Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đa phương tiện

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đa phương tiện

DAI HOC QUOC GIA HA NOI VIEN CONG NGHE THONG TIN

BAO CAO TONG KET KHOA HOC VA KY THUAT DE TAI

NGHIEN CUU PHAT TRIEN UNG DUNG

CONG NGHE DA PHUONG TIEN

Thời gian thực hiện: 10/2002 đến 04/2005

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TSKH Nguyễn Cát Hồ

Hà Nội 04 - 2005 Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện

Đề tài cấp Nhà nước mã số KC- 01 -14

6352

20/4 [wor

ĐẠI HỌC QUOC GIA HA NOI

VIEN CONG NGHE THONG TIN

BAO CAO TONG KET KHOA HOC VA KY THUAT DE TAI

NGHIEN CUU PHAT TRIEN UNG DUNG

CONG NGHE DA PHUONG TIEN

Thời gian thực hiện: 10/2002 đến 04/2005

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TSKH Nguyễn Cát Hồ

Hà Nội 04 - 2005 Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện

Đề tài cấp Nhà nước mã số KC- 01 -14

Danh sách những người thực biện chính

8 | GV Lê Thị Minh Hà Trường THPT Lê Quý Đôn

9Í Th§ Nguyễn Thu Anh

14 | Cn Phan Hữu Tai

15 | KS NGuyén Văn Nam

16 | PGS TSKH Phan S¥ An’ Đại học Y khoa Hà nội

17 |PGS TS Phạm Văn Hiển | Viện Da liễu TW

18 | Ths Hoàng Anh Tuấn Học viện quân y

19 | Ths Luong Xuan Cuong Học viện Kĩ thuật quân sự

Trường Trường Đại hoc khoa học tự nhiên,

21 | Ths Dương Anh Tuấn

x : Đại học Quốc gia Hà nội

22 |PGS.TS Đỗ Trung Tuân

23 | TS Quách Tuấn Ngọc Trung tâm Công nghệ thông tin, Bộ Giáo dục

và đào tạo

24 |KS Nguyễn Duy Thái Bộ Giáo dục và đào tạo

25 | KS Dinh Thi Huyén Trang | Trường Đại học công nghệ, Đại học Quốc

gia Hà nội

26 | NSUT Nguyễn Hà Bắc Hãng phim Giải phóng

27 | KS Vũ Thị Như Trang Ngân hàng Ngoại thương

28 | Ths Lâm Quang Tùng Cục chuyên gia, Bộ Giáo dục và Đào tạo

29 | Trần Việt Cường

wn Khoa Toán Cơ Tin học, trường Trường Đại

30 | KS Nguyễn Minh Nguyệt

TT | Tên tổ chức Địa chỉ Hoạt động/đóng góp cho để tài

Đại học Quốc the DB Xuân thiết bị; qui trình xây dựng sản

gia Hà nội uỷ, HN: phẩm đa phương tiện _

ĐT: 7680417 - Tham gia tích hợp hệ thông tài Fax: 7680503 nguyên xây dựng các hệ hồ trợ dạy

học

MC liên kết Ta yên Chi Chịu trách nhiệm phối hợp chuyên

giữa ĐT: 7715529 môn trong thực hiện đề tài

TTKHTN&CN Tích hợp hệ thống và tài nguyên và xây

QG va TCty dựng chương trình máy tính giúp xây

chuyên môn cho các hệ hỗ trợ giáo dục

truyền thông cộng đông trong nội dung giáo dục trung học

Đình, Hà nội Nghiên cứu phân tích xây dựng nội dung

chuyên môn cho các hệ hỗ trợ giáo dục

truyền thông y tế cộng đồng

Tham gia tổ chức thử nghiệm, đánh giá

mon 7

2 Nội dung chính của báo cáo -c ch go 8

2.1 Téng quan tinh hinh nghién cứu trong và ngoài nước 8

2.2 Nhitng néi dung df thurc Wi@r ccc essesssscssesscsseecsecsnesenccssesstessssssseeeseeess 11

2.2.1 Nghiên cứu ứng dụng CN ĐPT trong lĩnh vực y tế : 11

2.2.1.1 Nghiên cứu thực tiễn nhu cầu ứng đụng CN ĐPT trong y tế

và xây dựng một số giải pháp 2.-cecesse 12

2.2.1.2 Nghiên cứu xây dựng hệ phần mềm ứng dụng CSDL đa

phương tiện hình ảnh bệnh học hỗ trợ công tác đào tạo, huấn luyện

và hệ phần mềm hỗ trợ xây dựng và quản lý giáo án, bài giảng của giáo viên trÊn mạng teens tecssecsnseccoversaessnecsusssnnecensccssesnssnessraeesee 16 2.2.1.3 Nghiên cứu xây dựng các CSDL đa phương tiện hình ảnh

bệnh học, tốn thương và triệu chứng bệnh và một số công cụ và hệ phần mềm hỗ trợ chân đoán và điều trị -222-.-c2sse 17

2.2.1.4 Nghiên cứu phát triển sản phẩm phần cứng và sản phẩm nội dung phục vụ y tế cộng đồng 22.2222tccerrrrrreerre 20 2.2.2 Nghiên cứu xây dựng các thí nghiệm ảo cho các môn học Lý, Hóa, Sinh lớp 9 phổ thông trung học -+ 2222 EtiEtirrrrrrirriee 25

2.2.2.1 Nhu cầu thực tiễn và nhiệm vụ nghiên cứu 25

2.2.2.2 Các nội dung công việc nghiên cứu chính 27

2.2.3 Nghiên cứu và ứng dụng đa phương tiện nhằm nâng cao văn hoá

truyền thống Việt nam

2.2.3.1 Thu thập và nghiên cứu tư liệu

2.2.3.2 Xây dựng trang tin về văn hóa

2.2.3.3 Quy trình xử lí đữ liệu 22ccvetrcerrrrerrrrrreree 44 2.2.3.4 Nghiên cứu tổng kết, xây dựng tài liệu đào tạo, huấn luyện 44

2.2.3.5 Báo cáo khoa học ác HH HH HH HH HH re rêt 44 2.2.4 Công tác phục vụ cho đào tạo huấn luyện re 44

2.2.4.1 Xây dựng các giáo trình giảng dạy icceree 44

2.2.4.2 Kết quả đào tạo 2c eererrree 44

2.2.4.3 Các báo cáo khoa học tại các hội nghị 44

3 Tài liệu tham khảo 22 2221212121171.1111 01110101 211.11.1 -c.cee 52

4 Đề cương và Hợp đồng đã được phê duyệt .22221.2222Eerrrrrrrre 59 ly 38 .,HBpBHHHH ÔỎ 94

6 Tự đánh giá về tình hình thực hiện để tài và những đóng góp mới của đề tài

an 8 ààp RăHặH 98

7 Danh sách tác giá của đề tài KH&CN cấp nhà nước 0 ceccreee 113

1 Lời mở đầu

Công nghệ đa phương tiện (multimedia) là một bộ phận của CNTT được

phát triển để xứ lý, lưu trữ, thao tác và tìm kiếm các dữ liệu đa phương tiện

(text, đồ họa và đặc biệt là ảnh, video, ), những dạng dữ liệu mà con người

có khả năng đặc biệt kỳ diệu trong xử ly, phân tích và nhận biết nhưng khả năng

của KHCN trong việc bắt chước khả năng này của con người vẫn còn rất nhỏ

bé Tuy nhiên, hiện nay CNTT và TT đã có những khả năng to lớn cho phép nghiên cứu phát triển các ứng dụng công nghệ đa phương tiện, (CN ĐPT) Với kha nang quan trị các dữ liệu ảnh của CN ĐPT, chúng ta hoàn toàn hy vọng vào khả năng nghiên cứu triển khai các ứng dụng hỗ trợ trí tuệ của con người ngày càng hiệu quả và sâu sắc hơn

Việc nghiên cứu phát triển ứng đụng CN ĐPT trên thế giới đã và dang phát

triển mạnh mẽ Người ta có thể thấy các ứng dụng CN ĐPT trong các lĩnh vực

hệ thống thông tin, CSDL, trong công nhiệp, tự động hoá, trong lĩnh vực truyền tin Ở trong nước, mặc đù mới bắt đầu nhưng cũng nhiều cơ quan khoa học, doanh nghiệp quan tâm nghiên cứu ứng dụng CN ĐPT ở mức độ sâu sắc khác

nhau như để tạo ra sản phẩm mới như tự điển, đĩa CD-ROM phục vụ học tập,

phan mềm mô phỏng (thực tại ảo), v.v

Đề tài KC01-14 được giao nhiệm vụ nghiên cứu ứng dụng CN ĐPT vào một

số lĩnh vực có nhu cầu sử dụng thông tin hình ảnh lớn và có vai trò quan trọng

trong hỗ trợ các hoạt động có tính trí tuệ Đề tài có tính định hướng ứng dụng cao, phù hợp với một trong các yêu cầu bức thiết là tính ứng dụng thực tiễn đối

với các sản phẩm nghiên cứu KHCN Trong giai đoạn đầu hiện nay của nước ta, nhiệm vụ của Đề tài được đề ra là nghiên cứu ứng dụng CN ĐPT vào một số lĩnh vực quan trọng có nhu cầu bức thiết trong sử dụng thông tin hình ảnh của nhành y tế, giáo đục và văn hoá

