07:58 ICT Thứ hai, 19/11/2018
Rss Feed

Ứng dụng Easy Java Simulation trong mô phỏng hiện tượng vật lý

Đăng lúc: Thứ hai - 12/12/2016 16:26 - Người đăng bài viết: Cộng tác viên

 

Nhằm nâng cao chất lượng đào tạo, trong những năm qua, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã có chủ trương thúc đẩy việc ứng dụng công nghệ thông tin (CNTT) vào quá trình dạy-học đối với tất cả các cấp học, bậc học và ngành học. Trong nghiên cứu Vật lý, chúng ta có vô số các thí nghiệm kiểm chứng và thí nghiệm đo đạc nhưng không phải bất kỳ thí nghiệm nào cũng có thể thực hiện được, do những hạn chế về trang thiết bị, về điều kiện phòng thí nghiệm, về tính an toàn, về thời gian,… Để khắc phục những khó khăn này, mô phỏng các hiện tượng trên máy tính là một giải pháp hữu hiệu vì nó có thể giúp người học, người nghiên cứu có cái nhìn trực quan hơn các vấn đề Vật lý.

Hình 1. Giao diện khai báo và khởi tạo giá trị cho các biến của chương trình.

Hình 1. Giao diện khai báo và khởi tạo giá trị cho các biến của chương trình.

Hiện nay, trên thế giới có một số phần mềm chuyên dụng đã có và đang phát triển dành cho việc dạy-học Vật lý, chẳng hạn như Crocodile, Pakma, Working model, Virtual Physics, vv… Mỗi phần mềm có những ưu điểm và hạn chế riêng, để giải quyết bài toán Vật lý theo chủ ý riêng của chúng ta thì chúng ta cần kết hợp chúng với nhau hoặc tự lập trình máy tính. Đứng trước những yêu cầu này, nhóm nghiên cứu tại Đại học Murcia, Tây Ban Nha, xây dựng một phần mềm, có tính linh hoạt và dễ dàng sử dụng dựa trên nền tảng ngôn ngữ lập trình Java. Đó chính là phần mềm Easy Java Simulation (EJS).

Trong báo cáo này, tác giả trình bày một số đặc điểm cơ bản của phần mềm EJS và ứng dụng nó vào việc giải quyết một bài toán mô phỏng trong Vật lý đã được thực hiện tại Khoa Vật lý, trường Đại học Đồng Nai. Kết quả nghiên cứu này chỉ ra khả năng triển khai ứng dụng, những ưu điểm, hạn chế của EJS so với các phần mềm khác hoặc phần mềm tự lập trình. Từ đó, chúng ta có thể rút ra những kiến thức và kỹ năng cần thiết và có cái nhìn tổng quát hơn về việc ứng dụng các phần mềm vào quá trình dạy-học Vật lý nhằm đáp ứng nhu cầu đổi mới và nâng cao chất lượng đào tạo.

Bài toán chuyển động ném xiên một vật trong thể thao và quân sự

Bài toán chuyển động ném xiên một vật với vận tốc đầu v0, hợp với phương ngang một góc a, liên quan đến các hiện tượng thực tế như bắn đạn từ một khẩu pháo sao cho trúng đích, hay vận tốc và góc ném lao của các vận động viên Olympic. Trong đó, chúng ta cần xác định góc ném để đạt tầm xa nhất, độ cao cực đại của vật ném ứng với một góc xác định, vận tốc tức thời của vật tại một vị trí bất kỳ, vv… Chúng ta hoàn toàn có thể mô phỏng bài toán này bằng EJS một cách dễ dàng.

