Ứng dụng mô hình 3D trong hỗ trợ giảng dạy môn “kiến trúc máy tính” tại trường Đại học An Giang

Bài viết trình bày việc thể hiện đối tượng bằng hình ảnh ba chiều (3D) thì đối tượng sẽ được quan sát ở mọi góc cạnh, cảm nhận hình ảnh trực quan sinh động, do đó SV dễ dàng hiểu được nguyên lí hoạt động của hệ thống máy tính, dẫn đến hiệu quả tiếp thu bài học tốt hơn. Chính vì vậy, việc xây dựng mô hình 3D của các đối tượng trong môn học Kiến trúc máy tính sẽ góp phần mang lại hiệu quả trong cách giảng dạy môn học này. Mời các bạn cùng tham khảo!

VJE Tạp chí Giáo dục, Số 495 (Kì - 2/2021), tr 20-24 ISSN: 2354-0753 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH 3D TRONG HỖ TRỢ GIẢNG DẠY MƠN “KIẾN TRÚC MÁY TÍNH” TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG Nguyễn Văn Đông Article History Received: 07/01/2021 Accepted: 21/01/2021 Published: 05/02/2021 Keywords Dimensions, Model, Computer Architecture, Information Technology Trường Đại học An Giang - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Email: nvdong@agu.edu.vn ABSTRACT 3D models are widely used in many areas of life In education, this model is used to create objects represented in three-dimensional space Therefore, building 3D models to support the teaching of disciplines in general and information technology in particular will bring practical results This article will introduce the application of 3D models in creating three-dimensional models of microprocessor circuits to support the teaching of Computer Architecture of Information Technology Mở đầu Mơ hình 3D (3 Dimensions) có vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực sống, đặc biệt ứng dụng giáo dục để tạo cách tiếp cận nhằm mô đối tượng môn học, giúp nâng cao chất lượng giảng dạy Do đó, xây dựng mơ hình 3D để hỗ trợ việc giảng dạy ngành nói chung chun ngành Cơng nghệ thơng tin nói riêng mang lại hiệu thiết thực Hiện nay, việc giảng dạy mơn học Kiến trúc máy tính theo phương pháp truyền thống chủ yếu biên soạn nội dung dựa PowerPoint Cách thức giảng dạy có hạn chế như: việc mơ phận hệ thống máy tính hình ảnh hai chiều (2D) khơng thể nhiều góc cạnh đối tượng, thiếu tính trực quan, chưa diễn đạt tốt cách thức hoạt động hệ thống máy tính nên khả tiếp thu nắm bắt kiến thức sinh viên (SV) gặp phần khó khăn Với việc thể đối tượng hình ảnh ba chiều (3D) đối tượng quan sát góc cạnh, cảm nhận hình ảnh trực quan sinh động, SV dễ dàng hiểu ngun lí hoạt động hệ thống máy tính, dẫn đến hiệu tiếp thu học tốt Chính vậy, việc xây dựng mơ hình 3D đối tượng mơn học Kiến trúc máy tính góp phần mang lại hiệu cách giảng dạy môn học Kết nghiên cứu 2.1 Khái quát mô hình 3D 2.1.1 Khái niệm mơ hình 3D Trong lĩnh vực đồ họa, mơ hình 3D thể hình ảnh ba chiều đối tượng (Hansen, 2018), người thiết kế dùng phần mềm đồ họa để thao tác tạo điểm không gian ảo Tập hợp điểm kết hợp với cạnh nối điểm với tạo nên bề mặt đối tượng Mơ hình 3D đối tượng tạo tự động thơng qua thuật toán thao tác người thiết kế 3D sử dụng phần mềm đồ họa Ngày nay, mơ hình 3D sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Trong