Trong nhiều lĩnh vực, các nhà nghiên cứu đã dùng phương pháp mô
phỏng để nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nên nó là phương pháp tổng quát của nhiều ngành khoa học khác nhau.
Ph−ơng pháp dạy học có sử dụng mô phỏng là một trong những ph−ơng pháp dạy và học, tr−ớc hết là các môn khoa học tự nhiên và kỹ thuật, có hiệu quả cao về nhiều mặt nh− trực quan, sinh động, gây hứng thú học tập và nghiên cứu, phát huy t− duy sáng tạo, v.v...
Mô phỏng là thực nghiệm quan sát đ−ợc và điều khiển đ−ợc trên mô
hình, vì thế ph−ơng pháp mô phỏng cũng có những tên gọi t−ơng ứng theo mô
hình, nh−: mô phỏng hình học, mô phỏng động hình học, mô phỏng số, ....Cùng một đối t−ợng, tuỳ mục đích và điều kiện khảo sát, có thể mô hình hoá d−ới dạng khác nhau, vì thế có nhiều cách mô phỏng khác nhau t−ơng ứng. Trong công nghệ dạy học ở n−ớc ta hiện nay, ngoài các ph−ơng pháp quen thuộc là hình vẽ, đồ dùng dạy học trực quan và các phương tiện nghe nhìn mà thầy trò tham gia tạo dựng, cải tiến nh− phim, băng hình,... Do máy tính ngày càng phổ biến, các phương pháp mô phỏng bằng đồ hoạ vi tính đã
trở thành hiện thực ở khá nhiều tr−ờng, Tuy nhiên, việc chọn phần mền tin học nào là thích hợp với thực tế trong n−ớc, sản phẩm mô phỏng nào là thích hợp với thực tế, sản phẩm mô phỏng nào cần tạo tr−ớc và làm cụ thể nh− thế nào,...
hiện đang là những vấn đề mà ngành s− phạm kỹ thuật và dạy nghề cần quan tâm nghiên cứu.
1.2.5.1. Cấu trúc của ph−ơng pháp mô phỏng
Ph−ơng pháp mô phỏng đ−ợc tiến hành theo ba b−ớc:
{1} Mô hình hoá: Từ mục đích nghiên cứu, cần xác định lựa chọn một số tính chất và mối quan hệ chính của đối t−ợng nghiên cứu đồng thời loại bỏ những tính chất và mối quan hệ thứ yếu để xây dựng mô hình.
Bằng quan sát thực nghiệm người ta xác định được một tập hợp những tính chất của đối tượng nghiên cứu. Thông thường, do kết quả của sự tương tự người ta đi đến hình dung sơ bộ về sự vật, hiện tượng cần nghiên cứu, tức là đi
đến một mô hình sơ bộ, chưa đầy đủ. Trong giai đoạn này trí tưởng tưởng và trực giác giữ vai trò rất quan trọng, nhờ đó người ta mới loại bỏ được những tính chất và mối quan hệ thứ yếu của đối t−ợng nghiên cứu, thay nó bằng mô
hình chỉ mang tính chất và những mối quan hệ chính mà ta phải quan tâm. Mô
hình ban đầu mới có trong óc của ng−ời nghiên cứu. Nó trở thành mẫu, dựa vào đó người nghiên cứu xây dựng được những mô hình thật (nếu nhà nghiên cứu dùng ph−ơng pháp mô hình vật chất). Trong tr−ờng hợp mô hình lý t−ởng thì người ta đem đối chiếu mô hình trí tưởng tưởng trong óc với những vật thật, những hiện tượng mà người ta đã quen biết.
Đối t−ợng
nghiên cứu Mô hình Kết quả
(1) (2)
(3)
Hình 1-4: Quá trình mô phỏng
{2} Nghiên cứu mô hình (tính toán, thực nghiệm...) để rút ra những hệ quả lý thuyết, kết luận về đối t−ợng nghiên cứu.
