Nâng cao chất lượng dạy và học môn kỹ thuật xung số tại trường trung cấp nghề giao thông công chính hà nội ứng dụng phần mềm mô phỏng proteus

...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
_______________________

LÊ QUANG VINH

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DẠY VÀ HỌC
MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ TẠI TRƯỜNG
TRUNG CẤP NGHỀ GIAO THÔNG CƠNG CHÍNH HÀ NỘI
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MƠ PHỎNG PROTEUS

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC
CHUYÊN SÂU: SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN TIẾN DŨNG

HÀ NỘI - NĂM 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan những gì được viết 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 từ nguồn gốc cụ thể.
Luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một Hội đồng bảo vệ
luận văn Thạc sỹ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thơng tin
nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những gì mà tơi đã cam đoan trên đây.

Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 2013
Tác giả luận văn

LÊ QUANG VINH


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, khẩn trương với sự giúp đỡ
hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Nguyễn Tiến Dũng cùng với sự chỉ bảo của các
thầy, cô trong Viện Sư Phạm Kỹ Thuật - Đại học Bách Khoa Hà Nội. Luận văn
“Nâng cao chất lượng dạy và học môn Kỹ thuật xung số tại trường Trung cấp
nghề Giao thơng cơng chính Hà Nội ứng dụng phần mềm mơ phỏng Proteus ” đã
hồn thành.
Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Tiến Dũng đã trực tiếp hướng
dẫn tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo trong Viện
Sư phạm Kỹ thuật, Viện đào tạo sau đại học- Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy,
cô trong ban Giám hiệu, ban chủ nhiệm khoa và tập thể giáo viên khoa Công nghệ
thông tin Trường Trung cấp nghề Giao thơng cơng chính Hà Nội, đã tạo mọi điều
kiện tốt nhất cho tôi nghiên cứu, thực hiện, để hoàn thành luận văn đúng tiến độ,
cùng tập thể bạn bè đồng nghiệp đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tham gia đóng góp
nhiều ý kiến quý báu cho tác giả từ những công việc đầu tiên và trong suốt thời gian
nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tuy đã rất nỗ lực phấn đấu, nhưng do thời gian có hạn vì vậy luận văn khơng
tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Tơi mong nhận được những ý kiến đóng góp,
bổ sung của Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp và bạn đọc để luận văn được hồn
thiện hơn.
Tơi xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 2013

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
CHƯƠNG I - CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ ÁP DỤNG
PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC THỰC HÀNH ........................4
1.1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG ........................................4
1.1.1. Mơ phỏng và phương pháp dạy học mơ phỏng.........................................4
1.1.2. Mơ hình trong dạy học mô phỏng .............................................................9
1.1.3. Phương pháp mô phỏng số ......................................................................13
1.2. CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
TRONG DẠY HỌC THỰC HÀNH .....................................................................17
1.2.1. Dạy học thực hành ..................................................................................17
1.2.2. Cơ sở lý luận của vận dụng phương pháp mô phỏng số trong dạy học
thực hành ...........................................................................................................21
1.2.3. Mục đích vận dụng PPMP trong dạy học thực hành...............................24
1.3. QUY TRÌNH VẬN DỤNG ............................................................................28
1.3.1. Một số yêu cầu trong việc vận dụng .......................................................28
1.3.2. Quy trình vận dụng..................................................................................30
CHƯƠNG II - VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC
THỰC HÀNH MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ CỦA NGHỀ KỸ THUẬT LẮP
RÁP, SỬA CHỮA MÁY TÍNH TẠI TRƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ GIAO
THƠNG CƠNG CHÍNH HÀ NỘI ............................................................................34
2.1. TRƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ GIAO THƠNG CƠNG CHÍNH HÀ NỘI 34
2.2. CƠ SỞ XÂY DỰNG ÁP DỤNG MÔ PHỎNG SỐ TRONG DẠY HỌC
THỰC HÀNH MÔN HỌC KỸ THUẬT XUNG SỐ ...........................................35

2.2.1. Chương trình và nội dung đào tạo nghề ..................................................35
2.2.2. Chương trình mơn học kỹ thuật xung số .................................................35
2.2.3. Đội ngũ giáo viên ....................................................................................37
2.2.4. Trình độ học sinh - sinh viên ..................................................................38
2.2.5. Cơ sở vật chất và phương tiện dạy học ...................................................38
2.2.6. Thực trạng giảng dạy ..............................................................................38
2.3. XÂY DỰNG MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC THỰC HÀNH MÔN HỌC
KỸ THUẬT XUNG SỐ ........................................................................................40
2.3.1. Yêu cầu với nội dung mô phỏng .............................................................40
2.3.2. Công cụ, phương tiện trong xây dựng mô phỏng ...................................41
2.3.3. Ứng dụng phần mềm mô phỏng Proteus xây dựng bài giảng trong môn
học Kỹ thuật xung số.........................................................................................43
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM .............................................................75
3.1. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG THỰC NGHIỆM ..............................................75
3.1.1. Mục đích thực nghiệm ............................................................................75
3.1.2. Đối tượng thực nghiệm ...........................................................................75
3.2. NỘI DUNG VÀ TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM .........................................76
3.2.1. Nội dung thực nghiệm .............................................................................76
3.2.2. Chuẩn bị thực nghiệm .............................................................................76
3.2.3. Tiến trình thực nghiệm ............................................................................77
3.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .........................................................................77
3.3.1. Kết quả kiểm tra của học sinh-sinh viên sau bài học ..............................77
3.3.2. Kết quả thu được từ phiếu điều tra GV, HS-SV tham dự tiết học ..........78
3.4. KẾT QUẢ NHẬN ĐƯỢC QUA PHƯƠNG PHÁP CHUYÊN GIA ............80
3.4.1. Đối tượng khảo sát lấy ý kiến .................................................................80
3.4.2. Nội dung khảo sát....................................................................................80
3.4.3. Kết quả khảo sát ......................................................................................81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................85

