10. Cấu trúc luận văn
1.3. Vai trị, ý nghĩa của cơng nghệ thơng tin trong dạy học
1.3.1. Dạy và học theo quan điểm công nghệ thông tin
Theo quan điểm thông tin, học là một q trình thu nhận thơng tin có định hướng, có sự tái tạo và phát triển thơng tin; dạy là phát thông tin và giữ người học thực hiện q trình trên một cách có hiệu quả [16].
Trong quan niệm CNTT, đổi mới PPDH, người ta tìm những “phương pháp làm tăng giá trị lượng tin, trao đổi thông tin nhanh hơn, nhiều hơn và hiệu quả hơn”.
a. Nhờ có sự phát triển của khoa học kỹ thuật, quá trình dạy học đã sử dụng PTDH sau đây:
- Phim chiếu để giảng bài với đèn chiếu Overhead
- Phần mềm hỗ trợ bài giảng, minh họa trên lớp với LCD – Project - Phần mềm dạy học giúp học sinh học trên lớp và ở nhà.
- Công nghệ kiểm tra, đánh giá bằng thực nghiệm trên máy tính.
- Sử dụng mạng Internet, thiết bị đa phương tiện (multimedia), networking để dạy học.
b. Dạy học với phương tiện hiện đại trên sẽ có các ưu thế sau:
- GV chuẩn bị bài dạy một lần thì có thể sử dụng được nhiều lần.
- Các phần mềm dạy học có thể thực hiện các thí nghiệm ảo, sẽ thay thế GV giảng dạy thực hành, tăng tính năng động cho người học, giúp HS học theo khả năng.
- Các phương tiện hiện đại sẽ tạo ra khả năng để GV trình bày bài giảng của mình sinh động hơn, dễ dàng cập nhật và thích nghi với sự thay đổi nhanh chóng của khoa học hiện đại.
- Các phương tiện sẽ hỗ trợ, chuẩn hóa các bài giảng mẫu, đặc biệt đối với các phần khó giảng, những khái niệm phức tạp.
- HS khơng bị thụ động, có nhiều thời gian nghe giảng để đào sâu suy nghĩ….và điều quan trọng hơn là nhiều học sinh được dự và nghe giảng bài của nhiều GV giỏi.
Sử dụng phần mềm dạy học làm phương tiện dạy hỗ trợ dạy học một cách hợp lý sẽ cho hiệu quả cao, bởi lẽ khi sử dụng phần mềm dạy học bài giảng sẽ sinh động hơn, sự tương tác hai chiều đuợc thiết lập, HS được giải phóng khỏi những cơng việc thủ công vụn vặt, tốn thời gian, dễ nhầm lẫn, nên có điều kiện đi sâu vào bản chất bài học.
Sử dụng CNTT để dạy học, PPDH cũng thay đổi, GV là người hướng dẫn HS học tập chứ khơng đơn thuần chỉ là người rót thơng tin vào đầu HS. GV cũng phải học tập thường xuyên để nâng cao trình độ về CNTT, sử dụng có hiệu quả CNTT trong học tập. HS có thể lấy thơng tin từ nhiều nguồn phong phú khác nhau. Lúc này HS phải biết đánh giá và lựa chọn thơng tin, khơng cịn chỉ đơn thuần nhận thơng tin một cách thụ động vì nguồn thơng tin vơ cùng phong phú.
1.3.2. Công nghệ thơng tin với vai trị phương tiện, thiết bị dạy học
- Sử dụng CNTT như công cụ dạy học cần được đặt trong toàn bộ hệ thống các phương pháp dạy học nhằm phát huy sức mạnh tổng hợp của cả hệ thống đó.
- Mỗi PPDH đều có những chỗ mạnh, chỗ yếu, ta cần phải phát huy những chỗ mạnh, hạn chế những chỗ yếu của mỗi phương pháp.
