ bản
bả

Bảng chân lí

Vùng thiết kế

Hình 1.1. Thiết kế mạch logic
Mô tả: Chương trình cung cấp các cổng logic cơ bản (phía trên cùng của
bài thí nghiệm). Ban đầu, chương trình cho phép người học chọn số lượng
chân đầu vào và đầu ra của mạch điện logic. Sau đó, người học sử dụng chuột
để rê, nhắp và thả các cổng logic cơ bản vào vùng thiết kế, thực hiện các thao
tác đấu dây. Khi hoàn thành mạch điện, bấm nút Compute, trạng thái của
mạch logic mới được thiết kế sẽ được thể hiện thông qua bảng chân lý ở bên
trái (chương trình tự tính toán và lập ra). Với chức năng như trên, người học sẽ
có điều kiện kiểm nghiệm kiến thức về các cổng logic cơ bản cũng như thiết
kế các mạch logic đơn giản đáp ứng nhu cầu học tập.
Những thành tựu đà đạt được trong việc ứng dụng công nghệ thực tại ảo
nhằm nâng cao hiệu quả GD- ĐT, đặc biệt là cho đào tạo nghề cho thấy tiềm
năng to lớn của thực tại ảo, khẳng định vai trò quan trọng của TN TH ảo trong
dạy học nói chung, trong dạy và học qua mạng nói riêng. Tuy nhiên, qua
nghiên cứu và tìm hiểu cho thấy, cơ sở lý luận cho việc xây dựng và sử dụng
thực tại ảo (cụ thể là TN TH ảo) trong đào tạo nghề vẫn chưa được đề cập tới.
1.1.2. T¹i ViƯt Nam


19
Tại Việt Nam, đà có một số công trình nghiên cứu liên quan tới TN TH
ảo, như:
- Công trình Thí nghiệm ảo và thí nghiệm hoá học do PGS.TS
Nguyễn Đức Chuy, khoa Hoá học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội và các
cộng sự xây dựng [8, Tr.55]. Để có được phần mềm này, ban đầu, tác giả sử
dụng camera ghi hình các thí nghiệm hoá học thực (được thể hiện theo kịch
bản và biểu diễn bởi các chuyên gia thí nghiệm) và chuyển đổi tín hiệu video
thành các file movie chạy được trên máy tính. Sau đó, xây dựng phần mềm

nhằm thao tác thuận lợi với các file movie trên. Một số thí nghiệm hoá học
trong đĩa CD có thể kể tới như: Cấu tạo nguyên tử; hệ thống tuần hoàn các
nguyên tố hoá học [8, Tr.56]... Tuy nhiên, cũng như trường hợp trên một cơ sở
đầy đủ về lý luận và thực tiễn cho thí nghiệm ảo đà không được nhóm tác giả
đề cập.
- Công trình Nghiên cứu khoa học và phát triển Công nghệ thông tin
và truyền thông, đề tài khoa học cấp nhà nước KC-01-14 do PGS.TS Vũ
Trọng Rỹ và các cộng sự tại Viện chiến lược và Chương trình giáo dục kết hợp
với các chuyên gia tin học của viện CNTT thuộc trường ĐHQG Hà Nội hợp
tác xây dựng đà tiến hành xây dựng thành công phần mềm gồm 20 thí nghiệm
ảo phục vụ cho dạy học các môn Vật lí 8,9; Hoá học 9; Sinh học 8,9. Các bài
thí nghiệm được thể hiện bởi nhiều cảnh khác nhau được chuẩn bị trước mô tả
những trạng thái khác nhau của đối tượng và có thể chuyển từ cảnh này sang
cảnh khác một cách tuần tự. Định nghĩa về thí nghiệm ảo, các tác giả cho rằng
thí nghiệm ảo là một loại sản phẩm đa phương tiện (Multimedia), một loại
phần mềm dạy học mô phỏng thí nghiệm về hiện tượng, quá trình vật lí, hoá
học, sinh học,... nào đó xảy ra trong tự nhiên hoặc trong phòng thí nghiệm,
được tạo ra bởi sự tích hợp các dữ liệu dạng số trên máy tính, có khả năng
tương tác với người dùng và có giao diện thân thiện với người dùng [13,
tr.20]. Định nghĩa này chưa thực sự khái quát, hơn nữa cơ sở lí luận và thực
tiễn cho việc xây dựng và sử dụng thí nghiệm ảo cũng chưa được đề cập một