Trong lĩng vực y tế, Đề tài đã lựa chọn các bệnh đa liễu, lĩnh vực mà hình

ảnh các dấu hiệu của bệnh là thiết yếu trong đào tạo huấn luyện và trong phác

đồ khám chữa bệnh Trong đào tạo và trong quá trình khám chữa bệnh, các bác

sĩ thường sử dụng các tài liệu hình ảnh các triệu chứng điển hình của các bệnh

với các phương pháp tìm kiếm thủ công Viện Da liễu cũng có các tư liệu ảnh

7

trên CD-ROM có được qua hợp tác, trao đổi quốc tế Một nhu cầu tự nhiên là ứng dụng CSDL đa phương tiện để phục vụ đào tạo, huấn luyện và tự động hoá

khâu tìm kiếm thông tin ảnh triệu chứng và điều trị và qua đó làm phong phú kho tư liệu ảnh lấy từ thực tiễn điều trị tại nước ta và tạo ra khả năng đổi mới

quy trình khảm chữa bệnh đa liễu

Trong lĩnh vực giáo dục, có thể triển khai nghiên cứu ứng dụng CN ĐPT trong hỗ trợ dạy học theo các buổi học trên lớp Tuy nhiên khi đó khối lượng

sản phẩm khi triển khai đại trà lớn, khó khả thi Đề tài lựa chọn việc xây dựng

các thí nghiệm áo làm cơ sở cho phòng thí nghiệm ảo trên mạng của trường phổ thông trung học Cách tiếp cận này cho phép, khi triển khai diện rộng, chỉ tập

trung vào các nội dung tiết học cần nhiều hình ảnh minh hoạ, quan sát

Trong lĩnh vực văn hoá, Đề tài lựa chọn nội dung bảo tồn và quảng bá văn hoá truyền thống như gốm sứ cổ truyền, hội hoạ, tranh đân gian, phục vụ cho nghiên cứu văn hoá và du lịch

Với nhiệm vụ nghiên cứu như vậy, việc thực hiện đề tài đòi hỏi sự kết hợp

giữa các ngành khoa học và sự tham gia của các tập thể khoa học có những

chuyên ngành khoa học rất xa nhau

Sau 2 năm rưỡi tổ chức nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả nhất định và một số sản phâm có tiềm năng đưa vào ứng dụng sớm

Tập thể khao học của Đề tài bày tỏ sự cám ơn về sự hỗ trợ, giúp đỡ và tạo

điều kiện của Bộ KH&CN và Ban Chủ nhiệm Chương trình KC.01

2 Nội dung chính của báo cáo

2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Việc nghiên cứu phát triển ứng dụng CN ĐPT trên thế giới đã và đang phát

triển mạnh mẽ Người ta có thể thấy các ứng dụng CN ĐPT trong các lĩnh vực

hệ thống thông tin, CSDL, trong công nghiệp, tự động hoá, trong lĩnh vực

truyền tin Đầu thế kỷ 21, một trong những định hướng nghiên cứu mũi nhọn là nghiên cứu tạo ra các sản phẩm liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến ứng dụng của CN ĐPT Dưới đây là thông tin dự báo một số dạng sản phẩm

khoa học và công nghệ sẽ ra đời trong thế kỹ 21 Sự thành công của các dạng

8

sản phẩm này phụ thuộc rất nhiều vào thành tựu của céng nghé multimedia hoặc

vào sự hỗ trợ mạnh mé cho cong nghé multimedia Qua du bao này! có thể hình

dung những vấn đề mà công nghệ multimedia phải tiếp cận và giải quyết

1 | Các trung tâm giải trí sử dụng tại nhà có kết hợp truyền hình tương | 2006

tác, điện thoại và máy tính được thương mại hoá rộng rãi

2 | Nhận biết giác quan bằng máy tính Các đặc tính về nhận biết giọng | 2007 nói, chữ viết và nhận biết quang học cho phép các máy tính thông

thường tương tác với con người một cách bình thường

3| Tự chăm sóc sức khoẻ nhờ máy tính điện tử Các hệ thông thông tin | 2007

máy tính được sử dụng rộng rãi trong y tế, bao gồm: chan đoán, kê

đơn bào chế được phẩm, giám sát các điêu kiện y tế và v v

4 | Các siêu máy tinh sử dụng phương pháp xử lý song song theo loạt lớn | 2008

giao dịch có hiệu quả

8 | Hoc bang máy Các chương trình máy tính cho phép học theo phương | 2012

pháp trắc nghiệm-sửa lỗi trở thành phỏ biến

9 | Chê tạo cơ khí được tích hợp với máy tính (Computer Intergrated | 2012

Manifacturing - CIM) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

10 | Máy tính quang tử được thương mại hoá 2014

11 | Người máy tỉnh vi có giác quan cảm nhận, đưa ra được mục tiêu, có | 2016 khả năng học tập và tư duy, có khả năng di động tới mọi nơi v v sẽ

trở thành phố biến

12 | Các hệ thông giao thông vận tải thông minh được sử dụng phổ biến 2016

13 | Các chip sinh học bảo quản đữ liệu ở cấp phân tử được thương mại | 2017 hoá rộng rãi

14 | Các hệ thông xa lộ cao tốc được tự động hoá điêu hành việc đi lại, | 2018 kiểm soat tốc độ, tự động dừng xe và xử phạt vi phạm v v

15 | Tự động hoá canh tác nông nghiệp, công nghệ người máy được đưa | 2020

vào nông nghiệp

16 | Xây dựng một trạm Mặt trăng có người thường trực 2028

17 | Tiếp xúc với các nên van minh khác trong Vũ trụ 2049

! Tư liệu được trích dự báo của tạp chí Technological Forecasting Social Change

9

Trong lĩnh vực giáo dục, ở các nước phát triển và một số nước trong khu vực

trong thập ký này đang quan tâm phát triên và ứng dụng mạnh mẽ công nghệ thông tin trong đào tạo, đặc biệt phát triển là đào tạo điện tử E-learning Trén

mang thông tin toàn cầu có rất nhiều Web site đào tạo điện tử Các hệ thống đào

tạo điện tử thành công đều khai thác sử dụng công nghệ đa phương tiện một

cách higu qua Di ligu multimedia đặc biệt là dữ liệu giàu video và video có

tương tác có ưu điểm lớn là giàu nội dung thông tin bằng hình ảnh trực quan, dễ

hiểu, đễ nhớ Các bài học điện tử thường có kèm video minh họa được chuyển

phat qua mạng, được ghi lại đưới dạng đĩa CD e-book rất nhiều

Chúng ta cũng đã biết đến các phần mềm thực tại ảo để huấn luyện lái máy

bay, sử dụng thiết bị đặc chúng v,v

Ở trong nước, mặc dù sự quan tâm đến việc nghiên cứu ứng dụng CN ĐPT

cũng mới bắt đầu chưa lâu, nhưng cũng nhiều cơ quan khoa học, doanh nghiệp quan tâm nghiên cứu ứng dụng CN ĐPT ở mức độ sâu sắc khác nhau như để tạo

ra sản phẩm mới như từ điển, đĩa CD-ROM phục vụ học tập, phần mềm mô phóng (thực tại ảo), v Cũng có nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ multimedia trong giáo dục thuộc các lĩnh vực như:

e_ Hệ thống giáo dục từ xa (distance learning),

©_ Hỗ trợ đào tao bang may tinh - CBT (Computer based training)

¢ Héthéng mé phong thuc tại ảo,

e_ Hệ thống các thí nghiệm ảo

Ở Việt nam đã có một số hệ thống đào tạo điện tử nhưng còn rất nhỏ bé,

chưa thu hút được nhiều người học Dữ liệu đa phương tiện trong các tài liệu

giảng dạy ở các hệ thống này chưa nhiều

Trên thị trường đã có một số đĩa CD các e-course Nhiều sản phẩm trong

số này có đữ liệu video, nhưng chủ yếu là các đoạn video minh hoa, ghi lai qua

trình thực hành thí nghiệm hoặc các hoạt hình minh họa Không có hoặc có rất Ít khả năng tương tác Hầu như chưa có sản phẩm nào xứng đáng được gọi là thí nghiệm ảo theo nghĩa giáo viên và học sinh thực sự có thé “lam thi nghiệm” như trước một bàn thí nghiệm Các đối tượng trong hình cho phép người sử dụng