Y học, mơ hình 3D dùng để mô phận bên thể người; hóa học mơ cấu trúc hóa học nguyên tử; với lĩnh vực điện ảnh dùng để xây dựng bối cảnh nhân vật chuyển động mô theo giới thực; lĩnh vực kiến trúc dùng thiết kế mơ hình tịa nhà cách trực quan cơng nghiệp tạo mẫu thiết kế sản phẩm 2.1.2 Phân loại Dựa vào mục đích sử dụng (Devon, 2019), phân chia mơ hình 3D thành loại sau: - Mơ hình khung: bao gồm đường thẳng cung kết nối với tạo thành khung đối tượng, tất bề mặt đối tượng nhìn thấy cách suốt - Mơ hình bề mặt: bao gồm đường thẳng cung kết nối với bề mặt có lớp màu tạo cho đối tượng nhìn cách chân thực khơng có vết nứt hay lỗ bề mặt Mơ hình sử dụng rộng rãi điện ảnh, trò chơi giáo dục - Mơ hình đặc: bao gồm bề mặt tồn thể tích bên nên tập hợp nhiều điểm so hai mơ hình nhìn trung thực Mơ hình dùng để tạo nguyên mẫu ứng dụng rộng rãi thiết kế cơng nghiệp Tuy nhiên, xây dựng mơ hình phức tạp khó khăn so với hai mơ hình 20 VJE Tạp chí Giáo dục, Số 495 (Kì - 2/2021), tr 20-24 ISSN: 2354-0753 Trong báo này, chúng tơi dùng mơ hình bề mặt để tạo nhìn trực quan thiết kế đối tượng môn học Kiến trúc máy tính a) Mơ hình khung b) Mơ hình bề mặt Hình Ba loại mơ hình 3D c) Mơ hình đặc 2.1.3 Biểu diễn mơ hình 3D Có phương pháp để biểu diễn mơ hình 3D (Sudarshan, 2019): - Phương pháp đa giác: mơ hình tạo từ tập hợp đường thẳng nối điểm (được gọi đỉnh) không gian ba chiều Ngày này, hầu hết mơ hình 3D xây dựng theo phương pháp linh hoạt biểu diễn máy tính dễ dàng, nhanh chóng Tuy nhiên, sử dụng đa giác dạng phẳng, nên để biểu diễn bề mặt cong cần sử dụng nhiều bề mặt phẳng ghép lại để mô xấp xỉ bề mặt cong - Phương pháp đường cong: mơ hình xây dựng dựa đường cong, bề mặt đối tượng tạo nên đường cong Các đường cong bị tác động tập điểm có trọng số Trọng số điểm lớn đường cong gần điểm ngược lại - Phương pháp điêu khắc: phương pháp tương đối trở nên phổ biến năm gần Có ba loại chính: loại thứ thay thế, loại sử dụng rộng rãi nhất, dùng cho mơ hình đặc Vị trí đỉnh thay vị trí thơng qua đồ hình ảnh lưu vị trí điều chỉnh Loại thứ hai thể tích, dựa khối thể tích điểm, tương tự loại thay thực thao tác làm biến đổi vùng bề mặt đối tượng mà vùng khơng có đủ số đa giác đa giác khơng bị kéo căng Loại thứ ba tập đỉnh động, loại phân chia bề mặt thành tam giác để trì độ mịn bề mặt 2.1.4 Quy trình xây dựng mơ hình 3D Để xây dựng mơ hình 3D đối tượng, trước tiên người thiết kế hình như: khối lập phương, khối cầu đơn giản mặt phẳng Bắt đầu từ hình với công cụ phần mềm bước tạo nên phận thành phần đối tượng cách tạo đường thẳng, đa giác ghép nối lại với tạo nên bề mặt đối tượng Tại vị trí cong hay khớp nối bổ sung thêm đa giác để tạo nên mịn màng vị trí Trong phần mềm thiết kế mơ hình 3D thơng thường có cơng cụ chia nhỏ bề mặt Cơng cụ chia bề mặt đối tượng chọn thành nhiều đa giác nhỏ bên trong, nhằm tạo cho đối tượng mịn màng Ngồi ra, cơng cụ quan trọng khác cơng cụ phản chiếu đối xứng Với đối tượng có tính chất đối xứng xe hơi, người, nhân vật hoạt hình, cơng cụ tỏ hiệu việc xây dựng mơ hình 3D - người thiết kế cần xây dựng nửa