Nâng cao chất lượng dạy và học môn Kỹ thuật xung số tại trường Trung cấp nghề Giao thông công chính Hà Nội ứng dụng phần mềm mô phỏng Proteus Nâng cao chất lượng dạy và học môn Kỹ thuật xung số tại trường Trung cấp nghề Giao thông công chính Hà Nội ứng dụng phần mềm mô phỏng Proteus luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC THỰC HÀNH
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
1.1.1 Mô phỏng và phương pháp dạy học mô phỏng
Mô phỏng đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật, kinh tế và xã hội Nhờ vào sự phát triển của công nghệ máy tính với tốc độ tính toán nhanh và dung lượng bộ nhớ lớn, phương pháp mô phỏng hiện nay đã trở nên mạnh mẽ và mang lại hiệu quả cao.
Mô phỏng tập trung vào việc nhấn mạnh các quy tắc, mối quan hệ và quá trình phát triển của đối tượng nghiên cứu, đồng thời theo dõi sự thay đổi của chúng Những mối quan hệ này có thể dẫn đến việc phát sinh các tình huống và quy luật mới trong quá trình mô phỏng Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ, mô phỏng được coi là phương pháp nghiên cứu thứ ba, bổ sung cho nghiên cứu lý thuyết thuần túy và nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp này được áp dụng khi việc thực nghiệm trên đối tượng thực không khả thi, không cần thiết hoặc không nên thực hiện.
Theo Robert E Stephenson, mô phỏng là quá trình nghiên cứu trạng thái của mô hình nhằm hiểu rõ hệ thống thực tế Quá trình này bắt đầu bằng việc con người sử dụng trí tưởng tượng để tạo ra mô hình, dựa trên các yếu tố liên quan đến hệ thống thực Dù có thể xuất hiện mâu thuẫn giữa mô hình và thực tế, việc khảo sát sẽ được bổ sung và tiếp tục cho đến khi đạt được yêu cầu mà giả thuyết đề ra.
Một cách tổng quát, mô phỏng là quá trình thực nghiệm quan sát được và điều khiển được trên mô hình của đối tượng khảo sát
Mô phỏng thuận lợi cho người sử dụng về các mặt:
- Nhận thức: trực quan hoá, dễ tiếp cận và đo lường, lặp lại được nhiều lần theo ý muốn, gởi mở tiên đoán, sáng tạo và thử nghiệm
Công nghệ trong thiết bị và phương tiện, cùng với kỹ năng, mang lại tính khả thi, an toàn và hiệu quả kinh tế Nó giúp tiết kiệm thời gian và cho phép người dùng luyện tập kỹ năng trước khi tiếp xúc với vật thực tế.
1.1.1.2 Phương pháp dạy học mô phỏng
- Phương pháp có thể hiểu là con đường, cách thức để giải quyết những nhiệm vụ nhất định và đạt mục đích đề ra
Phương pháp nghiên cứu bao gồm hai khía cạnh chủ quan và khách quan Khía cạnh khách quan đề cập đến các quy luật chi phối sự tồn tại và phát triển của đối tượng, mà con người (chủ thể) cần nhận thức Trước khi tác động vào đối tượng, con người phải hiểu rõ về các quy luật khách quan liên quan Khía cạnh chủ quan liên quan đến cách thức mà con người áp dụng những quy luật này để nghiên cứu và điều khiển đối tượng Sau khi nắm vững kiến thức về đối tượng, chủ thể sẽ tìm kiếm và lựa chọn các thao tác phù hợp để tương tác hiệu quả.
Phương pháp luôn được xây dựng dựa trên những đối tượng cụ thể nhằm đạt được mục đích nhất định; mỗi đối tượng sẽ yêu cầu một phương pháp riêng Mặc dù có những phương pháp chung có thể áp dụng cho nhiều đối tượng, nhưng không tồn tại phương pháp nào có thể áp dụng cho tất cả Như Sprinnza đã chỉ ra, "phương pháp hữu hiệu là phương pháp giúp định hướng trí tuệ theo chuẩn mực của tư tưởng chân thực đã được xác định."
Có nhiều quan điểm khác nhau về phương pháp dạy học:
Theo Iu.K.Babanski, phương pháp dạy học là hình thức tương tác giữa giáo viên và học sinh, nhằm thực hiện các nhiệm vụ giáo dưỡng, giáo dục và phát triển trong quá trình dạy học.
