Lí luận và công nghệ mô phỏng trong dạy học hình học họa hình và vẽ kĩ thuật

Bài báo giới thiệu một số quan điểm và đề xuất của các tác giả về: Những khái niệm cơ bản của Lí luận và công nghệ mô phỏng; vị trí của Lí luận và công nghệ mô phỏng trong Phương pháp luận khoa học công nghệ nói chung và Phương pháp luận Hình học họa hình và Vẽ kĩ thuật (HHHH&VKT) nói riêng.

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Educational Sci., 2014, Vol 59, No 2, pp 112-124 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn LÍ LUẬN VÀ CƠNG NGHỆ MƠ PHỎNG TRONG DẠY HỌC HÌNH HỌC HỌA HÌNH VÀ VẼ KĨ THUẬT Nguyễn Xuân Lạc1 , Trần Kim Tuyền2 Viện Sư phạm Kĩ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo, Trường Cao đẳng nghề Tp Hồ Chí Minh Tóm tắt Bài báo giới thiệu số quan điểm đề xuất tác giả về: (i) Những khái niệm Lí luận cơng nghệ mơ phỏng; (ii) Vị trí Lí luận công nghệ mô Phương pháp luận khoa học cơng nghệ nói chung Phương pháp luận Hình học họa hình Vẽ kĩ thuật (HHHH&VKT) nói riêng Ở HHHH&VKT hiểu môn học Vẽ kĩ thuật (VKT) với kiến thức kĩ tiên (có trước theo cách thích hợp) Hình học họa hình (HHHH); (iii) Ứng dụng cơng nghệ mơ dạy học tương tác ảo HHHH&VKT trường dạy nghề Trung cấp, cao đẳng; Cao đẳng đại học Từ khóa: Hình học họa hình Vẽ kĩ thuật, Lí luận cơng nghệ mơ phỏng, cơng nghệ dạy học, Tiếp cận công nghệ, dạy học tương tác ảo, mơ hình Mở đầu Nhìn chung, trình nghiên cứu khoa học trình đặt vấn đề nghiên cứu, mơ hình hóa đối tượng theo quan điểm (hay cách tiếp cận) xác định, vận dụng tri thức, phương tiện, phương pháp kĩ tương ứng để giải toán kiểm chứng mức độ đáp ứng kết đạt so với yêu cầu thực tiễn Nếu mức độ chấp nhận được, kết nghiên cứu ứng dụng việc nhận dạng thuộc tính quy luật giới khách quan, đem lại lợi ích vật chất tinh thần cho xã hội, không công việc phải làm lại từ đầu từ bước thích hợp, với mơ hình ngày sát thực Vì mơ hình hóa mơ quan điểm cốt yếu phương pháp luận khoa học nói chung phương pháp luận HHHH&VKT nói riêng Để khẳng định đắn quan điểm trên, cần có định nghĩa quan niệm đắn khái niệm như: mơ hình, lí thuyết mơ hình hóa, mơ cơng nghệ mơ phỏng, v.v Dưới đề xuất tác giả nội dung Ngày nhận bài: 15/9/2013 Ngày nhận đăng: 15/12/2013 Liên hệ: Nguyễn Xuân Lạc, e-mail: xuanlac@fpt.vn 112 Lí luận cơng nghệ mơ dạy học hình học họa hình vẽ kĩ thuật Ở nhiều trường đại học, trường đại học sư phạm, phương pháp luận môn khoa học truyền thống, xây dựng đề cập có hệ thống giáo trình phương pháp luận phương pháp dạy học mơn, triết học, tốn học, giáo dục học, v.v Với môn sở chuyên ngành trường dạy nghề trung cấp, cao đẳng; Cao đẳng đại học công nghệ, có lẻ tẻ số nhận xét có tính phương pháp luận đề cập giới thiệu đặc điểm mơn học Vì thế, này, tác giả muốn góp phần xây dựng bước đầu Phương pháp luận HHHH&VKT Nội dung nghiên cứu 2.1 Lí luận cơng nghệ mơ [1] Tìm hiểu thuộc tính quy luật vận động có xung quanh thân, để thích nghi cải thiện sống vật chất tinh thần mình, cá thể người Đồng thời cộng đồng đòi hỏi tri thức kinh nghiệm tích lũy phải xử lí hệ thống hóa để lưu trữ, chuyển giao phát triển Đó q trình hình thành phát triển khơng ngừng lí thuyết thực tiễn khoa học công nghệ Lịch sử phát triển khoa học cho thấy người chưa thể (và có lẽ khơng thể) xây dựng lí thuyết khoa học cho giới thực vơ kì vĩ đa dạng, mà xây dựng lí thuyết khoa học cho mơ hình giới khách quan, tạo dựng theo hiểu biết kinh nghiệm chủ quan (ngày đắn, sâu rộng phong phú qua trải nghiệm thực tiễn) Chẳng hạn, chưa thể có Cơ học vật liệu thực, nói chung, mà có Cơ học cho số mơ hình vật