10

trực tiếp điều khiển Giáo viên có thể sử dụng chuột để chọn lay cac dung cu thi nghiệm trên giá, thực hiện thao tác từng bước theo kịch bản đề ra, nhịp độ có

thể nhanh hay chậm tuỳ ý, có thể làm lại thao tác

2.2 Những nội dung đã thực hiện

2.2.1 Nghiên cứu ứng dụng CN ĐPT trong lĩnh vực y tễ :

Trước hết chúng tôi đề cập đến một nhiệm vụ quan trọng của CN DPT Noi

cho cùng, những bài toán CNTT đều quan tâm đến việc lưu trữ và xử lý số liệu

Tuy nhiên, khi giải quyết các bài toán cụ thể người ta chỉ xuất phát từ góc độ

riêng Thí dụ, khi xây dựng một hệ điều hành, điều chủ yếu được quan tâm là

làm sao cùng một lúc có thể xử lý nhiều nguồn số liệu khác nhau (multitask),

trong đó việc ưu tiên được chú trọng hơn cả (interupt procedure) Khi xây dựng các chương trình quản lý mạng, người ta quan tâm sao cho việc liên kết thông

tin (data link) được thực hiện tốt nhất v.v Một cơ sở dữ liệu thông thường (thí dụ cơ sở dữ liệu quản lý bệnh nhân ở bệnh viện, chương trình quản lý vật tư

kỹ thuật của một nhà máy) chủ yếu quan tâm đến việc sắp xếp và tìm kiếm các

số liệu đưới dạng ký hiệu và con số Trong khi đó, hồ sơ của một bệnh nhân có

thể gồm các phim X-quang, các bán ghi điện tâm đồ, điện não đồ Cán bộ kỹ thuật của nhà máy không chỉ cần biết tên của một chỉ tiết dùng để sửa chữa

máy, họ còn cần biết hình đạng của chỉ tiết đó, thậm chí các hình vẽ kèm theo hướng dẫn cách tháo lắp v v Như vậy, để đáp ứng nhu cầu ngày càng phát triển của việc lưu trữ và xử lý thông tin, cần phải có một một hệ thống quản lý

số liệu (HTQLSL) với các khả năng tổng hợp sau đây:

HTQLSL phải có khả năng truy nhập như nhau vào các cơ sở dữ liệu khác nhau với các dạng thức khác nhau (different data format) Các cơ sở dữ liệu

nguyên thuỷ này có thé có kích thước lớn khác nhau, được lưu trữ dưới các lược

đỗ (schemes) rất khác nhau

HTQLSL phải có khả năng truy nhập vào các môi trường đữ liệu khác nhau, liên kết các dữ liệu có dạng thức khác nhau theo những đời hỏi khắt khe về không gian và thời gian

11

HTQLSL phải có khá năng phục hồi các đối tượng từ các thiết bị lưu trữ cục

bộ (local storage device) một cách liên tục và đồng bộ Nghĩa là, HTQLSL phải đọc được và khôi phục được một đối tượng mà thông tin về nó được ghi trên

nhiều phương tiện (media) khác nhau (thí dụ vừa ghi trên CD vừa ghi trên HD) HTQLSL phải có khả năng thực hiện các kiểu truy nhập dữ liệu khác nhau

được trình bày, diễn ta bằng các cấu trúc toán học khác nhau, biến đổi một cấu

trúc này sang một cấu trúc khác sao cho phủ hợp với các ứng dụng khác nhau

HTQLSL phải có khả năng đáp ứng đòi hỏi về chất lượng khác nhau của

việc diễn tả kết quả (result presentation) Nói cách khác, HTQLSL phải có khả

năng lược bớt số liệu khi không cần chất lượng cao và bổ sung thêm số liệu khi

chất lượng thông tin đòi hỏi cao hơn những gì thực có trên cơ sở dữ liệu

Đề tài nghiên cứu ứng dụng CN ĐPT trong lĩnh vực y tế tập trung nghiên

cứu vận dụng một số khả năng trên vào việc giải quyết một số bài toán trong lĩnh vực các bệnh da liễu và y phóng xạ Những nội dung đã thực hiện bao gồm:

2.2.1.1 Nghiên cứu thực tiễn nhu cầu ứng dụng CN ĐPT trong y tế và xây

dựng một số giải pháp

Các đối tượng CSDL cần quản lý trong lĩnh vực y tế rất phức tạp Một số đặc

trưng chính nổi lên là :

+ Tính không thuần nhất của các đối tượng quán lý: Có thể phân hoạch thành nhiều lớp đối tượng theo bệnh, thể bệnh và các lớp đối tượng rất khác biệt, làm cho cấu trúc đữ liệu mô tả rất phức tạp Sự khác biệt thể hiện từ bệnh này sang bệnh khác, từ thể bệnh này sang thê bệnh khác với các đặc điểm tổn thương và

các triệu chứng rất khác nhau và đo đó tập các thuộc tính mô tả rất khác nhau + Nhìn chung giá trị của nhiều thuộc tính thường sử dụng ngôn ngữ để mô tả như mầu sắc, mức độ tổn thương, kích cơ vùng tồn thương, Như vậy sự

hiện diện của thông tin ngô ngữ, thông tin mờ, không chắc chắn, không chính

xác là hiển nhiên và do đó cần có giải pháp xử lý và thao tác trên các loại dữ liệu này

Những đặc điểm này làm cho bài toán trở nên phức tạp và là một sự khác biệt so với các bài toán xây đựng CSDL thường thấy khác Về phương pháp

12

luận nghiên cứu tiếp cận giải quyết bài toán này trong lý thuyết cũng như trong

thực tiễn ở nước ta chưa giải quyết, ngoại trừ một số nghiên cứu lý thuyết về

thông tin mờ trong một số đề tài nghiên cứu cơ bản hay trong một số luận án

Để thực hiện nội dung với các đặc trưng như vậy, Đề tài đã thực hiện một số

công việc nghiên cứu sau :

1) Nghiên cứu phân tích thiết kế giải pháp hệ thống cho việc xây dựng

CSDL đa phương tiện dựa trên cơ sở nghiên cứu quy trình khám chữa bệnh da

liễu và và các bệnh dựa trên việc chân đoán bằng kỹ thuật y học hạt nhân

+ Đã xác định quy trình khám chữa bệnh và những khâu công việc trong quy

trình cần hỗ trợ hình ảnh tốn thương và triệu chứng của bệnh; Nhu cầu và vai

trò thiết yêu của hình ảnh trong đào tạo huấn luyện

+ Xác định các yếu tố đặc tả ảnh và bệnh học, các tốn thương và các triệu

chứng, các tính chất thông qua các giá trị thuộc tính; Xác định vai trò của các

yếu tố ngôn ngữ trong mô tả

+ Xây dựng mô hình hệ thống lấy dựa trên thành phần chính là CSDL đa

phương tiện ; Phân tích và xây đựng mô hình CSDL hướng đối tượng — quan hệ 2) Nghiên cứu xây dựng giải pháp chuẩn hoá đữ liệu ngôn ngữ và xây dựng

mô hình cấu trúc dữ liệu

+ Xác định những giá trị ngôn ngữ đối với từng thuộc tính ngôn ngữ và phân loại các thuộc tính có thể biểu thị ngữ nghĩa tương đối bằng quan hệ mờ và các thuộc tính được biểu thị ngữ nghĩa tương đối bằng hàm ngữ nghĩa định lượng

của đại số gia tử

+ Phân tích cấu trúc đữ liệu mô tả bệnh học và các dấu hiệu, triệu chứng

bệnh; Xây dựng cấu trúc siêu đữ liệu dạng cây thông tin làm cơ sở tạo cấu trúc

dữ liệu cho CSDL đa phương tiện Cấu trúc siêu đữ liệu này cho phép tạo công

cụ thống nhất trong mô tả dữ liệu và tạo khả năng mềm dẻo trong việc thích

nghỉ với tính phức tạp của đữ liệu các bệnh da liễu Cấu trúc và công cụ này cho

phép thích nghi để mô tá dữ liệu các bệnh bắt kỳ

13

3) Nghiên cứu xây dựng giải pháp biểu diễn ngữ nghĩa dữ liệu ngôn ngữ và phương pháp tìm kiếm thông tin ngôn ngữ

+ Đối với các dữ liệu kinh điển, việc tổ chức dữ liệu và tổ chức tìm kiếm

thông tin chỉ mang tính giải pháp và thủ thuật Đối với thông tin ngôn ngữ với

ngữ nghĩa mờ, không chắc chắn, việc biểu diễn ngữ nghĩa sao cho người sử dụng có thể tìm kiếm và khai thác những dữ liệu mà chính họ đưa vào CSDL

lưu trữ là một vấn đề phức tạp Trong biểu diễn đối tượng, những thuộc có thể

nhận tính ngôn ngữ gọi là thuộc tính ngôn ngữ Đối với những thuộc tính này,

tuỳ theo tính chất miễn giá trị thuộc tính, ngữ nghĩa tương đối (ngữ nghĩa đủ để

đối sánh đữ liệu) được biểu thị qua quan hệ tương tự mờ hay biểu thị qua cấu

trúc đại số gia tử với hàm định lượng ngữ nghĩa Trong tổ chức siêu đữ liệu của

hệ thống sẽ bảo đảm đầy đủ các thông tỉn này

+ Phương pháp tổ chức tìm kiếm thông tin ngôn ngữ : Đối với thông tin mờ,

không chắc chắn như thông tin ngôn ngữ, cùng một chuyên gia mô tả cùng một

tính chất ở các thời điểm khác nhau hay hai chuyên gia mô tả cùng một tính chất

cũng không nhất thiết giống nhau, nghĩa là chỉ « tương tự » nhau Vì vậy, việc

tổ chức tìm kiếm thông tin ngôn ngỡ, mờ phải dựa trên các giải thuật tìm kiếm

theo các tiêu chuẩn đánh giá xấp xi dé bảo đảm tìm được những thông tin mong

muốn

Tiêu chuẩn xắp xỉ dựa trên :