bên đối tượng, phần mềm tự động tạo dựng phân nửa lại để tạo thành đối tượng hồn chỉnh Cơng cụ giúp cho q trình xây dựng mơ hình 3D đối tượng nhanh chóng, tiết kiệm thời gian Để tạo cho đối tượng nhìn trực quan sinh động, bước cuối q trình xây dựng mơ hình tạo màu bề mặt đối tượng Có thể dùng màu cho đối tượng vùng khác bề mặt đối tượng có nhiều màu khác tùy thuộc vào loại đối tượng mà xây dựng Ngoài ra, mẫu thiết kế sẵn áp dụng vào bề mặt đối tượng tạo nên đa dạng, phong phú q trình thiết kế mơ hình Khi mơ hình xây dựng hồn chỉnh, xuất mơ hình thành tập tin ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực trình bày phần 2.2 Xây dựng mơ hình 3D hỗ trợ giảng dạy mơn Kiến trúc máy tính 2.2.1 Ưu điểm mơ hình 3D Mơ hình 3D cung cấp cho SV hình ảnh cụ thể đối tượng học tập theo kiểu trải nghiệm gián tiếp thông qua máy tính Từ trải nghiệm này, SV dễ dàng đạt tư kiến thức cần thiết để đạt mục tiêu mơn học Với mơ hình 3D, giảng viên tổ chức giảng dạy theo hình thức hấp dẫn, làm cho hoạt động học tập trở nên tích cực Ví dụ: giảng viên xây dựng mơ hình 3D ngun lí hoạt động lệnh xử lí, 21 VJE Tạp chí Giáo dục, Số 495 (Kì - 2/2021), tr 20-24 ISSN: 2354-0753 hướng dẫn cho SV quan sát ngun lí hoạt động mơ hình sau SV tự trình bày lại ngun lí hoạt động tập lệnh Ứng dụng mơ hình 3D mơ hoạt động mạch điện tử cách “như thật” giúp SV nhanh chóng nắm vững kiến thức, nâng cao hiệu giảng dạy Đây phương pháp mang lại hiệu cho người học Phương pháp giảng dạy sử dụng kết hợp mơ hình 3D thay đổi phương pháp giảng dạy truyền thống, chuyển từ việc giảng viên truyền thụ kiến thức cho SV sang giảng viên hướng dẫn cho SV tìm kiếm tri thức, khám phá khoa học 2.2.2 Mục tiêu đạt sử dụng mơ hình 3D - Về kiến thức: Ứng dụng mơ hình 3D giúp SV tiếp thu kiến thức cách sâu sắc, tạo hút cho SV, kích thích học tập, từ lĩnh hội kiến thức cách dễ dàng; phát huy tư sáng tạo cho SV thông qua khả mô tả, quan sát đối tượng thể hình ảnh 3D máy tính, từ tạo điều kiện để phát triển khả phân tích, so sánh tổng hợp - Về kĩ thực hành: Giảng viên giới thiệu vài mơ hình 3D sau sử dụng mơ hình với mục đích sư phạm phương tiện nhận thức giúp SV hiểu rõ nguyên lí hoạt động dạng lệnh xử lí Nhiệm vụ giảng viên phải biến đổi mơ hình hoạt động cho dễ hiểu hơn, sinh động hơn, nhằm giúp cho SV tìm mối liên hệ, chế hoạt động hệ thống Bằng khả mơ hình ảnh động, học trở nên hấp dẫn hơn, làm sống lại trình suy nghĩ hành động SV Giảng viên hướng dẫn trực tiếp xây dựng vài mơ hình 3D mẫu máy tính để SV theo dõi, qua yêu cầu SV xây dựng mơ hình 3D tương tự, tạo cho SV phát huy tính độc lập sáng tạo học tập nghiên cứu 2.2.3 Xây dựng mơ hình 3D hỗ trợ giảng dạy mơn Kiến trúc máy tính Hiện có nhiều phần mềm chun dụng để tạo mơ hình 3D như: 3DS Max, Maya, Blender, , Blender chọn để tạo mơ hình 3D phần mềm mã nguồn mở có đầy đủ tính Trong báo này, chúng tơi xây dựng số mơ hình 3D hệ thống mạch vi xử lí mơn học Kiến trúc máy tính để phục vụ việc giảng dạy nhằm đạt hiệu tốt Quy trình xây dựng mơ hình sau: tạo khối lập phương cho đối tượng ghi lệnh (PC - Program Counter), nhớ lệnh (Instruction Memory), tập ghi (Registers) Các đối tượng lại cộng (Add), số học - luận lí (ALU), điều khiển tín hiệu (ALU Control) điều phối dùng mặt phẳng kết hợp với công cụ phần mềm để thao tác tạo hình dạng 3D đối tượng Cuối cùng, thành phần kết nối với đoạn thẳng Cụ thể, chúng tơi xây dựng mơ hình sau: xây dựng mơ hình 3D thể ngun lí hoạt động định dạng lệnh số học - luận lí, lệnh nhớ lệnh so sánh - Mơ hình 3D lệnh số học - luận lí: mơ hình 3D thể hình Trong mơ hình có thành phần sau: + Thanh ghi PC (Program Counter): ghi chứa địa lệnh hành thực thi + Bộ nhớ lệnh (Instruction Memory): nhớ chứa toàn mã lệnh chương trình, dựa vào địa lệnh chứa ghi PC, mã lệnh 32 bit đọc từ nhớ + Tập ghi (Registers): ghi xử lí dùng để đọc ghi + Bộ số học - luận lí (ALU): đơn vị xử lí quan trọng xử lí, phép tốn số học luận lí thực Trong số học - luận lí có hai cổng vào độ dài 32 bit, cổng có độ dài 32 bit Hình Mơ hình 3D lệnh số học - luận lí 22 VJE Tạp chí Giáo dục, Số 495 (Kì - 2/2021), tr 20-24 ISSN: 2354-0753 Cụ thể nguyên lí hoạt động lệnh số học - luận lí thể thơng qua lệnh ADD $t1, $t2, $t3 sau: ghi PC chứa địa lệnh này, dựa vào địa hệ thống đọc lệnh từ nhớ lệnh (Instruction Memory) Lệnh có độ dài 32 bit phân tích thành trường: từ bit 21 đến 25 xác định ghi nguồn thứ nhất, từ bit 16 đến 20 xác định ghi nguồn thứ hai Hai ghi đọc để đưa vào số học luận lí Bộ số học - luận lí thực phép toán tương ứng dựa vào bit từ đến Sau đó, kết ghi trở lại vào ghi đích xác định từ bit 11 đến 15 - Mơ hình 3D lệnh nhớ: Mơ hình 3D thể hình Xét lệnh điển hình, thí dụ: lệnh lw $t1, offset($t2) Nguyên lí hoạt động dạng lệnh sau: lệnh đọc từ nhớ lệnh dựa vào địa nằm ghi PC, lệnh có độ dài 32 bit phân tích thành thành phần: từ bit 21 đến 25 dùng để xác định ghi nguồn ($t2), ghi đọc để đưa vào cổng số học - luận lí (ALU), giá trị độ dời (offset) 16 bit mở rộng dấu thành số 32 bit để đưa vào cổng thứ hai số học - luận lí Bộ số học - luận lí thực phép toán cộng, liệu đọc từ nhớ liệu (Data Memory) dựa vào địa xác định từ kết phép cộng số học - luận lí Sau liệu ghi trở lại vào ghi xác định từ bit 16 đến 20 Hình Mơ hình 3D lệnh nhớ - Mơ hình 3D lệnh so sánh: Mơ hình thể hình Trong mơ hình khơng đọc khơng ghi vào nhớ liệu Kết cổng số học - luận lí khơng sử dụng mà sử dụng tín hiệu bit Zero để xác định có thực nhảy đến nhãn hay khơng Hình Mơ hình 3D lệnh so sánh Ngun lí hoạt động lệnh so sánh thể thông qua lệnh beq $t1, $t2, label lệnh hoạt động sau: lệnh đọc từ nhớ lệnh dựa vào địa nằm ghi PC, lệnh phân tách sau: từ bit 21 đến 25 dùng xác định ghi nguồn thứ $t1, từ bit 16 đến 20 xác định ghi nguồn thứ hai $t2 địa nhãn cần nhảy đến Nội dung hai ghi nguồn đọc đưa vào hai cổng vào số học - luận lí, hai ghi so sánh có hay không cách thực phép trừ số học - luận lí Kết so sánh xác định tín hiệu Zero đơn vị xử lí Nếu tín hiệu có giá trị lệnh nhảy thực hiện, tức độ dời 16 bit (từ bit đến 15) mở rộng dấu thành số 32 bit dịch sang trái bit (tương ứng nhân với 4) cộng với (PC + 4) để thực nhảy đến địa đích Ngược lại, giá trị lệnh nhảy không xảy ra, tức