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................86


PHỤ LỤC 1 ...............................................................................................................88
PHỤ LỤC 2 ...............................................................................................................92


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

TT

Cụm từ viết tắt

Nghĩa đầy đủ

1

MH

Mơ hình

2

PP

Phương pháp

3

PPDH

4

MP

Mơ phỏng

5

PT

Phương tiện

6

PTDH

Phương tiện dạy học.

7

CNTT

Công nghệ thông tin

8

CNMP

Công nghệ mô phỏng

9

HS

Học sinh

10

SV

Sinh viên

11

GV

Giáo viên

12

KTCN

13

DH

Dạy học

14

ĐC

Đối chứng

15

TN

Thực nghiệm

16

TH

Thực hành

17

CNH - HĐH

18

ĐT

Đào tạo

19

ND

Nội dung

20

THPT

Trung học phổ thông

21

THCS

Trung học cơ sở

22

SPKT

Sư phạm kỹ thuật

23

ĐH

Đại học

24

HN

Hà Nội

Phương pháp dạy học

Kỹ thuật cơng nghiệp

Cơng nghiệp hố - Hiện đại hoá


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Kết quả thăm dò GV và SV về mức độ sử dụng các PP dạy TH .............39
Bảng 2.2. Kết quả tác động của phương pháp dạy học đến mức độ hứng thú .........39
Bảng 2.3. Kết quả thăm dò GV và SV về mức độ sử dụng PT giảng dạy TH .........40
Bảng 3.1. Kết quả kiểm tra bài 1 của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng ........78
Bảng 3.2. Kết quả kiểm tra bài 2 của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng ........78
Bảng 3.3. Ý kiến của giáo viên tham dự tiết học ......................................................79
Bảng 3.4. Ý kiến của học sinh-sinh viên tham dự tiết học .......................................79
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát ý kiến chuyên gia về hiệu quả của việc vận dụng
phương pháp mô phỏng trong dạy học thực hành môn kỹ thuật xung số .................82
Bảng 3.6. Kết quả khảo sát ý kiến chuyên gia về tính khả thi của việc vận dụng
phương pháp mơ phỏng trong dạy học thực hành môn kỹ thuật xung số .................82
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát ý kiến chuyên gia về tính cần thiết của việc vận dụng
phương pháp mô phỏng trong dạy học thực hành môn kỹ thuật xung số .................82


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Q trình mơ phỏng ....................................................................................6
Hình 1.2. Phân loại mơ hình......................................................................................10
Hình 1.3. Q trình mơ phỏng số ..............................................................................14

Hình 1.4. Cấu trúc bài dạy thực hành kỹ thuật..........................................................21
Hình 1.5. Cấu trúc của phương pháp mơ phỏng .......................................................30
Hình 2.1. Sơ đồ chân IC74164 ..................................................................................44
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động IC74164.........................................................45
Hình 2.3. Sơ đồ lắp ráp .............................................................................................46
Hình 2.4. Khởi động phần mềm ................................................................................47
Hình 2.5. Giao diện phần mềm .................................................................................48
Hình 2.6. Chọn linh kiện ...........................................................................................48
Hình 2.7. Lấy IC 74LS164 từ thư viện linh kiện ......................................................49
Hình 2.8. Lấy đèn Led từ thư viện linh kiện .............................................................49
Hình 2.9. Bố trí linh kiện ..........................................................................................50
Hình 2.10 - Component Mode ..................................................................................51
Hình 2.11 - Sơ đồ nguyên lý .....................................................................................51
Hình 2.12 - Chạy mơ phỏng ......................................................................................52
Hình 2.13 - Lấy Transistor từ thư viện linh kiện ......................................................53
Hình 2.14 - Bố trí linh kiện .......................................................................................54
Hình 2.15 - Sửa giá trị linh kiện ................................................................................55
Hình 2.16 - Sơ đồ thiết kế hồn thiện .......................................................................55
Hình 2.17 - Chạy mơ phỏng ......................................................................................56
Hình 2.18. Sơ đồ chân IC 7490 .................................................................................62
Hình 2.19. Sơ đồ nguyên lý mạch đếm sử dụng IC 7490 .........................................64
Hình 2.20. Chọn linh kiện .........................................................................................65
Hình 2.21. Lấy que đếm LOGICPROBE từ thư viện ...............................................65
Hình 2.22. Lấy IC 74LS90 từ thư viện linh kiện ......................................................66
Hình 2.23. Bố trí linh kiện ........................................................................................66