- Dữ liệu ngôn ngữ của một thuộc tính được đánh giá theo tiêu chí độ tương

tự được biểu thị qua quan hệ mờ tương tự và theo khoảng cách ngữ nghĩa định lượng qua hàm định lượng ngữ nghĩa

- Việc tìm kiếm các câu hỏi trên nhiều thuộc tính : Trước hết phương pháp được đề xuất cần định giá câu hỏi trên từng thuộc tính đề cập sau đó chúng

sẽ được định giá tổng hợp theo một toán tử kết nhập (Aggreegation operator), chắng hạn toán tử trung bình có trọng SỐ

Phương pháp phải đựa trên một số thủ thuật để bảo đảm thời gian và tiết

kiệm bộ nhớ

14

4) Xây dựng mô hình CSDL đa phương tiện

Nhìn chung hiện nay các ứng dụng CSDL hiện đại đều sử dụng mô hình

hướng đối tượng Một thuận lợi của mô hình này là nó có thể cho phép mô phỏng các cấu trúc đữ liệu với những quan hệ phức tạp và, về mặt công nghệ,

do tính hiện đại của phương pháp, người phát triển ứng dụng có thể tận dụng được nhiều công cụ hỗ trợ và các thư viện công cụ phát triển chuẩn Tuy nhiên, các công cụ quản lý CSDL hướng đối tượng lại chưa đủ mạnh như các công cụ quản lý CSDL theo mô hình quan hệ

Đề tài nghiên cứu vận dụng mô hình đối tượng — quan hệ vào việc xây dựng

mô hình CSDL đa phương tiện chân đoán, điều trị trong lĩnh vực y tế Nội dung

thực hiện chính bao gồm :

+ Xây đựng mô hình quan niệm hướng đối tượng — quan hệ Có thể xem mô hình hướng đối tượng phục vụ cho mô tả cấu trúc và các quan hệ giữa các lớp

đối tượng Mô hình quan hệ hướng vào việc cài đặt

+ Xây dựng chiến lược phát triển ứng dụng : Hầu hết các môi trường phát triển ứng dụng dựa trên mô hình hướng đối tượng đều có các cơ chế, chiến lược

để tiếp cận tới các mô hình cơ sở đữ liệu quan hệ Các cơ chế thông đụng nhất

bao gồm các chuẩn ODBC của Microsoft và JDBC cho Java Hiện này các môi trường phát triển hướng đối tượng đều hỗ trợ việc xây dựng và đóng gói các thư viện lớp cho những chuẩn này Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của các thư viện lớp là chúng thường quá phức tạp và cồng kềnh đồng thời việc truy cập tới dữ liệu cũng rất thủ công

+ Để tận dụng những đặc điểm mạnh của mỗi mô hình dữ liệu, cần giải quyết bài toán thao tác trên các dữ liệu trong mối quan hệ tương tác giữa hai mô

hình nêu trên, vì rõ ràng hai mô hình này có mối quan hệ khăng khít trong xây dựng giải pháp và cài đặt Một trong những chiến lược giải quyết là xây dựng chiến lược ánh xạ từ các lớp đối tượng trong mô hình dữ liệu hướng đối trợng

vào các thuộc tính trong các bảng của mô hình quan hệ và xác định ánh xạ các

quan hệ giữa các đối tượng

15

2.2.1.2 Nghiên cứu xây dựng hệ phần mềm ứng dụng CSDL đa phương

tiện hình ảnh bệnh học hỗ trợ công tác đào tạo, huấn luyện và hệ phần mềm hỗ

trợ xây dựng và quản lý giáo án, bài giảng của giáo viên trên mạng

Các chuyên gia y tế Viện Da liễu TW và Viện Y học hạt nhân đã nghiên cứu

chọn lọc và xây dựng kho dữ liệu ảnh bệnh học Hiện nay hệ đang quản lý

khoảng hơn 300 ảnh bệnh phong, các lây truyền qua đường tình dục (STD3)

va hon 200 ảnh các bệnh u, bướu thu nhận qua các ảnh đồng vị phóng xạ

2) Hệ phần mềm hỗ trợ soạn tư liệu bài giảng và quản lý tư liệu bài giảng trên mạng

Hệ được xây dựng với các chức năng chính sau :

+ Xây dựng bài giảng theo định dạng HTML,

+ Tìm kiếm theo phương pháp xấp xỉ đã trình bày và chèn các tài

nguyên ảnh bệnh học vào bài giảng

+ Quản lý các bài giảng

+ Chế độ cho phép giảng bài hoặc tự học

Công nghệ triển khai được lựa chọn là công nghệ Java-JSP-Servlet

Đối với các bệnh da liễu và bệnh chân đoán và điều trị y học hạt nhân, việc sử dụng hình ảnh là thiết yếu Vì vậy trong đào tạo, huấn luyện nhất thiết phải sử

dụng hình ảnh và hình ảnh càng phong phú càng hiệu quả Vì vậy việc xây dựng

một hệ như vậy trên mạng có nhiều ưu điểm :

+ Kho tư liệu hình ảnh phong phú với công cụ hỗ trợ tìm kiếm với thông tin ngôn ngữ ;

16

+ Với việc xây dựng hệ trên mạng, việc khai thác hệ thống, bao gồm cả

kho tư liệu giảng dạy của giảng viên không phụ thuộc không gian và thời gian

Fie dt Wew Favortes Too Help ar

® SOẶN BÀI GIẲNG ¡_ Từ thuở sơ khải, con người đã có các hoạt DANG NHAP HE THONG

® THUTHÁP BÀI GẮNG ị động học và đào tạo Khả năng học hỏi từ cộng | Tranhvien|

+ ¡ đồng và truyền thụ kinh nghiệm sông vá lao động que ¬

Th Kio AL tana | giữa các thế hệ là một trong những phẩm chất #HUUám —_

TÌMKIÉMÄNH MINHHOA Ì whiẻ ä 5

« | khién loài ngưởi khang định được sự hơn hăn Đăng vip

@ DANH SACH BAI GIANG ¡ của mình với các loài động vật khác trên trải đất,

2 HỖ TRỢ NGƯỜI DŨNG ị thể hiện tiềm năng tiền hoá và phát triển không bị

tốn thương và triệu chứng bệnh và một số công cụ và hệ phần mềm hỗ trợ chẩn đoán và điều trị

Cũng như trên, có hai nội dung chính đã thực hiện:

1) CSDL các ảnh bệnh học về các bệnh da liễu và các bệnh u, bướu chân

đoán bằng đồng vị phóng xạ

Khác với nội dung thực hiện trình bày ở Mục 2.2.1.2 với định hướng vào đào tạo, ở đây nội dung mô tả dữ liệu kho đữ liệu hình ảnh bệnh học đã được các

chuyên gia Viện Da liễu TW và Viện Y học hạt nhân nghiên cứu đề xuất và

khuyến cáo tổ chức dữ liệu định hướng phục vụ việc chấn đoán và điều trị Cầu

17

trúc dữ liệu được xây dựng sao cho nó phản ánh được một phần tri thức chuyên

gia trong chân đoán : Tri thức nằm trong cấu trúc cây siêu đữ liệu (metadata) ; Liên kết đến các tiêu chuẩn « vàng »; Liên kết với vùng cơ thể hay có tổn thương của một bệnh nào đó ; Tạo liên kết đến các bệnh cần chẩn đoán phân

biệt ;

Đã nghiên cứu chọn lọc và xây dựng kho dữ liệu ảnh bệnh học được tổ chức

định hướng phục vụ cho việc chấn đoán Hiện nay hệ đang quản lý khoảng hơn

300 ảnh bệnh phong, các lây truyền qua đường tình dục (STDs) và hơn 300 ảnh các bệnh u, bướu thu nhận qua các ảnh đồng vị phóng xạ

2) Hệ phần mềm hỗ trợ chân đoán dựa trên hình ảnh

Cũng như đã trình bày ở trên, các bệnh da liễu nhất tiết phải sử dụng hình

ảnh trong chẩn đoán Vì vậy mục tiêu của hệ thống là cung cấp các hình ảnh tham chiếu hữu ích hỗ trợ trong chẩn đoán với phương pháp truy cập tương tự như cách thức tìm kiếm tư liệu của các bác sĩ

Hệ có những tính năng sử dụng chính sau :

+ Quản lý siêu đữ liệu cây thông tin và khai báo kiểu dữ liệu và ngữ nghĩa

Hệ cho phép tạo cây thông tin theo cầu trúc phân loại dữ liệu về bệnh và các

tổn thương, triệu chứng Những khai báo về loại thuộc tính (thuộc tính rõ, thuộc tính ngôn ngữ) ngữ nghĩa của dữ liệu (quan hệ tương tự mờ hay định lượng gia tử) và tạo quan hệ tương tự hay đặt các thông số ngữ nghĩa

+ Nhập thông tin chân đoán

Với việc tạo cây thông tin phân loại, việc nhập dữ liệu theo kiểu phi cau trac,

tạo khả năng thao tác khá mềm đẻo và thuận tiện

+ Tra cứu, tìm kiếm :

Sự khác biệt giữa hai lĩnh vực khoa học, CNTT và Y tế, rất lớn và vì vậy, trong điều kiện hiện nay, sự xâm nhập của CNTT chủ yếu vào việc tự động hoá sao cho sự thay đổi quy trình tra cứu không nhiều Theo nhu cầu như vậy, tính

năng tra cứu đã được xây dựng bap gồm:

