Nội dung chính Khoa học máy tính 12 Cánh diều bài 1: Mô phỏng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực

CHỦ ĐỀ : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH

: MÔ PHỎNG TRONG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

BÀI 1: MÔ PHỎNG ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG NHIỀU LĨNH VỰC

1. Mô phỏng và phần mềm mô phỏng

- Kĩ thuật mô phỏng (thường được gọi ngắn gọn là mô phỏng) là kĩ thuật tái tạo, bắt chước hoạt động của một quá trình hoặc hệ thống, thể hiện hoạt động của nó theo thời gian. 

- Mục tiêu thực hiện mô phỏng là để hiểu rõ hơn về một hiện tượng hoặc một hệ thống cụ thể. 

 Mô phỏng được sử dụng trong các điều kiện thử nghiệm nhằm phục vụ nghiên cứu hoặc giảng dạy. Hệ thống được mô phỏng có thể là: 

• Hệ thống tự nhiên trong vật lí, hoá học, sinh học,…
• Hệ thống khoa học xã hội.
• Hệ thống do con người xây dựng.

…

- Để khảo sát, nghiên cứu một hiện tượng hay một hệ thống, con người mô hình hoá hệ thống đó bằng cách sử dụng các mô hình như: biểu đồ, công thức toán học hay các hình thức khác. 

- Dữ liệu đầu vào:

• Có những phần mềm mô phỏng không yêu cầu cung cấp dữ liệu đầu vào. 

Ví dụ: Phần mềm Solar System 3D Simulator, mô phỏng chuyển động của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời. 

• Có những phần mềm mô phỏng cần được cung cấp dữ liệu đầu vào, các điều kiện khởi đầu của hệ thống. 
• Thực hiện phần mềm mô phỏng với các tham số đầu vào khác nhau sẽ cho ta thử nghiệm các tình huống và kịch bản khác nhau. 

Ví dụ: Phần mềm mô phỏng hoạt động của con lắc lò xo (trang https://phet.
colorado.edu/) cho ta thay đổi dữ liệu đầu vào (chẳng hạn, khối lượng vật treo) để quan sát sự thay đổi tương ứng trong chuyển động của con lắc đó.

- Những năm gần đây, công nghệ thực tế ảo – Virtual Reality (VR) đang ngày một phát triển mạnh mẽ. Công nghệ thực tế ảo mô tả một môi trường được mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng. Khi sử dụng kính 3D, ta sẽ nhìn thấy một không gian như thật, tương tác với môi trường này như với không thật. 

Hình 1. Sử dụng kính 3D quan sát

mô phỏng thực tế ảo

- Những mô phỏng khác nhau có độ chính xác khác nhau, nói cách khác đó là độ giống với quá trình hay hệ thống trong đời thực, nguyên gốc của sự mô tả. 

• Tuỳ theo trường hợp cụ thể và mục tiêu mô phỏng mà một độ chính xác nào đó được chấp nhận. 
• Khi thực hiện mô phỏng, người làm mô phỏng muốn người dùng có cảm giác hệ thống ảo càng giống với hệ thống thực càng tốt.

2. Phần mềm mô phỏng trong một số lĩnh vực

a) Phần mềm mô phỏng trong lĩnh vực giáo dục và đào tạo

- Có thể dùng phần mềm mô phỏng để làm thí nghiệm ảo thay cho thực hiện thí nghiệm thật. 

Ví dụ: 

• Những thí nghiệm ảo ở trang web PhET Interactive Simulations (https://phet.
  colorado.edu/)  thay thế được cho nhiều thí nghiệm thật ở các môn Toán, Vật lí, Hoá học, Khoa học Trái Đất và Sinh học.

Hình 2. Một phần giao diện của

PhET Interactive Simulations

• Trang web Labster (https://www.labster.
  com/) cung cấp môi trường thực tế ảo để người học có thể thực hiện các thí nghiệm về Vật lí, Hoá học và Sinh học mà không cần đến phòng thí nghiệm thực tế. 