- Phát huy vai trò của người thầy trong quá trình sử dụng CNTT như phương tiện dạy học, thiết bị dạy học ta vẫn cần tìm cách phát huy tác dụng của GV nhưng theo những hướng khơng hồn tồn giống nhau như trong dạy học thơng thường. Giáo viên cần lập kế hoạch cho những hoạt động của mình trước, trong và sau khi học sinh học tập trên máy vi tính.
- Sử dụng CNTT như phương tiện dạy học, thiết bị dạy học, không phải chỉ nhằm thí điểm dạy học với CNTT mà cịn góp phần dạy học về CNTT. Hiệu quả của việc sử dụng máy vi tính ngay trong q trình dạy học có tác dụng gây động cơ học tập những nội dung tin học. Vả lại chính những nội dung của tin học và cơng cụ của tin học cũng là một trong những nội dung tin học cần truyền thụ. Để phát huy tác dụng tích cực của việc sử dụng CNTT và việc sử dụng tin học ở những lúc thích hợp (khơng nhất thiết là ngay khi dạy học trên máy). GV có thể bình luận về hiệu quả của máy vi tính, về vai trị của con người thể hiện trong việc lập trình.
1.4. Giới thiệu phần mềm tốn học Matlab
1.4.1. Q trình hình thành và phát triển của Matlab
Malab, nguyên sơ được viết bởi ngơn ngữ Fortran, cho đến 1980 nó vẫn chỉ là một bộ phận được dùng nội bộ của Đại học Stanford. Năm 1983, Jack Little, một người đã học ở MIT và Stanford, đã viết lại MATLAB bằng ngơn ngữ C và nó được xây dựng thêm các thư viện phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống hộp công cụ (tool box), mô phỏng... Jack xây dựng MATLAB trở thành mơ hình ngơn ngữ lập trình trên cơ sở ma trận, Steve Bangert là người đã viết trình thơng dịch cho MATLAB. Cơng việc này kéo dài gần 1½ năm. Sau này, Jack Little kết hợp với Moler và Steve Bangert quyết định đưa MATLAB thành dự án thương mại - công ty The MathWorks ra đời thời gian này - năm 1984.
Như vậy, Matlab là sản phẩm của công ty phần mền Mỹ MathWorks, có thể chạy được dưới nhiều hệ điều hành, trên nhiều loại máy tính, từ các máy vi tính đến các siêu máy tính. Đây là phần mềm để giải các bài toán khoa học, kỹ thuật, kinh tế và tài chính trên máy tính một cách dễ dàng và tiện lợi. MatLab là phần mền thương mại lớn, nó đã được sử dụng rộng rãi tại nhiều trường đại học, viện nghiên cứu trong nước và trên thế giới. Tên MatLab bắt nguồn từ chữ matrix laboratory, hết sức tiện lợi khi cần tính tốn và xử lý trên các đối tượng có cấu trúc ma trận, là một ngơn ngữ bậc cao, có số lượng các hàm trong và ngoài rất lớn cho phép viết chương trình rất ngắn, dễ lập trình
1.4.2. Matlab là ngơn ngữ lập trình
Matlab là phần mềm cho phép ta viết các chương trình phức tạp bằng cách nhanh nhất. Mỗi lệnh của nó được coi như một chương trình con
Ví dụ: Tìm nghiệm xn của phương trình sin(x)/(x^2+1)+0.1*x-0.53=0 với 0<= xn < 10 Giải:
sin(x)/(x^2+1)+0.1*x-0.53=0 xn : 0<= xn < 10
1.4.3. Các đặc điểm chính của ngơn ngữ lập trình Matlab
Là ngơn ngữ lập trình, Matlab có các đặc điểm chính sau:
- Dễ xử lý các cấu trúc ma trận thực và phức, các xâu ký tự.
- Có thể xử lý các biểu thức tốn và dễ dàng kết hợp với các tính tốn số. - Khả năng đồ hoạ mạnh và dễ dàng kết hợp với các tính tốn số.
- Số lượng các hàm rất lớn,chúng ln hồn thiện, bổ sung và phát triển. - Cho phép ghép nối với các hàm viết bằng ngôn ngữ C và Fortran. - Có thể dịch để chạy độc lập ngồi mơi trường MatLab.