Hình 2.24 - Sơ đồ nguyên lý .....................................................................................67
Hình 2.25 - Chạy mơ phỏng ......................................................................................67
Hình 2.26 - Mạch đếm 0-5 ........................................................................................68

Hình 2.27 - Chạy mô phỏng ......................................................................................68


PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Thực trạng về chất lượng giáo dục và đào tạo nói chung ở nước ta chưa cao,
trình độ kiến thức, kỹ năng thực hành, phương pháp tư duy khoa học của sinh viên
(SV) cịn yếu, chưa thích ứng kịp với những biến đổi nhanh chóng trong các ngành
kỹ thuật - cơng nghệ. Trước tình hình đó, các phương pháp dạy học mới dựa trên
quan điểm phát huy tính tích cực của người học, đề cao vai trò tự học của học trò,
kết hợp với sự hướng dẫn của thầy đang dần được ứng dụng rộng rãi.
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 trường càng trở nên cần thiết.
Công nghệ thông tin và truyền thông mới là một cuộc cách mạng giáo dục thật sự
đối với nhân loại. Ứng dụng phương pháp mô phỏng trong dạy học thơng qua máy
tính là một hướng đi mới, sẽ giảm được đáng kể về kinh phí và thời gian đào tạo,
khắc phục được tình trạng thiếu đồ dùng, thiết bị học tập.
Trường Trung cấp nghề Giao thông công chính Hà Nội cũng đang tích cực
đổi mới trong dạy học. Tuy nhiên việc áp dụng MP trong dạy học cịn nhiều khó
khăn. Vì thế, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nâng cao chất lượng dạy và học môn Kỹ
thuật xung số tại trường Trung cấp nghề Giao thông cơng chính Hà Nội ứng
dụng phần mềm mơ phỏng Proteus ” làm đề tài luận văn.
2. Mục đích nghiên cứu
Vận dụng phương pháp mơ phỏng vào q trình dạy học trên máy tính nhằm
nâng cao chất lượng dạy và học môn Kỹ thuật xung số tại trường Trung cấp nghề
Giao thơng cơng chính Hà Nội.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Q trình dạy học thực hành mơn Kỹ thuật xung số của nghề Kỹ thuật lắp
ráp, sửa chữa máy tính tại trường Trung cấp nghề Giao thơng cơng chính Hà Nội.

Vận dụng lý thuyết mô phỏng vào việc tổ chức, xây dựng, dạy học thực hành
2 bài cho môn kỹ thuật xung số.
1


4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý luận của PPMP.
- Đánh giá thực trạng dạy học thực hành môn kỹ thuật xung số của nghề Kỹ
thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính tại trường Trung cấp nghề Giao thơng cơng chính
Hà Nội.
- Ứng dụng PPMP xây dựng 2 bài giảng trong chương trình mơn học Kỹ
thuật xung số của nghề Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính tại trường Trung cấp
nghề Giao thơng cơng chính Hà Nội.
- Tiến hành thực nghiệm sư phạm để kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết
khoa học đề ra.
5. Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình tiến hành luận văn, một số phương pháp nghiên cứu sau đây
được tác giả sử dụng:
- Phương pháp nghiên cứu lý luận: Đọc và tham khảo sách báo, tạp chí về lý
thuyết mơ phỏng, các cơng trình nghiên cứu có liên quan để xác định mục đích,
nhiệm vụ của đề tài.
- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: điều tra, khảo sát, tổng hợp và thống kê
xử lý số liệu để đánh giá thực trạng dạy học tại trường Trung cấp nghề Giao thơng
cơng chính Hà Nội.
- Phương pháp chuyên gia: trưng cầu ý kiến của các chuyên gia phương pháp,
trao đổi trực tiếp với GV và SV của Trung cấp nghề Giao thơng cơng chính Hà Nội
để kiểm tra tính đúng đắn giả thuyết đề tài.
6. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương với nội
dung như sau:

Chương 1: Cơ sở lý luận của việc xây dựng và áp dụng phương pháp mô
phỏng trong dạy học thực hành

2


Chương 2: Vận dụng phương pháp mô phỏng trong dạy học thực hành môn
Kỹ thuật xung số của nghề Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính tại trường Trung cấp
nghề Giao thơng cơng chính Hà Nội
Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

3


CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ ÁP DỤNG
PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC THỰC HÀNH
1.1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG
1.1.1. Mơ phỏng và phương pháp dạy học mô phỏng
1.1.1.1. Mô phỏng (Simulation)
Mô phỏng từ lâu đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kỹ
thuật, kinh tế, xã hội... Ngày nay nhờ có sự trợ giúp của máy tính có tốc độ tính tốn
nhanh, dung lượng bộ nhớ lớn mà phương 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 tượng nghiên cứu cùng với sự thay đổi của chúng. Các quan hệ
này của đối tượng có thể tạo ra các tình huống mới, thậm chí các quy luật mới, được
phát hiện trong q trình mơ phỏng. Trong khoa học và công nghệ, mô phỏng là con
đường nghiên cứu thứ ba, song song với việc nghiên cứu lý thuyết thuần tuý và
nghiên cứu thực nghiệm trên đối tượng thực. Nó được sử dụng khi khơng thể,