liệu quan tâm nghiên cứu, Lí thuyết đàn hồi, Lí thuyết dẻo, rộng Cơ học môi trường liên tục, Cơ học môi trường rời, v.v nhờ vận dụng linh hoạt sáng tạo, người thành công việc kiến tạo giới vĩ đại máy móc chế biến, phương tiện giao thơng cơng trình xây dựng, , vô hiệu quả, văn minh bền vững ngày Do đó, nhìn chung, q trình nghiên cứu khoa học trình đặt vấn đề nghiên cứu, mơ hình hóa đối tượng (phát biểu tốn mơ hình) theo quan điểm (hay cách tiếp cận) xác định, vận dụng tri thức, phương tiện, phương pháp kĩ tương ứng để giải toán (giải vấn đề) kiểm chứng mức độ đáp ứng kết đạt so với yêu cầu thực tiễn Nếu mức độ chấp nhận (ví dụ, khơng có sai số - đối tượng áp dụng hồn tồn giống với mơ hình, sai số không giới hạn cho phép - đối tượng áp dụng không khác nhiều so với mô hình), kết nghiên cứu ứng dụng việc nhận dạng thuộc tính quy luật giới khách quan, đem lại lợi ích vật chất tinh thần cho xã hội, không công việc phải làm lại từ đầu từ bước thích hợp, với mơ hình ngày sát thực Vì mơ hình hóa mơ (MHH&MP) quan điểm cốt yếu phương pháp luận khoa học nói chung phương pháp luận HHHH&VKT nói riêng 113 Nguyễn Xuân Lạc, Trần Kim Tuyền Để khẳng định đắn quan điểm trên, cần có định nghĩa quan niệm đắn khái niệm : mơ hình, lí thuyết mơ hình hóa, mơ cơng nghệ mơ phỏng, v.v Dưới đề xuất tác giả nội dung 2.1.1 Định nghĩa 1) Mơ hình Mơ hình, theo nghĩa chung [1], hiểu thể thực thể khái niệm - theo cách tiếp cận xác định - số thuộc tính quan hệ tiêu biểu đối tượng (gọi ngun hình) nhằm hai, hai, mục đích nhận thức sau : - Làm đối tượng quan sát (nhận dạng) thay cho nguyên hình; - Làm đối tượng nghiên cứu (thực nghiệm hay suy diễn) ngun hình Mơ hình địa cầu Địa lí; mơ hình ngun tử (của Bohr) Vật lí; mơ hình thể (tồn phần) cửa hàng thời trang; mơ hình máy bay thí nghiệm khí động lực học; vẽ thiết kế vẽ chế tạo chi tiết máy Vẽ kĩ thuật; mơ hình đại số mệnh đề đại số tập hợp, Đại số Boole; mơ hình hình học cầu Hình học Riemann (nghĩa hẹp); mơ hình tốn kinh tế; mơ hình gia đình (hay làng, ) văn hóa Việt Nam; v.v ví dụ mơ hình theo nghĩa Theo cách hiểu nơm na “mơ hình sản phẩm ý tưởng bắt chước”, phân biệt hai loại: mơ hình diễn họa (descriptive model, bắt chước hay thể đối tượng khác, số thuộc tính quan hệ tiêu biểu, mơ hình địa cầu, mơ hình máy bay, đây) mơ hình chuẩn mực (normative model) hay mơ hình platon (là mẫu quy chiếu, tức làm mẫu cho đối tượng khác bắt chước hay thể hiện, mơ hình làng văn hóa Việt Nam, ) 2) Mơ hình hóa Biểu diễn đối tượng nghiên cứu mơ hình tương ứng theo cách tiếp cận đó, gọi mơ hình hóa đối tượng theo cách tiếp cận Ví dụ, vật rắn thực chịu tác dụng lực vừa chuyển động vừa biến dạng Nếu xét chuyển động lực gây ra, mà bỏ qua biến dạng, nghĩa khoảng cách hai điểm (thuộc vật) xem khơng đổi q trình chuyển động, vật rắn thực mơ hình hóa dạng vật rắn tuyệt đối Khi lực có tác dụng học ngồi [4, 5] (khơng làm biến đổi trạng thái học lịng vật thể) Đó cách tiếp cận Cơ học vật rắn tuyệt đối Với cách tiếp cận này, thực phép biến đổi tương đương lực [4, 5] (theo nghĩa bảo toàn tác dụng học ngồi, đặc trưng vectơ vectơ mơmen hệ lực) hợp hai lực đồng phẳng, trượt lực đường tác dụng, v.v Nếu vật rắn thực mơ hình hóa dạng vật rắn biến dạng nghĩa khoảng cách hai điểm (thuộc vật) thay đổi, lực có tác dụng học (gây biến đổi trạng thái học lòng vật thể) Khi đó, với Cơ học vật rắn biến dạng, phép biến đổi tương đương tác dụng ngồi nói khơng cịn ý nghĩa khơng bảo tồn tác dụng 114 Lí luận cơng nghệ mơ dạy học hình học họa hình vẽ kĩ thuật Hơn nữa, xét chuyển động đơn mà không quan tâm nguyên