Chúng ta có thể phân tích chuyển động thành hai thành phần theo hai phương x và y trong hệ toạ độ Descartes xOy (chiều dương trục Oy hướng lên) như sau:

                                    x = x0 + v0 ´ cosa ´ t,                                                           (a)

                                    y = y0 + v0 ´ sina ´ t - ½ g ´ t2.                                            (b)

Để lập trình cho máy tính mô phỏng, chúng ta cần khai báo biến và hằng cho các vị trí toạ độ, vận tốc, gia tốc trọng trường g, thời gian t, vv... Việc khai báo biến và hằng được thực hiện trong phần Model của EJS (xem hình 1) và chúng ta có giao diện như được chỉ ra trong hình 1. Phương trình chuyển động của vật có thể được thực hiện trong mục Evolution. Trong đó, chúng ta có thiết lập phương trình vi phân xác định vận tốc tức thời của vật theo phương x và phương y hoặc phương trình (a) – (b) để máy tính thực hiện tính toán mô phỏng. Hình 2 là giao diện của phần nhập phương trình vi và phương trình chuyển động của vật. Trong phần Evolution, chúng ta có thể thay đổi tốc độ mô phỏng của chương trình bằng cách thay đổi số frame trong một đơn vị thời gian trên thanh cuộn phía bên trái của giao diện.

ud6

Hình 1. Giao diện khai báo và khởi tạo giá trị cho các biến của chương trình.

 

ud4ud5

Hình 2. Giao diện nhập phương trình vi phân (trái) và phương trình chuyển động (phải) trong bài toán mô phỏng ném xiên bằng EJS.

 

Việc bố trí các đối tượng hiển thị (textbox, label, nút lệnh)     trong màn hình giao diện tương tác khi chạy chương trình mô phỏng được thực hiện trong phần View, như chỉ ra trong hình 3. Trong đó, phía bên phải của cửa sổ là các đối tượng có thể lấy ra để bố trí trên cửa sổ mô phỏng. Bên trái cửa sổ View là sơ đồ hình cây cho chúng ta biết tên và phạm vi của các đối tượng. Để thay đổi thuộc tính của các đối tượng này, chúng ta có thể nhấn đúp vào và thay đổi giá trị trong hộp thoại hiện ra. Các đối tượng này được chia thành các nhóm riêng biệt theo không gian hai chiều (2D) hoặc ba chiều (3D).

Với EJS, giao diện chương trình mô phỏng bài toán ném xiên được thiết kế một cách nhanh chóng và dễ dàng. Trong đó, các thông số có thể được thay đổi khác nhau bằng các thanh cuộn, các giá trị tính toán như vận tốc tức thời, tầm xa của vật cũng có thể xuất ra màn hình trong các textbox. Nút lệnh chạy và dừng (play/pause) chương trình được tích hợp sẵn trong các công cụ mà EJS cung cấp cho người dùng, điều này giúp tiết kiệm thời gian trong thiết kế. Hình 4 là kết quả mô phỏng của bài toán ném xiên trong không gian 2D

ud3

Hình 3. Giao diện thiết kế đồ hoạ cho chương trình mô phỏng trong phần View của EJS.

 

Đối với cách thực hiện mô phỏng nêu trên, giao diện được thiết kế theo đồ hoạ 2D (hai chiều). EJS không dừng lại ở đó mà nó cũng cho phép tạo giao diện 3D (ba chiều), giúp cho bài toán được mô phỏng có tính trực quan hơn. Chúng ta có thể tạo một vùng không gian 3D để mô phỏng với các toạ độ x, y, z trong hệ toạ độ Descartes một cách nhanh chóng như chỉ ra trong hình 5.

 

ud1

ud2

Hình 4. Kết quả mô phỏng bài toán ném xiên với phần mềm EJS

Hình 5. Giao diện mô phỏng quỹ đạo của vật bị ném xiên trong không gian 3D.