khơng cần hay không nên thực nghiệm trên đối tượng thực.
Theo Robert. E. Stephenson [20], mô phỏng là nghiên cứu trạng thái của mơ
hình để qua đó hiểu được hệ thống thực. Việc mơ phỏng bắt đầu việc tạo ra một mơ
hình nhờ trí tưởng tượng (có suy nghĩ) của con người về những yếu tố có liên quan
đến hệ thống thực. Đơi khi người ta nhận thấy rằng, giữa mơ hình nhận được và
thực tế có mâu thuẫn, song việc khảo sát được bổ sung và tiếp tục cho đến khi thỏa
mãn yêu cầu mà giả thuyết đề ra.
Một cách tổng quát, mơ phỏng là q trình thực nghiệm quan sát được và
điều khiển được trên mơ hình của đối tượng khảo sát.
Mô phỏng thuận lợi cho người sử dụng về các mặt:
- Nhận thức: trực quan hoá, dễ tiếp cận và đo lường, lặp lại được nhiều lần
theo ý muốn, gởi mở tiên đoán, sáng tạo và thử nghiệm......
4


- Công nghệ (về thiết bị, phương tiện cũng như kỹ năng): khả thi, an toàn,
hiệu quả kinh tế, tiết kiệm thời gian, luyện kỹ năng trước khi tiếp xúc vật thực tế...
1.1.1.2. Phương pháp dạy học mô phỏng
* Khái niệm:
- Phương pháp có thể hiểu là con đường, cách thức để giải quyết những
nhiệm vụ nhất định và đạt mục đích đề ra.
Phương pháp bao gồm hai mặt chủ quan và khách quan. Về mặt khách quan,
đó là tác động của những quy luật chi phối sự tồn tại và phát triển của đối tượng
(khách thể) và được con người (chủ thể) nhận thức. Con người là chủ thể của
phương pháp, trước khi tác động vào đối tượng phải có những hiểu biết cần thiết đối
về đối tượng, hay nói cách khác là phải nhận thức được quy luật khách quan chi
phối đối tượng mà chủ thể định tác động. Về mặt chủ quan, là những cách thức của
con người vận dụng những quy luật khách quan để nghiên cứu và điều khiển đối
tượng. Sau khi đã hiểu biết về đối tượng, chủ thể tìm kiếm, lựa chọn những thao tác
thích hợp để tương tác với đối tượng.

Phương pháp bao giờ cũng được chủ thể xây dựng trên cơ sở của những đối
tượng nhất định, để đạt mục đích nhất định, hay nói cách khác, đối tượng nào
phương pháp ấy. Mặc dầu có những phương pháp có thể áp dụng cho nhiều đối
tượng (được gọi là phương pháp chung) nhưng khơng có phương pháp vạn năng
cho mọi đối tượng. Đúng như Sprinnza đã nói: "Phương pháp hữu hiệu là phương
pháp vạch ra cho người ta thấy phải định hướng trí tuệ như thế nào cho phù hợp với
chuẩn mực của một tư tưởng chân thực cho trước".
- Phương pháp dạy học:
Có nhiều quan điểm khác nhau về phương pháp dạy học:
Theo quan điểm của Iu.K.Babanski [26] thì phương pháp dạy học là cách
thức tương tác giữa thầy và trò nhằm giải quyết các nhiệm vụ giáo dưỡng, giáo dục
và phát triển quá trình dạy học.

5


Theo I.Ia.Lecne [27] thì phương pháp dạy học là một hệ thống những hành
động có mục đích của giáo viên nhằm tổ chức các hoạt động nhận thức và thực
hành của học sinh, đảm bảo học sinh lĩnh hội học vấn.
Các định nghĩa này có thể tóm tắt ở ba dạng cơ bản sau đây:
+ Theo quan điểm điều khiển học, phương pháp dạy học là cách thức tổ chức
của người dạy để hướng dẫn, điều khiển hoạt động của học sinh trong quá trình tìm
hiểu, khám phá và lĩnh hội kiến thức, hình thành kỹ năng.
+ Theo quan điểm logic, phương pháp dạy học là những thủ thuật logic được
sử dụng để giúp học sinh nắm kiến thức, kỹ năng một cách chính xác.
+ Theo bản chất của nội dung, phương pháp là sự vận động của nội dung dạy
học.
- Phương pháp mô phỏng trong dạy học: Là phương pháp nhận thức thế
giới thực thông qua nghiên cứu mô hình của đối tượng mà ta quan tâm, đây là
phương pháp dạy học có hiệu quả cao về nhiều mặt, như trực quan, sinh động, gây

hứng thú học tập và nghiên cứu, phát huy tư duy sáng tạo... .
Mô phỏng trong dạy học là q trình dạy học có thực nghiệm quan sát được
và điều khiển được trên mơ hình, vì thế phương pháp mơ phỏng cũng có tên gọi
tương ứng theo mơ hình được sử dụng như: Mơ phỏng hình học, mơ phỏng tương
tự, mơ phỏng số… . Cùng một đối tượng, tùy thuộc vào mục đích và điều kiện khảo
sát, có thể mơ hình hóa dưới những dạng khác nhau, vì thế có thể có nhiều cách mơ
phỏng khác nhau tương ứng.
1.1.1.3. Cấu trúc của phương pháp mô phỏng
Đối tượng

