BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN MẠNH QUYỀN
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG VÀO DẠY HỌC
MỘT SỐ MÔN CỦA NGHỀ ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
TẠI TRƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ CƠ ĐIỆN HÀ NỘI
CHUYÊN SÂU: SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
1.
LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS. NGUYỄN XUÂN LẠC
HÀ NỘI - 2010
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và chưa được công bố
trong bất cứ công trình nào và chưa được đăng trong bất kỳ tài liệu, tạp chí, hội nghị
nào khác. Những kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Lời cam đoan ………...…………………………………………...………….
1
Lời cảm ơn ………..………………………………………………………….
2
Mục lục ……………………………………………………………...……….
3
Danh mục các chữ viết tắt ….……………………………………………….
6
Danh mục các bảng biểu, hình vẽ, sơ đồ ……………………….………….
7
Mở đầu …....………………………………………………………………….
8
1. Lý do chọn đề tài ..………………………………………………………...
8
2. Mục đích nghiên cứu .…….……………………….………….…………..
TRẠNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG VÀO DẠY HỌC Ở MỘT
SỐ TRƯỜNG TCN TRONG ĐỊA BÀN HÀ NỘI ……………………………..
1.1. Một số khái niệm cơ bản .…………………………………………........
13
1.1.1. Phương pháp dạy học ..……….……………………………………..
13
1.1.2. Quy trình …..………………………………………………………...
15
3
1.1.3. Thiết kế …….………………………………………………………..
16
1.1.4. Quy trình thiết kế bài giảng ……..…………………………………..
16
1.1.5. Mô hình ……………………………………………………………..
16
28
trường TCN …………………………………………………………………
1.3.1. Đặc điểm của học sinh học nghề ……..……………………………..
28
1.3.2. Đặc điểm các môn học chuyên môn nghề của nghề Điện tử công
29
nghiệp ...………………………………………………………………………
1.3.3. Việc vận dụng các phương pháp dạy học ở các trường TCN ……....
30
Chương 2: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG VÀO XÂY DỰNG BÀI
33
GIẢNG MỘT SỐ MÔN CHUYÊN MÔN NGHỀ CỦA NGHỀ ĐIỆN TỬ
CÔNG NGHIỆP TẠI TRƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ CƠ ĐIỆN HÀ NỘI …..
2.1. Nguyên tắc thiết kế bài giảng có ứng dụng công nghệ mô phỏng …...
33
2.1.1. Những yêu cầu chung …...…………………………………………..
33
47
51
công nghiệp với sự ứng dụng công nghệ mô phỏng …….…………………
2.3.1. Giáo án thứ nhất: Điều khiển tín hiệu đèn giao thông ………………
51
2.3.2. Giáo án thứ hai: Giám sát và điều khiển nhiệt độ …………………..
57
Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ……...………………………………...
63
3.1. Mục đích, đối tượng thực nghiệm sư phạm …………………………..
63
3.2. Chuẩn bị các điều kiện thực nghiệm …….…………………………….
64
3.3. Nội dung và tiến trình thực nghiệm ….………………………………..
65
3.4. Đánh giá kết quả thực nghiệm ……….………………………………...
MP
Mô phỏng
ĐTCN
Điện tử công nghiệp
DH
Dạy học
TN
Thực nghiệm
ĐC
Đối chứng
K47A-N1
Khóa 47 lớp A – nhóm 1
K47A-N2
Khóa 47 lớp A – nhóm 2
K47B-N1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ
I. Các bảng biểu
1. Bảng 3.1. Đối tượng và cơ sở thực nghiệm
2. Bảng 3.2. Bảng thống kê điểm của học sinh trong bài kiểm tra thứ nhất
3. Bảng 3.3. Bảng thống kê điểm của học sinh trong bài kiểm tra thứ hai
4. Bảng 3.4: Bảng thống kê kết quả các bài kiểm tra của học sinh
5. Bảng 3.5: Bảng thống kê tỉ lệ phần trăm kết quả bài kiểm tra của học sinh
6. Bảng 3.6. Đối tượng thực hiện lấy ý kiến chuyên gia
II. Các hình vẽ
1. Hình 2.1. Giao diện mô phỏng bộ phát xung vuông
2. Hình 2.2. Giao diện mô phỏng hoạt động bộ đếm tiến
3. Hình 2.3. Giao diện mô phỏng hoạt động bộ so sánh
4. Hình 2.4. Giao diện mô phỏng điều khiển tín hiệu đèn giao thông
5. Hình 2.5. Giao diện mô phỏng hoạt động hàm FC1
6. Hình 2.6. Giao diện mô phỏng điều khiển quạt gió
7. Hình 2.7. Giao diện mô phỏng hoạt động hàm FC2
8. Hình 2.8. Giao diện mô phỏng giám sát và điều khiển nhiệt độ
II. Các sơ đồ
1. Sơ đồ 1.1. Các thành tố của quá trình dạy học
2. Sơ đồ 1.2. Phân loại mô hình
3. Sơ đồ 1.3. Công nghệ mô phỏng
4. Sơ đồ 2.1. Quy trình xây dựng bài giảng theo công nghệ mô phỏng
5. Sơ đồ 2.2. Quy trình xây dựng bài giảng điện tử với phần mềm Front Page
6. Sơ đồ 2.3. Quy trình xây dựng các mô phỏng với phần mềm WinCC 6.0
7
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Định hướng của bộ giáo dục và đào tạo về đổi mới phương pháp dạy học.