nhân biến đổi chuyển động (là lực), cịn bỏ qua tính vật chất (như: khơng có khối lượng - đại lượng đặc trưng cho quán tính vật chịu tác dụng lực - vật xuyên qua chuyển động, ) Đó cách tiếp cận Động hình học (trong Cơ học) Hình học Mơ hình tương ứng gọi mơ hình hình học đề cập phần 3) Mô Thực nghiệm (quan sát thí nghiệm gọi chung thực nghiệm) quan sát điều khiển mô hình đối tượng khảo sát, gọi mơ (mơ hình hóa mơ hiểu theo nghĩa đầy đủ thuật ngữ) Định nghĩa khái quát thuật ngữ mô thực chẳng khác cách hiểu nơm na cách làm tự phát người bắt chước khác, vì: - Đã bắt chước tất phải tái được, khơng nhiều ít, số nét tiêu biểu thật, nhằm bắt chước (hàm ý mơ hình mơ hình hóa), - Đã bắt chước tất phải thử xem có giống thật khơng, chưa giống sửa lại cho giống (hàm ý thực nghiệm quan sát điều khiển được) 2.1.2 Tính chất mơ hình 1) Về mặt phương pháp luận, mơ hình có đặc điểm sau: a Mơ hình sản phẩm nhu cầu nhận thức người nghiên cứu; ngun hình có nhiều mơ hình tương ứng khác nhau, tùy thuộc cách tiếp cận khác việc lựa chọn thuộc tính quan hệ tiêu biểu; b Mơ hình có tính chất - Phản xạ: đối tượng mơ hình nó, ví dụ, cần dùng sản phẩm thực làm mẫu trưng bày thí nghiệm; - Đối xứng: với tập hợp thuộc tính quan hệ tiêu biểu xét, đối tượng A mơ hình đối tượng B B mơ hình A, ví dụ, Toán học thường gọi cấu trúc thể cụ thể tiên đề lí thuyết mơ hình hệ tiên đề hay lí thuyết (như ví dụ Đại số Hình học đây), ngược lại, Vật lí, lại thường xem hệ tiên đề (hay định luật) mơ hình lí thuyết cấu trúc cụ thể tương ứng; - Bắc cầu: với tập hợp thuộc tính quan hệ tiêu biểu xét, đối tượng A mô hình đối tượng B B mơ hình đối tượng C A mơ hình C, ví dụ, phương trình vi phân mơ hình tốn học mạch điện (Hình 1a), mạch điện mơ hình tương tự giảm chấn (Hình 1b), phương trình vi phân mơ hình tốn học giảm chấn 2) Về mặt cơng nghệ, mơ hình cần thỏa mãn u cầu sau: a Hợp thức Một mơ hình gọi hợp thức (hay nôm na “đủ tư cách đại diện” cho ngun hình) thể số thuộc tính quan hệ tiêu biểu nguyên hình, theo 115 Nguyễn Xuân Lạc, Trần Kim Tuyền định nghĩa (1), kết khảo sát mơ hình đủ để rút kết luận hợp lí đáp ứng yêu cầu nhận thức đề ngun hình Tính hợp thức số loại mơ hình thơng dụng khoa học tự nhiên, cơng nghệ (trong có cơng nghệ dạy học) môn khoa học xã hội nhân văn thuộc vùng tương giao với khoa học tự nhiên công nghệ (như thống kê xã hội học, thống kê ngôn ngữ học, kinh tế lượng, điều khiển học kinh tế, ) thường xác định lí thuyết mơ hình hố (là lĩnh vực logic tốn nghiên cứu cấu trúc thể ý nghĩa ngôn ngữ hình thức lí thuyết tốn học, hay nói cách khác, nghiên cứu quan hệ ngơn ngữ tốn học với giới thực đối tượng cấu trúc toán học) tương ứng Trong nhiều trường hợp khác, đề xuất mơ hình, luận chứng tính hợp thức dựa vào kinh nghiệm luận điểm logic hình thức logic biện chứng, chấp nhận (qua thực tiễn lịch sử), sau kiểm chứng nghiên cứu thực nghiệm mơ hình đề xuất Đó đường xây dựng lí thuyết nhiều môn khoa học, kể khoa học tự nhiên công nghệ Đối tượng nghiên cứu mơn mơ hình hệ thống thực xét Khi ấy, thơng thường chưa có lí thuyết mơ hình hóa có sẵn cho phép khẳng định tính hợp thức; thực tiễn ứng dụng chứng minh tính đắn mơ hình lí thuyết khoa học xây dựng cho mơ hình Mơ hình học nói ví dụ b Quan sát điều khiển Trong trường hợp thơng thường, với mơ hình thực thể, tính trực quan mơ hình Với mơ hình trừu tượng mơ hình tốn học (phương trình vi phân mơ tả quan hệ nhập xuất hệ điều khiển tự động, chẳng hạn), quan sát trạng thái Tt đối tượng khảo sát (xác định tọa độ trạng thái) thời điểm t xác định theo nhập tố xuất tố tương ứng, điều