Đề tài Ứng dụng các nguyên tắc sáng tạo trong quá trình hình thành và phát triển máy tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG  PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Đề tài: Ứng Dụng Các Nguyên Tắc Sáng Tạo Trong Quá Trình Hình Thành Và Phát Triển Máy Tính Giảng viên: GS. TSKH. HOÀNG VĂN KIẾM Học viên thực hiện: NGUYỄN VŨ HUY Mã số học viên: CH1101094 Lớp: Cao học khóa 6 TP. Hồ Chí Minh 04 / 2012 LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta đang sống trong một kỉ nguyên của khoa học công nghệ với sự bùng nổ thông tin. Khoa học công nghệ đã trở thành động lực và công cụ thúc đẩy sự tiến bộ của nhân loại. Thông qua hoạt động nghiên cứu, con người không ngừng tìm tòi, sáng tạo ra những sản phẩm mới đáp ứng nhu cầu của xã hội. Phương pháp luận sáng tạo khoa học đóng vai trò định hướng hoạt động sáng tạo của con người cũng vì thế mà trở nên quan trọng. Phương pháp luận sáng tạo khoa học là phần ứng dụng của Khoa học về sáng tạo, bao gồm hệ thống các phương pháp và kỹ năng cụ thể giúp nâng cao năng suất và hiệu quả, qua đó tiến tới điều khiển tư duy sáng tạo của con người. Trong phạm vi bài tiểu luận, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu nội dung cùng một vài dẫn chứng minh họa về những nguyên tắc sáng tạo khoa học cơ bản. Sự vận dụng những nguyên tắc sáng tạo khoa học trong tin học được trình bày chi tiết qua một ví dụ sáng tạo điển hình – Máy tính và lịch sử hình thành máy tính. Em xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Hoàng Kiếm, người đã tận tâm truyền đạt những kiến thức nền tảng cho chúng em trong môn học “Phương nghiên cứu khoa học trong tin học”. Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô của trường ĐH CNTT cùng các bạn trong lớp đã đóng góp những ý kiến bổ ích, tạo điều kiện để em hoàn thành bài tiểu luận. MỤC LỤC I. CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO KHOA HỌC CƠ BẢN ................................ 1 1. Nguyên tắc phân nhỏ............................................................................................. 1 2. Nguyên tắc tách khỏi đối tượng ............................................................................ 1 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ ............................................................................... 1 4. Nguyên tắc phản (bất) đối xứng ............................................................................ 1 5. Nguyên tắc kết hợp................................................................................................ 2 6. Nguyên tắc vạn năng ............................................................................................. 3 7. Nguyên tắc “chứa trong” ....................................................................................... 3 8. Nguyên tắc phản trọng lượng ................................................................................ 3 9. Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ.............................................................................. 4 10. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ................................................................................ 4 11. Nguyên tắc dự phòng. ........................................................................................ 4 12. Nguyên tắc đẳng thế........................................................................................... 4 13. Nguyên tắc đảo ngược ....................................................................................... 5 14. Nguyên tắc cầu (tròn) hoá.................................................................................. 5 15. Nguyên tắc linh động ......................................................................................... 5 16. Nguyên tắc giải (tác động) “thiếu” hoặc “thừa” ................................................ 5 17. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác .................................................................. 6 18. Sử dụng các dao động cơ học ............................................................................ 