Phương pháp mô phỏng hiện đại trong giáo dục thông minh thời kì 4.0
431
PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HIỆN ĐẠI TRONG GIÁO DỤC THÔNG
MINH THỜI KÌ 4.0
TS. Tống Thị Hảo Tâm, ThS. Trần Thị Mỹ Diệp, TS. Phạm Minh
Hoàn, ThS. Nguyễn Hồng Quân, ThS. Vương Thị Xuân Hương
Đại học Kinh tế quốc dân
TS. Phùng Duy Khương, Đại học FPT
Phùng Thị Anh Vũ, Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội
TÓM TẮT
Giáo dục thông minh hay còn gọi là Giáo dục 4.0 đã và đang ảnh hưởng trực tiếp,
mạnh mẽ đến giáo dục nói chung và giáo dục đại học nói riêng để đáp ứng nhu cầu nhân
lực chất lượng cao cho thị trường lao động mới hiện nay và trong tương lai. Đây là mô
hình giáo dục trên cơ sở tận dụng thế mạnh của công nghệ thông tin (CNTT) trong mọi
hoạt động đào tạo, nghiên cứu khoa học, công tác quản lý, phương pháp dạy học hiện
đại… và là mô hình phù hợp với xu thế phát triển của thời đại. Bài viết này tác giả muốn
đề cập đến việc nhận diện và triển khai giáo dục thông minh thông qua nghiên cứu phương
pháp mô phỏng thực tế ảo áp dụng xây dựng/tiến hành các thí nghiệm ảo, bài tập thực
hành trong một số môn học giảng dạy tại trường Kinh tế quốc dân, mở ra một phương thức
học tập giúp người học tiếp cận kiến thức một cách trực quan và bản chất.
Từ khóa: Giáo dục thông minh, mô phỏng.
1. GIỚI THIỆU
Sự tiến bộ của Internet và trí tuệ nhân tạo đã mở ra một kỉ nguyên mới, kỉ nguyên với
một xã hội học tập suốt đời, học bất cứ lúc nào và ở bất cứ đâu với một hệ thống giáo dục
mở. Tính mở của giáo dục được hiểu theo các khía cạnh: mở cho người học, mở về địa điểm
và thời gian học tập, đặc biệt là mở về phương pháp và phương thức học tập (học online, học
trong các phòng học ảo, thư viện ảo, phòng thí nghiệm ảo, thầy giáo ảo….và các thiết bị hỗ
trợ học tập thông minh), ngoài ra còn có tính mở về ý tưởng (kỹ năng phê phán, sáng tạo ý
tưởng). Giáo dục mở dựa trên nền tảng công nghệ số với yếu tố thông minh của trí tuệ nhân
tạo nên còn được gọi với một thuật ngữ khác là “giáo dục thông minh”.
Trên quan điểm công nghệ giáo dục, giáo dục thông minh được tiếp cận dưới các
góc độ: i) Công nghệ thực tế ảo (Virtual Reality –VR) và công nghệ thực tế tăng cường
432
(Augmented Reality – AR) mang đến một thế giới khác cho người học. Thực tế ảo, nơi chỉ
có người học với toàn bộ những thành phần ảo hoá, được tạo dựng từ các ứng dụng/thiết
bị phần cứng. Thực tế tăng cường là một công nghệ cho phép lồng ghép thông tin ảo vào
thế giới thực và ngược lại, nó giúp người sử dụng tương tác với những nội dung số trong
thực tại. Hiện nay, công nghệ thực tế ảo được tích hợp với công nghệ thực tế tăng cường
thành giải pháp chuyển giao tri thức dựa trên công nghệ AVR (Augmented- Virtual Reality)
đã bước đầu được áp dụng tại một số trường ở Việt Nam, hỗ trợ tăng nhu cầu học tập và
phát triển kỹ năng đào tạo lại trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0; ii) Dữ
liệu lớn (Big Data) là “Tập hợp dữ liệu rất lớn, đa dạng và phức tạp mà các công nghệ xử
lý dữ liệu truyền thống không xử lý được. Công nghệ xử lý dữ liệu lớn bao gồm việc phân
tích, thu thập, giám sát, tìm kiếm, chia sẻ, lưu trữ, khai phá ngữ nghĩa và truyền dữ liệu”.