những giáo viên có tay nghề cao nhưng chủ yếu các thầy, cô chỉ giảng dạy theo
phương pháp truyền thống, rất ít ứng dụng công nghệ thông tin, công nghệ mô
phỏng trong thiết kế bài giảng.
Nghề điện tử công nghiệp là một trong những nghề mới đào tạo của trường,
nghề trang bị cho người học những kiến thức, kỹ năng vận hành, sửa chữa khắc
phục sự cố của các hệ thống điện, điện tử, các dây truyền tự động hóa trong các nhà
máy, xí nghiệp, các đơn vị sản xuất. Môn học lập trình PLC là môn học chuyên
môn nghề bắt buộc, nó cung cấp cho người học kỹ năng lập trình, kỹ năng điều
khiển các hệ thống tự động hóa, các dây truyền sản xuất công nghiệp hiện đại. Môn
học yêu cầu người học phải có tư duy trừu tượng, tư duy tổng hợp cao, phải có cái
nhìn tổng quát, gắn kết giữa cơ cấu điều khiển với cơ cấu chấp hành.
Do vậy việc ứng dụng công nghệ mô phỏng vào việc thiết kế bài giảng môn
học lập trình PLC nói riêng và các môn học có tính chất tư duy trừu tượng nói
chung là công việc thực sự mang lại hiệu quả cho sự tiếp thu bài giảng, lĩnh hội tri
thức cho người học. Biến những vấn đề khó hiểu trở nên đơn giản, trực quan sinh
động. Muốn làm được như vậy chúng ta cần phải xây dựng những quy trình cụ thể
cho những môn học khác nhau trong việc xây dựng bài giảng có sự hỗ trợ của công
nghệ mô phỏng. Có được như vậy chúng ta mới thực sự phát huy được tính hiệu quả
của việc ứng dụng công nghệ mô phỏng trong dạy học. Đây cũng chính là mục tiêu
nâng cao chất lượng đào tạo của nhà trường trong giai đoạn mới.
Do vậy tác giả đã chọn vấn đề: “Ứng dụng công nghệ mô phỏng vào dạy học
một số môn của nghề điện tử công nghiệp tại trường Trung cấp nghề Cơ Điện Hà
Nội” làm đề tài nghiên cứu của luận văn.
9
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nhằm xây dụng quy trình thiết kế bài giảng có sự hỗ trợ của công nghệ mô
phỏng cho một số môn học chuyên môn nghề của nghề Điện tử công nghiệp.
môn nghề của nghề Điện tử công nghiệp trong địa bàn Hà Nội.
Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế bài giảng có ứng dụng công nghệ mô
phỏng trong dạy học các môn chuyên môn nghề của nghề Điện tử công nghiệp.
Xây dựng một số bài giảng môn học Lập trình PLC của nghề Điện tử công
nghiệp có ứng dụng công nghệ mô phỏng theo quy trình đã thiết kế.
Thực nghiệm sư phạm bài giảng đã thiết kế.
Lấy ý kiến chuyên gia về quy trình thiết kế bài giảng có ứng dụng công nghệ
mô phỏng.
6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu lý luận: Thu thập các tài liệu, phân tích đánh giá,
tổng hợp thông tin liên quan để xây dựng cơ sở lý luận cho đề tài.