(1)

Mơ hình

(2)

nghiên cứu
(3)

Hình 1.1. Q trình mơ phỏng

6

Kết quả


Phương pháp mô phỏng được tiến hành theo ba bước:
(1) Mơ hình hố: Từ mục đích nghiên cứu, cần xác định lựa chọn một số tính
chất và mối quan hệ chính của đối tượng nghiên cứu đồng thời loại bỏ những tính
chất và mối quan hệ thứ yếu để xây dựng mơ hình.

Bằng quan sát thực nghiệm người ta xác định được một tập hợp những tính
chất của đối tượng nghiên cứu. Thông thường, do kết quả của sự tương tự người ta
đi đến hình dung sơ bộ về sự vật, hiện tượng cần nghiên cứu, tức là đi đến một mơ
hình sơ bộ, chưa đầy đủ. Trong giai đoạn này trí tưởng tưởng và trực giác giữ vai
trị rất quan trọng, nhờ đó người ta mới loại bỏ được những tính chất và mối quan
hệ thứ yếu của đối tượng nghiên cứu, thay nó bằng mơ hình chỉ mang tính chất và
những mối quan hệ chính mà ta phải quan tâm. Mơ hình ban đầu mới có trong óc
của người nghiên cứu. Nó trở thành mẫu, dựa vào đó người nghiên cứu xây dựng
được những mơ hình thật (nếu nhà nghiên cứu dùng phương pháp mơ hình vật
chất). Trong trường hợp mơ hình lý tưởng thì người ta đem đối chiếu mơ hình trí
tưởng tưởng trong óc với những vật thật, những hiện tượng mà người ta đã quen
biết.
(2) Nghiên cứu mơ hình (tính tốn, thực nghiệm...) để rút ra những hệ quả lý
thuyết, kết luận về đối tượng nghiên cứu.
Sau khi mơ hình được xây dựng, người ta áp dụng những phương pháp lý
thuyết hoặc thực nghiệm khác nhau từ tư duy trên mơ hình và thu được kết quả,
những thơng tin mới. Đối với các mơ hình vật chất thì người ta làm thí nghiệm thực
trên mơ hình. Cịn đối với những mơ hình lý tưởng thì tiến hành thao tác trên mơ
hình trong óc, tức là áp dụng những phép tính hay những phép phân tích logic trên
các ký hiệu. Người ta coi công việc này như làm một thí nghiệm đặc biệt gọi là thí
nghiệm tưởng tưởng. Thí nghiệm tưởng tưởng tuy khơng có thật nhưng có thể thực
hiện được và có vai trị rất lớn trong khoa học. Những thí nghiệm đó được sáng tạo
ra để giải thích những vấn đề đặc biệt quan trọng, bất kể là thực tế ta có thể thực
hiện được thí nghiệm đó hay khơng. Dĩ nhiên, diều quan trọng là thí nghiệm đó có
7


thể thực hiện được về nguyên tắc, mặc dù kỹ thuật thực nghiệm của nó có thể rất
phức tạp.
Trong phương pháp mơ hình khái niệm người ta biết trước hành vi của mơ

hình trong những điều kiện xác định. Điều người ta muốn biết thêm là hệ quả của
những hành vi đó như thế nào.
(3) Đối chiếu kết quả thu được trên mơ hình với kết quả thực tiễn đồng thời
xét tính hợp thức của mơ hình. Trong trường hợp kết quả không phù hợp với thực
tiễn phải chọn lại mơ hình.
Nếu bản thân mơ hình là một phần tử cấu tạo của nhận thức thì cần phải
kiểm tra sự đúng đắn của nó bằng cách đối chiếu kết quả thu được từ mơ hình với
những kết quả thu được trực tiếp từ đối tượng gốc. Nếu sai lệch thì phải điều chỉnh
ngay chính mơ hình, có trường hợp phải bỏ hẳn mơ hình đó và thay bằng một mơ
hình khác.
Nếu bản thân của mơ hình khơng phải là đối tượng của nhận thức mà chỉ là
phương tiện để nghiên cứu thì việc xử lý kết quả, hợp thức mơ hình là phải phân
tích những kết quả thu được trên mơ hình thành những thơng tin thực về đối tượng
nghiên cứu (ví dụ như mơ hình kỹ thuật, mơ hình tốn học,...) nếu những thơng tin
ấy khơng phù hợp thì cũng phải chỉnh lý lại mơ hình.
Trong nhiều trường hợp mơ hình chỉ phản ánh được một hay một số mặt của
đối tượng nghiên cứu, cịn nhiều mặt khác thì khơng phản ánh được, thậm chí phản
ảnh sai lệch.
Những mơ hình đã được kiểm nghiệm trong thực tế là những mơ hình hợp
thức và dùng để phản ánh một số mặt của thực tế khách quan. Nó có thể thay đổi,
hoàn chỉnh thêm hoặc bị bác bỏ khi người ta có thêm những thơng tin chính xác hơn
về đối tượng gốc (ngun hình).
Để việc mơ hình hố đạt hiệu quả, ngồi u cầu về tính đơn giản và trực
quan của mơ hình, cần chú ý đến tính hợp thức của mơ hình so với ngun hình; có
thể chuyển kết quả nhận được khi nghiên cứu mơ hình sang đối tượng nghiên cứu.