- Dễ phát triển các ứng dụng trên các lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng. So sánh MatLab với các ngôn ngữ lâp trinh khác: do dễ lập trình và chương trình ngắn nên hiệu suất lập trình cao hơn hẳn so với khi viết chương trình bằng Basic, Pascal, Fortran, C. Nó có thể làm việc được ở cả 2 chế độ:
- Chế độ đối thoại: cho các bài tốn có cấu trúc ngắn, đơn giản và chỉ chạy một lần. - Chế độ lập trình: cho các bài tốn có cấu trúc lớn, phức tạp.
1.4.4. Các lệnh trong Matlab
Để khởi động: ta kích chuột trái vào biểu tượng MatLab.
Môi trường MatLab gồm có các phần chính:
-Khơng gian làm việc( work space ) để lưu trữ các biến trong q trình tính tốn.
-1 cửa sổ lệnh(command window) để nhập lệnh và hiển thị kết quả dạng số, xâu ký tự và biểu thức.
-Nhiều cửa sổ đồ hoạ( Figure ) để hiển thị các kết quả dạng đồ thị, hình ảnh. -1 cửa sổ soạn thảo ( Editor )để soạn thảo chương trình.
-Một số cửa sổ phụ khác. -Các thư viện hàm ngoài
Để nhận sự trợ giúp của MatLab hãy:
- kích chuột trái vào biểu tượng help của MatLab hoặc - gõ help+<từ cần trợ giúp>
Để đóng MatLab: kích chuột trái vào [x] ở cửa sổ lệnh MatLab
Làm việc ở chế độ hội thoại:
Trong chế độ hội thoại MatLab cho phép ta nhập trực tiếp các lệnh từ bàn phím và nhận kết quả xử lý các lệnh này. Mỗi lần MatLab chỉ xử lý từng dòng lệnh nhập một .
Tại dấu mời >> của MatLab trong cửa sổ lệnh ta nhập dòng lệnh cần xử lý , rồi bấm Enter để thực hiện dòng lệnh này.
Trên một dịng lệnh có thể nhập nhiều lệnh, các lệnh cách nhau bởi dấu phẩy < , > hoặc dấu chấm phẩy < ; > .
Với một lệnh dài hoặc dịng lệnh dài, để thơng báo cho MatLab biết dòng hiện thời còn tiếp tục xuống dòng dưới, ta dùng 3 dấu chấm liền nhau < … > , bấm Enter để xuống dòng, rồi lại gõ tiếp
Khi gặp lệnh thực hiện được :
- nếu kết quả có dạng số, dạng ký tự hoặc biểu thức tốn và sau lệnh này khơng có dấu chấm phẩy < ; > ,thì MatLab sẽ đưa kết quả ra ở cửa sổ lệnh.
- Cịn nếu kết quả là hình ảnh, nó sẽ được đưa kết quả ra cửa sổ đồ hoạ.
Khi gặp lệnh không thực hiện được: MatLab sẽ thông báo lỗi ở cửa sổ lệnh và dừng lại ở lệnh này.
Chế độ hội thoại chỉ nên sử dụng khi giải các bài toán nhỏ ,có cấu trúc đơn giản, chỉ sử dụng 1 lần.
Các lệnh cơ bản trong Matlab
Lệnh Clear: Xóa tất cả các biến trong bộ nhớ Matlab Lệnh clc: Lệnh xóa cửa sổ lệnh (command window) Lệnh pause: Chờ sự đáp ứng từ phía người dùng Lệnh =: lệnh gán
Lệnh %: câu lệnh sau dấu này được xem là dịng chú thích Lệnh input: lệnh lấy vào một giá trị.