Sự tích hợp giữa Trí tuệ nhân tạo (AI), Kết nối vạn vật (IoT) và Khoa học Dữ liệu đã làm
mờ ranh giới giữa thế giới thực và thế giới ảo, nền tảng tạo nên giáo dục thông minh; iii)
Tăng cường E-learning và số hóa dữ liệu giáo dục. Không chỉ là các website bài giảng điện
tử (bằng Moodle, Google Sites, google classroom, edmodo…), hệ thống các học liệu số
(số hóa sách giáo khoa, giáo trình, thư viện số..), hệ thống cơ sở dữ liệu phục vụ quản lý
giáo dục mà tiến tới xây dựng và sử dụng giáo dục thông minh theo từng cấp độ như bài
giảng thông minh (có ứng dụng các phương pháp giảng dạy mới: blended learning, STEM,
CS-STEAM..), lớp học thông minh, trường học thông minh và kết nối đa quốc gia trong
bối cảnh giáo dục 4.0. Hệ sinh thái giáo dục thông minh góp phần đồng bộ hóa, chuyển đổi
số các nghiệp vụ giáo dục cho học sinh, giáo viên và các cấp quản lý…iv) Ứng dụng của
Big Data trong xây dựng “Trung tâm điều hành giáo dục thông minh”, một phần cốt lõi
của cơ sở hạ tầng thông minh, bao gồm các phân hệ: nền tảng tích hợp, cổng giao tiếp và
giao tiếp API, phân tích Big Data, Quản trị hệ thống (quản trị người dùng, các bộ tiêu chí
đánh giá).
Bài viết này tác giả muốn đề cập đến việc nhận diện và triển khai giáo dục thông
minh thông qua nghiên cứu phương pháp mô phỏng thực tế ảo áp dụng xây dựng/tiến hành
các thí nghiệm ảo, bài tập thực hành trong một số môn học giảng dạy tại trường Kinh tế
quốc dân, mở ra một phương thức học tập giúp người học tiếp cận kiến thức một cách trực
quan và bản chất.
433
2. GIÁO DỤC THÔNG MINH
Mức độ yêu cầu về năng lực và kĩ năng đối với đội ngũ nhận lực của xã hội hiện
nay được phản ánh thông qua những chuẩn đầu ra (chuẩn hóa đầu ra) trong nội dung,
chương trình đào tạo và chuẩn hóa đi đôi với đơn giản hóa quá trình đào tạo của các cơ sở
giáo dục Đại học.
Giáo dục thông minh (Smart Education) hay còn gọi là Giáo dục 4.0 đã và đang ảnh
hưởng trực tiếp, mạnh mẽ đến giáo dục nói chung và giáo dục đại học nói riêng để đáp ứng
nhu cầu nhân lực chất lượng cao cho thị trường lao động mới hiện nay và trong tương lai.
Đây là mô hình giáo dục trên cơ sở tận dụng thế mạnh của công nghệ thông tin (CNTT)
trong mọi hoạt động đào tạo, nghiên cứu khoa học, công tác quản lý, phương pháp dạy học
hiện đại… và là mô hình phù hợp với xu thế phát triển của thời đại.
Việc sử dụng từ “SMART” trong cụm từ Smart Education không phải là ngẫu nhiên
mà bao gồm năm chữ cái đầu, S-M-A-R-T, có nghĩa là: tự định hướng (Self direction), phát
huy nội lực (Motivated), thích nghi (Adaptive), tài nguyên mở (Resource – enriched), sử
dụng công nghệ (Technology). Đây chính là năm yếu tố cần thiết đảm bảo quá trình học
tập thành công và hiệu quả.
Bảng 1. So sánh giữa giáo dục truyền thống vào giáo dục thông minh
Với sự hỗ trợ rất nhiều của công nghệ, giáo dục thông minh giúp cho hoạt động dạy
và học diễn ra mọi lúc, mọi nơi, giúp cho người học có thể cá nhân hóa và hoàn toàn chủ
động quyết định nội dung, phương thức học tập theo nhu cầu của bản thân.
Giáo dục thông minh cũng giúp thay đổi tư duy cũng như cách tiếp cận đối với mô
hình đại học theo hướng: nhà trường không chỉ là nơi đào tạo, nghiên cứu mà còn là trung
tâm đổi mới sáng tạo, giải quyết các vấn đề thực tiễn, mang giá trị cho xã hội. Không gian
“nhà trường” không còn giới hạn trong các bức tường của giảng đường, lớp học hay phòng
434
thí nghiệm, mà được mở rộng kết hợp với doanh nghiệp và thị trường lao động để trở thành
“hệ sinh thái giáo dục”.
Sự “cá biệt hóa” cần thiết cho sinh viên trong quá trình học tập, tu dưỡng và rèn
luyện ở đại học được dựa trên năng lực tự tổ chức của cả cá nhân lẫn tập thể sinh viên (tổ,
nhóm, lớp) thông qua việc xác định rõ mục đích học tập của riêng mình – điều kiện tiên
quyết cho phát triển năng lực của mỗi sinh viên.
Trước thách thức là “tính liên môn” và “tính xuyên suốt các môn học” tăng lên trong
quá trình giáo dục và đào tạo làm cho hàng loạt môn học, ngành học ngày càng lỗi thời,
nên trong quá trình học tập, mỗi sinh viên cần thấy được cấu trúc tổng quát của chương
trình học tập để chủ động tích hợp kiến thức cần thiết cho riêng mình.