Theo I.Ia.Lecne [27] thì phương pháp dạy học là một hệ thống những hành động có mục đích của giáo viên nhằm tổ chức các hoạt động nhận thức và thực hành của học sinh, đảm bảo học sinh lĩnh hội học vấn
Các định nghĩa này có thể tóm tắt ở ba dạng cơ bản sau đây:
Theo quan điểm điều khiển học, phương pháp dạy học là cách thức mà người dạy tổ chức để hướng dẫn và điều khiển hoạt động của học sinh Điều này giúp học sinh trong quá trình tìm hiểu, khám phá kiến thức và hình thành kỹ năng.
+ Theo quan điểm logic, phương pháp dạy học là những thủ thuật logic được sử dụng để giúp học sinh nắm kiến thức, kỹ năng một cách chính xác
+ Theo bản chất của nội dung, phương pháp là sự vận động của nội dung dạy học
Phương pháp mô phỏng trong dạy học là cách nhận thức thế giới thực thông qua việc nghiên cứu các mô hình của đối tượng quan tâm Phương pháp này mang lại hiệu quả cao, giúp học sinh tiếp cận kiến thức một cách trực quan và sinh động, đồng thời kích thích hứng thú học tập và nghiên cứu, phát huy tư duy sáng tạo.
Mô phỏng trong dạy học là quá trình thực nghiệm có thể quan sát và điều khiển trên các mô hình khác nhau, bao gồm mô phỏng hình học, mô phỏng tương tự và mô phỏng số Tùy thuộc vào mục đích và điều kiện khảo sát, cùng một đối tượng có thể được mô hình hóa theo nhiều cách khác nhau, dẫn đến sự đa dạng trong các phương pháp mô phỏng.
1.1.1.3 Cấu trúc của phương pháp mô phỏng
Hình 1.1 Quá trình mô phỏng Đối tượng nghiên cứu
Phương pháp mô phỏng được tiến hành theo ba bước:
Mô hình hoá là quá trình xác định các tính chất và mối quan hệ chính của đối tượng nghiên cứu, dựa trên mục đích nghiên cứu Điều này bao gồm việc lựa chọn những yếu tố quan trọng và loại bỏ các yếu tố thứ yếu để xây dựng một mô hình hiệu quả.
Bằng cách quan sát thực nghiệm, người ta xác định các tính chất của đối tượng nghiên cứu, từ đó hình thành một mô hình sơ bộ Giai đoạn này đòi hỏi trí tưởng tượng và trực giác để loại bỏ các tính chất và mối quan hệ không quan trọng, chỉ giữ lại những yếu tố chính Mô hình ban đầu chỉ tồn tại trong tâm trí của nhà nghiên cứu và trở thành cơ sở để xây dựng các mô hình thực tế Đối với mô hình lý tưởng, người ta sẽ so sánh mô hình tưởng tượng với các hiện tượng và vật thật đã quen thuộc.
(2) Nghiên cứu mô hình (tính toán, thực nghiệm ) để rút ra những hệ quả lý thuyết, kết luận về đối tượng nghiên cứu
Sau khi xây dựng mô hình, người ta áp dụng các phương pháp lý thuyết hoặc thực nghiệm để thu được kết quả và thông tin mới Đối với các mô hình vật chất, thí nghiệm thực tế được tiến hành, trong khi với các mô hình lý tưởng, thao tác diễn ra trong tư duy thông qua phép tính và phân tích logic Công việc này được gọi là thí nghiệm tưởng tượng, mặc dù không diễn ra thực tế nhưng có vai trò quan trọng trong khoa học Những thí nghiệm này được phát triển để giải thích các vấn đề quan trọng, bất kể khả năng thực hiện thực tế của chúng.
8 thể thực hiện được về nguyên tắc, mặc dù kỹ thuật thực nghiệm của nó có thể rất phức tạp
Trong phương pháp mô hình khái niệm, người ta đã biết trước hành vi của mô hình trong các điều kiện xác định, và điều quan trọng là tìm hiểu các hệ quả của những hành vi đó.
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
Thực hành là hoạt động của con người tác động lên vật chất trong quá trình sản xuất để tạo ra sản phẩm Trong dạy học kỹ thuật, thực hành đóng vai trò quan trọng khi học sinh ứng dụng những kiến thức kỹ thuật đã học vào thực tế.
Dạy học thực hành là quá trình giáo dục do giáo viên tổ chức, nhằm củng cố kiến thức và phát triển kỹ năng, kỹ xảo cho học sinh, đồng thời thực hiện chức năng giáo dục hiệu quả.