Ví dụ: x = input(„Nhap gia tri cho x:‟);
Lệnh help: lệnh yêu cầu sự giúp đở từ Matlab Lệnh Save: Lưu biến vào bộ nhớ
Ví dụ: Save test A B C (lưu các biến A, B, C vào file test)
Ví dụ: Load test Lệnh Rẻ nhánh: cú pháp như sau Lệnh If: IF expression statements ELSEIF expression statements ELSE statements END Lệnh Switch: SWITCH switch_expr CASE case_expr, statement,..., statement
CASE {case_expr1, case_expr2, case_expr3,...} statement,..., statement ... OTHERWISE, statement,..., statement END Lệnh lặp: cú pháp như sau: Lệnh For:
FOR variable = expr, statement,..., statement END
Lệnh While:
WHILE expression statements
END
Lệnh Break: Thốt đột ngột khỏi vịng lặp WHILE hay FOR.
Lệnh Continue: Bỏ qua các lệnh hiện tại, tiếp tục thực hiện vòng lặp ở lần lặp
tiếp theo.
Lệnh Return: lệnh trả về Lệnh clf: xóa hình hiện tại
Lệnh plot(signal): vẽ dạng sóng tín hiệu signal
Lệnh stairs(signal): vẽ tín hiệu signal theo dạng cầu thang. Lệnh stem(signal): vẽ chuỗi dữ liệu rời rạc
Lệnh bar(signal): vẽ dữ liệu theo dạng cột
Lệnh mesh(A): hiển thị đồ họa dạng 3D các giá trị ma trận
1.4.5. Đồ hoạ trong Matlab
1.4.5.1. Ðiểm và đường
Hàm Plot - Vẽ các điểm và đường trong mặt phẳng (2D)
Phần lớn các câu lệnh để vẽ đồ thị trong mặt phẳng đều là lệnh plot. Lệnh plot vẽ đồ thị của một mảng dữ liệu trong một hệ trục thích hợp và nối các điểm bằng đường thẳng.
Ví dụ:
>>x=linspace(0,2*pi,30); >> y=sin(x);
>> plot(x,y)
Lệnh plot mở ra cửa sổ đồ họa gọi là cửa sổ figure:
Trong cửa sổ này nó sẽ tạo ra độ chia phù hợp với dữ liệu, vẽ đồ thị qua các điểm, và đồ thị được tạo thành bởi việc nối các điểm này bằng đường nét liền. Có thể vẽ nhiều hơn một đồ thị trên cùng một hình vẽ bằng cách đưa thêm vào plot một cặp đối số, plot tự động vẽ đồ thị thứ hai bằng màu khác trên màn hình. Nhiều đường cong có thể cùng vẽ một lúc nếu như cung cấp đủ cặp đối số cho lệnh plot.
1.4.5.2. Kiểu đường, đánh dấu và màu sắc
MATLAB mặc định đường vẽ là đường liền, không đánh dấu, màu xanh da trời. Ta có thể thay đổi kiểu đường vẽ và đánh dấu lên đồ thị bằng cách đưa vào một đối số thứ ba. Các đối số tùy chọn này là một xâu kí tự, có thể chứa một hoặc nhiều hơn theo bảng dưới đây. Nếu một màu, dấu và kiểu đường tất cả đều chứa trong một xâu, thì kiểu màu chung cho cả dấu và kiểu nét vẽ. Ðể khai báo màu khác cho dấu, ta phải vẽ cùng một dữ liệu với các kiểu khai báo chuỗi khác nhau.
Ví dụ:>>plot(x,y,'m*',x,y,'b--')
Ðộ rộng của đường vẽ (lines) được xác định kèm với mô tả Linewidth trong lệnh plot. Ðộ rộng đường vẽ được mặc định là 0.5 point ≈ 1/72 inch.
Chiều cao của dấu (marker) được xác định kèm với mô tả Markersize trong lệnh plot. Chiều cao của dấu được mặc định là 6 point.
>>plot(x,y,'p-','linewidth',4,'markersize',6)
1.4.5.3. Ðồ thị lưới, hộp chứa trục, nhãn và lời chú giải
Lệnh grid on sẽ thêm đường lưới vào đồ thị hiện tại. Lệnh grid off xóa bỏ các nét này.