Trong quá trình học tập, nhất là tự học, cần phải trang bị công cụ/phương tiện để
mỗi sinh viên có thể tự trắc nghiệm kiến thức của mình thông qua việc giải quyết những
bài tập, câu hỏi trắc nghiệm hay những vấn đề thực tiễn đặt ra.
Trong hệ thống mạng toàn cầu với những tài nguyên mở về học liệu thì thách thức
đặt ra là làm sao để khai thác và sử dụng một cách hiệu quả những tài nguyên này bằng các
công cụ, phương tiện hiện đại hiện có cho việc dạy và học có hiệu quả nhất.
3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
Mô phỏng là việc nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó hiểu được hệ thống
thực, đó là việc tiến hành thử nghiệm trên mô hình gồm một chuỗi quá trình được tiến hành
nghiên cứu trên mô hình, tái tạo hiện tượng mà người nghiên cứu cần để quan sát và làm
thực nghiệm, từ đó rút ra kết luận tương tự vật thật. Phương tiện dùng để thực hiện mô
phỏng có thể đơn giản như giấy, bút đến các nguyên vật liệu tái tạo lại nguyên mẫu (mô
hình bằng gỗ, gạch, sắt…) hay hiện đại hơn là dùng các phần mềm máy tính hoặc các bộ
dụng cụ thí nghiệm ảo trên máy tính.
Mô phỏng dùng phần mềm máy tính là sử dụng mô tả toán học, mô hình của hệ
thống thực ở dạng chương trình máy tính, được sử dụng rất có hiệu quả để nghiên cứu trạng
thái động của nguyên mẫu trong những điều kiện nếu nghiên cứu trên vật thật sẽ khó khăn,
tốn kém và không an toàn. Trong mô phỏng này một chuỗi các hình ảnh hoặc khung hình
trên màn hình phỏng theo một chuyển động nào đó từ đó quan sát được hiện tượng, kết quả
của hiện tượng. Trong nhiều mô phỏng, các thông số của mô hình của thể được thay đổi
được khi đó cho ra các hiện tượng/kết quả của hiện tượng khác từ đó đưa ra được các tính
435
chất của vật thật/hiện tượng thật cần nghiên cưu. Có thể nói mô phỏng là một dạng truyền
chuyển động cho những đối tượng khô khan giúp người nghiên cứu/quan sát có cái nhìn
trực quan sinh động, bản chất về đối tượng nghiên cứu.
Mô phỏng sử dụng phần mềm máy tính/bộ dụng cụ thí nghiệm ảo trên máy tính là
xu hướng dạy học mới, hiện đại đã và đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên nhiều
lĩnh vực. Trong lĩnh vực giáo dục, các bài giảng có ứng dụng mô phỏng kết hợp với các
công cụ đa phương tiện tạo cho người học nhiều kỹ năng, kĩ năng quan sát hình ảnh trạng
thái tĩnh hoặc động, kĩ năng thao tác trên đối tượng, kĩ năng tự do phát triển tư duy, lựa
chọn cách thức tối ưu để nhận thức.
Để xây dựng mô phỏng trên máy tính, có nhiều phần mềm hay các bộ dụng cụ thí
nghiệm ảo có sẵn được sử dụng rất hiệu quả như Phet, Crocodile Physics, Optics Mar, Phet
physics, java, Tracker, CircuitMaker…
4. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG (TRÊN MÁY TÍNH) TRONG GIÁO DỤC
THÔNG MINH
Quá trình mô phỏng trong hoạt động dạy và học được biểu diễn theo sơ đồ Hình 1.
Hình 1. Sơ đồ quá trình mô phỏng trong hoạt động dạy và học
Các bước để thực hiện quá trình mô phỏng hiện đại (sử dụng phần mềm máy tính/bộ
dụng cụ thí nghiệm ảo trên máy tính) trong hoạt động dạy
Bước 1. Cài đặt phần mềm/môi trường chạy trên máy tính
Bước 2. Chọn mô hình phù hợp với đối tượng nghiên cứu (thiết kế mô hình trên phần
mềm, chạy trực tiếp/hoặc tải các mô hình đã có sẵn)
Bước 3. Khởi động/chạy chương trình/mô hình cần mô phỏng
436
Bước 4. Thay đổi các thông số cần nghiên cứu trong mô hình, rồi lặp lại bước 3 và quan
sát kết quả thu được.
Bước 5. Dừng chương trình.
Mô phỏng có thể được sử dụng trong nhiều tình huống dạy học khác nhau: i) Dùng
mô phỏng trong phần mở bài với mục đích đặt sinh viên trong tình huống có vấn đề, tạo
trạng thái tâm lí sẵn sàng tham gia tích cực vào quá trình lĩnh hội kiến thức mới; ii) Dùng
mô phỏng để gợi mở phát triển những ý tưởng mới cho sinh viên; iii) Dùng mô phỏng biểu
diễn các hiện tượng, khảo sát các tính chất thông qua các thí nghiệm (không thể tiến hành
thực trong giờ giảng); iv) Dùng mô phỏng giải quyết các bài toán có ý nghĩa thực hành …
Phương pháp mô phỏng giúp người học nắm được bài học một cách trực quan. Với
phương pháp này, người học có thể nhận được kết quả một cách nhanh chóng thay vì phải
chờ một thời gian dài khi phải thực hành trên các thiết bị thí nghiệm thực tế. Ngoài ra, với
ưu điểm của phương pháp mô phỏng, sinh viên có thể tìm ra các thông số tối ưu của bài thí
nghiệm và các điều kiện biên, tương quan của các thông số ảnh hưởng ngay trong quá trình
nghe giảng lý thuyết. Điều này giúp sinh viên có thể hiểu lý thuyết một cách sâu sắc.
Ngoài ra, với phương pháp này, sinh viên có thể học được ở mọi nơi, mọi lúc, chủ
động nghiên cứu, mở rộng nghiên cứu dựa trên các kiến thức cơ bản mà giảng viên đã
truyền đạt trên lớp.
Hoạt động dạy và học muốn đạt hiệu quả cao thì việc xây dựng bài giảng điện tử là
yêu cầu cấp thiết, phải tuân thủ sự đồng bộ giữa trang thiết bị thí nghiệm, nội dung bài
giảng, mô hình mô phỏng tạo ra sự hứng thú học tập đối với người học nhằm thỏa
mãn các yêu cầu tích cực, sáng tạo và phát triển tư duy. Việc sử các mô hình mô phỏng
trong xây dựng/thiết kế chương trình giảng dạy thông mình là vấn đề cấp thiết.
Hình 2. Phương pháp mô phỏng giúp nâng cao chất lượng dạy và học
437
Mặc dù vậy để dạy học với mô phỏng trên máy tính cũng có yêu cầu nhất định đối
với cả người dạy và người học. Giáo viên và sinh viên cần kiến thức tin học nhất định, kỹ
năng sử dụng máy tính và các thiết bị kết nối với máy tính. Và cũng cần nhận thức rằng
mô phỏng trên máy tính không phải là phương pháp vạn năng trong dạy học. Để nghiên
cứu, quan sát được các hiện tượng và quá trình thực của sự vật, thì ngoài phương pháp mô
phỏng, trong giảng dạy sự kết hợp với các phương tiện, phương pháp khác nhau kể cả việc
nghiên cứu trên vật thật được tiến hành trong các phòng thí nghiệm là cần thiết.
5. THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG GIẢNG DẠY TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH
TẾ QUỐC DÂN
Trong giới hạn của bài viết này, nhóm tác giả xin được đề cập đến việc áp dụng mô
phỏng trên máy tính trong giảng dạy một số môn học thuộc Viện Công nghệ thông tin và
Kinh tế số- Trường Đại học Kinh tế quốc dân nơi tác giả đang công tác giảng dạy.
Trong Trường Đại học kinh tế quốc dân với đặc thù môn học Vật lý đại cương là
môn cơ bản chỉ giảng dạy cho một số ngành (ngành Khoa học máy tính, ngành Công nghệ
thông tin và ngành Quản lí tài nguyên và môi trường) nên việc trang bị một phòng thí
nghiệm cho riêng môn học này không phải là lựa chọn mang tính cấp thiết và thích hợp
trong bối cảnh đang có rất nhiều hạng mục quan trọng khác cần ưu tiên trong tiến trình đổi
mới nâng cao phương pháp, chất lượng dạy-học của nhà trường ở thời điểm hiện tại. Bên
cạnh đó, còn phụ thuộc vào lượng thời gian phân bổ cho học phần giảng dạy, việc thực
hiện các thí nghiệm thật trong quá trình giảng dạy đôi khi sẽ dẫn tới việc không đủ thời
gian. Khắc phục những hạn chế còn tồn tại và để tránh cho đối tượng học không hiểu được
hết bản chất các hiện tượng Vật lý từ các giờ học lý thuyết, đồng thời giúp cho học viên có
thể quan sát trực quan được các hiện tượng vật lý, phương án khả thi mang lại hiệu quả cao
đã và đang được tiến hành đó là thực hiện các thí nghiệm mô phỏng bằng cách ứng dụng
một số phần mềm hoặc sử dụng các bộ thí nghiệm ảo đã có sẵn để tiến hành nghiên cứu
khảo sát hiện tượng.
Ví dụ khi nghiên cứu/khảo sát hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng qua vật cản khác nhau.
Qua đó khảo sát phổ nhiễu xạ của ánh sáng qua vật cản là một cách tử. Mở rộng tính năng
của thí nghiệm mô phỏng cho việc ứng dụng cách tử để nghiên cứu một nguồn sáng/đo
bước sóng của ánh sáng do nguồn phát ra.