8


1.1.2. Mơ hình trong dạy học mơ phỏng

1.1.2.1. Khái niệm
Mơ hình là cơng cụ đặc biệt để nghiên cứu thực nghiệm, cơ sở là lý thuyết
mô phỏng.
Khái niệm về mô hình được sử dụng rộng rãi trong ngơn ngữ thơng thường
hàng ngày với những ý nghĩa rất khác nhau. Trong các giờ khoa học tự nhiên học
sinh thường gặp mô hình tế bào, mơ hình lị cao, mơ hình động cơ đốt trong tức là
vật có cấu tạo khơng gian giống như vật thật mà ta cần nghiên cứu. Mô hình phân
tử, mơ hình ngun tử lại mơ tả những vật thể mà ta chỉ biết được những tính chất
của chúng chứ khơng quan sát trực tiếp được. Mơ hình q trình dạy học lại khơng
phản ảnh một vật thể nào cả mà phản ảnh một sự kiện trừu tượng, mơ hình con
người mới lại là mẫu mực mà ta phải vươn tới chứ không phải là phỏng theo một
thực thể đang tồn tại.
Trong vật lý học, V.A Stopho đã định nghĩa “Mơ hình là một hệ thống được
hình dung trong óc hay được thực hiện một cách vật chất, hệ thống đó phản ánh
những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu hoặc tái tạo nó, bởi vậy việc
nghiên cứu mơ hình sẽ cung cấp cho ta nhưng thông tin mới về đối tượng”. Định
nghĩa này chưa nêu bật được tính chủ quan của mơ hình. Cùng một đối tượng
nghiên cứu chúng ta có thể xây dựng được nhiều mơ hình khác nhau tuỳ thuộc vào
mục đích nghiên cứu và khả năng thể hiện của mỗi người. Việc chọn thuộc tính nào
và quan hệ nào của đối tượng là đặc trưng tuỳ thuộc vào người nghiên cứu.
Theo nghĩa chung nhất, mơ hình được hiểu là một thể hiện bằng thực thể hay
bằng khái niệm một số thuộc tính và quan hệ đặc trưng của một đối tượng nào đó
(gọi là ngun hình) nhằm mục đích nhận thức sau [15]:
- Làm đối tượng quan sát thay cho nguyên hình.
- Làm đối tượng nghiên cứu (thực nghiệm hay suy diễn) về ngun hình.
1.1.2.2. Phân loại
Mơ hình được chia làm hai loại [07]: mơ hình thực thể và mơ hình khái niệm

9

Mơ hình

MH thực thể

MH khái niệm

MH

MH

MH

MH

MH

trích

đồng

tương

hệ

cấu

mẫu

dạng

tự

thức

trúc

MH

MH

MH

hình

đồng

động

học

lực

hình

họcHình 1.2.học
Phân loại mơ hình
Mơ hình thực thể là những mơ hình vật chất hoặc vật chất hóa được. Ví dụ
như mơ hình động cơ đốt trong, mơ hình dao động... Nói chung, các mơ hình này
hay được dùng trong quá trình thực nghiệm.

Dựa trên tiêu chuẩn cùng chất, giống về chất, khác về chất giữa ngun hình
và mơ hình, mơ hình thực thể được chia làm ba loại: mơ hình trích mẫu, mơ hình
đồng dạng và mơ hình tương tự.
- Mơ hình trích mẫu (Sampling Model):
Từ tổng thể cần nghiên cứu (nguyên hình) người ta chọn ra một số phần tử
(gọi là tập mẫu hay mơ hình trích mẫu), qua phân tích tập mẫu người ta suy ra các
kết luận về tổng thể cần nghiên cứu. Lý thuyết xác suất giải quyết hai yêu cầu của
việc mơ hình hóa: tập mẫu phải có dung lượng đủ lớn thỏa mãn độ chính xác và độ
tin cậy cho trước và từ kết quả trên kết quả tập mẫu ta sẽ được các đánh giá hay ước
lượng khác nhau về tổng thể. Mơ hình trích mẫu cùng chất với ngun hình. Ví dụ,
để đánh giá chất lượng của một lô sản phẩm, người ta rút ra một số mẫu một cách
ngẫu nhiên, phân tích rồi rút ra kết luận.
10