20
cách sâu sắc.
Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống hiện thực ảo trên nền tảng của kỹ thuật
ảo đà và đang được phát triển ứng dụng rộng rÃi trên khắp thế giới và trong rất
nhiều lĩnh vực khác nhau. ở Việt Nam các nhà khoa học và kỹ thuật đà bước
đầu øng dơng thư nghiƯm kü tht hiƯn thùc ¶o trong một số lĩnh vực như:
nghiên cứu- thử nghiệm rô bốt công nghiệp; nghiên cứu- thử nghiệm máy và

cơ cấu; huấn luyện và tập lái máy bay, tàu thủy, ô tô, Nhiều trường dạy lái
xe ở Việt Nam cũng đà trang bị cabin điện tử cho học viên thực tập. Một số
ứng dụng cụ thể phải kể đến như:
- Trong chế tạo khuân dập vỏ ô tô: Với mong muốn đóng góp vào việc
thực hiện chủ trương nâng cao tỷ lệ nội địa hóa của ngành chế tạo ô tô trong
nước, lần đầu tiên các nhà khoa học bộ môn Gia công áp lực trường Đại học
Bách khoa Hà Nội đà nghiên cứu và thiết kế chế tạo khuân dập vỏ ô tô bằng
công nghệ ảo. Mặc dù ngành lắp ráp ô tô, xe máy ở Việt Nam trong những
năm qua đà khá phát triển theo kịp với quá trình hội nhập kinh tế và đáp ứng
nhu cầu người tiêu dùng nhưng riêng trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo các chi
tiết vỏ mỏng cỡ lớn, có hình dạng phức tạp mà đặc biệt là các vỏ ô tô là vấn đề
còn mới mẻ ở nước ta và là một khó khăn đối với ngành công nghiệp sản xuất,
chế tạo ô tô. Sỡ dĩ như vậy là vì việc thiết kế các quy trình công nghệ dập,
thiết kế và chế tạo khuân mẫu vỏ ô tô có nhiều nét đặc thù và có những yêu
cầu kỹ thuật cao so với các chi tiết thông thường. Bằng công nghệ mô phỏng
số (ảo), khuôn dập và quá trình dập vỏ được mô phỏng trên vi tính có thể xác
định chính xác các chi tiết đạt tiêu chuẩn đề ra cho một bộ khuôn hoàn chỉnh.
Toàn bộ quá trình thiết kế, gia công chế tạo được sử dụng phần mềm chuyên
nghiệp Pro Egineer, Edge Cam... để mô phỏng các quá trình biến dạng, tìm
phương án tối ưu thiết kế công nghệ thích hợp và khuôn dập tương ứng. Sau
khi lập trình trên máy tính, với máy ép thủy lực 1.000 tấn, khuôn dập sẽ cho ra
lò những chi tiết vỏ xe từ đơn giản đến phức tạp nhất một cách tối ưu nhất,
tránh công đoạn sản xuất thử nhiều lần, tiết kiệm chi phí và sức lao động.


21
Thành công này đà mở ra một hướng phát triển mới trong lĩnh vực thiết kế,
chế tạo khuôn dập vỏ vốn còn non yếu ở nước ta
- Trong giảng dạy vật lý đại cương: Công trình "Phòng thí nghiệm vật
lý đại cương ảo" do bộ môn Vật lý Tin học thuộc Viện vật lý Kỹ thuật- Đại