438
Đối với đối tượng nghiên cứu này, tác giả chọn mô hình mô phỏng trong bộ thí nghiệm có
sẵn, thay đổi thông số của mô hình, điểu khiểm cho mô hình chạy theo mục đích nghiên
cứu. Các bước chuẩn bị và tiến hành mô phỏng như sau:
Bước 2: Cái đặt môi trường chạy cho mô phỏng, tải và cài phần mềm java trên máy tính
Bước 3: Click vào file “Nhieu_Xa_Anh_Sang.jar”, sử dụng các thẻ thiết kế chạy thí nghiệm
mô phỏng, thực hiện khảo sát theo các bước.
Phần mềm mô phỏng này cung cấp cho ta hai loại giao diện sáng và tối bằng cách
người dùng click chuột vào tap “Chọn giao diện” (1) để chọn giao diện mà người dùng
muốn. Vật cản (2), thay đổi chọn loại vật cản (một khe hẹp hoặc một hệ khe hẹp/cách tử)
ở tap (3). Có thể thay đổi khoảng cách từ vật cản (2) đến màn bằng cách click chuột vật
cản (2) rồi di chuyển nó hoặc là có thể trực tiếp thay đổi thông số khoảng cách này ở tap
(4) rồi nhấn phím Enter. Nếu người dùng chọn vật cản là khe thì chỉ có thay đổi thông số
là độ rộng khe, dùng cách tử thì có thể thay đổi chu kỳ cách tử (đơn vị µm) hoặc là số khe
cách tử nằm ở các tap phía dưới tap (4). Biểu tượng (5) biểu diễn nguồn sáng, để tiến hành
thì nghiệm thì ta cần nhần vào nguồn sáng chính (5) trên hình giao diện. Ngoài ra người
dùng có thẻ chọn các bước sóng phát ra khác nhau để tiến hành thì nghiệm bằng cách click
vào dải giá trị bước sóng ở “Chọn màu tia sáng” (6).
Với một thí nghiệm mô phỏng đã thiết kế, việc sử dụng mô phỏng này để tiến hành
khảo sát hiện tượng nào, hay áp dụng để chứng minh quy luật nào hoặc vận dụng để giải
quyết tính toán thông số nào là tùy biến của người sử dụng mô phỏng thông qua việc đặt
các thông số khác nhau của mô phỏng. Cùng sự sáng tạo của người sử dụng trọng việc kết
hợp mô phỏng hiện có với các công cụ hỗ trợ khác, khi đó tính năng của mô phỏng có thể
mở rộng hơn ý tưởng của người thiết kế.
439
Hình 3 Giao diện thí nghiệm mô phỏng
1 Tiến hành thí nghiệm 1: Tìm quy luật phân bố phổ nhiễu xạ
1.1. Chọn các thông số của mô hình mô phỏng:
- Chọn (3): cách tử
- Cố định độ rộng của khe (b) và chu kì cách tử (d) (trong thí nghiệm này chúng
tôi chọn độ rộng của khe bằng 10% chu kỳ cách tử)
- Cố định khoảng cách từ vật đến màn: L = 90 cm = 0.9 m
- Ban đầu đặt số khe của cách tử: N = 4
Hình 4. Hình ảnh phổ nhiễu xạ khi thông số khe cách tử N = 4
1.2. Nội dung khảo sát:
- Quan sát hình ảnh phổ nhiễu xạ thu được.
- Quan sát hệ thống cực đại chính và sự phân bố các cực đại phụ và cực tiểu
phụ giữa hai cực đại chính.
- Xác định chính giữa hai cực đại chính là cực đại phụ hay cực tiểu phụ.
440
- Thay đổi số khe cách tử (thay đổi N) để tìm ra quy luật phân bố của phổ
nhiễu xạ giữa hai cực đại chính.
1.3. Các bước tiến hành và kết quả:
- Với N = 4, kết quả thu được trên thí nghiệm mô phỏng: giữa hai cực đại
chính có 2 cực đại phụ và 3 cực tiểu phụ
- Đặt lại thông số N của thí nghiệm, với N = 3: giữa hai cực đại chính có 1 cực
đại phụ và 2 cực tiểu phụ.
Hình 5. Hình ảnh phổ nhiễu xạ khi thông số khe cách tử N = 3
- Đặt thông số N = 5: giữa hai cực đại chính có 3 cực đại phụ và 4 cực tiểu
phụ.
Hình 6. Hình ảnh phổ nhiễu xạ khi thông số khe cách tử N = 5
- Đặt thông số N = 6: giữa hai cực đại chính có 4 cực đại phụ và 5 cực tiểu
phụ.
441
Hình 7. Hình ảnh phổ nhiễu xạ khi thông số khe cách tử N = 6
- Tiến hanh thay đổi với N bất kì, tìm ra quy luật phân bố của phổ nhiễu xạ
giữa hai cực đại chính: phụ thuộc vào vật cản/cách tử, cụ thể là phụ thuộc vào
số khe hẹp/số khe cách tử N, giữa hai cực đại chính luôn có sự phân bố của
(N-2) cực đại phụ và (N-1) cực tiểu phụ.
