Ứng dụng mô phỏng trong giáo dục

1 ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG TRONG GIÁO DỤC TS. LÊ HUY TÙNG, CN.LƯƠNG THỊ HẠNH Viện Sư phạm kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Tóm tắt: Bài báo nhằm giới thiệu việc ứng dụng mô phỏng trong giáo dục. Bài báo tổng kết các quan điểm phân loại mô phỏng và chỉ ra cách thức ứng dụng nó trong giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng giáo dục. Đặc biệt, việc ứng dụng mô phỏng phù hợp với quan điểm lấy người học làm trung tâm và học tập suốt đời. Bài báo cũng trình bày cách các bước xây dựng mô hình mô phỏng, một trong những công việc có tính chất quyết định đến chất lượng của mô phỏng. Summary: The paper introduces an application of simulation in science education. The summary of simulation categories in the literature is also given and shows how to use it in the teching and learning to enhance the educational performance. An applicationn of simulation in education is suitable with student-centered and lifelong learning approaches. The paper discribe the step for designing simulation model which is the most important task in simulation. Mô phỏng được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như trong công nghiệp nghệ nhằm tối ưu chất lượng, kỹ thuật an toàn, kiểm tra; trong giáo dục và đào tạo, đặc biệt gần đây được ứng dụng khá rộng rãi trong thiết kế các trò chơi. Việc ứng dụng kỹ thuật mô phỏng trong dạy học tạo nên một phương pháp dạy học hiện đại, đó là viêc dạy về các khía cạnh khác nhau của thế giới bằng việc bắt chước hoặc sao chép nó. Sinh viên không những hình thành động cơ học tập từ việc mô phỏng mà còn học bằng cách tương tác với chúng theo cách tương tự mà họ sẽ tương tác trong các tình huống thực tế [1]. Trong hầu hết các trường hợp, mô phỏng thường được đơn giản hóa thực tế bằng cách bỏ qua hoặc thay đổi một vài chi tiết. Trong thế giới đã được đơn giản hóa, sinh viên giải quyết các vấn đề, học các khái niệm, quy trình, và hiểu được bản chất của hiện tượng cũng như việc điều khiển chúng, hoặc qua đó học cách xử lý trong các tình huống khác nhau. 1. Phân loại mô phỏng Như vậy, việc mô phỏng đã được giản hóa thế giới thực bằng cách bỏ qua hoặc thay đổi một vài chi tiết. Trong giáo dục, mô phỏng là công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc dạy học, trong đó các thành phần không mong muốn của các tình huống thực đã được loại bỏ nhằm đạt chuẩn đầu của đào tạo. Sự đơn giản đó cho phép người học tập trung vào thông tin hoặc kỹ năng then chốt và làm cho việc học tập dễ dàng hơn [2]. Quan điểm này cho rằng sử dụng mô phỏng là rất thích đáng cho việc hoàn thiện hành vi và nhận thức. 2 Nói một cách khác, các tác giả theo trường phái giáo dục kiến tạo (constructive pedagogy) mô tả mô phỏng giáo dục như là kịch bản tái tạo của cuộc sống thực trên máy tính, trong đó sinh viên đóng vai trò chính tạo ra những nhiệm vụ phức tạp [3]. Theo cách nhìn này, mô phỏng sẽ phản ánh tổ hợp của thế giới thực mà sinh viên phải nỗ lực và học các kỹ năng nhận thức ở mức cao hơn như điều tra, là kỹ năng được nhìn nhận là chủ yếu cho việc học khoa học. Các mô phỏng này tạo cho người học có môi trường mà họ chỉ đạo một số nhiệm vụ tích hợp để qua đó họ học các kỹ năng phức tạp ở các vấn đề xác thực hoặc thông qua các hướng dẫn . Phần mềm mô phỏng BioWorld [4] là một ví dụ minh họa cho cách tiếp cận này. Mô phỏng đươc phân ra 4 loại [ 5]. Mô phỏng kinh nghiệm (experiencing simulations) được sử dụng để thiết lập nhận thức hoặc giai đoạn học hiệu quả cho học trong tương lai. Mô phỏng khai báo (informing simulations) được sử dụng để truyền thông tin tới sinh viên. Tuy nhiên, việc mô phỏng này chỉ hiệu quả khi có sự trợ giúp của giáo viên. Mô phỏng khai báo sẽ hợp lý hơn khi