- Mơ hình đồng dạng (Similar model):
Hai thực thể được gọi là đồng dạng khi các đại lượng vật lý cùng tên của
chúng tỷ lệ với nhau:
+ Nếu kích thước tương ứng của chúng tỷ lệ nhau, ta có đồng dạng hình học
(Geometrical Similitude).
+ Nếu các vận tốc tương ứng của chúng tỷ lệ nhau, ta có đồng dạng động
hình học (Kinematycal Imilitude).
+ Nếu các vận tốc tương ứng của chúng tỷ lệ nhau, ta có đồng dạng động lực
học (Dynamycal Similitude).
- Mơ hình tương tự (Analogue Model):
Hai thực thể khác nhau về bản chất vật lý được gọi là tương tự khi trạng thái
của chúng được mô tả cùng một hệ phương trình vi phân với cùng một điều kiện
đơn trị.
Mơ hình tương tự là một thực thể có những thơng số vật lý khác tên với
ngun hình (tức là khác chất với nguyên hình) và được xác định theo lý thuyết

tương tự.
Mơ hình tương tự thường được gọi tên theo chất liệu của mơ hình và ngun
hình: mơ hình tương tự điện cơ, mơ hình tương tự điện nhiệt, tương tự điện thủy
lực, tương tự khí thủy lực. Kết quả nhận được từ quá trình dao động của dịng điện
trong mạch điện, theo lý thuyết tương tự có thể dễ dàng suy ra trạng thái dao dộng
tương ứng.
- Mơ hình khái niệm (Conceptual Model):
Mơ hình khái niệm khác mơ hình thực thể ở chỗ đây là các mơ hình có tính
chất hình thức, trừu tượng. Trong các ngành khoa học kỹ thuật, mơ hình tốn học
(Mathematical Model) là điển hình của loại mơ hình này. Mơ hình tốn học dùng
ngơn ngữ tốn học để mơ tả đối tượng. Việc nghiên cứu các mơ hình tốn học
thường dựa trên cơ sở vận dụng các lý thuyết toán học hiện đại kết hợp cơng nghệ
thơng tin.
Phân loại mơ hình tốn học:
11


- Mơ hình hệ thức:
Mơ hình hệ thức dùng hệ thức để mô tả trạng thái của đối tượng nghiên cứu.
- Mơ hình cấu trúc:
Mơ hình cấu trúc dùng cấu trúc tốn học để mơ tả cấu trúc và trạng thái bên
trong của ngun hình. Một tập hợp nào đó được 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 trước phát
biểu trong những mệnh đề gọi là tiêu đề của cấu trúc. Có ba loại cấu trúc cơ bản:
+ Cấu trúc thứ tự: là cấu trúc trong đó quan hệ trước sau, trên dưới... Ví dụ:
dùng một Graph có hướng để mơ tả tiến trình của một cơng việc.
+ Cấu trúc đại số: là cấu trúc trong đó có một luật hợp thành (trong hoặc
ngoài). PPMP giúp cho việc tối thiểu hóa hàm logic, đưa chúng từ một dạng bất kỳ
về dạng tối thiểu, điều này mang một ý nghĩa kinh tế kỹ thuật khi tổng hợp các

mạch logic phức tạp.
+ Cấu trúc Topo: là cấu trúc trong đó có sự bất biến của các lân cận trong các
phép biến đổi liên tục.
Trong thực tế ta thường gặp những mô hình là kết hợp của các loại mơ hình
trên, ví dụ như mơ hình lược tả (Schematic Model).
Ngồi cách phân loại theo mơ hình, theo cơ sở lý thuyết nói trên, cịn có thể
dựa vào tính chất: tĩnh, động, thực, ảo... hoặc mục đích: cấu trúc, ứng xử, diễn
giảng, nghiên cứu, lý thuyết, thực hành... hay ngành khoa học: vật lý, sinh học, kinh
tế... để phân biệt các laọi mô hình tương ứng khi cần thiết. Tuy nhiên, cần chú ý
chọn thuật ngữ thích hợp, tránh nhầm lẫn khi khơng có văn cảnh, chẳng hạn một
thuật ngữ mơ hình cấu trúc có thể hiểu là mơ hình vật lý thể hiện cấu trúc của một
hệ nào đó hoặc một cấu trúc tốn học được dùng để mơ hình hóa cấu tạo hay quy
luật hoạt động của đối tượng được xét. Việc gọi tên PPMP có thể dựa trên mơ hình
hóa đối tượng.
Qua phân tích trên, có thể thấy rằng mặc dù mơ phỏng dựa trên mơ hình
nhưng khái niệm mơ phỏng khơng đồng nhất với khái niệm mơ hình (mơ hình 12


phương tiện nhận thức, mô phỏng - nghiên cứu trên mơ hình). Mơ hình chỉ có ý
nghĩa khoa học khi nó được nghiên cứu để rút ra kết luận về ngun hình và việc
xây dựng mơ hình phải trên cơ sở mục đích nghiên cứu.
Do đó có thể xem phương pháp mô phỏng trong dạy học là phương pháp
nhận thức thế giới thực thơng qua nghiên cứu mơ hình của đối tượng mà ta quan
tâm.
1.1.3. Phương pháp mô phỏng số
1.1.3.1. Khái niệm
Bản chất của phương pháp mô phỏng là xây dựng một mơ hình số (mơ hình
thể hiện bằng chương trình máy tính) đại diện cho đối tượng cần nghiên cứu
(ngun hình), sau đó người ta tiến hành các thực nghiệm trên mơ hình, kết quả
nhận được trên mơ hình cần hợp thức với nguyên hình.