1.4 Yêu cẩu
- Dựa vào khảo sát lí thuyết hiện tượng nhiễu xạ qua cách tử để chứng minh
được quy luật phân bố của phổ nhiễu xạ giữa hai cực đại chính thu được qua
thí nghiệm.
2 Thí nghiệm 2: Xác định bước sóng thông qua phổ nhiễu xạ
Đây là thí nghiệm mở rộng so với tính năng của mô phỏng hiện có để giải quyết một
bài toán thực tế đó là nghiên cứu ánh sáng của nguồn phát sáng.
2.1 Chọn các thông số của mô hình mô phỏng:
- Chọn (3): cách tử
- Cố định độ rộng của khe (b) (trong thí nghiệm này chúng tôi chọn độ rộng của
khe bằng 10% chu kỳ cách tử)
- Cố đinh chu kì cánh tử: d = 10 cm
- Cố định khoảng cách từ vật đến màn: L = 90 cm = 0.9 m
2.2 Nội dung khảo sát:
- Đặt một giá trị bước sóng trong dải sóng (6)
- Từ phổ nhiễu xạ thu được xác định bước sóng của nguồn sáng
- Kiểm nghiệm lại giá trị bước sóng tính toán được với giá trị bước sóng của
hệ thống ta đã đặt. Nhận xét về các yếu tố làm sai số trong tính toán.
- Đây là khảo sát cho việc thực hành xác định bước sóng của một nguồn phát
sáng chưa biết trong thực tế.
442
2.3. Các bước tiến hành và kết quả:
- Đặt (6) ở giá trì bước sóng: 747 nm
- Xác định bước sóng bằng công thức:
푦푘
휆 = 푑.
2푘퐿
- yk là vị trí của đỉnh phổ thứ k (so với tâm màn- vị trí đỉnh phổ trung tâm ứng
với k = 0). Để đo được khoảng cách 푎푘 ta chụp màn hình rồi paste vào cửa sổ
paint. Sau đó ta vẽ một đường thẳng xuất phát từ đỉnh rồi kéo sáng trái sao cho
đường thẳng này không bị gãy khúc.
- Như trên giao diện thực hành đo, xác định vị trí của đỉnh phổ thứ nhất (k = 1)
là 6.5cm.
Hình 8. Xác định vị trí của đỉnh phổ thứ nhất (k = 1)
- Tương tự ta có thể đo vị trí của các đỉnh thứ 2, 3 và 4 kết quả như bảng ở dưới
(Bảng 2).
- Xác định bước sóng trung bình:
휆1 + 휆2 + 휆3 + 휆4
̅
휆 =
= 721.53
4
k
1
2
3
4
푎푘(cm)
휆 (nm)
13±0.5
722.22±27.78
719.44 ±13.89
722.22±9.26
722.22±6.94
25.9 ± 0.5
39 ± 0.5
52 ± 0.5
Bảng 2. Vị trí của các đỉnh phổ
443
- Sai số của phép đo:
Sai số tuyệt đối:
∆휆 = ∆휆1 + ∆휆2 + ∆휆3 + ∆휆4 = 27.78+13.89+9.26+6.94 = 57.87
Sai số tương đối:
∆휆 ∆휆1 ∆휆2 ∆휆3 ∆휆4
27.78
13.89
9.26
6.94
=
+
+
+
=
+
+
+
̅
휆1
휆2
휆3
휆4
722.22 719.44 722.22 722.22
휆
∆휆
Vậy có:
= 8.02%
̅
휆
̅
Kết quả: 휆 = 721.53 (푛푚) ± 8.02%
- Nhận xét: Kết quả đo thí nghiệm cũng đạt được so với giá trị thực tế của bước
sóng (747nm) nằm trong phạm vị sai số cho phép.
- Những nguyên nhân gây nên sai số:
+ Khi vẽ đường mô phỏng các đỉnh của ánh sáng số điểm chia chưa nhiều, nên
chưa xác định chính xác đỉnh sáng thực sự.
+ Thang độ chia vẫn còn quá lớn đối với đơn vị chiều dài (tính đến đơn vị mm)
do đó sai số độ chia lớn (0.5mm) nhất là đo khoảng cách các đỉnh vân sáng dẫn
đến kết quả sai số khá lớn, nhưng vẫn nằm trong phạm vị cho phép.
+ Đắc biệt là đối với sai số ở thí nghiệm lần 3: do phần mềm ở dạng độ họa nên
tất cả các biểu diễn phải là điểm nguyên (pixel) nên rất khó thể hiện các khoảng
cách lẻ nhất là với các số nhỏ, khi tính toán các khoảng cách nhỏ sẽ sinh ra số
lẻ dẫn khi thể hiện ra đồ họa thì sẽ chuyển thành các số chẵn đó cũng là một
trong lý do dẫn đến sai số.