Phương pháp khảo sát: Khảo sát các cơ sở dạy nghề để lấy ý kiến về thực
trạng dạy học các môn học chuyên môn nghề của nghề Điện tử công nghiệp trong
địa bàn Hà Nội.
Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Để đánh giá thống kê, kiểm chứng kết
quả nghiên cứu và giả thuyết khoa học của đề tài.
7. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN VĂN
Về mặt lý luận:
Luận văn đã tổng hợp lý luận về công nghệ mô phỏng và vận dụng trong
thiết kế bài giảng các môn học chuyên môn nghề.
Đã xác định tính chất đặc thù của dạy học các môn học chuyên môn nghề
của nghề Điện tử công nghiệp có ứng dụng công nghệ mô phỏng.
11
Xây dựng được bộ quy trình thiết kế bài giảng có ứng dụng công nghệ mô
phỏng với các phần mềm Simatic Step 7, WinCC cho các môn học chuyên môn
nghề của nghề Điện tử công nghiệp.
Về mặt thực tiễn:
giữa thầy và trò trong quá trình dạy học nhằm đạt mục đích dạy học. Phương pháp
dạy học là một trong những yếu tố quan trọng nhất của quá trình dạy học.
Phương pháp dạy học là một hệ thống những hành động có mục đích của
người thầy nhằm tổ chức hoạt động của nhận thức và thực hành của học sinh, đảm
bảo học sinh lĩnh hội nội dung học vấn.
Phương pháp dạy học là một yếu tố quan trọng nhất trong quá trình học.
Phương pháp dạy học thực chất là phương thức làm việc qua lại giữa người thầy và
học sinh trong quá trình dạy học, thông qua đó học sinh chủ động tiếp thu kiến thức,
kỹ năng, kỹ xảo, hình thành thế giới quan và nhân cách của mình nhằm đạt mục
đích của quá trình dạy học.
Mặc dù có nhiều quan niệm khác nhau về dạy học, nhưng các tác giả đều
thừa nhận phương pháp dạy học tập trung vào các điểm sau đây;
- Tập hợp các kỹ thuật của công việc dạy học.
- Phản ánh hình thức vận động của nội dung bài học.
- Là cách thức mà người dạy học tổ chức hoạt động nhận thức cho người
học, nhằm tạo điều kiện cho người học tích cực chủ động chiếm lĩnh tri thức của bài
học.
13
- Phản ánh sự tương tác qua lại giữa người dạy học, người học và môi trường
học tập để đạt mục đích dạy học.
Vậy phương pháp dạy học là tổ hợp cách thức hoạt động của thầy và trò,
trong đó người thầy sử dụng các phương pháp thích hợp nhằm tạo ra ở học trò
sự hứng thú, tự giác, tích cực, chủ động chiếm lĩnh tri thức để đạt mục tiêu đề ra
trong dạy học.
Phương pháp dạy học là sự thể hiện logic khoa học và logic sư phạm, là sự
kết hợp của phương pháp khoa học và phương pháp sư phạm.
Mối quan hệ mục đích - nội dung - phương pháp có tính quy luật, chi phối
Kết quả
DH
Nội dung DH
Công nghệ dạy
Công nghệ học
Môi trường DH (kinh tế - xã hội – văn hóa – khoa học)
Sơ đồ 1.1. Các thành tố của quá trình dạy học
1.1.2. Quy trình (Process)
Theo từ điển Tiếng Việt, quy trình có nghĩa là trình tự các bước phải tuân
theo khi tiến hành công việc nào đó.
Quy trình thường được xây dựng cụ thể cho từng công việc, từng thao tác cụ
thể trong sản xuất, trong công nghệ. Ví dụ như: quy trình sửa chữa thiết bị điện,
trong quy trình này bao gồm các bước cơ bản bắt buộc người công nhân sửa chữa
thiết bị điện phải tuân theo một cách nghiêm ngặt, nếu không sẽ xảy ra mất an toàn
cho chính người sửa chữa, hư hỏng thiết bị, chất lượng sửa chữa không đảm bảo
yêu cầu…
Trong dạy học cũng vậy, muốn quá trình dạy học được nâng cao chất lượng
và hiệu quả, cũng cần phải có một quy trình cụ thể chi tiết bắt buộc để cho người
dạy và người học, những nhân tố khác có liên quan đến quá trình dạy học tuân theo.