học Bách khoa Hà Nội [2] xây dựng. Nội dung của phần mềm này bao gồm hệ
thống các bài thí nghiệm vật lý ảo như: xác định hệ số nhớt của chất lỏng;
quan sát sự chuyển pha của chất rắn; thí nghiệm khảo sát cặp nhiệt điện; thí
nghiệm chứng minh ảo về mô hình nguyên tử Bor Với một thiết kế hoàn
chỉnh, quá trình xử lý khoa học và trung thực hình ảnh của dụng cụ, trang thiết
bị, thao tác trong thí nghiệm được mô phỏng gần giống thật, đà tạo nên
một môi trường thí nghiệm giống như thật thể hiện trên màn hình máy tính.
Điều này giúp người học thực hiện được thí nghiệm mọi lúc, mọi nơi, nâng
cao hiểu biết và làm quen với các bài thí nghiệm thực. Bên cạnh đó, phòng thí
nghiệm vật lý đại cương ảo này có thể thực hiện các thí nghiệm mà trong thực
tế khó tiến hành được như thí nghiệm về sự chuyển pha của chất rắn. Tuy vậy,
nghiên cứu này chưa đề cập một cách sâu sắc tới cơ sở lý luận và thực tiễn của
việc xây dựng và sử dụng TN TH ảo trong dạy học.
Khắc phục một số hạn chế của những nghiên cứu trước đó, Luận án tiến
sỹ giáo dục của TS Lê Huy Hoàng nghiên cứu về Thí nghiệm, thực hành ảoứng dụng trong dạy học Kỹ thuật công nghiệp lớp 12- Trung học phổ thông
đà đưa ra cơ sở lý luận tương đối hoàn chỉnh về xây dựng và sử dụng TN TH
ảo. Tuy nhiên, phạm vi của đề tài là TN TH ảo trong dạy học Kỹ thuật công
nghiệp lớp 12. Còn trong đào tạo nghề, chưa có một công trình nghiên cứu nào
đề cập tới TN TH ảo như một lý luận về xây dựng và sử dụng TN TH ảo trong
dạy nghề.
Do đó, đề tài được thực hiện với mục tiêu khái quát hoá về mặt cơ sở lý
luận và thực tiễn của việc xây dựng và sử dụng TN TH ảo trong đào tạo nghề
nói chung, trong đào tạo nghề Điện công nghiệp nói riêng. Trên cơ sở đó, xây
dựng thử nghiệm một số bài TN TH ảo điển hình. Các vấn đề đặt ra nh­: khi


22
nào thì dùng thuật ngữ ảo; thế nào là TN TH ảo; vai trò của TN TH ảo trong
đào tạo nghề là gì; tiêu chí nào để phân loại TN TH ảo; mối liên hệ giữa mô
phỏng và TN TH ảo; quy trình nào cho thiết kế, xây dựng và nguyên tắc sử

dụng TN TH ảo sẽ được đề cập trong luận văn.
1.2. Cơ sở lý luận của việc xây dựng và sử dụng
thí nghiệm thực hành ảo
1.2.1. Một số khái niệm
1.2.1.1. Một số khái niệm liên quan đến đào tạo nghề (ĐTN)
a. Đào tạo nghề
ĐTN là quá trình phát triển có hệ thống kiến thức, kỹ năng, kỹ xảo và
thái độ nghề nghiệp; ĐTN là nhằm hướng vào hoạt động nghề nghiệp và hoạt
động xà hội. Mục tiêu đào tạo là trạng thái phát triển của nhân cách được dự
kiến trên cơ sở yêu cầu phát triển kinh tế xà hội và được hiểu là chất lượng cần
đạt tới đối với người học sau quá trình đào tạo.
ĐTN khác với đào tạo lý thuyết học thuật mặc dù ranh giới không dễ
phân định. ĐTN cũng có những nhân tố sư phạm như các thiết chế giáo dục
khác nhưng nhấn mạnh nhiều hơn vào khía cạnh kỹ thuật và công nghệ. So với
những thiết chế giáo dục khác, ĐTN thể hiện rõ hơn sự cần thiết của việc kết
hợp giữa lý thut vµ thùc hµnh cịng nh­ thĨ hiƯn râ sự liên quan mật thiết
giữa nội dung, phương pháp đào tạo với những thay đổi diễn ra trong thế giới
lao động.
b. Kỹ năng, kỹ xảo
Kỹ năng là khả năng của con người thực hiện công việc một cách có
hiệu quả và chất lượng trong một thời gian thích hợp, trong những điều kiện
nhất định dựa vào tri thức và kỹ xảo đà có.[3, Tr.75]
Như vậy, kỹ năng có nội dung là những quá trình tâm lý và luôn gắn với
những hoạt động cụ thể, kỹ năng là kiến thức trong hành động.
Kỹ xảo là hoạt động hay thành phần của hoạt động đà được tự động