Một phần giao diện của Labster

- Lợi ích: 

• Dùng phần mềm mô phỏng làm thí nghiệm giúp giảm chi phí; người học có thể xem, nghiên cứu những hiện tượng không quan sát trực tiếp được. 
• Mô phỏng có tương tác giúp người học hứng thú và hỗ trợ tìm hiểu theo khả năng cá nhân.
• Đặc biệt, người học có thể mắc lỗi khi thực hiện thí nghiệm nhưng không phải gánh chịu hậu quả nghiêm trọng như khi làm thí nghiệm thực tế. 

Ví dụ: Nếu làm thí nghiệm về hiện tượng chập mạch điện trên hệ thống thật có thể gây cháy nổ, hoả hoạn rất nghiêm trọng, thí nghiệm ảo sẽ giúp tránh được điều đó. 

- Có những phần mềm mô phỏng dưới dạng trò chơi, giúp người chơi học được những kiến thức về Lịch sử, Địa lí. 

Ví dụ: 

• Sphinx là một trò chơi mô phỏng trực tuyến giúp người chơi tìm hiểu về văn hoá và lịch sử Ai Cập cổ đại. 
• Phần mềm Microsoft Flight Simulator cho người chơi khám phá một bản đồ số hoá của thế giới với cảnh quan và địa hình được mô tả tinh xảo.

b) Phần mềm mô phỏng trong lĩnh vực y tế 

- Nhiều phần mềm mô phỏng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế:

• Mô phỏng giúp bác sĩ luyện tập các kĩ năng trong môi trường ảo an toàn và được kiểm soát. 
• Mô phỏng giả lập các kịch bản điều trị và hướng dẫn bệnh nhân sử dụng thuốc, thiết bị y tế hoặc thực hiện các công việc tự chăm sóc. 

- Lợi ích: Phần mềm mô phỏng không chỉ được sử dụng để đào tạo nhân viên y tế hay hướng dẫn bệnh nhân mà còn được dùng để hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm y tế. 

Ví dụ: 

• Phần mềm SimSurgery mô phỏng chính xác các cơ quan nội tạng người, được dùng để huấn luyện phẫu thuật nội soi.
• Phần mềm ANSYS Medical Simulation mô hình hoá quá trình sinh học, mô tả tương tác giữa cơ thể người với thiết bị y tế, được dùng để nghiên cứu và phát triển các sản phẩm y tế.

…

c) Phần mềm mô phỏng trong lĩnh vực quân sự 

- Các phần mềm mô phỏng tạo ra môi trường ảo huấn luyện binh sĩ trong nhiều tình huống khác nhau như huấn luyện sử dụng vũ khí, huấn luyện lái máy bay, lái ô tô,…

Hình 3. Cabin mô phỏng dùng trong huấn luyện lái ô tô (Nguồn: https://luatvietnam.vn)

- Có những phần mềm giúp mô phỏng vũ khí và kĩ thuật quân sự, chúng được dùng để kiểm tra hiệu quả và tính năng của các loại vũ khí, hệ thống ra-đa, hệ thống liên lạc hay công nghệ quân sự khác. 

- Để phân tích, đánh giá các tình huống, các chiến lược quân sự khác nhau, phần mềm mô phỏng cũng có thể được sử dụng để tìm phương án tối ưu. 

d) Phần mềm mô phỏng trong lĩnh vực sản xuất 

- Các phần mềm mô phỏng giúp tối ưu hoá quy trình sản xuất, thiết kế sản phẩm, đào tạo nhân viên,... 

- Việc thử nghiệm bằng mô phỏng cho kết quả nhanh hơn so với thử nghiệm trên hệ thống thực. 

Ví dụ: Phần mềm SolidWorks mô phỏng kĩ thuật cơ học, được sử dụng rộng rãi để đánh giá các thiết kế sản phẩm, cải thiện chất lượng và tính năng sản phẩm trước khi sản xuất hàng loạt. 

Phần mềm SolidWorks

- Nhiều phần mềm mô phỏng được sử dụng để đào tạo người sản xuất, giúp họ làm quen với các thiết bị và quy trình làm việc. 

Ví dụ: Có thể sử dụng phần mềm Simufact Welding để đào tạo nhân viên về quy trình hàn kim loại. 