Ví dụ, nếu không chuẩn bị bài trước khi lên lớp, chuẩn bị các điều kiện, phương tiện
kỹ thuật, cơ sở vật chất không tốt thì bài giảng đó không có chất lượng được, tiết
giảng đó cũng không thể thành công được…
15
Mô hình thực thể
MH
trích
mẫu
Mô hình khái niệm
MH
đồng
dạng
MH
hình
học
MH
động
hình
học
MH
tương
tự
MH
toán
học
Theo vật lý học, hai thực thể được gọi là đồng dạng với nhau khi các đại
lượng vật lý cùng tên của chúng tỉ lệ với nhau, đồng dạng hình học nếu chỉ có tỉ lệ
về các chiều dài tương ứng , đồng dạng động hình học nếu có tỉ lệ về các vận tốc
tương ứng.
Nếu có cùng dạng, kích thước tương ứng tỉ lệ với nhau ta có đồng dạng hình
học (geometrical similitude). Ví dụ, hai tam giác vuông AOB và A’O’B’ được gọi
là đồng dạng với nhau khi chúng có các cạnh góc vuông OA và O’A’, OB và O’B’
tỉ lệ với nhau.
Nếu vận tốc tương ứng của chúng tỉ lệ nhau, ta có đồng dạng động hình học
(Kinematica similitude).
Nếu các lực tương ứng tác động lên chúng tỉ lệ với nhau ta có đồng dạng
động lực học (dynamical similitude). Ví dụ, mô men quay sinh ra trong một động
cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha khi điện áp trên các pha đối xứng hoàn toàn.
Như vậy ta thấy rằng đồng dạng động hình học cũng đồng dạng hình học,
đồng dạng động lực học cũng đồng dạng động hình học.
Việc xây dựng mô hình đồng dạng là xây dựng một thực thể có các thông số
vật lý cùng tên với nguyên hình (cùng chất với nguyên hình), được xác định theo lý
thuyết đồng dạng, cụ thể là:
18
Điều kiện cần và đủ để hai quá trình đồng dạng là các mô tả toán học của
chúng chỉ khác nhau về trị số của các đại lượng có cùng thứ nguyên và các chuẩn số
của chúng bằng nhau từng đôi một. Mỗi chuẩn số này là giá trị (không thứ nguyên)
của một nhóm biến đặc trưng cho thực thể.
Mô hình đồng dạng hình học (Geometrical similar model)
Mô hình đồng dạng hình học có thể sử dụng là hình ảnh, hình chiếu của đối
tượng tại thời điểm quan sát. Mô hình hình học thường ở trạng thái tĩnh, nó được sử
dụng nhiều trong dạy học. Ví dụ, mô hình động cơ điện, mô hình máy phát điện, mô
Mô hình này thường được gọi theo chất liệu của mô hình và nguyên hình, ví dụ như
mô hình tương tự điện – cơ, mô hình tương tự nhiệt điện, mô hình tương tự thủy
lực…
- Mô hình khái niệm (Conceptual model)
Mô hình khái niệm được xây dựng trên cơ sở các khái niệm có tính chất hình
thức, trừu tượng. Mô hình khái niệm được sử dụng nhiều trong toán học dùng ngôn
ngữ toán học để mô tả đối tượng. Điển hình cho các nghiên cứu và ứng dụng mô
hình khái niệm trong toán học là phương pháp mô phỏng Monte Carlo.
+ Mô hình toán học (Mathematics model)
Mô hình toán học là dạng mô hình khái niệm dưới dạnh một cấu trúc hay
một hệ thức toán học. Mô hình toán học dùng để mô tả trạng thái của đối tượng
nghiên cứu, chúng thường được xây dựng thành các dạng phương trình, ví dụ khi
nghiên cứu về máy phát điện một chiều kích từ độc lập, người ta xây dựng hàm
truyền đạt trên cơ sở các phương trình vi phân đầu vào và đầu ra của tín hiệu.