3 Ý nghĩa
- Với phần mềm dứng lại ở mô phỏng về hiện tượng nhiễu xạ thay vì phải đầu
tư thì nghiệm thật (đắt tiền) thì chúng ta có thể ứng dụng công nghệ để người
học hiểu hơn về hiện tượng nhiễu xạ.
- Phần mở rộng của người sử dụng: giải quyết một bài toán thực tế đó là nghiên
cứu ánh sáng của nguồn phát sáng.
Mô phỏng trên máy tính cũng được áp dụng trong qua trình giảng dậy môn học Kỹ
thuật số, là môn cơ sở ngành Khoa học máy tính và ngành Công nghệ thông tin trong trường
Kinh tế quốc dân, để giải quyết nhiều các bài toán thực hành về thiết kế mạch logic theo
đặc thù yêu cầu của môn học.
444
Ví dụ với yêu cầu bài toán như sau: Thiết kế mạch của đèn báo hiệu cho một hội
đồng giám khảo gồm 3 người. Đèn sẽ sáng nếu đa số uỷ viên trong hội đồng giám khảo
bấm nút đồng ý. Đèn sẽ không sáng nếu không có đa số uỷ viên trong hội đồng giảm khảo
bấm nút đồng ý.
Bài toán này mang tính chất thực hành cao, nếu chỉ giải quyết bài toán này một cách
lý thuyết và vẽ mạch trên giấy thì ngay từ việc kiểm tra tính đúng/sai của kết quả đối với
sinh viên là rất khó và hơn nữa sẽ mất đi tính thực hành của nội dung học. Việc áp dụng
phần mềm thiết kế mạch logic để giải quyết phần thiết kế mạch của yêu cầu bài toán sẽ giải
quyết đước các vấn đề nêu trên. Các bước được tính hành như sau:
Bước 1: Giải quyết phần lý thuyết của Bài toán
-
Gán các Uỷ viên (3 UV) bằng các biến: A, B, C (nhận các giá trị “1’hoặc “0”)
Quy ước: UV đồng ý, biến nhận giá trị “1”; UV không đồng ý, biến nhận giá trị “0”;
Hàm Y là hàm logic phụ thuộc vào 3 biến trên:
-
Đèn “Sáng”, “Không sáng” phụ thuộc vào giá trị của Y
Y = “1”: Đèn sáng
Y = “0”: Đèn không sáng
-
Biểu diễn hàm logic theo phương pháp dùng bảng Karnaugh, lựa chọn khoanh vùng các ô
chứa tổ hợp kề nhau lại thành các nhóm với hàm dạng chuẩn tắc tuyển sao cho có thể rút
gọn hàm tới mức tối giản. Khi đó có bẳng Karnaugh và dạng hàm chuẩn tắc tuyển đã được
tối thiểu hoá Y như sau:
Bảng 3. Bảng Karnaugh
Y = AB + AC + BC
-
Vẽ sơ đồ mạch thực hiện hàm logic:
445
Hình 9. Sơ đồ mạch thực hiện hàm logic
Bước 2: Ứng dụng phần mềm mô phỏng thiết kế mạch logic/ mạch báo hiệu theo yêu câu
của bài toán
-
-
-
Tải phần mềm (miễn phí): CircuitMaker
Cài đặt phần mềm CircuitMaker trên máy tính.
Mở phần mềm và sử dụng các tool của phần mềm thiết kế mạch:
1 Khám phá phần mềm/Các thẻ cơ bản trên phần mềm
1.1.
▪ (1): vùng làm việc (vùng trắng), thiết kế/xây dựng mô phỏng tại đây
▪ (2): vùng linh kiện, thiết bị.
▪ (3): vùng hiển thị hình ảnh linh kiện/thiết bị mà người dùng chọn
▪ Các thẻ làm việc trên thanh cộng cụ (4)
▪ Các tool:
- (5): arrow tool/công cụ chọn đối tượng, sử dụng khi muốn chọn một đối
tượng nào đó trong vùng làm việc (1)
- (6): wire tool/công cụ nối dây, dùng khi vẽ mạch
- (7): text toll/công cụ chèn text vào mô hình
- (8): đưa linh kiện/thiệt bị ở cùng (2) vào vùng làm việc. Khi thiết kế
mạch, lựa chọn linh kiện/thiết bị nào đó ta sẽ click vào linh kiện/thiết bị
đó trong vùng (2), trên vùng (3) sẽ hiển thị hình ảnh linh kiện/thiết bị vừa
chọn, click chuột vào (8), di chuyển chuột sang vùng (1) và click chuột
để kéo thả kiện/thiết bị đó vào vùng làm việc.
446
Hình 10. Giao diện phần mềm CircuitMaker
- Sau khi tiết kế mạch mô phỏng, muốn chạy mô phỏng đó thì kích vào
(9): run digital simulation/chạy mô phỏng.