- Tra cứu chẩn đoán theo geography: Nhu cầu thường xuất hiện trong

hoạt động chân đoán là tra cứu tư liệu ảnh bệnh theo tên bệnh mà bác sĩ

dự đoán Vì vậy hệ thống cung cấp khả năng tra cứu theo tên bệnh

18

- Tra cứu chân đoán theo hình vẽ: Một trong những nhu cầu tham chiếu của bác sĩ là tra cứu các bệnh theo các vùng của cơ thể như vùng mắt, vùng miệng, vùng bộ phận sinh dục Hệ cung cấp chức năng này bằng kích chuột khoanh vùng trên hình người toàn thân

- Khối chức năng tra cứu chân đoán theo mô tả các dấu hiệu tổn thương,

các triệu chứng, :

Đây là chức năng thông thường của một hệ tìm kiếm trong CSDL Tuy nhiên, như đã trình bày trên kia, hệ CSDL cho phép quản lý và khai thác dữ liệu ngữ nghĩa ngôn ngữ và do đó hệ phải có chức năng tìm

kiếm xắp xỉ dựa trên phương pháp trình bày ở Mục 2.2.1.1

#2 H thông CSŨI ảnh y tô

Cơ sử dữ jêu tổ trợ chấn đoán Khưbáometsdea Cay thing tin

Hình 3 : Mô tả thông tin chỉ tiết một ca bệnh cụ thể

2.2.1.4 Nghiên cứu phát triển sản phẩm phần cứng và sản phẩm nội dung phục vụ y tế cộng đồng

06 Bệnh thường gặp ở trẻ em, trong đó 03 bệnh viêm phối, tiêu chảy, sốt rét

và suy đình dưỡng là những nguyên nhân gây tử vong cho trên 70% số trường hợp tử vong ở trẻ đưới 5 tuổi, là một trọng tâm của công tác y tế cộng đồng trong các nước đang phát triển và được Tổ chức y tế thế giới (WHO) chú trọng

phát triển các biện pháp hỗ trợ WHO và UNICEF đã phát triển kỹ thuật mới, phác đồ điều trị lồng ghép 6 bệnh nêu trên thay cho từng phác đồ riêng lẻ, phục

vụ cho công tác của các cán bộ y tế cộng đồng Phác đồ này được Bộ Y tế nghiên cứu làm phù hợp với thực tiễn Việt nam và in thành tài liệu phác đề cho cán bộ y tế cộng đồng vào năm 2002 Mặc dù việc ứng dụng phác đồ này đem

lại hiệu quả ở mức độ nào đó, nhưng việc huấn luyện cũng tốn kém và sử dụng

20

iF

l

Hình 3 : Mô tả thông tin chỉ tiắt một ca bệnh cụ thé

2.2.1.4 Nghiên cứu phát triển sản phẩm phần cứng và sản phẩm nội dung

phục vụ y tế cộng đồng

06 Bệnh thường gặp ở trẻ em, trong đó 03 bệnh viêm phổi, tiêu chảy, sốt rét

và suy dinh dưỡng là những nguyên nhân gây tử vong cho trên 70% số trường

hợp tử vong ở trẻ dưới 5 tuổi, là một trọng tâm của công tác y tế cộng đồng, trong các nước đang phát triển và được Tổ chức y tế thế giới (WHO) chú trọng,

phát triển các biện pháp hỗ trợ WHO và UNICEF đã phát triển kỹ thuật mới,

phác đồ điều trị lồng ghép 6 bệnh nêu trên thay cho từng phác đồ riêng lẻ, phục

vụ cho công tác của các cán bộ y tế cộng đồng Phác đồ này được Bộ Y tế

nghiên cứu làm phù hợp với thực tiễn Việt nam và in thành tài

cán bộ y tế cộng đồng vào năm 2002 Mặc dù việc ứng dụng phác đồ này đem

u phác đồ cho

lại hiệu quả ở mức độ nào đó, nhưng việc huấn luyện cũng tốn kém và sử dụng,

20

phác đồ (thực chất là một lưu đồ trên 6 trang giấy với các nút quyết định

Yes/No

Việc nghiên cứu một phần mềm thử nghiệm cài đặt trên máy Palm PC và qua phân tích thống kê việc kiểm nghiệm với gần 100 cán bộ y tế cộng đồng ở một số xã thuộc đồng bằng Bắc bộ chỉ ra rằng hiệu quả trên các chỉ số đánh giá

đều tăng rõ rệt

Tuy nhiên giá của máy Palm PC khá đắt (300-600USD vào năm 2002) Vì

vậy, Đề tài đã thực hiện những van dé sau :

1) Nghiên cứu phát triển một thiết bị tính toán cầm tay cho phép nhúng phần

mềm chân đoán và điều trị theo phác đồ nêu trên

+ Nghiên cứu tìm tòi và phát triển một kiểu thiết bị nhúng cầm tay nhở có

khả năng nâng cấp và cài đặt các phần mềm ứng dụng khác nhau, giá thành hạ

và sử dụng dễ dàng

Đã thiết kế và thử nghiệm trải qua 03 loại mẫu Mẫu đầu với màn LCD đơn

sắc hai mẫu sau mỗi loại có hai phiên bản màn hình tính thể lỏng LCD đơn sắc

và màu Như vậy tất cả là 05 mẫu

Mẫu đầu tiên sử dụng chíp 89C52 Đây là họ vi xử lý, vi điều khiển nổi tiếng

8bit MCSS51 cua Intel, v6i RAM 256 byte, Flash ROM 8 Kbyte trong chfp Chip được thiết kế vào cuối những năm 70 đầu 80 Thiết bị đâu tiên này được thiết kế

với màn hình đơn sắc và phần mềm tối thiểu bao gồm drive cho màn LCD, phím bấm, phần mềm quản lý thiết bị, phần mềm giao tiếp với PC để tải chương trình, phông tiếng Việt và các phần mềm điều khiển khác Đay là phần mềm hệ thống

được viết gọn nhỏ, được cài đặt trong bộ nhớ Flash ROM của chíp vi xử lý /Vi diéu khiển Bộ nhớ ngoài của thiết bị bao gồm 32Kbyte RAM, 32 Kbyte EPROM Thiết bị cho phép phát triển thử nghiệm từng module của ứng dụng Phần mềm trước tiên được viết và chạy thử trên PC sau đó được biên dịch lại cho

mã lệnh MCS51 Mã lệnh này qua cable RS 232 nối giữa PC với thiết bị được tải

vào bộ nhớ RAM và chạy thử Khi phần mềm ứng dụng được kiểm tra cẩn thận

sẽ được nạp vào EPROM qua bộ nạp EPROM chuyên dụng Lúc này thiết bị sẽ

chạy chương trình lưu trong EPROM, bộ nhớ RAM chỉ cần vài Kbyte để lưu trữ

các biến tạm thời trong khi thiết bị hoạt động Thiết bị thế hệ đầu tiên có kích thước lớn gần bằng cuốn sách giáo khoa chạy ác qui 9 vôn

21

Thế hệ thứ hai với kiến trúc tương tự nhưng được thiết kế gọn hơn với màn

LCD đơn sắc và màu nhỏ Kích thước của thế hệ 2 bằng 1/2 của thế hệ 1 Tuy vậy kích thước vẫn rất lớn Ngoài ra màn hình tính thể lỏng và các linh kiện

thuộc loại chuẩn nên năng lượng tiêu thụ lớn Ac qui chỉ chạy được vài giờ là

phải nạp điện Chíp 89C52 chỉ có thể mở rộng tối đa lên 64 Kbyte nhớ Nếu muốn mở rộng hơn bộ nhớ phải dùng kỹ thuật banking

Để có thiết bị nhỏ hơn và tiêu thụ năng lượng thấp hơn một quyết định táo

bạo được đưa ra Đó là ứng dụng công nghệ bề mặt SMT và sử dụng màn LCD

và các chíp năng lượng thấp, tích hợp cao Đây là quyết định thay đổi căn bản vẻ cấu trúc của thiết bị và như thế phải thiết kế lại toàn bộ phần cứng và phần mềm

hệ thống Ngoài ra kéo theo các phần mềm cho phát triển như trình biên dịch,

trình nạp phải thay mới Tuy vậy để có thể đưa sản phẩm ra thị trường với giá

thành khoảng trên đưới 1.000.000 VNĐ cho loại màn hình LCD màu và thấp

hơn cho LCD đơn sắc (trên 1000 sản phẩm) thì buộc lòng phải thay đổi công

nghệ

Chíp sử dụng là loại chíp 8 bit thế hệ mới Atmegal28 với 128Kbyte flash ROM, 4 Kbyte RAM, 4 Kbyte EEPROM bên trong, tiêu thụ năng lượng thấp rất thích hợp cho các thiết bị nhúng cầm tay PDA Ngoài ra chíp còn có các chức năng mở rộng kết nối với các module đo lường khác Chíp được thiết kế vào cuối những năm 90 đầu 2000 Một số nhà sản xuất mobile phone đã chọn chíp này

làm chíp điều khiển cho điện thoại di động

Thiết bị thiết kế sau này có kích thước bằng máy nhấn tin hay điện thoại di

động và đảm bảo cho cài đặt phần mềm chẩn đoán theo phác đồ Để thay đổi

phiên bản phần mềm hoặc năng cấp phần mềm chỉ cần nối cable với PC và download phần mềm vào flash ROM mà không cần thiết bị nạp ROM chuyên