kèm với môi trường hỗ trợ, chẳng hạn như lớp học hoặc phòng thí nghiệm. Mô phỏng củng cố (reinforcing simulation) sử dụng cho các đối tượng học đặc biệt. Định dạng thông thường của mô phỏng củng cố là rèn luyện và luyện tập. Một loạt các bài tập được tạo ra hoặc lưu trữ được đưa ra để các sinh viên thực hiện. Mô phỏng này có thể được thiết kế để điều chỉnh mức độ kiến thức của sinh viên và theo dõi quá trình học tập của sinh viên. Sử dụng mô phỏng tích hợp (integrating simulation) thích hợp nhất cho việc hình thành kỹ năng chẩn đoán. Trong nghiên cứu, đầu tiên sinh viên học các nguyên lý và thông tin thực tế đòi hỏi, sau đó sử dụng mô phỏng để liên kết và áp dụng các kiến thức đó. Mô phỏng cũng có thể được phân làm 2 loại là mô phỏng ký hiệu (symbolic simulation) và mô phỏng thực nghiệm (experiental simulation) [6]. Theo cách phân loại này thì mô phỏng ký hiệu, sinh viên không tham gia một cách chủ động vào môi trường của chương trình. Trong khi đó, mô phỏng thực nghiệm đưa sinh viên sâu vào môi trường thay đ ổi, phức tạp mà trong đó sinh viên là các thành phần chủ động. Chúng cho phép sinh viên thi hành các chiến lược giải quyết vấn đề đa chiều như một phần vai trò của họ trong chương trình. Chúng cũng cung cấp cho người học các cơ hội để phát triển nhận thức bằng cách học cách tổ chức và quản lý việc học cũng như suy nghĩ. Mô phỏng thực nghiệm có thể thực hiện một cách độc lập hoặc hợp tác theo nhóm dựa vào vai trò tự nhiên của người tham gia và các loại quyết định và tương tác trong bài tập. Mô phỏng máy tính chia thành các loại chính: mô phỏng chứa mô hình khái niệm, và mô phỏng dựa trên mô hình hoạt động [7]. Mô hình khái niệm chứa đựng các nguyên lý, khái niệm, và các sự kiện liên quan tới hệ thống được mô phỏng. Mô hình hoạt động bao gồm chuỗi các quy trình hoạt động nhận thức và không nhận thức mà có thể áp dụng vào các hệ thống được mô phỏng. Mô hình hoạt động thường được sử dụng cho việc học thực nghiệm; trong khi học khám phá thường 3 dùng mô phỏng khái niệm. Ngoài ra, có thể có thể chia thành nhiều loại mô hình khác như mô hình định tính, mô hình định lượng; mô hình liên tục, mô hình rời rạc; mô hình tĩnh và mô hình động lực học. Mô phỏng máy tính phản ánh các giáo dục chỉ dẫn (instructive pedagogy). Các mô phỏng mà người học như là người chơi bên ngoài trên các điều kiện được cung cấp là sự chỉ dẫn một cách tự nhiên. Mô phỏng chỉ dẫn có thể bao gồm các mô phỏng thông tin, các mô phỏng củng cố, các mô phỏng thực nghiệm, các mô phỏng ký hiệu, và các mô phỏng hoạt động. Mô phỏng kiến tạo cung cấp cho người học môi trường theo bối cảnh theo cách chúng có thể xảy ra và thực hiện các vai trò. Theo đó mô phỏng tích hợp, mô phỏng kinh nghiệm, và mô phỏng khái niệm có thể phản ánh mô phỏng kiến tạo. Bảng 1 trình bày sự liên hệ giữa các loại mô phỏng được mô tả ở trên và 2 loại giáo dục chính: chỉ dẫn và kiến tạo. Bảng 1. Phân loại mô phỏng và giáo dục liên quan Chỉ dẫn Kiến tạo Mô phỏng khai báo Mô phỏng củng cố Mô phỏng kinh nghiệm Mô phỏng tích hợp Mô phỏng ký hiệu Mô phỏng thực nghiệm Mô phỏng hoạt động Mô phỏng khái niệm 2. Sử dụng mô phỏng máy tính trong khoa học giáo dục Mô phỏng trên máy tính giúp sinh viên có cơ hội để quan sát gián tiếp thế giới thực và tương tác với nó. Trong lớp học, mô phỏng có thể đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các thí nghiệm ảo và các yêu cầu. Các vấn đề đưa ra dựa trên mô phỏng cho phép sinh viên giám sát các thí nghiệm, kiểm tra các mô hình mới và nâng cao nhận biết trực giác của họ về các hiện tượng phức tạp. Mô phỏng có thể sử dụng cho các công việc mà không thể làm được trong thực tế, các công việc đòi hỏi chi phí cao, hoặc các công việc quá nguy hiểm nếu làm trong thực tế. Mô phỏng có thể đóng góp vào việc