Tùy theo yêu cầu đào tạo của ngành, nghề mà xác định hệ thống các kỹ năng cơ bản và chuyên nghiệp phù hợp với mục tiêu đào tạo
Trong dạy học thực hành tại các trường Cao đẳng, Đại học và dạy nghề, việc hình thành kỹ năng tư duy và kỹ năng chân tay cho HS/SV là cần thiết, nhưng mức độ yêu cầu khác nhau tùy thuộc vào tính chất nghề nghiệp và trình độ đào tạo Các ngành nghề kỹ thuật cao yêu cầu người lao động có kỹ năng tư duy vượt trội so với kỹ năng chân tay Đối với cùng một ngành nghề, trình độ đào tạo càng cao thì yêu cầu về kỹ năng tư duy càng lớn.
1.2.1.2 Nhiệm vụ của dạy học thực hành
- Củng cố, hoàn thiện, vận dụng và khẳng định sự đúng đắn các kiến thức lý thuyết
- Hoàn thành và rèn luyện các kỹ năng, kỹ xảo kỹ thuật, phát triển tư duy, bồi dưỡng năng lực, kỹ thuật
- Thực hiện các chức năng giáo dục
1.2.1.3 Các phương pháp dạy học thực hành
Làm mẫu là quá trình giáo viên thực hiện các thao tác kỹ thuật kèm theo giải thích, nhằm giúp sinh viên hình dung rõ ràng quy trình công việc trong nghề Mục đích chính là để sinh viên nhận thức từng thao tác riêng lẻ, từ đó có thể bắt chước và thực hiện theo, tạo dựng khả năng lao động và niềm tin vào sự chính xác của quy trình.
Phương pháp làm mẫu yêu cầu giáo viên giải thích rõ ràng mục đích, yêu cầu, nhiệm vụ và ý nghĩa của từng hành động sẽ thực hiện Việc này giúp tạo động cơ và hứng thú cho sinh viên, khiến họ sẵn sàng chờ đợi sự làm mẫu từ giáo viên.
Khi làm mẫu, giáo viên cần chuẩn bị kỹ lưỡng và giải thích quy trình thực hành cho sinh viên, thực hiện theo đúng kỹ thuật và chính xác từng thao tác Quá trình làm mẫu nên được lặp lại ít nhất 3 lần để sinh viên ghi nhớ quy trình Đồng thời, giáo viên cần kiểm tra khả năng nhận thức của sinh viên bằng cách nhắc lại các điểm chính và kịp thời uốn nắn những sai sót nếu có.
Các giai đoạn làm mẫu:
Để phân tích công việc cần làm, cần xác định các thao tác, động tác và cử động cụ thể, sắp xếp chúng theo trình tự hợp lý Đồng thời, dự đoán các sai sót có thể xảy ra trong quá trình thực hiện và đề xuất các biện pháp khắc phục hiệu quả trong quá trình tập luyện.
Để đảm bảo quy trình làm việc hiệu quả, cần chuẩn bị đầy đủ các phương tiện, mô hình và điều kiện làm việc như nguyên vật liệu, tình trạng máy móc, và tài liệu kỹ thuật Ngoài ra, việc chọn vị trí làm mẫu phù hợp với yêu cầu quan sát cũng rất quan trọng.
Làm mẫu thử là bước quan trọng để xác định trạng thái của phôi liệu, máy móc và dụng cụ, đồng thời điều chỉnh thời gian chi tiết cho quá trình làm mẫu Cần lựa chọn các thao tác cần nhấn mạnh và cung cấp những lời giải thích cần thiết trong quá trình này.
Để định hướng hoạt động của sinh viên, cần nêu rõ mục đích làm mẫu, tên công việc, vật liệu, máy móc, công cụ, mô hình và trình tự công việc Việc này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nhiệm vụ mà còn tạo điều kiện cho họ phát triển kỹ năng và kiến thức cần thiết trong quá trình học tập và làm việc.
+ Làm mẫu với tốc độ bình thường trong điều kiện tiêu chuẩn Giúp sinh viên có được biểu tượng khái quát về toàn bộ công việc
Làm mẫu với tốc độ chậm và chia công việc thành các bước chuyển tiếp là rất quan trọng Việc giảng giải cẩn thận giúp sinh viên hiểu rõ từng thao tác và ghi nhớ trình tự thực hiện.
+ Làm mẫu tóm tắt toàn bộ công việc với tốc độ bình thường để ghi lại ấn tượng về tiến trình công việc
Đánh giá kết quả là một hoạt động quan trọng trong quá trình học tập, nơi giáo viên yêu cầu một hoặc vài sinh viên thực hiện bài tập, trong khi các sinh viên khác quan sát và đưa ra nhận xét Sau đó, giáo viên sẽ tổng kết và rút ra kết luận từ những ý kiến đóng góp của các sinh viên.