6 19. Nguyên tắc tác động theo chu kỳ....................................................................... 6 20. Nguyên tắc liên tục tác động có ích ................................................................... 7 21. Nguyên tắc “vượt nhanh” .................................................................................. 7 22. Nguyên tắc biến hại thành lợi ............................................................................ 7 23. Nguyên tắc quan hệ phản hồi............................................................................. 7 24. Nguyên tắc sử dụng trung gian .......................................................................... 8 25. Nguyên tắc tự phục vụ ....................................................................................... 9 26. Nguyên tắc sao chép (copy) ............................................................................. 10 27. Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt” ....................................................................... 11 28. Thay thế sơ đồ (kết cấu) cơ học ....................................................................... 11 29. Sử dụng các kết cấu khí và lỏng ...................................................................... 11 30. Sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng........................................................................ 11 31. Sử dụng các vật liệu nhiều lỗ ........................................................................... 12 32. Nguyên tắc thay đổi màu sắc ........................................................................... 12 33. Nguyên tắc đồng nhất ...................................................................................... 12 34. Nguyên tắc phân hủy hoặc tái sinh các phần ................................................... 13 35. Thay đổi các thông số hoá lý của đối tượng .................................................... 13 36. Sử dụng chuyển pha......................................................................................... 14 37. Sử dụng sự nở nhiệt ......................................................................................... 14 38. Sử dụng các chất ôxy hoá mạnh ...................................................................... 14 39. Thay đổi độ trơ................................................................................................. 14 40. Sử dụng các vật liệu hợp thành (composite).................................................... 14 II. ỨNG DỤNG CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO KHOA HỌC TRONG TIN HỌC – MÁY TÍNH VÀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH MÁY TÍNH............................ 15 1. Sơ lược về máy tính............................................................................................. 15 2. Các giai đoạn phát triển của máy tính ................................................................. 15 2.1. Thế hệ thứ nhất – Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1946 - 1955) ..... 16 2.2. Thế hệ thứ 2 – Máy tính dùng bóng bán dẫn transistor (1956 – 1965).......... 19 2.3. Thế hệ thứ 3 – Máy tính dùng vi mạch tích hợp SSI, MSI và LSI (1966-1980) 20 2.4. Thế hệ thứ 4 – Máy tính dùng vi mạch VLSI (1981 – nay)........................... 23 3. Xu hướng phát triển trong tương lai.................................................................... 26 4. Sự vận dụng các nguyên tắc sáng tạo khoa học trong các giai đoạn phát triển của máy tính...................................................................................................................... 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 34 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 – PadFone năm 2012. ....................................................................................... 2 Hình 1.2 – Samsung Galaxy Beam.................................................................................. 3 Hình 1.3 – Giao diện Profile mạng xã hội facebook năm 2007. ..................................... 