thay đổi khái niệm; cung cấp các kinh nghiệm không hạn chế cho các sinh viên, cung cấp các công cụ cho nhu cầu nghiên cứu khoa học. Các hợp lý nhất để mô phỏng trong khoa học giáo dục là sử dụng chúng như một tài liệu bổ sung. Kennepohl (2001) đã kiểm tra lợi ích của việc mô phỏng bằng máy tính trong khóa học về hóa học đại cương ở năm đầu tiên. Ông ấy nhận ra rằng sự kết nối của mô phỏng và phòng thí nghiệm thường rút ngắn thời gian rất nhiều, theo đó phần trong phòng thí nghiệm có thể được giảm đáng kể và sinh viên sử dụng mô phỏng có kiến thức về kỹ năng thực hành tốt hơn một chút so với chỉ làm việc trực tiếp trong phòng thí nghiệm. Mặt khác, trong một vài trường hợp, mô phỏng chỉ là các công cụ sử dụng như thí nghiệm đối với các trường hợp nguy hiểm hoặc phải làm việc trong thời gian 4 lâu dài. Theo Mintz (1993), một trong những ứng dung máy tính có triển vọng nhất trong quy trình làm khoa học là sử dụng mô phỏng làm phương tiện dạy học khi mà các không thể dạy được bằng các phương pháp truyền thống, khi đó cần phải trả lời được câu hỏi là mô phỏng có thể hiệu quả hơn khi sử dụng các phương pháp truyền thống hoặc thay thế các phương pháp truyền thống hay không? Câu trả lời sẽ là nó phụ thuộc vào khái niệm hoặc tình huống. Ví dụ, Choi & Gennaro (1987) đã so sánh tính hiệu quả của các kỹ năng có được khi mô phỏng bằng máy tính với các kỹ năng có được khi làm việc trong phòng thí nghiệm cho việc dạy khái niệm độ dịch chuyển âm lượng của học sinh trung học cơ sở. Họ đã phát hiện ra rằng các kỹ năng có được khi sử dung mô phỏng cũng như khi làm việc trong phòng thí nghiệm. Điều này nảy ra một gợi ý là có thể sử dụng thí nghiệm bằng mô phỏng ở những nơi có phòng thí nghiệm trong việc giảng dạy các khái niệm như độ dịch chuyển âm lượng và kết quả nhận được là tương đương. Điều này cũng gợi ý rằng mô phỏng có thể sử dụng thay thế các hoạt động trong phòng thí nghiệm mà yêu cầu các tương tác nhận thức hơn với nội dung bài học là các tương tác vận động thần kinh và đo đó chúng sẽ không yêu cầu nhiều các tương tác vật lý (chẳng hạn, vị giác, khứu giác, xúc giác). Trong mô phỏng, việc xây dựng mô hình là rất quan trọng, nó quyết định đến sự thành công của chương trình mô phỏng. Vậy việc xây dựng mô hình mô phỏng căn cứ trên những tiêu chí nào và quy trình xây dựng nó như thế nào, chúng tôi sẽ đề cập đến ở phần sau. 3. Mô hình mô phỏng Mô hình mô phỏng là mô hình toán học tính toán tác động của các đầu vào đã biết trước và các đáp ứng trên các đầu ra. Mô hình kiểu như vậy có thể được tạo ra bằng ngôn ngữ lập trình, bằng các câu lệnh hoặc sử dụng các hình thức trên bảng tính điện tử. Đầu ra ở các mô hình mô phỏng phụ thuộc vào đầu vào bất định, và do đó chúng ta phải làm việc với các biến bất định và các hàm bất định. Mô hình mô phỏng của một hệ phức tạp có thể chỉ là xấp xỉ hệ thống thực, không kể đến việc mất thời gian và chi phí cho việc xây dựng mô hình. Thực tế, mô hình được coi là trích xuất và đơn giản hóa từ đối tượng thực. Việc xây dựng mô hình mô phỏng hợp lý và đáng tin cậy thường có các bước sau: 1) Hình thành vấn đề. 2) Thu thập các thông tin và xây dựng mô hình khái niệm. 3) Kiểm tra tính hợp lệ của mô hình khái niệm. 4) Lập trình 5) Kiểm tra tính hợp lệ của mô hình lập trình 6) Thiết kế, chỉ dẫn và phân tích chương trình mô phỏng. 7) Tài liệu và trình diễn của mô phỏng. 1) Hình thành vấn đề 5 Hình thành những vấn đề sẽ được mô phỏng . Phạm vi mô phỏng của vấn đề, cấu hình mô hình và hệ thống sẽ được mô phỏng. 2) Thu thập thông tin và xây dựng mô hình khái niệm Việc thu thập thông tin cho thiết kế hệ thống và quy trình vận hành rất quan trọng. Tiếp theo đó, điều quan trọng là kiểm tra các liên kết máy tính, thiết kế các ràng buộc về khung thời gian và chi phí. Sẽ không có sự phù hợp tuyệt đối giữa mô hình và hệ thống. 