Sau khi mô hình đ−ợc xây dựng, ng−ời ta áp dụng những ph−ơng pháp lý thuyết hoặc thực nghiệm khác nhau từ t− duy trên mô hình và thu đ−ợc kết quả, những thông tin mới. Đối với các mô hình vật chất thì ng−ời ta làm thí nghiệm thực trên mô hình. Còn đối với những mô hình lý tưởng thì tiến hành thao tác trên mô hình trong óc, tức là áp dụng những phép tính hay những phép phân tích logic trên các ký hiệu. Ng−ời ta coi công việc này nh− làm một thí nghiệm đặc biệt gọi là thí nghiệm tưởng tưởng. Thí nghiệm tưởng tưởng tuy không có thật nh−ng có thể thực hiện đ−ợc và có vai trò rất lớn trong khoa học. Những thí nghiệm đó đ−ợc sáng tạo ra để giải thích những vấn đề đặc biệt quan trọng, bất kể là thực tế ta có thể thực hiện đ−ợc thí nghiệm đó hay không. Dĩ nhiên, diều quan trọng là thí nghiệm đó có thể thực hiện đ−ợc về nguyên tắc, mặc dù kỹ thuật thực nghiệm của nó có thể rất phức tạp.
Trong ph−ơng pháp mô hình khái niệm ng−ời ta biết tr−ớc hành vi của mô hình trong những điều kiện xác định. Điều người ta muốn biết thêm là hệ quả của những hành vi đó nh− thế nào.
{3} Đối chiếu kết quả thu đ−ợc trên mô hình với kết quả thực tiễn đồng thời xét tình hợp thức của mô hình. Trong tr−ờng hợp kết quả không phù hợp với thực tiễn phải chọn lại mô hình.
Nếu bản thân mô hình là một phần tử cấu tạo của nhận thức thì cần phải kiểm tra sự đúng đắn của nó bằng cách đối chiếu kết quả thu đ−ợc từ mô hình với những kết quả thu đ−ợc trực tiếp từ đối t−ợng gốc. Nếu sai lệch thì phải
điều chỉnh ngay chính mô hình, có trường hợp phải bỏ hẳn mô hình đó và thay bằng một mô hình khác.
Nếu bản thân của mô hình không phải là đối t−ợng của nhận thức mà chỉ là phương tiện để nghiên cứu thì việc xử lý kết quả, hợp thức mô hình là phải phân tích những kết quả thu đ−ợc trên mô hình thành những thông tin
thực về đối t−ợng nghiên cứu (ví dụ nh− mô hình kỹ thuật, mô hình toán học,...) nếu những thông tin ấy không phù hợp thì cũng phải chỉnh lý lại mô
h×nh.
Trong nhiều tr−ờng hợp mô hình chỉ phản ánh đ−ợc một hay một số mặt của đối t−ợng nghiên cứu, còn nhiều mặt khác thì không phản ánh đ−ợc, thậm chí phản ảnh sai lệch.
Những mô hình đã đ−ợc kiểm nghiệm trong thực tế là những mô hình hợp thức và dùng để phản ánh một số mặt của thực tế khách quan. Nó có thể thay đổi, hoàn chỉnh thêm hoặc bị bác bỏ khi người ta có thêm những thông tin chính xác hơn về đối t−ợng gốc (nguyên hình).
Để việc mô hình hoá đạt hiệu quả, ngoài yêu cầu về tính đơn giản và trực quan của mô hình, cần chú ý đến tính hợp thức của mô hình so với nguyên hình; có thể chuyển kết quả nhận đ−ợc khi nghiên cứu mô hình sang
đối t−ợng nghiên cứu.
1.2.5.2. Ph−ơng pháp mô phỏng với sự trở giúp của máy tính (Mô phỏng số) Ngày nay, nhờ các máy tính điện tử có tốc độ tính toán nhanh, dung lượng bộ nhớ lớn, công với kỹ thuật lập trình hiện đại mà người ta có thể xây dựng đ−ợc các mô hình có tính hợp thức cao với đối t−ợng cần nghiên cứu.
Đặc biệt, phương pháp mô phỏng số là phương pháp hữu hiệu để nghiên cứu những đối t−ợng có cấu trúc phức tạp, các đối t−ợng mà trong đó có các biến ngẫu nhiên. Ví dụ: mô hình một trạm sửa xe ôtô với số l−ợng ôtô đến kiểm tra và sửa chữa, tình trạng hỏng hóc của mỗi xe, thời gian sửa chữa cho mỗi xe
đều là các biến ngẫu nhiên.
Bản chất của ph−ơng pháp mô phỏng số là xây dựng một mô hình số (mô hình thể hiện bằng chương trình của máy tính) cho đối tượng cần nghiên cứu (nguyên hình), sau đó người ta tiến hành thực nghiệm trên mô hình, kết quả nhận đ−ợc trên mô hình cần hợp thức với nguyên hình.