Phần mềm Simufact Welding

e) Phần mềm mô phỏng trong lĩnh vực giải trí

- Mô phỏng trong giải trí xuất hiện ở nhiều ngành công nghiệp lớn và phổ biến như: phim ảnh, truyền hình, trò chơi điện tử và một số trò chơi trong công viên giải trí. 

- Trò chơi mô phỏng đầu tiên được tạo ra vào năm 1947, chỉ đơn giản là mô phỏng một tên lửa bắn vào mục tiêu. Đường cong và tốc độ của tên lửa có thể được điều chỉnh bằng một số nút bấm. 

- Ngày nay, hàng triệu người trên khắp thế giới chơi các trò chơi mô phỏng trên máy tính như World of Warcraft. 

Trò chơi World of Warcraft

- Năm 1993, bộ phim Công viên kỉ Jura là bộ phim nổi tiếng đầu tiên sử dụng đồ hoạ do máy tính tạo ra và tích hợp những con khủng long mô phỏng gần như hài hoà vào các cảnh hành động trực tiếp. Sự kiện này đã làm thay đổi ngành công nghiệp điện ảnh. 

Một cảnh hành động trong bộ phim

Công viên kỉ Jura

- Kĩ thuật mô phỏng đã dẫn đến sự ra đời của kĩ xảo điện ảnh vào đầu những năm 2000, kết quả là sự ra đời những bộ phim bom tấn với các cảnh phim mà những máy quay vật lí không thể đạt được như vậy. 

Ví dụ: Những hình ảnh kinh điển trong các bộ phim như: Ma trận, Chúa tể của những chiếc nhẫn, Avatar,… được tạo ra từ kĩ xảo điện ảnh nhờ mô phỏng bằng máy tính.

Hình 4. Mô phỏng để tạo nhân vật trong phim Avatar (Nguồn: http://theeducatorplh.com)

3. Thực hành sử dụng phần mềm mô phỏng 3D Hệ Mặt Trời (Solar System 3D Simulator)

Bước 1. Kích hoạt biểu tượng phần mềm Solar System 3D Simulator.

Hình 6. Biểu tượng của phần mềm
 Solar System 3D Simulator

Bước 2. Khám phá bảng điều khiển.

Hình 7. Bảng điều khiển hoạt động
 mô phỏng của phần mềm
 Solar System 3D Simulator

(1) Hệ Mặt Trời gồm 9 hành tinh: 

• Mercury (Sao Thuỷ).
• Venus (Sao Kim).
• Earth (Trái Đất).
• Mars (Sao Hoả).
• Jupiter (Sao Mộc).
• Saturn (Sao Thổ).
• Uranus (Sao Thiên Vương).
• Neptune (Sao Hải Vương).
• Pluto (Sao Diêm Vương).

(2) HS tìm hiểu thông tin của các hành tinh:

• Đường kính (Diameter).
• Quỹ đạo (Orbit).
• Thời gian quay một vòng quỹ đạo (Orbital Period).
• Vận tốc quỹ đạo trung bình (Mean Orbital Velocity). 
• Thời gian một ngày của hành tinh (Planet Day).
• Khối lượng (Mass).
• Nhiệt độ (Temperature).

(3) Sao Thuỷ gần Mặt Trời nhất và Sao Diêm Vương xa Mặt Trời nhất.

(4) Quỹ đạo của Sao Diêm Vương dài nhất.

(5) Sao Mộc có nhiều vệ tinh quay xung quanh nhất.

(6) Hiện tượng nguyệt thực xảy ra khi Mặt trời, Trái Đất và Mặt Trăng thẳng hàng, Trái Đất che mất ánh sáng từ Mặt Trời chiếu vào Mặt Trăng.

(7) Hiện tượng nhật thực xảy ra khi Mặt Trời, Mặt Trăng và Trái Đất thẳng hàng, Mặt Trăng che ánh sáng Mặt Trời chiếu vào Trái Đất.

(8) Vùng Trái Đất là ban ngày là vùng bán cầu đang quay về phía Mặt Trời. 

(9) Phần mềm mô phỏng Solar System 3D Simulator có thể dùng trong lĩnh vực giáo dục.