447
Hình 11. Giao diện phần mềm CircuitMaker
2 Ứng dụng Thiết kế mạch báo hiệu mô phỏng trên phần theo yêu cầu bài toán
2.1. Nội dung khảo sát
▪ Thiết kế mạch báo hiệu
▪ Kiểm tra mạch thiết kế:
- Cho 2 biến hoặc cả 3 biến ở mức thế cao/nhận giá trị “1”: kiểm tra “đèn
sáng”
- Cho 1 biến hoặc cả 3 biến ở mức thế thấp/nhận giá trị “0”: kiểm tra “đèn
không sáng”
2.2. Các bước tiền hành
▪ Từ sơ đồ thực hiện hàm logic (Hình 10) ta thấy để thiết kế mạch logic
cần 3 nguồn đầu vào (tương ứng với 3 biến A, B, C), 3 cổng OR hai nối
vào, 1 cổng AND 3 nối vào và 1 đèn hiển thị.
- Trong vùng linh kiện/thiết bị (1): Chọn Digital→ Power → Logic Swich;
Click vào (8)/Place, đưa chuột vào vùng làm việc kéo thả lấy 3 nguồn
đầu vào.
- Trong vùng linh kiện/thiết bị (1): Chọn Digital by function → Gates
AND → 7408; ; Click vào (8)/Place, đưa chuột vào vùng làm việc kéo
thả lấy 3 cổng AND hai nối vào.
- Trong vùng linh kiện/thiết bị (1): Chọn Digital by function → Gates OR
→ 4075; Click vào (8)/Place, đưa chuột vào vùng làm việc kéo thả lấy 1
cổng OR ba nối vào.
448
- Trong vùng linh kiện/thiết bị (1): Chọn Displays → logic displays ; Click
vào (8)/Place, đưa chuột vào vùng làm việc kéo thả lấy 1 đèn hiển thị nối
tại đầu ra của mạch logic.
- Dùng công cụ nối dây (6), nối các linh kiên vừa chọn theo sơ đồ mạch
hình 10, có nối thêm đèn hiển thị tại lối ra của mô hình mạch. Sau khi
hoàn thành thiết kế mạch logic mô phỏng, chọn File/save as/*.ckt.
Hình 13. Mạch logic sau khi hoàn thiện thiết kế
▪ Kiểm tra tín hiệu đầu ra của mạch mô phỏng:
- Cho 3 đầu vào A, B, C đều ở mức thế cao, Click (9) chạy mô phỏng: kết
quả cho đèn sáng (Hình 14).
449
Hình 14. Mô phỏng mạch báo hiệu khi đèn sáng (khi đa số các biện ở mức thế
cao/nhận giá trị “1”)
- Cho 1 biến hoặc cả 3 biến ở mức thế thấp/nhận giá trị “0”, Click (9) chạy
mô phỏng, kết quả cho đèn không sáng (Hình 15).
Hình 15. Mô phỏng mạch báo hiệu khi đèn không sáng (khi đa số các biện ở mức thế
thấp/nhận giá trị “0”)
450
6. KẾT LUẬN
Để đáp ứng nhu cầu hội nhập giáo dục thông minh thời kì 4.0, đáp ứng đội ngũ lao
động có chất lượng cao, có kiến thức thực hành cho xã hội thì việc xây dựng và thiết kế
chương trình giảng dạy thông minh áp dụng các phương pháp giảng dạy hiện đại trong đó
có phương pháp mô phỏng trên máy tính là cần thiết. Và để phương pháp mô phỏng trên
máy tính áp dụng trong giáo dục thông minh thực sự đạt hiệu quả thì việc chuẩn bị chu đáo
đội ngũ giáo viên đáp ứng yêu cầu của giáo dục thông minh và đầu tư cơ sở vật chất, trang
thiết bị công nghệ thông minh cho người dạy cũng như cho các cơ sở giáo dục là hai vấn
đề cần song hành.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Paul R. Burden & David M. Byrd. Methods for Effective Teaching. Allyn and
Bacon.1994
2. Trường học thông minh: nguồn gốc, định nghĩa và bài học kinh nghiệm cho Việt
Nam. Vũ Thị Thúy Hằng, Tạp chí Giáo dục, Số 432 (Kì 2-6/2018), tr6-10; 60.
3. Tổng quan về phương pháp mô phỏng và ứng dụng mô phỏng trong dạy học kỹ
thuật – nghề nghiệp. Nguyễn Văn Mạnh. Thông tin khoa học đào tạo nghề. Tổng
cục dạy nghề.
20 trang
24920
Free
Bạn đang xem tài liệu "Phương pháp mô phỏng hiện đại trong giáo dục thông minh thời kì 4.0", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- phuong_phap_mo_phong_hien_dai_trong_giao_duc_thong_minh_thoi.pdf