Luyện tập là hành động lặp đi lặp lại các thao tác kỹ thuật một cách có mục đích và hệ thống, nhằm phát triển và hoàn thiện kỹ năng.
Phương pháp luyện tập yêu cầu sinh viên hiểu rõ mục đích và cách thức thực hiện, đảm bảo nội dung luyện tập phù hợp với khả năng, có tính hệ thống và tăng dần độ khó Sinh viên cần được hướng dẫn chặt chẽ về các thao tác cơ bản và cách sử dụng thiết bị một cách an toàn Luyện tập cần diễn ra thường xuyên và liên tục cho đến khi hình thành các kỹ năng đạt chuẩn Ngoài ra, cần tăng cường công tác kiểm tra và đánh giá từ giáo viên cũng như quá trình tự kiểm tra của sinh viên.
+ Luyện tập thực hiện các thao tác
Thao tác thủ công bằng tay bao gồm các hoạt động như cưa, đục, trạm trổ và tháo lắp chi tiết Trong khi đó, thao tác thủ công trên máy là việc sử dụng tay để điều khiển hoạt động của máy, đòi hỏi tuân thủ quy trình nghiêm ngặt gồm khởi động, điều khiển, điều chỉnh và tắt máy.
QUY TRÌNH VẬN DỤNG
1.3.1 Một số yêu cầu trong việc vận dụng
Trong chương trình dạy học, không cần phải mô phỏng tất cả nội dung bài học, mà chỉ nên chọn một số bài phù hợp Việc xác định nội dung cần mô phỏng cần được xem xét kỹ lưỡng về yêu cầu và mức độ triển khai để đạt hiệu quả thực tiễn Mô phỏng nên tập trung vào những quá trình đặc trưng, như những thí nghiệm không thể thực hiện trên đối tượng thực tế hoặc những quá trình trừu tượng khó hình dung, chẳng hạn như hoạt động của vi mạch hay sự hình thành từ trường quay.
Nghiên cứu lý thuyết về mô phỏng cho thấy việc thay đổi tham số trong chương trình mô phỏng là cần thiết và khả thi trong dạy học thực hành.
Việc thay đổi tham số trong mô phỏng không chỉ tăng tính thuyết phục cho bài học mà còn giúp sinh viên xây dựng niềm tin và triết lý vững vàng Phương pháp mô phỏng có điều khiển cho phép tác động lên hệ thống, dẫn đến những thay đổi đầu ra khi thay đổi đầu vào, bao gồm cả mô phỏng định lượng và định tính Qua đó, sinh viên được giáo viên hướng dẫn nhận thức, phát triển khả năng phán đoán tình huống và tư duy nghiên cứu, đồng thời khuyến khích sự sáng tạo trên các mô hình thực thể.
Thiết bị mô phỏng trong dạy học phải phù hợp với thiết kế và sử dụng mô hình theo ý đồ sư phạm của giáo viên, nhằm nâng cao quá trình nhận thức và phát triển năng lực của sinh viên Hiện nay, các thiết bị dạy học hiện đại, đặc biệt là máy tính, có khả năng đáp ứng yêu cầu này một cách hiệu quả.
Phần mềm xây dựng chương trình mô phỏng cần đảm bảo hiệu quả dạy học, đồng thời đáp ứng các tiêu chí quan trọng như tính khoa học, tính hiệu quả, tính sư phạm, tính thẩm mỹ và tính kinh tế.
+ Phải cho kết quả chính xác, nêu rõ bản chất vấn đề
+ Hình ảnh phải rõ nét và chính xác, ngôn từ trình bày rõ ràng dễ hiểu
Nội dung chương trình cần phải tương thích với các giáo trình hiện hành trong nhà trường, đồng thời phát triển khả năng tư duy sáng tạo của sinh viên và đảm bảo tính vừa sức cho người học.
+ Tiện dụng và dễ dùng
+ Phù hợp với trình độ tin học của giáo viên trong nhà trường hiện nay + Sử dụng tiện lợi
Nội dung bài viết cần phải hấp dẫn và sinh động, phù hợp với tâm lý của sinh viên Đồng thời, để tăng tính trực quan, nội dung phải được trình bày một cách rõ ràng và đầy đủ, có thể lặp lại những thông tin quan trọng nhiều lần, giúp sinh viên dễ dàng quan sát và hiểu bài một cách kỹ lưỡng.