khiển ln chọn nhập tố thích hợp, cho phép chuyển đối tượng khảo sát từ trạng thái T0 tới trạng thái Ti cho trước c Khả thi hiệu Theo định nghĩa, mơ hình thể số thuộc tính quan hệ tiêu biểu ngun hình, thường xem đơn giản nguyên hình, nhiên, thuộc tính quan hệ tiêu biểu, không luôn đồng với đơn giản cấu trúc cấu tạo, nói chung khơng nên xem tính đơn giản đặc điểm mơ hình Đối với người nghiên cứu, đơn giản mà khả thi hiệu yêu cầu, mục đích việc thay ngun hình mơ hình tương ứng Trong trường hợp thơng thường, mơ hình thể thuộc tính quan hệ tiêu biểu cấu trúc đơn giản có nghĩa khả thi hiệu quả, nói chung khơng Chẳng hạn, quan hệ tiêu biểu mạch dao động điện giảm chấn (hình 1) khơng phải cấu trúc mà trạng thái dao động theo thời gian t, xác định phương trình vi phân cấp Khi giải mô tương tự mơ hình tương ứng (trên máy tính tương tự) thường gồm nhiều thuật toán, như: cộng, nhân, nghịch đảo, tích phân, tạo hàm, v.v ; mơ hình dạng thuật tốn có cấu trúc phức tạp nguyên hình điện, lại khả thi hiệu hơn, thuật tốn chuẩn hóa, sẵn, lẳp ráp nhanh chóng theo dạng phương 116 Lí luận cơng nghệ mơ dạy học hình học họa hình vẽ kĩ thuật trình, khơng phụ thuộc cấu trúc cụ thể ngun hình d Tương tác tham biến Mơ môi trường nghiên cứu hay dạy học tương tác, đòi hỏi khả điều khiển đặc biệt mơ phỏng, tùy biến nhập tố theo ý muốn người quan sát (qua thao tác trực tiếp liên tục) - gọi tương tác tham biến - dẫn đến biến thiên tương ứng xuất tố (thể trạng thái đối tượng nghiên cứu), nữa, tương tác cịn thực vào lúc, chỗ với (mức) độ 2.1.3 Lí thuyết mơ hình hóa Lí thuyết mơ hình hóa sở lí luận để xây dựng mơ hình, cụ thể xác định: - Mơ hình thoả mãn yêu cầu đặt toán khảo sát ngun hình, tức xác định tính hợp thức mơ hình; - Các phép biến đổi kết từ mơ hình thành kết tương ứng ngun hình Hiện chưa có lí thuyết tổng qt mơ hình nói chung, mà có lí thuyết xây dựng cho số loại mơ hình Chẳng hạn, lĩnh vực khoa học công nghệ, theo sở lí thuyết này, có loại mơ hình sau đây: 1) Mơ hình trích mẫu Để xác định thuộc tính hay quan hệ tổng thể (là tập hợp cá thể hay mơi trường cá thể hóa theo nghĩa định) mà lí đó, khơng thể tiến hành thực nghiệm cá thể nó, như: đánh giá chất lượng bia lon hay bia tươi nhà máy bia X, đánh giá mức độ ô nhiễm nước sông Y, v.v , ta cần khảo sát tập hợp cá thể (mẫu bia, mẫu nước, ) trích từ tổng thể (gọi mơ hình trích mẫu hay tập mẫu), từ kết có mơ hình suy kết luận hợp thức nguyên hình Trong trường hợp này, mơ hình thực thể vật lí tách từ ngun hình (để tiện trình bày, nói : mơ hình chất với ngun hình), lí thuyết mơ hình hóa Lí thuyết xác suất thống kê toán học xây dựng từ cuối kỉ 17, cho phép: - Chọn mơ hình hợp thức - tập mẫu có dung lượng đáp ứng độ xác độ tin cậy cho trước tiêu thức (thuộc tính quan hệ tiêu biểu) cần xét; - Đánh giá (suy diễn) thống kê đắn tiêu thức tương ứng tổng thể Chẳng hạn, dùng công thức xác định dung lượng n tập mẫu: ( σu )2 n ≥ εβ đó, σ-độ lệch chuẩn, uβ -phân vị mức 1−β , β-độ tin cậy, ε-độ xác; Ví dụ uβ = 1, 64 β = 90% ; uβ = 1, 96 β = 95%, uβ = 2, 33 β = 98%; uβ = 2, 58 β = 99% Mơ hình trích mẫu sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực quen thuộc như: điều tra xã hội học, thống kê ngôn ngữ học, quy hoạch thực nghiệm, 2) Mơ hình đồng dạng Hai thực thể gọi đồng dạng đại lượng vật lí tên chúng tỉ lệ 117 Nguyễn Xuân Lạc, Trần Kim Tuyền với nhau, đồng dạng hình học có tỉ lệ chiều dài tương ứng, đồng dạng động hình học có tỉ lệ vận tốc tương ứng, đồng dạng động lực học có tỉ lệ lực tương ứng Dễ dàng thấy đồng dạng động hình học đồng dạng hình