9 Hình 1.4 – Một cảnh trong bộ phim 2012. .................................................................... 10 Hình 1.5 – Công nghệ nhận dạng giọng nói Siri trong iPhone 4S. ............................... 13 Hình 2.1 – Các giai đoạn phát triển máy tính................................................................ 15 Hình 2.2 – Máy tính ENIAC - 1946 .............................................................................. 16 Hình 2.3 – Máy Von Neumann thế hệ đầu tiên............................................................. 18 Hình 2.4 – Máy IBM 1401 ............................................................................................ 20 Hình 2.5 – IBM System/360 – Năm 1964..................................................................... 22 Hình 2.6 – Máy Apple 1 năm 1976. .............................................................................. 22 Hình 2.7 – Một mạch tích hợp VLSI............................................................................. 23 Hình 2.8 – Máy tính cá nhân của IBM năm 1981. ........................................................ 24 Hình 2.9 – HP 150 năm 1983. ....................................................................................... 24 Hình 2.10 – Máy tính Deep Blue năm 1997.................................................................. 25 Hình 2.11 – iPhone 2007 của Apple.............................................................................. 25 Hình 2.12 – iPad 2010 của Apple.................................................................................. 26 Hình 2.13 – Máy PDI-1 năm 1960 ................................................................................ 31 Hình 2.14 – IC vi điều khiển 8-bit 8742 của Intel......................................................... 31 Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 1 I. CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO KHOA HỌC CƠ BẢN 1. Nguyên tắc phân nhỏ Nội dung - Chia đối tượng thành các phần độc lập. - Làm đối tượng trở nên tháo lắp được. - Tăng mức độ phân nhỏ của đối tượng. Ví dụ Trong quá trình truyền nhận file giữa các máy tính trên mạng internet, file được phân nhỏ thành các gói (packages) để gửi đi. Tương tự, khi upload một file có dung lượng lớn lên internet, file cũng được phân nhỏ, upload từng phần để tiện trong upload và download. 2. Nguyên tắc tách khỏi đối tượng Nội dung Tách phần gây “phiền phức” (tính chất “phiền phức”) hay ngược lại, tách phần duy nhất “cần thiết” (tính chất “cần thiết”) ra khỏi đối tượng. 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ Nội dung - Chuyển đối tượng (hay môi trường bên ngoài, tác động bên ngoài) có cấu trúc đồng nhất thành không đồng nhất. - Các phần khác nhau của đối tượng phải có các chức năng khác nhau. - Mỗi phần của đối tượng phải ở trong những điều kiện thích hợp nhất của công việc. 4. Nguyên tắc phản (bất) đối xứng Nội dung - Chuyển đối tượng có hình dạng đối xứng thành không đối xứng (nói chung làm giảm bậc đối xứng). - Nếu đối tượng phản đối xứng, tăng mức độ phản đối xứng (giảm bậc đối xứng). Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 2 5. Nguyên tắc kết hợp Nội dung - Kết hợp các đối tượng đồng nhất hoặc các đối tượng dùng cho các hoạt động kế cận. - Kết hợp về mặt thời gian các hoạt động đồng nhất hoặc kế cận. Ví dụ - Apple store, kho ứng dụng tập hợp các ứng dụng cho các dòng sản phẩm của Apple như iPhone, iPad. - PadFone - Máy tính bảng “ba trong một”: Asus PadFone vừa có màn ra mắt chính thức tại MWC 2012 và nổi bật bởi thiết kế độc đáo “phá vỡ mọi quy luật” của mình. Về cơ bản, PadFone là một chiếc máy tính bảng “lai” điện thoại nhưng 2 thiết bị chính của máy có thể hoạt động độc lập. Khi được kết hợp với nhau, chiếc điện thoại 4,3 inch sẽ đóng vai trò là trung tâm xử lý cho chiếc máy tính bảng 10,1 inch. Smartphone sẽ bổ sung kết nối 3G, camera chụp ảnh 8 megapixel cho tablet, ngược lại tablet sẽ có nhiệm vụ sạc pin cho smartphone. Ngoài ra, Asus sẽ bán kèm bàn phím PadFone Station Dock cho những ai muốn biến PadFone thành một chiếc máy tính xách tay đích thực. Hình 1.1 – PadFone năm 2012. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 3 6. Nguyên tắc vạn năng Nội dung Đối tượng thực hiện một số chức năng khác nhau, do đó không cần sự tham gia của đối tượng khác. Ví dụ Samsung Galaxy Beam - Smartphone được tích hợp máy chiếu dạng LED, cho phép chiếu nội dung lên màn chiếu rộng đến 50 inch. Máy chiếu này sẽ trình diễn tất cả các nội dung đang hiển thị trên màn hình smartphone, với độ sáng và chất lượng ấn tượng. Hình 1.2 – Samsung Galaxy Beam 7. Nguyên tắc “chứa trong” Nội dung - Một đối tượng được đặt bên trong đối tượng khác và đối tượng khác đó lại chứa đối tượng thứ ba ... - Một đối tượng chuyển động xuyên suốt bên trong đối tượng khác. 8. Nguyên tắc phản trọng lượng Nội dung - Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng cách gắn nó với các đối tượng khác, có lực nâng. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 4 - Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng tương tác với môi trường như sử dụng các lực thủy động, khí động. 9. Nguyên tắc gây ứng suất sơ bộ Nội dung - Gây ứng suất trước với đối tượng để chống lại ứng suất không cho phép hoặc không mong muốn khi đối tượng làm việc (hoặc gây ứng suất trước để khi làm việc sẽ dùng ứng suất ngược lại). - Nếu theo điều kiện bài toán cần thực hiện tác động nào đó, cần thực hiện phản tác động trước. 10. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ Nội dung - Thực hiện trước sự thay đổi cần có, hoàn toàn hoặc từng phần, đối với đối tượng. - Cần sắp xếp đối tượng trước, sao cho chúng có thể hoạt động từ vị trí thuận lợi nhất, không mất thời gian dịch chuyển. 11. Nguyên tắc dự phòng. Nội dung Bù đắp độ tin cậy không lớn của đối tượng bằng cách chuẩn bị trước các phương tiện báo động, ứng cứu, an toàn. Ví dụ Chức năng đồng hồ báo thức trong các loại điện thoại thường có chế độ lặp đi lặp lại để dự phòng trường hợp người sử dụng ngủ quên. 12. Nguyên tắc đẳng thế Nội dung Thay đổi điều kiện làm việc để không phải nâng lên hay hạ xuống các đối tượng Giải thích Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 5 Quỹ tích của những điểm có cùng một thế năng, gọi là mặt đẳng thế. Trong vật lý người ta đã chứng minh được rằng, một vật chuyển động trên mặt đẳng thế thì không sinh công. 13. Nguyên tắc đảo ngược Nội dung - Thay vì hành động như yêu cầu bài toán, hãy hành động ngược lại (ví dụ: không làm nóng mà làm lạnh đối tượng). - Làm phần chuyển động của đối tượng (hay môi trường bên ngoài) thành đứng yên và ngược lại, phần đứng yên thành chuyển động. - Lật ngược đối tượng (chân thành đầu, đầu thành chân), lộn trái đối tượng (trong thành ngoài, ngoài thành trong). 14. Nguyên tắc cầu (tròn) hoá Nội dung - Chuyển những phần thẳng của đối tượng thành cong, mặt phẳng thành mặt cầu, kết cấu hình hộp thành kết cấu hình cầu. - Sử dụng các con lăn, viên bi, vòng xoắn. - Chuyển sang chuyển động quay, sử dụng lực ly tâm. 15. Nguyên tắc linh động Nội dung - Cần thay đổi các đặt trưng của đối tượng hay môi trường bên ngoài sao cho chúng tối ưu trong từng giai đoạn làm việc. - Phân chia đối tượng thành từng phần, có khả năng dịch chuyển đối với nhau. - Nếu đối tượng nhìn chung bất động, làm nó di động được. 16. Nguyên tắc giải (tác động) “thiếu” hoặc “thừa” Nội dung Nếu khó nhận được 100% hiệu quả cần thiết, nên nhận ít hơn hoặc nhiều hơn “một chút”. Lúc đó bài toán có thể trở nên đơn giản hơn và dễ giải hơn một cách đáng kể. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 6 17. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác Nội dung - Những khó khăn do chuyển động (hay sắp xếp) đối tượng theo đường (một chiều) sẽ được khắc phục nếu cho đối tượng khả năng di chuyển trên mặt phẳng (hai chiều). Tương tự, những bài toán liên quan đến chuyển động (hay sắp xếp) các đối tượng trên mặt phẳng sẽ được đơn giản hoá khi chuyển sang không gian (ba chiều). - Chuyển các đối tượng có kết cấu một tầng thành nhiều tầng. - Đặt đối tượng nằm nghiêng. - Sử dụng mặt sau của diện tích cho trước. - Sử dụng các luồng ánh sáng tới diện tích bên cạnh hoặc tới mặt sau của diện tích cho trước. Ví dụ Ở các dòng điện thoại, máy tính bảng cảm ứng, màn hình có thể xoay cả 4 hướng, tùy vào mục đích, ý muốn của người sử dụng. 18. Sử dụng các dao động cơ học Nội dung - Làm đối tượng dao động. Nếu đã có dao động, tăng tầng số dao động ( đến tầng số siêu âm). - Sử dụng tầng số cộng hưởng. - Thay vì dùng các bộ rung cơ học, dùng các bộ rung áp điện. - Sử dụng siêu âm kết hợp với trường điện từ. 19. Nguyên tắc tác động theo chu kỳ Nội dung - Chuyển tác động liên tục thành tác động theo chu kỳ (xung) - Nếu đã có tác động theo chu kỳ, hãy thay đổi chu kỳ. - Sử dụng khoảng thời gian giữa các xung để thực hiện tác động khác. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 7 Ví dụ Trong lập trình, lập trình viên thường sử dụng bộ định thời (timer) để thực hiện các thao tác lập đi lập lại theo chu kỳ. 20. Nguyên tắc liên tục tác động có ích Nội dung - Thực hiện công việc một cách liên tục (tất cả các phần của đối tượng cần luôn luôn làm việc ở chế độ đủ tải). - Khắc phục vận hành không tải và trung gian. - Chuyển chuyển động tịnh tiến qua lại thành chuyển động quay. 21. Nguyên tắc “vượt nhanh” Nội dung - Vượt qua các giai đoạn có hại hoặc nguy hiểm với vận tốc lớn. - Vượt nhanh để có được hiệu ứng cần thiết. 22. Nguyên tắc biến hại thành lợi Nội dung - Sử dụng những tác nhân có hại (Ví dụ: tác động có hại của môi trường) để thu được hiệu ứng có lợi. - Khắc phục tác nhân có hại bằng cách kết hợp nó với tác nhân có hại khác. - Thay đổi tác nhân có hại đến mức nó không còn có hại nữa. 23. Nguyên tắc quan hệ phản hồi Nội dung - Thiết lập quan hệ phản hồi - Nếu đã có quan hệ phản hồi, hãy thay đổi (hoàn thiện) nó. Ví dụ - Trong kỹ thuật dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến ra đa, người ta truyền đi một chùm xung vô tuyến có cường độ lớn và thu sóng phản xạ lại bằng máy thu. Bằng cách phân tích sóng phản xạ, vật phản xạ được định vị, và đôi khi được xác định hình dạng. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 8 - Động cơ turbin phản lực thường được dùng làm động cơ đẩy cho máy bay. Không khí được đưa vào bên trong những máy nén quay thông qua cửa hút khí và được nén tới áp suất cao trước khi đi vào buồng đốt. Ở đây không khí trộn với nhiên liệu và được đốt cháy. Quá trình cháy này khiến nhiệt độ khí tăng lên rất nhiều. Các sản phẩm cháy nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng đốt và chạy qua turbin để làm quay máy nén. Luồng khí bên trong turbin thoát ra ngoài thông qua ống thoát khí, tạo ra một lực đẩy phản lực ngược chiều. Nếu tốc độ phản lực vượt quá tốc độ bay, máy bay sẽ có được lực đẩy tiến về phía trước. 24. Nguyên tắc sử dụng trung gian Nội dung - Sử dụng đối tượng trung gian, chuyển tiếp để mang, truyền tác động - Tạm thời gắn đối tượng cho trước với đối tượng khác, dễ tách rời sau đó. Ví dụ - Ở một số dòng điện thoại, dây kết nối với máy tính và dây sạc pin là một. Khi sạc pin, người ta dùng thêm một bộ phận sạc, một đầu kết nối với dây sạc, một đầu được cắm vào nguồn điện. - Cùng với sự phát triển của đời sống, nhu cầu kết bạn, giao lưu của con người ngày càng cao. Do đó, mạng xã hội ra đời. Mạng xã hội (Facebook, Twitter…) là dịch vụ nối kết các thành viên cùng sở thích trên Internet lại với nhau với nhiều mục đích khác nhau không phân biệt không gian và thời gian. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 9 Hình 1.3 – Giao diện Profile mạng xã hội facebook năm 2007. 25. Nguyên tắc tự phục vụ Nội dung - Đối tượng phải tự phục vụ bằng cách thực hiện các thao tác phụ trợ, sửa chữa. - Sử dụng phế liệu, chát thải, năng lượng dư. Ví dụ Để tiết kiệm điện năng, điện thoại tự động tắt đèn màn hình sau một khoảng thời gian không sử dụng. Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Trang 10 26. Nguyên tắc sao chép (copy) Nội dung - Thay vì sử dụng những cái không được phép, phức tạp, đắt tiền, không tiện lợi hoặc dễ vỡ, sử dụng bản sao. - Thay thế đối tượng hoặc hệ các đối tượng bằng bản sao quang học (ảnh, hình vẽ) với các tỷ lệ cần thiết. - Nếu không thể sử dụng bả