Ta có thể đưa tên trục x, y và tên của đồ thị vào hình vẽ nhờ các lệnh xlabel và
ylabel. Lệnh title sẽ thêm vào đồ thị tiêu đề ở đỉnh.
Dòng ghi chú được đưa vào đồ thị nhờ hàm legend. Trong legend thì màu và
kiểu của mỗi loại đường phù hợp với các đường đó trên đồ thị.
Ví dụ(Xem phụ lục)
1.4.5.4 .Thao tác với đồ thị
Ta có thể thêm nét vẽ vào đồ thị đã có sẵn bằng cách dùng lệnh hold. Khi dùng lệnh hold on, MATLAB không bỏ đi hệ trục đã tồn tại trong khi lệnh plot mới đang
được thực hiện, thay vào đó, nó thêm đường cong mới vào hệ trục hiện tại. Tuy nhiên, nếu dữ liệu khơng phù hợp hệ trục tọa độ cũ, thì trục được chia lại.
Dùng lệnh hold off sẽ bỏ đi cửa sổ figure hiện tại và thay vào bằng một đồ thị mới.
Lệnh hold khơng có đối số sẽ bật tắt chức năng của chế độ thiết lập hold trước đó.
Ví dụ:
>> x=linspace(0,2*pi,30); >> y=sin(x);
>> z=cos(x); >>plot(x,y) >> plot(x,y)
Bây giờ giữ nguyên đồ thị và thêm vào đường cos:
>> hold on >> plot(x,z,'m')
Mặt khác, một cửa sổ figure có thể chứa nhiều hơn một hệ trục. Lệnh subplot(m,n,p)
chia cửa sổ hiện tại thành một ma trận m x n khoảng để vẽ đồ thị, và chọn p là cửa sổ hoạt động. Các đồ thị thành phần được đánh số từ trái qua phải, từ trên xuống dưới, sau đó đến hàng thứ hai…
Ví dụ:
>> plot(x,y) >> subplot(2,2,2) >> plot(y,x) >> subplot(2,2,3) >> plot(x,z) >> subplot(2,2,4) >> plot(z,x)
1.4.5.5. Hàm plot3 - Vẽ điểm và đường trong không gian
Hàm plot3 cho phép vẽ các điểm và đường trong khơng gian. Ngồi việc có thêm trục z, cách sử dụng hàm này giống như cách sử dụng hàm plot.
1.4.5.6. Các hàm vẽ loglog, semilogx và semilogy vẽ các đường trong mặt phẳng
loglog: tương tự như plot nhưng thang chia là logarithm cho cả hai trục.
semilogx: tương tự như plot nhưng thang chia của trục x là logarithm còn thang
chia trục y là tuyến tính.
semilogy: tương tự như plot nhưng thang chia của trục y là logarithm còn thang
chia của trục x là tuyến tính.
Ví dụ: (Xem phụ lục)
1.4.5.7. Ðồ thị bánh (pie) và đồ thị cột (bar)
Ðồ thị bánh
Ðể vẽ đồ thị bánh trong mặt phẳng ta dùng hàm pie, cịn muốn vẽ trong khơng gian, ta dùng hàm pie3. Về mặt cú pháp hai hàm pie và pie3 giống nhau. Cú pháp có dạng: pie(V)
Trong đó V là vectơ chứa các phần tử được thể hiện trên đồ thị bánh. Nếu tổng các phần tử trong vectơ nhỏ hơn hoặc bằng 1 thì đồ thị bánh sẽ thể hiện các phần tử như là thành phần phần trăm. Nếu tổng các phần tử lớn hơn 1, thì mỗi phần tử được chia cho tổng đó để xác định phần chia trên đồ thị bánh ứng với mỗi phần tử.
Thứ tự phân chia trên đồ thị bánh theo đúng thứ tự phần tử mô tả trong vectơ. Ðường chia đầu tiên là đường nối tâm và điểm cao nhất trên đường tròn, các đường kế tiếp