học đồng dạng động lực học đồng dạng động hình học Mơ hình đồng dạng thực thể có thơng số vật lí tên với ngun hình (tức giống chất với ngun hình) xác định theo Lí thuyết đồng dạng Theo Lí thuyết đồng dạng, điều kiện cần đủ để hai trình đồng dạng mơ tả tốn học chúng khác trị số đại lượng có thứ nguyên (giống chất) chuẩn số chúng đôi (định lí đồng dạng thứ ba) Mỗi chuẩn số giá trị (khơng thứ ngun) nhóm biến đặc trưng cho thực thể Ví dụ , chuẩn số đồng dạng chủ yếu Động lực học chất lưu - Số Reynold Re = vl/µ, tỉ số lực quán tính lực nhớt; - Số Mach M = v/c tỉ số lực đàn hồi lực quán tính, đánh giá ảnh hưởng tính nén chất lưu (M < - hạ âm, M > - siêu âm); Các chuẩn số đồng dạng chủ yếu Truyền nhiệt (ổn định, chất lỏng không nén được) số Nusselt N u = αl/K, α - hệ số truyền nhiệt, K - độ dẫn nhiệt, Tuỳ theo chuẩn đồng dạng : hình học, động hình học, hay động lực học, có mơ hình đồng dạng tương ứng Bản vẽ kĩ thuật HHHH&VKT (phần II), mơ hình hàng khơng mẫu hạm phịng triển lãm, ví dụ mơ hình đồng dạng hình học; mơ hình vật bay (máy bay, tàu vũ trụ, ), tuỳ trường hợp sử dụng, mơ hình đồng dạng hình học, động hình học động lực học Ví dụ để nghiên cứu sức cản khơng khí máy bay thực, mơ hình máy bay thiết bị thổi phịng thí nghiệm phải mơ hình động lực học có chuẩn số đồng dạng với trình thực; để nghiên cứu sức chịu đựng đập nước thực trước xây dựng, mơ hình đập nước thiết bị thí nghiệm thủy cơng phải mơ hình động lực học tương ứng 3) Mơ hình tương tự a) e(t) = L 118 dq(t) d2 q(t) +R + q(t) dt dt C d2 y(t) dy(t) b) f (t) = m +µ + Ky(t) dt dt Hình Lí luận cơng nghệ mơ dạy học hình học họa hình vẽ kĩ thuật Hai thực thể khác chất vật lí gọi tương tự trạng thái chúng mô tả hệ phương trình vi phân điều kiện đơn trị (điều kiện đầu điều kiện biên) Mơ hình tương tự thực thể có thơng số vật lí khác tên với ngun hình (tức khác chất với ngun hình) xác định theo Lí thuyết tương tự Mơ hình thường gọi tên theo chất liệu mơ hình ngun hình, ví dụ: mơ hình điện-cơ (Hình 1) q trình dao động học mơ Hình 1b (bộ giảm chấn) mơ tả dạng phương trình vi phân với q trình dao động điện mơ hình 1a (mạch điện eLCR) Lực Chuyển vị Vận tốc Khối lượng Ma sát nhớt Độ cứng Tỉ số truyền Bảng tương tự điện - Đại lượng Đại lượng điện f, M Điện áp e y,ω Điện tích q v = dy/dt, ω = dω/dt Dòng điện i = dq/dt m, J Điện cảm L µ Điện trở R K Dung kháng 1/C i12 = n1 /n2 Tỉ số biến áp k = n1 /n2 4) Mơ hình tốn học Ba mơ hình nói mơ hình thực thể (vật lí) Mơ hình tốn học mơ hình khái niệm dạng cấu trúc tốn học hệ thức tốn học Ví dụ: tổ chức tinh thể, hoa văn trang trí, chuyển động vật rắn, biến hình (hình học) mặt phẳng, mơ hình hố cấu trúc nhóm; hệ phần tử hai trị (thể hai trạng thái) mơ hình hố cấu trúc đại số Boole ; mơ hình tốn học vật liệu đàn hồi tuyến tính hệ thức σ = Eε (định luật Hooke), mạch dao động điện (Hình 1) phương trình vi phân dao động cưỡng bức, Ngồi cách phân biệt mơ hình theo sở lí thuyết nói trên, cịn dựa vào tính chất: tĩnh, động; thực, ảo; mục đích: (biểu diễn) cấu trúc, ứng xử; dạy học, nghiên cứu; lí thuyết, thực hành; hay chuyên ngành: vật lí, sinh học, kinh tế, ; cơ, điện, để phân biệt loại mơ hình tương ứng, cần thiết Tuy nhiên, cần ý chọn thuật ngữ thích đáng, tránh nhầm lẫn khơng có văn cảnh, chẳng hạn thuật ngữ đơn độc mơ hình cấu trúc hiểu mơ hình vật lí thể cấu trúc hệ hiểu cấu trúc toán học dùng để mơ hình hố cấu tạo hay quy luật hoạt động đối tượng xét Trong thực tế, thường dùng dạng kết hợp mơ hình Mơ hình lược tả ví dụ mơ hình kết hợp (cấu trúc thứ tự, graph, đồng dạng vật lí, ) Đây mơ hình