đụng Đây là ưu điểm đặc biệt thuận lợi cho việc năng cấp chương trình và phát triển các ứng dụng mới

Một trong số thiết bị được thêm phần cứng và phần mềm cho theo dõi sóng

điện tim để thử nghiệm khả năng mở rộng

22

Với kiến trúc mở thiết

bị có thể nâng cấp như kết

nối với ¡internet qua

modem, kết nối với máy

in, lắp thêm thẻ nhớ flash ROM ngoài (lên đến

Gbyte) và nâng cấp trở

thành các thiết bị đo lường

khác trong y tế

Do chúng ta mới bắt đầu phát triển các ứng

dụng IT trên các thiết bị nhúng cho nên gặp rất

nhiều khó khăn từ thiếu

kinh nghiệm lẫn thông tin,

thiếu các công cụ lập trình

cho hệ thống nhúng và khả

năng thiết kế tối ưu, tiết

kiệm bộ nhớ, tiết kiệm

theo phác đồ đề đi đến kết luận chẩn đoán và các xử lý điều trị

Đặc trưng của công việc lập trình ở đây là cần tận dụng các kỹ năng cho

phép đạt được các tính năng và các thể hiện mong muốn, tuy đơn giản nhưng trong giới hạn hạn hẹp của thiết bị

2

« Bất kỳ dấu hiệu nguy hiểm toàn

thân nào hoặc

s® Mờỡ giác mạc hoặc

e Vết loét miệng sâu hoặc rộng

Phân loại sởi

2.2.2 Nghiên cứu xây dựng các thí nghiệm ảo cho các môn học Lý, Hóa,

Sinh lớp 9 phổ thông trung học

2.2.2.1 Nhu câu thực tiễn và nhiệm vụ nghiên cứu

Hiện nay nhiều trường phổ thông tình trạng thiếu các phương tiện dạy học

đặc biệt là các phương tiện thực hiện các thí nghiệm trực quan Thực tiễn cho

thấy các thí nghiệm ảo có tính linh hoạt hơn rất nhiều so với các thí nghiệm thật

trên các phương diện: chi phí xây dung, chi phi tiến hành thực hiện các thí nghiệm ảo, tính trực quan, tính an toàn

Tóm lại nhu cầu nghiên cứu xây dựng các thí nghiệm ảo là rất lớn

1) Mục đích nghiên cứu làm phần mềm thí nghiệm ảo

Các tình huỗng cần thiết

Trong giảng dạy ở nhà trường vai trò của các giờ thí nghiệm rất quan trọng Trăm nghe không bằng một thấy, các thí nghiệm cung cấp hình ảnh trực quan,

25

dễ hiểu, đễ nhớ Thí nghiệm cho phép chứng minh tính đúng đắn của các định luật, ủng hộ hay bác bỏ một giả thuyết Thí nghiệm cho phép học sinh rèn luyện

kỹ năng tư duy, tự rút ra nhận xét, tự kết luận Kiến thức thu được qua thí nghiệm là sâu sắc và thuyết phục

Có một số tình huồng mà việc thực hiện thí nghiệm thực không thể hoặc khó

tiến hành được trong điều kiện ở trường phố thông Ví dụ các thí nghiệm mô phỏng các quá trình vi mô, vĩ mô ngoài khả năng của các phương tiện của phòng thí nghiệm nhà trường, các thí nghiệm nguy hiểm, các thí nghiệm quá đắt

về chỉ phí, các thí nghiệm xảy ra quá nhanh không kịp quan sát, hoặc quá chậm

không thể tiến hành trong giới hạn thời gian của tiết học

Trong những tính huống nêu trên thì việc mô phỏng thí nghiệm bằng phần

mềm máy tính là giải pháp thích hợp nhất Phần mềm mô phỏng thí nghiệm cho

phép giáo viên và học sinh : « tiễn hành » các thí nghiệm các thí nghiệm đắt tiền

hoặc hiếm xảy ra, các quá trình vi mô, vĩ mô được phần mềm mô phỏng thí

nghiệm cho phép phóng to thu nhỏ đến mức độ thích hợp để quan sát được rõ ràng nhất, các quá trình xảy ra quá nhanh hoặc quá chậm được phần mềm mô

phỏng thí nghiệm co giãn về thời gian để tiến hành trong một tiết học

Các ưu điểm của giải pháp số hóa

Ngoài ra, mô phỏng thí nghiệm bằng phần mềm có những ưu điểm hiển nhiên của giải pháp số hóa, đó là

- Sau khi đã đầu tư ban đầu thì chi phi để tiến hành bài giảng thực hành với thí nghiệm ảo là rất nhỏ

- Không bị hạn chế về không gian, phương tiện, số học sinh được phục vụ,

số lần thực hiện

- Dễ sử dụng, chuẩn bị nhanh, dễ bảo quản

Với tiến bộ của khoa học công nghệ thông tin, nhất là công nghệ dữ liệu đa

phương tiện, các phần mềm mô phỏng thí nghiệm sẽ mô phỏng tốt những gì cần thể hiện qua thí nghiệm, cho phép người sử dụng tương tác với chương trình, làm thí nghiệm giống như trong thực tế

Phát triển e-learning

Ngày nay, trong lĩnh vực giáo dục các ứng dụng đào tạo điện tử (e-learning)

đang phát triển mạnh như đã nói trên Tài liệu học tập điện tử dùng cho các

26

khoá học ngày càng nhiêu Trong các khoá học e-course đữ liệu đa phương tiện

là một yếu tố quan trọng giúp cho các bài học có tính trực quan, dễ hiểu, sinh

động và hấp dẫn hơn nhiều trong quá trình đào tạo Nghiên cứu làm các phần mềm thí nghiệm ảo là góp phần quan trọng vào phát triển e-learning

2) Nhiệm vụ của việc nghiên cứu ứng dụng CN ĐPT trong giáo dục

Với nhu cầu và khả năng của CN ĐPT phân tích ở trên, tập thể nghiên cứu

ứng dụng công nghệ đa phương tiện trong lĩnh vực giáo dục đào tạo có nhiệm

vụ nghiên cứu xây dựng phần mềm đa phương tiện mô phỏng các thí nghiệm

phục vụ giảng dạy một số môn học trong nhà trường phổ thông và xác định các

giải pháp công nghệ tối ưu xử lí đữ liệu multimedia, giải pháp tổ chức xây dựng

và quản lý đữ liệu multimedía, xây dựng quy trình công nghệ làm các thí nghiệm áo đảm bảo chất lượng và hiệu quá, giải pháp xây dựng phòng thí nghiệm ảo

2.2.2.2 Các nội dung công việc nghiên cứu chính

1) Xây dựng 24 thí nghiệm ảo chọn lọc từ trong chương trình các môn học

Vật lí, Hoá học, Sinh học ỏ cấp phổ thông trung học

2) Xây dựng kho dữ liệu các yếu tố đồ họa số héa co ban (tinh va video) và xây dựng phần mềm CSDL các yếu tổ đồ họa phục vụ cho việc phát triển các thí

nghiệm mô phỏng

Xây dựng kho đữ liệu các yếu tổ đồ họa

- Tên Sản phân: “Kho yếu tố đồ hoạ phục vụ xây dựng các thí nghiệm ảo”

- Phần mềm quản lý, tìm kiếm, hiển thị các đối tượng trong kho dữ liệu đồ

hoạ

- Các thành phẩn đồ hoạ 868 đối tượng bao gồm:

+ Các dụng cụ thuỷ tỉnh như ống nghiệm, bình, chậu, đũa, phễu, ống

truyền, chai lọ, cốc, đèn côn,

+Các chất liệu phục vụ thí nghiệm ảo: kim loại, các loại dung dịch, muối,

Axit, Bazer

+ Các dụng cụ vật lý như: Đồng hồ vonkế, Ampekế, đây điện, bóng đèn,

cầu giao, nam châm, mạt sắt, giá đỡ, thấu kính, máy ảnh, các thành

phần của mắt, ô tô, máy bay, bóng,

27

+ Các thành phần dé hoa cho thi nghiệm sinh học: Các thành phần cấu tạo

nên tế bào, các thành phần mô phỏng gen, các thành phần mô tả các bộ

phận của người như tim, phôi, mạch máu, ruột non, ruột già

+Các thành phần đồ hoạ mô tả ánh sáng, chất liệu: ánh sáng đơn, chùm

ánh sáng, tia sáng, ánh sáng toả ra theo hình cầu, các loại chất liệu có

ánh kim, chất liệu kết tủa dạng keo, kết tủa đạng hạt,

Xây dựng phần mềm quản trị CSDL các yếu tổ đã họa

- Mô hình CSDL quan hệ với hệ quản trị CSDL MySQL

- Ngôn ngữ lập trình Java

- Các thuộc tính quản lý : tên tài nguyên, chuẩn lưu trữ, người thu thập,

tóm tắt nội dung, thời lượng, nguồn gốc, địa danh

PHI: NON 00 ) Lxplorer

Fie Edt View Favorites Tools Help a

Oou«- 6 RAS Privad Forests Pres B a & eo

bởi dâu phẩy ";9)