* Phân loại ph−ơng pháp mô phỏng số:
− Ph−ơng pháp mô phỏng liên tục: tín hiệu vào là liên tục và việc mô
phỏng tr−ớc đây th−ờng thực hiện trên máy tính t−ơng tự thì hiện nay việc mô phỏng đ−ợc thực hiện trên máy tính số. Mô hình toán học
đ−ợc biểu diễn bằng ph−ơng trình vi phân, tích phân.
− Ph−ơng pháp mô phỏng rời rạc: các biến liên tục đ−ợc rời rạc hoá, nhận đ−ợc các giá trị gian đoạn theo thới gian. Mô hình đ−ợc biểu diễn bằng ph−ơng trình sai phân.
* Quá trình mô phỏng số.
Quá trình mô phỏng số đ−ợc biểu diễn nh− sau:
Đối t−ợng nghiên cứu Mô hình nguyên lý Mô hình trên máy tính
Kết quả
Thử nghiệm và so sánh
Hình 1-5: Quá trình mô phỏng số
Những b−ớc chính của quá trình mô phỏng số bao gồm:
{1} Từ mục đích nghiên cứu ta thu thập các thông tin, dữ liệu cần thiết của đối tượng và các yếu tố tác động (môi trường), trên cơ sở đó xây dựng mô hình nguyên lý (phản ánh bản chất của đối t−ợng nghiên cứu).
{2} Mô hình máy tính: tiến hành lập trình để xây dựng mô hình trên máy tính (là những ch−ơng trình chạy trên máy tính). Các ch−ơng trình này đ−ợc viết bằng các ngôn ngữ cao cấp thông dụng nh− Visual Basic, Visual C++, Pascal ...
{3} Lập kế hoạch thực nghiệm (số lần thử nghiệm, thời gian mô phỏng), hiệu chỉnh kế hoạch thực hiện để đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu. Thử nghiệm mô phỏng: cho chương trình chạy để lấy kết quả. Kết quả đó được biểu diễn
đưới dạng kết quả hoặc đồ thị. Cần lưu ý kết quả sẽ mang tính “đánh giá”
chính xác nếu bước tính tăng lên đủ lớn.
{4} Sau khi cài đặt chương trình, chạy thử xem mô hình có phản ánh đúng đặc tính của đối t−ợng không. Nếu cần, phải sửa chữa lại các lỗi phần lập trình.
Sau khi chạy thử, nếu mô hình trên máy tính không đạt yêu cầu phải xây dựng lại mô hình nguyên lý.
Để tiện lợi cho việc chế tạo và sử dụng mô phỏng, người ta đã phát triển nhiều phần mềm chế tạo mô phỏng chuyên dùng gồm nhiều khối chuẩn. Ví dụ trong điều khiển học người ta thường sử dụng chương trình Matlab Simulik để mô phỏng; người sử dụng chỉ việc chọn các khối có sẵn, thay đổi tham số trong đó và dùng các kết nối khối, cho mô hình chạy trong thời gian cần thiết và nhận đ−ợc kết quả ở dạng đồ thị, ma trận,.... Trong việc tạo các phim hoạt hình mô phỏng cũng có nhiều phần mềm chuyên dụng nh− 3D Studio, Media Studio Pro của Ulead ....
Ưu điểm của các ngôn ngữ mô phỏng là: thời gian xây dựng ch−ơng trình ngắn, để bổ sung sửa chữa sai sót, các kết quả đ−ợc xử lý tốt, thuận tiện cho việc sử dụng. Tuy nhiên, việc sử dụng ngôn ngữ cao cấp hoặc phần mền chuyên dụng vào việc dạy học còn gặp một số khó khăn nh− việc lập trình mô
phỏng phức tạp, yêu cầu giao viên phải có trình độ máy tính tương đối thành thạo. Mặt khác, các phần mềm chuyên dụng thông th−ờng chiếm bộ nhớ lớn, vì vậy việc cài đặt các máy tính thông dụng không thuận tiện. Vì thế, một vấn
đề đặt ra là cần xây dựng những phần mền thiết thực, đơn giả trong sử dụng, phù hợp với ch−ờng trình học tập và điều kiện hiện có của tr−ờng.