* Mô hình lược tả (Schematic model)
Mô hình lược tả là một dạng kết hợp của các mô hình nói trên dùng để mô tả
cấu trúc và trạng thái bên trong của nguyên hình. Có nhiều dạng mô hình lược tả
khác nhau như cấu trúc thứ tự, graph tín hiệu và đồng dạng vật lý… Đây là một
dạng mô hình biểu diễn bằng hình học trực quan những thuộc tính hay quan hệ nào
20
đó của đối tượng được xét. Các lược đồ cấu trúc của một hệ thống, lưu đồ lập trình
cho các máy tính, lưu đồ vận hành của một thiết bị … là những dạng thường gặp
của mô hình này. Ngoài lợi ích về quan sát, trong nhiều trường hợp, các mô hình
loại này giúp ích cho việc nghiên cứu phương án phân bổ hợp lý trên nguyên hình.
1.1.6. Mô phỏng (Simulation)
Mô phỏng là cách thức để tái tạo lại các hoạt động, các tình huống thông qua
mô hình, nghĩa là tạo ra một sản phẩm hoặc mô hình để học, để kiểm tra, để giảng
dạy…
một đối tượng nào đó đạt một thành quả xác định cho con người.
Như vậy, dạy học cũng là một công nghệ, công nghệ dạy học là một hệ thống
phương tiện, phương pháp và kỹ năng. Nhằm vận dụng quy luật khách quan tác
động vào người học, hình thành một nhân cách xác định.
Vận dụng các phương tiện dạy học hiện đại, công nghệ thông tin và truyền
thông vào quá trình dạy học nhằm tạo nên một công nghệ dạy học hiện đại.
1.1.8. Công nghệ mô phỏng (Simulation technology)
Công nghệ mô phỏng là một hệ thống phương tiện, phương pháp và kỹ năng
để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình của đối tượng khảo sát.
Công nghệ mô phỏng nhằm xây dựng các mô hình trên cơ sở mục tiêu, yêu
cầu đặt ra ban đầu để vận hành và quan sát các hiệu ứng trong một môi trường nhất
định, phục vụ cho mục đích nhất định của người nghiên cứu.
Việc tạo ra các mô hình dưới sự hỗ trợ của máy móc thiết bị hiện đại theo
một quy trình nhất định, và mô hình này tương tự hoặc phỏng theo thực tế hoặc
mang đặc điểm đặc trưng của nguyên hình, các mô hình này hoạt động dưới sự điều
khiển chỉ đạo của con người gọi là công nghệ mô phỏng.
Trong phạm vi luận văn này, công nghệ mô phỏng được ứng dụng để xây
dựng các mô hình tĩnh, mô hình động cho phần kiến thức chuyên môn nghề của
nghề điện tử công nghiệp, mô phỏng nguyên lý hoạt động của mạch điện, của hệ
22
thống điều khiển và giám sát, giải thích các hiện tượng, các quá trình xảy ra dựa
trên cơ sở máy vi tính, PLC và các phần mềm hỗ trợ.
Về mặt phương pháp luận khoa học, mọi lý thuyết khoa học đều được xây
dựng từ mô hình của thế giới thực và được áp dụng cho những đối tượng thực hoặc
y như mô hình hoặc sai khác với mô hình trong chừng mức một chỉ tiêu chất lượng
mô phỏng nằm trong giới hạn cho phép. Quá trình phát triển của khoa học là quá
trình mô hình hóa và mô phỏng ngày càng sát thực với thế giới quan.
Không đạt
So sánh với
mục tiêu đặt ra
Đạt
Kết quả, kết luận
về thực tiễn
Sơ đồ 1.3. Công nghệ mô phỏng
Để việc mô hình hóa đạt hiệu quả, cần lưu ý một số tính chất của mô hình
như sau:
+ Tính công nghệ: khả thi và hiệu quả: trong trường hợp thông thường đó
chính là tính đơn giản về hình thức, cấu trúc của mô hình so với nguyên hình. Tuy
nhiên trong không ít trường hợp, đặc biệt với mô hình khái niệm, thì không nhất
thiết như vậy, mô hình có thể phức tạp hơn nguyên hình.
+ Mô hình thay thế phải phù hợp với đối tượng nghiên cứu: kết quả thu được
khi nghiên cứu trên mô hình là kết luận được chuyển sang đối tượng nghiên cứu vì
vậy mô hình thay thế phải phù hợp với đối tượng nghiên cứu.
+ Quan sát được và điều khiển được: đối với mô hình thực thể đó chính là
tính trực quan của mô hình. Đối với mô hình khái niệm (mô hình toán học) quan sát
được nếu trạng thái của đối tượng ở thời điểm bất kỳ có thể xác định theo nhập tố
24
Copyright: Tài liệu đại học ©