D1 2105.111 b0)

(có Dã đùa ký tự ** "vào đầu hoặc củốt để tìm kiếm rộng hơn VD: *phim®)

Hình 8 : Phần mềm quản trị CSDL các yếu lỗ đồ hoa (với các chức năng

quản lý, tìm kiếm, )

3) Nghiên cứu các vấn đề khoa học công nghệ

28

Để hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu xây dựng các thí nghiệm ảo đặt ra đối

với nhánh đề tài, cần phân tích để thấy rõ các vấn đề khoa học công nghệ trong

nội dung nghiên cứu của đề tài

Thí nghiệm ảo là sản phẩm có yêu cầu cao về kĩ thuật công nghệ

Thí nghiệm ảo không phải là một đoạn hoạt hình hay video tường thuật lại

minh hoa quá trình tiến hành thí nghiệm

Mỗi thí nghiệm ảo là một phần mềm đa phương tiện hoàn chỉnh, tích hợp

nhiều loại đữ liệu như văn bản, hình ảnh, âm thanh, video

Các thí nghiệm ảo phải có khả năng tương tác cao Giáo viên và học sinh thực sự có thể “làm thí nghiệm” như trước một bàn thí nghiệm Các đối

tượng cho phép người sử dụng trực tiếp điều khiển Giáo viên có thể sử

dụng chuột để chọn lấy các dụng cụ thí nghiệm trên giá, thực hiện thao tác

từng bước theo kịch bản đề ra, nhịp độ có thể nhanh hay chậm tuỳ ý, có thế làm lại thao tác

Bản thân mỗi thí nghiệm ảo là một chuỗi các thao tác phức tạp, gồm nhiều

cảnh khác nhau

Có những thí nghiệm đòi hỏi xử lí có phần “thông minh”, có nhiều khả

năng lựa chọn khác nhau đưa đến các tình huống khác nhau Một ví dụ thí

là thí nghiệm về đo dòng điện Các cách lắp đặt nguồn điện, thiết bị đo và

nối đây khác nhau có thể đưa đến tình huống đúng hoặc sai, sai từ lỗi nhẹ

đến lỗi có hậu quả nghiêm trọng (gây cháy nổ)

Tỉnh đa dạng của các thí nghiệm

Do đặc thù của các môn học Vật lí, Hoá học, Sinh học về các lĩnh vực rất

khác nhau nên sản phầm thí nghiệm ảo cũng phong phú và đa dạng

Các thí nghiệm Vật lý yêu cầu tính chính xác về hình khối, đảm bảo tỷ lệ về

kích thước, chính xác các chuyển động, công thức tính toán đúng đắn

Các thí nghiệm Hoá học đòi hỏi phải mô tả trung thành các phản ứng hoá

học, do đó yêu cầu chính xác về màu sắc: màu của các hoá chất, của lửa cháy, khói bốc lên; yêu cầu chính xác về hình đạng: các dạng kết tủa khác nhau, dạng mây, dạng hạt, khuyếch tán

29

Môn Sinh học yêu cầu nhiều hình vẽ giải phẫu học phức tạp, các quá trình

mô phỏng hoạt động của các cơ quan nội tạng, các quá trình sinh học khó diễn

tả trực quan và cũng khó thực hiện tương tác

Phương pháp nghiên cứu và phát triển sản phẩm

Sau khi đã xác định được những vấn đề kĩ thuật công nghệ phức tạp trong

xây dựng thí nghiệm ảo như nêu trên, phương pháp đúng đắn để giải quyết là

- _ Trước hết, cần tìm hiểu các công nghệ liên quan, so sánh đánh giá các tính

năng và lựa chọn công nghệ phù hợp nhất Nghiên cứu phát triển sản phẩm

trên cơ sở công nghệ và kỹ thuật hiện đại, tuân theo các chuẩn mới

- Nghiên cứu các sản phẩm đa phương tiện cùng loại đã có để nắm được phương pháp phát triển, tìm ra các ưu điểm nhược điểm, rút kinh nghiệm vận dụng vào sản phẩm của mình

- _ Nghiên cứu năm vững nội dung khoa học và sư phạm của mỗi thí nghiệm

để có thể trình bày được bản chất vấn đề, đảm bảo chân thật, sát với hiện

thực Tìm hiểu thực tế các phòng thí nghiệm, công cụ thí nghiệm, việc

giảng đạy thực hành thí nghiệm ở nhà trường

- Lam thir san pham, rút kinh nghiệm trên cơ sở bản mẫu trực quan, xây dựng

quy trình chuẩn hoá dần từng bước

Nghiên cứu giải pháp khoa học công nghệ

- Phân tích, so sánh, đánh giá, lựa chọn công cụ phát trién Multimedia: Chúng tôi đã đưa ra được báo cáo đánh giá, so sánh các phần mềm hiện có

về đa phương tiện để lựa chọn ra các phần mềm phù hợp phục vụ việc xây dựng các ứng dụng trong toàn bộ đề tài Báo cáo này làm rõ các công cụ xây dựng các ứng dụng Multimedia từ việc xây dựng các loại dữ liệu: dữ liệu văn

bản, hình ảnh, hoạt hình, video mô phỏng, các đối tượng 3D và các công cụ hỗ trợ cho việc tích hợp các dữ liệu multimedia Qua việc cài đặt, phân tích về tính năng sử dụng, các khả năng hỗ trợ, tính mở, giá cả của công cụ từ đó có sự so

sánh với các các yêu cầu của đề tài để rút ra các công cụ thích hợp

Trong quá trình thực hiện để tài chúng tôi đã lựa chọn được các công cụ sau để phát triển: ‘

30

" Các công cụ xử lý văn bản: MS-Word va Acrobat

"_ Công cụ xử lý hình ảnh: PaintShop Pro, PhotoShop

“ Công cụ xử lý Video: Adobe Premiere, Macromedia Flash MX

= Céngcu xtrly 3D: 3D studio Max va InfiniD

" Cac cong cy tich hgp dit ligu: Macromedia Director

* M6éi tnréng phát triển sản phẩm trên ngôn ngữ Lingo và JAVA,

" Hệ quản trị cơ sở dữ liệu: SQL và SQL Server

Trong quá trình thực hiện đề tài, các công cụ này đã tỏ ra rất hiệu quả trong việc

phát triển các thí nghiệm ảo và mô phỏng

- Xây dựng các đối tượng giả 3D: Các đối tượng 3D gần thực tế hơn, mô

phỏng tốt hơn nhưng đời hỏi xây dựng công phu, kích cỡ tệp lớn, thời gian rendering lâu, tốc độ xử lí của máy tính cũng phải đủ cao thì mới có khả năng

thực hiện đồ hoạ 3D Các đối tượng 2D không có hình khối và chiều sâu như

đối tượng 3D nhưng xây đựng đơn giản và nhanh hơn so với các đối tượng 3D,

đễ tạo ra các tương tác hơn

Các đối tượng giả 3D cho phép khai thác ưu điểm của của cả hai loại Đối

tượng có chất lượng cao hơn 2D và kích cỡ lại nhỏ có thé chay trén may tinh cấu hình thấp tương đối nhanh, chấp nhận được, dễ xây dựng chuyển động và tạo các tương tác tốt

Có thể nói lựa chọn sử dụng đối tượng giả 3D vào những phần thích hợp là một giải pháp sáng tạo trong xây dựng sản phẩm

- Giải pháp nén đữ liệu video :

Một trở ngại khi sử dụng các đoạn video minh họa cho các thí nghiệm ảo là các tệp video thường có kích thước rất lớn Để giảm bớt kích thước tệp video nhiều giải pháp nén khác nhau đã được sử dụng, đưa đến các định chuẩn khác nhau Nén dữ liệu video sẽ hiệu quả hơn nhưng cũng phức tạp hơn nén ảnh vì

một đoạn video gồm nhiều khung hình kế tiếp nhau, đòi hỏi tốc độ nén / giải

nén phải đủ nhanh để có chất lượng chấp nhận được Nói chung sẽ không có giải pháp nén nào là tốt nhất đối với mọi dang video, mọi mục đích sử dụng bất

kì Mỗi giải pháp nén, mỗi chuẩn video chỉ thích hợp nhất cho một (vài) kiểu

dữ liệu video và mục đích sử dụng Để giải quyết vấn đề này chúng tôi đã thực hiện :

31

Phân loại các đữ liệu video cho các thí nghiệm ảo dựa vào số lượng mẫu sắc trong cảnh, tốc độ chuyển động

Lựa chọn các mã nén phù hợp đđể nén đữ liệu video

- Xây dựng qui trình thực hiện dé dn da phương tiện

Đề tài xây dựng được qui trình thực hiện đề án đa phương tiện, từ khâu phân tích, thiết kế, thu thập đữ liệu đến việc đánh giá để án và phân phối sản phẩm

trên đĩa CD Dữ liệu đa phương tiện là loại dữ liệu có tính đặc thù riêng, đó là

kích cỡ lớn, thường yêu cầu thê hiện trong thời gian thực Một sản phẩm

multimedi lại là sử phối hợp của nhiều loại dữ liệu như hình ảnh, âm thanh do

đó nó yêu cầu tính đồng bộ cao Việc đưa ra quy trình thực hiện dé án đa

phương tiện giúp chúng tôi quản lý việc phát triển các ứng dụng multimedia tốt hơn đồng thời giảm được thời gian xây dựng các thí nghiệm ảo và các ứng dụng multimedl