3) Kiểm tra tính hợp lệ của mô hình khái niệm Cần phải có kiểm tra ban đầu cấu trúc của mô hình khái niệm trước một nhóm người gồm quản lý dự án và các chuyên gia phân tích. Nếu phát hiện có lỗi hoặc điều chưa hợp lý trong mô hình khái niệm, mà điều này thường xảy ra, thì phải cập nhật, chỉnh sửa mô hình khái niệm trước khi tiến hành lập trình ở bước tiếp theo. 4) Lập trình Bước tiếp theo là tiến hành lập trình mô hình khái niệm trên phần mềm mô phỏng thương mại hoặc ngôn ngữ lập trình phổ biến (C, C++,..) và kiểm nghiệm (gỡ rối-degugging) chương trình. 5) Kiểm tra tính hợp lý của mô hình lập trình Nếu có hệ thống thực thì cần tiến hành đo đáp ứng ra của mô hình và so sánh với các giá trị đo thu được từ hệ thống thực. Điều này được gọi là hợp thức hóa các kết quả (results validation). Phân tích độ nhạy cũng phải được thực hiện trên mô hình lập trình để tìm ra các hệ số mô hình ảnh hưởng đến các giá trị đo được. Các hệ số này sau đó ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ chất lượng mô hình. 6) Thiết kế, xây dựng và phân tích mô phỏng Với mỗi cấu hình hệ quan tâm, việc quyết định kịch bản chiến thuật như thời gian chạy và thời gian khởi động phải được chú ý. Việc phân tích các kết quả và quyết định nếu yêu cầu các thí nghiệm bổ trợ cũng phải được chú ý. 7) Tài liệu và trình diễn mô phỏng Các tài liệu hướng dẫn sử dụng của chương trình mô phỏng cần phải được đi kèm với sản phẩm mô phỏng. Trong tài liệu cần mô tả chi tiết chương trình máy tính, và các kết quả nghiên cứu gần đây. Trình diễn cuối cùng đối với mô phỏng sẽ bao gồm các hoạt hình (animations) và các thảo luận của quá trình xây dựng/kiểm chứng mô hình nhằm xác nhận tính chính xác của mô hình. 4. Kết luận Với việc phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, với tốc độ xử lý, bộ nhớ của máy tính ngày càng được nâng cao một cách nhanh chóng, sự phát triển đa dạng của các ngôn ngữ sử dụng để lập trình cho mô phỏng ngày càng thân thiện hơn, mà không đòi hỏi cao về kỹ năng lập trình của người sử dụng thì việc sử dụng mô phỏng trong dạy học cần phải được nhân rộng. Áp dụng kỹ thuật mô phỏng sẽ phù hợp với xu thế lấy người học làm trung tâm. Trong e-learning là một trong những 6 môi trường học tập cần phải ứng dụng công nghệ mô phỏng, khi đó máy tính là công cụ kết nối các người học với nhau với việc học tập suốt đời. Đặc biệt trong đào tạo nghề, khi đòi hỏi kinh phí rất cao cho trang thiết bị, phòng thí nghiệm, hoặc một số nghề đặc thù không thể tiến hành khảo sát, thí nghiệm trên đối tượng thực thì việc áp dụng mô phỏng sẽ mang lại hiệu quả to lớn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Alessi, S. M. và Trollip, S. R., "Computer-based instruction: Methods and development," Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1991. 2. Grabe, M. và Grable, C., "Intergrating Technology for Meaningful Learning," Boston: Houghton Mifflin Company, 1996. 3. Harper, B., Squires, D., và McDougall, A., "Constructivist simulations in the multimedia age, "Journal of Education Multimedia and Hypermedia, quyển 9, trang 115-130, 2000. 4. Susanne P. Lajoie, Nancy C. Lavigne, Claudia Guerrera, "Constructing knowledge in the context of BioWorld," Kluwer Academic Publishers, Instructional Science, quyển 29, trang 155-186, 2001. 5. Thomas, R., và Hooper, E., "Simulations: An opportunity we are missing," Journal of Research on Computing in Education, vol. 23, pp. 497-513, 1991. 6. Larisa V. Shavinina, "The International handbook on innovation," Elsevier Science Ltd., 2003. 7. Bernard P. Zeigler, Herbert Praehofer, Tag Gon Kim, "Theory of Modelling and Simulation: Integrating Discrete Event and Continuous Complex Dynamic Systems," Academic Press, 2000.