biểu diễn hình học trực quan thuộc tính hay quan hệ (hình học phi hình học) đối tượng xét Các lược đồ cấu trúc hệ thống, lưu đồ tiến trình trình (lưu đồ lập trình cho máy tính, lưu đồ vận hành 119 Nguyễn Xuân Lạc, Trần Kim Tuyền thiết bị, ) ví dụ thường gặp mơ hình Ngồi lợi ích quan sát, nhiều trường hợp, mơ hình giúp ích cho việc nghiên cứu phương án phân bổ hợp lí ngun hình 2.1.4 Cơng nghệ mô 1) Định nghĩa Những khái niệm mơ hình, mơ lí thuyết mơ hình hóa đây, nội dung hệ thống tri thức nhận dạng, xây dựng ứng dụng mô lĩnh vực khoa học, công nghệ, gọi Lí luận mơ Gắn liền với Lí luận mơ Cơng nghệ mơ phỏng, xây dựng tương tự công nghệ [3] quen biết khác: Hệ thống phương tiện, phương pháp kĩ mô gọi công nghệ mô 2) Ý nghĩa khoa học thực tiễn Công nghệ mô Trong khoa học công nghệ, mô đường nghiên cứu thứ ba, song song với nghiên cứu lí thuyết túy (nghiên cứu suy diễn) nghiên cứu thực nghiệm đối tượng thực Nó sử dụng khi: - Khơng thể hay khơng nên thực nghiệm đối tượng thực, lí khác nhau, như: nguyên hình đối tượng xuất lần, hi hữu, không mong đợi, mô vụ ám sát J.F.Kennedy, mô ASEM (2012), mơ động đất; ngun hình chưa có, thiết kế nghiên cứu thi cơng; có ngun hình điều kiện kích cỡ (q lớn bé), tốc độ (quá nhanh chậm), chi phí (q đắt), an tồn (q nguy hiểm) đạo đức, v.v không cho phép; - Không cần thực nghiệm đối tượng thực, mô khả thi hiệu hơn, đối với: (i) hoạt động nhận thức mô nghiên cứu tải trọng động mơ hình máy bay hay đập nước (đã nói trên); mơ kiểm chứng thuật tốn điều khiển mơ hình máy CNC hay rơbơt; mơ ảo máy tính, nhằm giả lập tình huống, dị nghiệm theo kiểu “thử - sai”, với số lần tùy ý, để tìm phương án tối ưu, (ii) rèn luyện kĩ năng: trước triển khai ứng dụng phương tiện hay phương pháp đắt tiền đòi hỏi lực chuyên môn cao, thực hành ảo dạy lái máy bay dạy mổ nội soi, 2.2 Ứng dụng Hình học họa hình & Vẽ kĩ thuật 2.2.1 Phương pháp luận Hình học họa hình & Vẽ kĩ thuật Như biết, nhiều trường đại học, trường đại học sư phạm, phương pháp luận môn khoa học truyền thống, xây dựng đề cập có hệ thống giáo trình phương pháp luận phương pháp dạy học môn, triết học, toán học, giáo dục học, Với môn sở chuyên ngành trường dạy nghề trung cấp, cao đẳng; Cao đẳng đại học cơng nghệ, có lẻ tẻ số nhận xét có tính phương pháp luận đề cập giới thiệu đặc điểm 120 Lí luận cơng nghệ mơ dạy học hình học họa hình vẽ kĩ thuật mơn học Vì thế, báo này, tác giả muốn góp phần xây dựng bước đầu Phương pháp luận HHHH&VKT HHHH&VKT môn sở kĩ thuật có tính bắc cầu mơn khoa học (như Hình học Giải tích tốn học, ) với môn sở kĩ thuật khác (như Cơ học máy hay Cơ sở thiết kế máy, ) môn công nghệ (như Công nghệ chế tạo máy, ), mơn xây dựng sở lí luận khoa học sở thực tiễn cơng nghệ 1) Mơ hình hóa mơ (MHH&MP) sở khoa học sở phương pháp luận HHHH&VKT Thực vậy, nêu rõ định nghĩa [6]: “Hình học họa hình mơn học nghiên cứu cách biểu diễn khơng gian hình học mơ hình hình học có số chiều thấp hơn, dùng hình biểu diễn để nghiên cứu không gian ban đầu” Trong thực tế kĩ thuật, HHHH&VKT biểu diễn đối tượng hình học khơng gian Ơclit ba chiều mơ hình hai chiều, hình chiếu vng góc theo phương pháp Mơngiơ, hình chiếu trục đo, hình chiếu phối cảnh, Như khẳng định MHH&MP thuộc tính chất quan điểm (hay tiếp cận) chủ yếu phương pháp luận HHHH&VKT Đối chiếu với sở lí luận MHH&MP dễ thấy HHHH&VKT hình biểu diễn mơ hình đồng dạng hình học tính hợp thức mơ hình tính phản chuyển hình biểu diễn (cịn gọi tính tương đương hình học [6]), nghĩa từ dựng lại hình khơng gian với kích thước thực vốn có (ngun hình) Tính quan sát điều khiển (trực quan), khả thi hiệu (đơn giản), thể rõ đầy đủ Hơn nữa, với thuộc tính chất MHH&MP việc ứng dụng cơng nghệ mơ dạy học HHHH&VKT lẽ tự nhiên 2) Ngôn ngữ đồ họa - chức có tính phương pháp luận HHHH&VKT Đồ họa dạng thông báo (thông điệp) thể hình vẽ để tiếp nhận qua thị giác, xem dạng ngơn ngữ giao tiếp thứ hai, bên cạnh ngơn ngữ nói viết quen biết, gọi ngôn ngữ đồ họa VKT ứng dụng nguyên tắc kết dựng hình biểu diễn đối tượng hình học HHHH vào việc tạo dựng vẽ kĩ thuật Như [7] nêu rõ : “người thiết kế sử dụng vẽ kĩ thuật để thông báo cho cách đầy đủ, xác hình dạng, kích thước, sản phẩm thiết kế, người thi cơng theo vẽ tiến hành tạo dựng sản phẩm ý đồ người thiết kế Bản vẽ kĩ thuật thực trở thành ngôn ngữ chung dùng kĩ thuật” Từ thấy HHHH&VKT vốn có chức ngôn ngữ đồ họa, định hướng ngôn ngữ đồ họa dạy học, nghiên cứu phát triển quan điểm (hay tiếp cận) chủ yếu thứ hai phương pháp luận HHHH&VKT Đó ý nghĩa ngơn ngữ quy ước tiêu chuẩn thống có tính quốc gia ngày có tính quốc tế cao, cơng trình nghiên cứu lí thuyết thực tiễn gần theo hướng ngôn ngữ đồ họa vi tính, lĩnh vực 121 Nguyễn Xuân Lạc, Trần Kim Tuyền 3) Tiếp cận công nghệ Tiếp cận theo quan điểm công nghệ, với hai giác độ khả thi hiệu - tức tiếp cận công nghệ [3] - tiếp cận chủ yếu thứ ba phương pháp luận HHHH&VKT Những nguyên tắc dạy học theo tiếp cận cơng nghệ [3] đây, hồn tồn phù hợp với đặc điểm bắc cầu (đã nói trên) môn HHHH&VKT: a) Đảm bảo thống tính khoa học tính cơng nghệ: thể chất quan hệ lí luận khoa học thực tiễn công nghệ, tư khoa học (có tính tổng hợp, trừu tượng) tư cơng nghệ (có tính chun nghiệp, cụ thể), kiến thức lí luận kĩ thực hành; Ở đây, nắm vững kiến thức lí luận bản, đồng thời trọng rèn luyện kĩ thực hành (là nguyên tắc đặc biệt nhấn mạnh [7]) không xuất phát từ chức kĩ thuật nói chung VKT mà cịn từ chức ngơn ngữ kĩ thuật nữa; b) Đảm bảo thống tính khả thi tính hiệu quả: nhận thức rõ khoảng cách làm làm tốt (theo tiêu chí hiệu đề ra) để khơng dừng lại làm mà cố gắng làm tốt, thông qua tương quan phương tiện, phương pháp kĩ năng; Trong khơng trường hợp, vẽ kĩ thuật chi tiết máy đơn giản, hiểu giải thích có mặt dạng hay dạng khác đường gân, mặt vát, nhờ cân nhắc tính khả thi tính hiệu biện pháp cơng nghệ liên quan Sự đời quy ước thống tiêu chuẩn kĩ thuật, VKT công nghiệp, xuất phát từ yêu cầu hiệu cơng nghệ Tất điều nói lên ý nghĩa phương pháp luận nguyên tắc (b) đây; c) Đảm bảo thống tính tuân thủ ngun tắc (trong quy trình cơng nghệ, với phương tiện phương pháp qui định, ) tính độc lập sáng tạo (trong kĩ thực hiện, ); Trong [7] nhấn mạnh hai nhiệm vụ song song VKT: “rèn luyện tác phong làm việc khoa học, xác, cẩn thận, có ý thức tổ chức kỷ luật, đức tính cần thiết người lao động thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa” “bồi dưỡng phát triển trí tưởng tượng khơng gian tư kĩ thuật” Điều chứng tỏ ý nghĩa phương pháp luận nguyên tắc (a) (c) 2.2.2 Ứng dụng công nghệ mô Hình học họa hình & Vẽ kĩ thuật Ứng dụng hệ thống CAD (như AutoCAD, OrCAD, ) dạy học VKT thiết kế chuyên ngành (Cơ, Điện, ) phổ biến nước Ở giới thiệu ví dụ ứng dụng phần mềm mơ số Hình học tương tác Cabri3D để dạy học tương tác ảo HHHH&VKT chủ đề chưa có tiền lệ Trong [3] chứng tỏ dạy học Cơ học ứng dụng theo tiếp cận cơng nghệ sở lí luận sư phạm tương tác phương pháp dạy học với hiệu cao, qua ví dụ ứng dụng phần mềm Có thể coi Cabri3D phần mềm trò chơi số (digital game) hay trò chơi nghiêm túc (serious game) [8], có giao diện Hình 1, với đồ chơi điểm, đường, mặt, khối, độ đo, phép biến đổi hình học, luật chơi tiên