23
hãa nhê lun tËp.” [3, Tr.75]
Nh­ vËy, kü x¶o nh­ một thuộc tính nhân cách vì nó khá ổn định và bền

vững.
Về kỹ năng thực hành, có thể phân chia thành 3 loại:
- Kỹ năng thực hành thao tác với những công cụ, máy móc, nguyên vật
liệu cụ thể cần sự khéo léo (ví dụ như: kỹ năng hàn đứng, kỹ năng vận hành và
sử dụng máy tiện).
- Kỹ năng thực hành thao tác với máy móc nhưng hoàn toàn sử dụng sự
hỗ trợ các chức năng của máy như việc sử dụng một phần mềm máy tính hoặc
điều khiển CNC, khi đó học sinh chỉ cần biết các chức năng của phần mềm và
thao tác với chuột và bàn phím.
- Kỹ năng thực hành không liên quan tới các máy móc và công cụ như kỹ
năng nghe, nói, đọc viết trong ngoại ngữ.
c. Năng lực thực hành nghề
Theo tổ chức lao động quốc tế (ILO) năng lực hành nghề là "Sự vận
dụng các kỹ năng, kiến thức và thái độ để thực hiện các nhiệm vụ theo tiêu
chuẩn công nghiệp và thương mại dưới các điều kiện hiện hành
Như vậy có thể hiểu rằng: Năng lực hành nghề là khả năng và sự sẵn
sàng hành động một cách độc lập, phù hợp với đối tượng trong các tình huống
hoạt động nghề nghiệp và hoạt động xà hội. Trong cơ chế thị trường, năng lực
hành nghề cũng chính là khả năng tìm kiếm việc làm và tự tạo việc làm để lập
thân, lập nghiệp. Sau khi được đào tạo nghề, cấu trúc năng lực của người học
nghề bao gồm: năng lực chuyên môn nghề, năng lực phương pháp và năng lùc
x· héi (H×nh 1.2).


24

Năng lực
chuyên môn

Năng lực

phương pháp

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc năng lực hành nghề

- Năng lực chuyên môn: là khả năng và sự sẵn sàng sử dụng các kiến
thức chuyên môn, kỹ năng cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ nghề nghiệp cụ
thể, có thể làm, thu thập thông tin và xử lý linh hoạt, sáng tạo các tình huống
diễn ra trong thực tiễn;
- Năng lực phương pháp: là khả năng và sự sẵn sàng sử dụng các kiến
thức, kỹ năng đà tiếp thu được sao cho thích hợp với hoàn cảnh mới trong một
môi trường cụ thể; có khả năng xử lý thông tin trong quá trình lao động và học
tập, đưa ra các giải pháp thích ứng để giải quyết các nhiệm vụ mới trong công
việc; có khả năng làm chủ thực tiễn để giải quyết các vấn đề nghề nghiệp và
xà hội.
- Năng lực xà hội: là khả năng và sự sẵn sàng sử dụng phương pháp
học tập, đề ra chiến lược, chiến thuật trong việc tự đào tạo và bồi dưỡng. Đồng
thời có khả năng phối hợp với đồng nghiệp trong quá trình thực hiện nhiệm
vụ, biết tổ chức phối hợp để làm việc theo tổ nhóm.
d. Phương tiện và phương tiện dạy học (PTDH)
Một cách chung nhất, phương tiện là cái dùng để làm một việc gì, để đạt
một mục đích nào đó và PTDH được hiểu là toàn bộ những trang thiết bị, đồ
dùng, dụng cụ phục vụ việc giảng dạy và học tËp.