+ Tạo khả năng giao tiếp dễ dàng giữa người và thiết bị
+ Phần mềm được viết theo chiều hướng phát triển tư duy của sinh viên
Màu sắc hài hòa, kích thước chữ và hình ảnh rõ ràng là yếu tố quan trọng giúp sinh viên dễ dàng quan sát Bố trí hợp lý giữa hình và chữ sẽ tạo ra không gian học tập thú vị, từ đó duy trì sự hứng thú học tập của sinh viên.
+ Sử dụng được nhiều lần, phạm vi sử dụng rộng, giá thành hạ, sử dụng được trên nhiều loại máy
Theo cấu trúc tổng quát của phương pháp mô phỏng (sơ đồ hình vẽ) xét từ góc độ phương pháp nghiên cứu và nhận thức khoa học
Hình 1.5 Cấu trúc của phương pháp mô phỏng
Dạy học thực hành sử dụng phương pháp mô phỏng tương tự như quy trình nghiên cứu khoa học, nhưng yêu cầu sự can thiệp sư phạm từ giáo viên Trong khi các nhà khoa học thực hiện đầy đủ các bước của mô phỏng, sinh viên trong quá trình học tập thường chưa đủ khả năng để tự thực hiện tất cả các bước này.
Tổ chức hoạt động dạy học
Giáo viên cần thực hiện các bước mô hình hóa để xây dựng mô hình, sau đó sử dụng mô hình đó như một công cụ sư phạm nhằm giúp sinh viên hiểu rõ các khái niệm và nguyên lý hoạt động.
Mô phỏng trong dạy học thực hành cần có những mô hình tối thiểu như nguyên lý và bản chất, đã được trình bày trong giáo trình dưới dạng hình ảnh Tuy nhiên, sự chênh lệch trong tư duy giữa các nhà xây dựng giáo trình và sinh viên dẫn đến việc hiểu biết máy móc hoặc sai lệch nội dung Để truyền tải kiến thức hiệu quả, giáo viên cần cụ thể hóa và biến đổi các mô hình trong tài liệu kỹ thuật để sinh viên dễ hiểu hơn, đồng thời tìm ra mối liên hệ giữa chúng Việc sử dụng hình ảnh sống động, gần gũi với thực tế sẽ làm bài giảng hấp dẫn hơn và kích thích sự hứng thú của người học.
- Mô hình hoá - Xử lý sư phạm (bước 1 và bước 3)
Đối với việc nghiên cứu, cần xác định rõ đối tượng nghiên cứu, có thể là đối tượng thật hoặc tranh vẽ, sơ đồ Phân tích nội dung kiến thức cần truyền đạt và xác định mục tiêu mô phỏng là rất quan trọng Cần lựa chọn các thuộc tính và quan hệ đặc trưng để mô phỏng, đồng thời đơn giản hóa thực tế phù hợp, loại bỏ những yếu tố không cần thiết Dựa trên những phân tích này, mô hình sẽ được xây dựng nhằm giúp học sinh quan sát và thí nghiệm, từ đó phát triển nhận thức của các em Khi mô hình hóa, giáo viên cần chú ý đến các yếu tố này để đảm bảo hiệu quả trong quá trình dạy học.
+ Phù hợp với mục đích dạy học, trình độ lĩnh hội của học sinh
+ Phù hợp với sự vận động của nội dung môn học
+ Phù hợp với đặc điểm tâm sinh lý của học sinh (đơn giản, mang tính phổ biến- khái quát, dễ quan sát…)
Mô hình kỹ thuật phản ánh các nguyên lý và quá trình kỹ thuật của các đối tượng, do đó cần chú ý đến các tính chất như sự tương tự, tính đơn giản, tính lý tưởng và tính trực quan trong quá trình mô hình hóa.
Việc xây dựng mô hình bài giảng thường được thực hiện bởi các chuyên gia nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy Tuy nhiên, giáo viên cũng có thể tham gia vào quá trình này để cải thiện hiệu quả học tập.
Quy trình xây dựng mô hình trên phần mềm đơn giản và phổ cập gồm 32 bước, giúp giáo viên chủ động soạn bài giảng một cách toàn diện, khoa học và kịp thời Mô hình mô phỏng phải phản ánh chính xác nội dung kiến thức để làm công cụ dạy học hiệu quả, do đó cần thực hiện bước chỉnh sửa ngay sau khi xây dựng mô hình để đảm bảo tính chính xác và hợp thức với nguyên hình, khác với phương pháp nghiên cứu khoa học.
- Tổ chức hoạt động dạy học: Cần chú ý đến khâu kích thích động viên, tổ chức hoạt động và kiểm tra đánh giá
+ Dạy theo phương pháp tư duy của các nhà khoa học
+ Dạy qua các thao tác trên mô hình