đề định lí hình học Ơclit khơng gian (đã lập trình) 122 Lí luận cơng nghệ mơ dạy học hình học họa hình vẽ kĩ thuật Hình Hình Ví dụ Hình thể phép chiếu, với tâm S, lên mặt phẳng hình chiếu P ′ , đường conic mặt phẳng P , xác định điểm A, B, C, D, E Trò chơi tương tác thể qua việc tùy biến vị trí tâm chiếu S, vị trí tương đối hai mặt phẳng P P ′ , vị trí điểm A, , E, để biến đổi dạng conic, độ dài, góc, tỉ số đơn, tỉ số kép, qua nêu bật tính chất điển hình phép chiếu định lí Desargues Ví dụ Hình đồ thức (trong phép chiếu song song theo phương trục tọa độ không vng góc) khối lăng trụ Trị chơi tương tác thể qua việc tùy biến kích thước vị trí khối lăng trụ (bằng điểm tương tác A, G, K, J, H) góc trục tọa độ, hệ tọa độ vng góc trường hợp đặc biệt, qua người học tự rút kết luận thích hợp 123 Nguyễn Xuân Lạc, Trần Kim Tuyền Kết luận Những khái niệm mơ hình, mơ lí thuyết mơ hình hóa đây, nội dung hệ thống tri thức nhận dạng, xây dựng ứng dụng mô lĩnh vực khoa học, cơng nghệ, gọi Lí luận mơ Gắn liền với Lí luận mơ Cơng nghệ mô với nội hàm hệ thống phương tiện, phương pháp kĩ mô phỏng, phát triển ngày mạnh mẽ sâu rộng, nghiên cứu thực nghiệm dạy học Lí luận công nghệ mô tảng Phương pháp luận khoa học cơng nghệ nói chung Phương pháp luận Hình học họa hình Vẽ kĩ thuật nói riêng Ứng dụng cơng nghệ mơ dạy học tương tác ảo Hình học họa hình & Vẽ kĩ thuật trường dạy nghề trung cấp, cao đẳng, trường cao đẳng đại học khả thi hiệu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Xuân Lạc, 2000-2013 Bài giảng Phương pháp luận nghiên cứu khoa học công nghệ (cho học viên cao học nghiên cứu sinh) Đại học Bác khoa Hà Nội [2] Nguyễn Thị Hương Giang, 2013 Mô thao tác thực hành sử dụng trắc nghiệm đồ họa CourseLab Tạp chí Thiết bị giáo dục, số 99 [3] Nguyễn Xn Lạc, Tăng Văn Hồn, 2013 Tiếp cận cơng nghệ dạy học Cơ học ứng dụng Kỉ yếu Hội nghị tồn quốc Giảng dạy mơn Cơ học Đại học Sư phạm Kĩ thuật TP HCM [4] Nguyễn Xuân Lạc, Đỗ Như Lân, 1993 Một vài đóng góp cho giáo trình Cơ học ứng dụng cho sinh viên ngành khơng khí Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ [5] Nguyễn Xuân Lạc, Đỗ Như Lân, 1999 Cơ học ứng dụng Nxb Giáo dục, Hà Nội [7] Trần Hữu Quế (chủ biên), 2004 Vẽ kĩ thuật Nxb Đại học Sư phạm, Hà Nội [8] Nicola Whitton, 2010 Learning with Digital Games Routledge, NY ABSTRACT Simulation theory and technology in the teaching of descriptive geometry and engineering drawing In this paper, the authors present ideas on (i) Basic concepts related to Simulation Theory and Technology (STT); (ii) The role of STT in Science and Technology Methodology in general, and in the Methodology of Descriptive Geometry and Engineering Drawing (DG&ED) in particular By DG&ED is meant the subject of Engineering Drawing which is studied by students who are already proficient in Descriptive Geometry; (iii) The application of STT in virtual interactive teaching of DG&ED at vocational technical schools, vocational colleges, colleges and universities 124 ... học Lí luận cơng nghệ mô tảng Phương pháp luận khoa học cơng nghệ nói chung Phương pháp luận Hình học họa hình Vẽ kĩ thuật nói riêng Ứng dụng công nghệ mô dạy học tương tác ảo Hình học họa hình. .. đo, phép biến đổi hình học, luật chơi tiên đề định lí hình học Ơclit khơng gian (đã lập trình) 122 Lí luận cơng nghệ mơ dạy học hình học họa hình vẽ kĩ thuật Hình Hình Ví dụ Hình thể phép chiếu,.. .Lí luận cơng nghệ mơ dạy học hình học họa hình vẽ kĩ thuật Ở nhiều trường đại học, trường đại học sư phạm, phương pháp luận môn khoa học truyền thống, xây dựng đề