lệnh thực (PC + 4) 23 VJE Tạp chí Giáo dục, Số 495 (Kì - 2/2021), tr 20-24 ISSN: 2354-0753 Kết luận Với việc áp dụng mơ hình 3D, chúng tơi xây dựng nhiều mơ hình mơ mạch vi xử lí ba loại lệnh, thể sinh động trực quan nguyên lí hoạt động số loại lệnh xử lí mơn học Kiến trúc máy tính Đây cách tiếp cận hỗ trợ việc giảng dạy môn học tốt Hơn nữa, mô đối tượng mơ hình 3D giúp SV dễ dàng tiếp thu nội dung môn học cách hiệu Dựa mơ hình giảng viên cung cấp, SV xây dựng thêm số mơ hình 3D cho tập lệnh kĩ thuật ống dẫn, phần nâng cao mơn học Kiến trúc máy tính Ngồi ra, mơ hình cịn mở rộng áp dụng cho số môn học khác như: Lắp ráp cài đặt máy tính, Nguyên lí hệ điều hành Tài liệu tham khảo Dahlan Abdul Ghani, Muhammad Naim Bin Supian, Luqman Zulhilmi Bin Abdul ‘Alim (2019) The Research of 3D Modeling between Visual & Creativity International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, 8, 180-186 Devon Scott Leslie (2019) 3D Modeling: An Overview of History & Industry Applications (avaible at: https://www.cadcrowd.com/blog/3d-modeling-overview-history-industry-applications) Đỗ Năng Tồn, Nguyễn Văn Hn (2010) Một thuật tốn rút gọn bề mặt biểu diễn mơ hình 3D Tạp chí Khoa học Công nghệ, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, tập 48, số 2, tr 123-133 Đỗ Thành Long, Trần Thái Bình, Trần Đình Trung (2016) Nghiên cứu cơng nghệ 3D xây dựng mơ hình ngập webGIS khu vực Tp Hồ Chí Minh Tạp chí Phát triển khoa học cơng nghệ, Viện Địa lí Tài nguyên TP Hồ Chí Minh, số 18, tr 82-87 Hansen Stevenn (2018) 3D modeling education and our future Available at: https://hackernoon.com/3d-modelingeducation-and-our-future-77f6931b5098 Lihong Qiao, Jin Zhang (2010) Some Key Issues in Three Dimensional Digital Process Planning and Their Research Aerospace Manufacturing Technology, 29-32 Mã Văn Thu, Đỗ Năng Toàn, Lê Sơn Thái, Đỗ Hồng Quân (2017) Một kĩ thuật tối ưu hóa mơ hình 3D thực ảo Hội thảo Fair 10 Đà Nẵng Nguyễn Lê Tấn Đạt (2014) Ứng dụng GIS Google Sketchup xây dựng mô hình 3D Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Nơng lâm TP Hồ Chí Minh Phạm Thế Long (2004) Nghiên cứu thuật tốn xây dựng cơng cụ phần mềm mơ hình hố 3D địa hình nhúng mơi trường CAD/GIS mô thông dụng Đề tài nhiên cứu khoa học cấp Nhà nước, mã số KC01.15 Vũ Đức Thái, Mã Văn Thu, Lê Sơn Thái, Đỗ Thị Chi (2018) Kĩ thuật LOD tự động áp dụng tối ưu hóa mơ hình 3D trưng bày bảo tàng ảo Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Thái Nguyên, số 189, tr 9-14 24 ... cận hỗ trợ việc giảng dạy môn học tốt Hơn nữa, mô đối tượng mô hình 3D giúp SV dễ dàng tiếp thu nội dung môn học cách hiệu Dựa mơ hình giảng viên cung cấp, SV xây dựng thêm số mơ hình 3D cho... dựng mơ hình 3D hỗ trợ giảng dạy mơn Kiến trúc máy tính 2.2.1 Ưu điểm mơ hình 3D Mơ hình 3D cung cấp cho SV hình ảnh cụ thể đối tượng học tập theo kiểu trải nghiệm gián tiếp thơng qua máy tính... hình 3D tương tự, tạo cho SV phát huy tính độc lập sáng tạo học tập nghiên cứu 2.2.3 Xây dựng mơ hình 3D hỗ trợ giảng dạy mơn Kiến trúc máy tính Hiện có nhiều phần mềm chun dụng để tạo mơ hình 3D