Ví dụ quy trình nêu rõ các bước thực hiện xây dựng một thí nghiệm ảo:

1 Phân tích, thu thập thông tin về các thí ghiệm ảo

Phân tích các yêu cầu về nội dung cũng như tính sư phạm của bài học Xây dựng kịch bản cho thí nghiệm ảo

Xây dựng đữ liệu 3D và video

Xử lý video

Thu thập đữ liệu âm thanh và lời đọc

Ghép âm thanh và lời đọc vào video

Tao cdc van ban (Text) hướng dẫn các thao tác

Tạo tương tác trên video

- Xây dựng giải pháp và mô hình phòng thí nghiệm ảo

Đưa ra giải pháp và xây dựng mô hình phòng thí nghiệm ảo: mô hình

phòng thí nghiệm về phần cứng và phần mềm, các trang thiết bị cần thiết, yêu cầu tính năng kỹ thuật

Trong khuôn khể của để tài, chúng tôi đã tham khảo, phân tích, đánh giá so sánh các hệ thống đa phương tiện của nhiều trung tâm Multimedia trong và ngoài

nước Từ đó chúng tôi đã xây dựng mô hình phòng thí nghiệm ảo phục vụ công tác nghiên cứu và đào tạo

4) Xây dựng các thí nghiệm ảo

Nghiên cứu viết chương trình mô phóng 24 thí nghiệm ảo, tạo hoạt hình 2D

và 3D, tích hợp và xây đựng sản phẩm thí nghiệm hoàn chỉnh có tính tương tác phục vụ việc dạy và học với tính năng sư phạm phù hợp

Sau các nghiên cứu lý thuyết về công nghệ và xây dựng các mô hình, quy trình cho phong thí nghiệm ảo chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm xây dựng hệ thống

24 thí nghiệm ảo

o9 Thí nghiệm môn sinh học

o8 thí nghiệm môn Vật lý

o7 thí nghiệm môn Hoá học

5) Tế chức thực hiện việc thực nghiệm sư phạm và kiểm nghiệm để chứng minh

tính hiệu quả của phương thức thực nghiệm ảo trong thực tế giảng dạy ở trường

phổ thông trung học :

Phối hợp với tập thể khoa học tham gia thực hiện Đề tài KC.01-14 thuộc

Viện Khoa học giáo dục do PGS.TS Vũ Trọng Ri chủ trì, Tham gia tổ chức

thực hiện việc thực nghiệm sư phạm và kiểm nghiệm đề chứng minh tính hiệu quả của phương thức thực nghiệm ảo trong thực tế giảng dạy ở 3 trường phổ

thông trung học

Sản phan đã được tổ chức dạy thực nghiệm ở Trường Trung học CS Lê

Qúy Đôn-Cầu Giấy - Hà Nội vào tháng 2 năm 2004 và một số Trường Trung

học cơ sở khác của Quận Cầu Giấy, Hà Nội Kết quả được giáo viên và học sinh

tại các trường này đánh giá tốt và yêu cầu đưa các thí nghiệm vào triển khai

thực tế tại các trường nảy

6) Nhận xét về các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm đạt được

33

- Về thể hiện nội dung: đảm báo tính sư phạm, trình bày được bản chất vấn đề; tính chân thật, đúng đắn, gần hiện thực

- — Về kĩ thuật: khai thác tối đa sức mạnh của công nghệ đa phương tiện kết

hợp chữ viết, hình ảnh, chuyển động, âm thanh để diễn tả trực quan Tính

tương tác cao để giáo viên và học sinh thực hành trên máy tính Giao diện người dùng thân thiện, đễ sử dụng

- _ Về mỹ thuật: Hài hoà về hình khối, màu sắc, đẹp mắt và hấp dẫn

- Về công nghệ: sử dụng các công nghệ tiên tiến đã được chuẩn hoá Sử dụng

dé hoa 3D để tăng tính trực quan và chân thật, làm nỗi bật ưu điểm và hiệu

quả của công nghệ đa phương tiện

Giao diện của các thí nghiệm ảo:vb

-_ Giao diện đô hoạ

- _ Thân thiện, dễ sử dụng

- Tre quan

Tính chuẩn hoá

-_ Các đữ liệu Multimedia Movie, ảnh sau khi hoàn thành được chuẩn hoá

và được chuyên thành các đạng chuẩn quốc tế và chuẩn công nghiệp

Video đuợc chuyển về các định chuẩn của hệ điều hanh: Mov, Avi va

định chuẩn quốc tê: Mpeg1,2,4; hình ảnh được chuyển về định chuẩn quốc tế: Jpeg, Gif Các định chuẩn này đảm bảo sản phẩm có thể sử dụng

trên hầu hết các máy tính hiện nay

- _ Chuẩn hoá trong thiết kế giao diện với người dùng

- _ Hệ cơ sở dũ liệu thống nhất sử dụng công cụ MySQL với mã nguồn mở

"Tính mở, tính khả chuyển

- _ Toàn bộ hệ thống thí nghiệm ảo được xây dựng theo hướng đối tượng có

tỉnh modul cao đo đỏ nó khai quát cho từng lớp các bài thí nghiệm tương

tự

-_ Hệ cơ sở đũ liệu quản trị các đối tượng đồ hoạ: MySQL mã nguồn mở

"_ Môi trường và công cụ cài đặt

34

- Chuong trinh được cài đặt trên hệ điều hành phổ dụng Windows NT, Windows 9X và Windows 2000, Windows XP

Phần mềm thí nghiệm ảo được đóng gói trên đĩa CD-ROM

35

Phu luc : Danh sách các thí nghiệm ảo

A THÍ NGHIÊM SINH HỌC

CÔNG tY THIẾT Bị GIÁO ĐỤC Hi

To chế 3X K4 Tnk Tá quản 1, PIN tiên koại: SÉ 434 7042, ae: d4 443 thái

Thị nghiệm áo Sự phân bào

- _ Quá trình nhân đôi giữa hai mạch

- _ Khái quát quá trình nhân đôi ADN

A2 Xây dựng thí nghiệm Sinh học Tổng hợp chuỗi Axitamin

- _ Các thành phần tham gia tổng hợp chuỗi Axitamin

- _ Diễn biến quá trình tổng hợp Axitamin

- _ Qua trình tạo thành mối liên kết Peptit

A3.Thí nghiệm ảo sinh học: “Sự bài tiết nước tiêu”

36

Mô tả các thành phần và chức năng của các thành phần trong hệ thống

lọc nước tạo thành nước tiểu của thận

Tính năng lọc nước của thận

Các yếu tố đồ hoạ xây đựng mô hình lưu chuyển nước trong cơ thể

Tích hợp các yếu tố đồ hoạ thành sản phẩm trong thí nghiệm “Sự tạo thành nước tiểu”

A4 Thí nghiệm áo sinh học: “Hoạt động hô hấp”

Xây dựng các đối tượng đồ hoạ như ống thuỷ tỉnh, lọ nhựa cắt day, núm kéo cơ hoành, bóng cao su phục vụ thí nghiệm

Movie mô tả thí nghiệm trao đối khí CO2 và O2 tại hồng cầu và nhân

tế bào các mô cơ thé

Thay đổi thể tích của lồng ngực và phổi theo các chiều hít vào và thở

ra, đồ thị phan ánh sự thay đổi dung tích phổi khi hít vào và thở ra

Sơ đồ thí nghiệm sự trao đổi khí ở phối

Movie m6 ta quá trình thông khí ở phối

Tích hợp các yếu tố đồ hoạ thành sản phẩm trong thí nghiệm “Hoạt

động hô hấp”

A5 Thí nghiệm ảo sinh học: “Tiêu hoá ở ruột non ”

Phân tích và xây dựng các yếu tố đồ hoạ cho mô hình hấp thụ chất dinh dưỡng trong hệ tiêu hoá

Mô hình Quá trình hắp thụ chất dinh dưỡng trong hệ tiêu hoá

Movie mô tả quá trình hấp thụ chất dĩnh dưỡng tại ruột non

Tích hợp các yếu tố đồ hoạ thành sản phẩm trong thí nghiệm

A6 Thí nghiệm ảo sinh học: “ Tìm và mạch máu”

Xây dựng hình hoạ phục vụ thí nghiệm “ Tim và mạch máu”: Cấu

tạo của tỉm, mặt trước, mặt sau, tâm nhĩ phải, tâm nhĩ trái, tâm thất,

động mạch vành

37

Cau tao mach mau

Chu kỳ co giãn của tim

Xây dựng movie mô tả sự chuyển động của máu trong tim

Tích hợp các yếu tố đồ hoạ thành sản phẩm trong thí nghiệm “ Tim và

mạch máu”

A7 Hấp thụ chất đỉnh dưỡng và thải phân

Hap thụ chất dinh dưỡng

Các con đường hấp thụ và vận chuyển chất dinh dưỡng