1.1.3.2. Phân loại
- Phương pháp mơ phỏng liên tục: tín hiệu vào là liên tục và việc mô phỏng
trước đây thường thực hiện trên máy tính tương tự thì hiện nay việc mơ phỏng này
được thực hiện trên máy tính số. Mơ hình tốn học được biểu diễn bằng phương
trình vi tích phân, phương trình tốn học hoặc mơ tả thơng qua các hoạt hình có lập
trình.
- Phương pháp mơ phỏng rời rạc: các biến liên tục được rời rạc hoá, nhận các
giá trị gián đoạn theo thời gian. Mơ hình được biểu diễn bằng phương trình sai
phân.
1.1.3.3. Q trình mơ phỏng số
Các chun gia máy tính đã đưa ra q trình này với nhiều bước khác nhau,
trong luận văn này ta chỉ đưa ra các bước chính.

13


Đối tượng cần nghiên cứu
(1)

Mơ hình ngun lý
(2)

Mơ hình trên máy tính
(3)

Thử nghiệm và so
(4)

sánh
Kết quả

Hình 1.3. Q trình mơ phỏng số
(1) Từ mục đích nghiên cứu ta thu thập các thông tin, dữ liệu cần thiết của
đối tượng và các yếu tố tác động (môi trường), trên cơ sở đó xây dựng mơ hình
ngun lý (phản ánh bản chất của đối tượng nghiên cứu).
(2) Xây dựng mơ hình máy tính: tiến hành lập trình để xây dựng mơ hình
trên máy tính (là những chương trình chạy trên máy tính). Các chương trình này
được viết bằng các ngơn ngữ cao cấp thông dụng như: visual Basic, visua C++,
pascal…
(3) Lập kế hoạch thực nghiệm (số lần thử nghiệm, thời gian mô phỏng), hiệu
chỉnh kế hoạch thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác theo u cầu. Thử nghiệm mơ
phỏng: cho chương trình chạy để lấy kết quả. Kết quả có thể được biểu diễn dưới
dạng số liệu hoặc đồ thị. Cần lưu ý rằng kết quả sẽ mang tính “ đánh giá” chính xác
nếu bước tính tăng lên đủ lớn.
(4) Sau khi cài đặt chương trình, chạy thử xem mơ hình có phản ánh đúng
các đặc tính của đối tượng khơng. Nếu cần, phải sửa chữa lại các lỗi lập trình. sau
khi chạy thử, nếu mơ hình trên máy tính khơng đạt cần phải xây dựng lại mơ hình
ngun lý.

14


Ngày nay khi trình độ khoa học và cơng nghệ phát triển, ngay cả việc xây
dựng những mơ hình chỉ dùng cho việc quan sát cũng đã phức tạp đến mức phải có
một lý thuyết và phương pháp dành riêng cho nó, và thuật ngữ mơ hình hóa được
dùng cho trường hợp này, cịn thuật ngữ mơ phỏng khơng chỉ dừng ở mơ hình hóa
mà cịn thực nghiệm trên mơ hình. Vì thế phương pháp mơ phỏng khác với phương
pháp mơ hình hóa ở chỗ nó khơng chỉ mơ tả cấu trúc của đối tượng mà nó cịn mơ tả
cơ chế của đối tượng.
Đặc biệt, khi vân dụng PPMP cần nhấn mạnh tính khả thi, tính hiệu quả và

tính điển hình của cơng nghệ.
1.1.3.4. Ưu nhược điểm
* Ưu điểm:
Sức mạnh sư phạm của mơ phỏng thể hiện ở chỗ nó huy động tất cả khả năng
xử lý thông tin của sinh viên. Tất cả các cơ quan cảm giác của con người (tay, mắt,
tai…) cùng với bộ não hợp thành một hệ thống có khả năng vơ cùng to lớn để biến
những dữ liệu vô nghĩa thành thông tin. “Trăm nghe không bằng một thấy”, nhưng
nếu cái thấy là thực thể vận động thì ý nghĩa cịn lớn hơn rất nhiều. Do đó mơ
phỏng có khả năng cung cấp một kiến thức tổng hợp và sâu sắc hơn so với chỉ dùng
các giáo trình in kèm theo hình ảnh thơng thường.
Mô phỏng được sử dụng để huấn luyện, cung cấp những kinh nghiệm gián
tiếp trước khi sinh viên thực hành thực tế. Điều này được thực hiện đối với những
công việc có thể gây nhiều nguy hiểm cho con người, ví dụ như việc đóng điện
xung kích MBA hay hịa điện máy phát điện đồng bộ. Với những công việc như thế,
bằng các trải nghiệm gián tiếp tạo ra nhờ kỹ thuật mô phỏng. Nhờ thế, khi bước vào
thực tế (như là một công nhân vận hành máy điện…) sinh viên đã thuần thục các
qui trình, qui tắc cần làm để giảm thiểu tối đa rủi ro có thể gây ra cho con người và
thiết bị.
Mô phỏng cho phép sinh viên làm việc theo nhịp độ riêng và tự điều khiển
cách học của bản thân, kích thích sự say mê học tập của sinh viên. Mô phỏng giúp
sinh viên học với một người thầy vô cùng kiên nhẫn.
15