Một số thuận lợi và khó khăn khi ứng dụng EJS trong mô phỏng

Để thực hiện mô phỏng các thí nghiệm ảo trên máy tính thì chúng ta có thể sử dụng nhiều phần mềm và ngôn ngữ lập trình khác nhau. Chẳng hạn đối với bài toán ví dụ trên, Visual Basic 6.0 (VB6) cũng có thể giải quyết tốt nhưng sẽ tốn kém thời gian, đòi hỏi kỹ năng và kiến thức lập trình nhiều hơn. Thật vậy, trong khi EJS cung cấp đường thẳng có mũi tên (arrow) thì VB6 không có. Để vẽ mũi tên trong VB6, ít nhất chúng ta cần đến ba câu lệnh lập trình để vẽ. Việc hiển thị các giá trị tính toán ra màn hình đối với EJS trở nên đơn giản hơn. Một đặc điểm khác của EJS là dễ sử dụng. Các đối tượng đã được chuẩn bị tất cả các thuộc tính khả dĩ của chúng. Người sử dụng chỉ cần cập nhật những thuộc tính cần thay đổi sao cho phù hợp với từng bài toán. Đây vừa là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của phần mềm vì chúng ta không thể hoàn toàn thực hiện theo ý đồ của chúng ta nếu những thuộc tính hoặc công cụ không được EJS cung cấp. Khi đó, để thực hiện theo ý riêng của mình, người sử dụng lại phải giả lập các thuộc tính không có bằng cách lập trình trong nó, điều này dẫn đến mất thời gian và hiệu quả thấp.

Việc bố trí các đối tượng hiển thị như nút lệnh, textbox hay label không thể tuỳ ý trên giao diện vì các đối tượng này phải thuộc một panel (bảng) nào đó. Thuộc tính vị trí của các panel này tương đối hạn chế, chủ yếu chúng ta chỉ có thể đặt trên, dưới, trái, phải hoặc chính giữa. Có những bài toán đòi hỏi giao diện cần được thiết kế linh hoạt hơn thì đây là một nhược điểm của EJS.

Một ưu điểm lớn của EJS dành cho người sử dụng có kỹ năng lập trình thấp đó là thông báo các lỗi cơ bản tức thời. Điều này giúp người dùng biết được lỗi gì xảy ra để khắc phục. Ngoài ra, các tập tin mô phỏng bằng EJS có thể dễ dàng tải lên các trang web và chạy trên các hệ điều hành khác nhau, với điều kiện có nền Java được cài đặt trong thiết bị. Đối với những người chưa từng lập trình thì EJS tương đối khó khăn vì nó đòi hỏi kiến thức về ngôn ngữ lập trình Java. EJS không đỏi hỏi lập trình chuyên sâu nhưng kiến thức cơ bản cần phải có. Do đó, trước khi sử dụng EJS, chúng ta cần tìm hiểu kiến thức cơ bản về Java.

Nhìn chung, EJS là phần mềm tương đối mạnh để mô phỏng các bài toán Vật lý. Người sử dụng có thể kết hợp tương tác với giao diện và viết code lập trình trong phần mềm này. Đây không phải là một ngôn ngữ lập trình tuần tuý, cũng không hẳn là một phần mềm ứng dụng chỉ tương tác với giao diện. Phần giao diện tương tác giúp tiết kiệm thời gian thiết kế phần đồ hoạ, phần viết code dùng để lập trình một cách linh hoạt theo mục đích riêng của các bài toán khác nhau. Đây cũng là một đặc điểm tốt để thực hiện được việc mô phỏng các bài toán một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Việc sử dụng thí nghiệm ảo trong dạy-học Vật lý là một việc làm rất cần thiết nhằm tạo ra bài giảng trực quan sinh động và dễ hiểu cho người học. Ngoài ra, việc thiết kế các phần mềm giúp cho quá trình tự học của người học sẽ giúp nâng cao hiệu quả của việc đổi mới giáo dục, lấy người học làm trung tâm. Chúng ta có nhiều phần mềm khác nhau nhưng người sử dụng cần có sự chọn lựa kỹ càng sao cho phù hợp với điều kiện cụ thể. Các phần mềm đều có ưu-nhược điểm riêng, do đó chúng ta cần có sự kết hợp khi sử dụng. Việc lập trình để tạo ra các phần mềm sẽ linh hoạt hơn vì chúng ta có thể thao tác theo ý riêng của mình. Easy Java Simulation cũng là một phần mềm có tính linh hoạt tương đối cao vì nó cho phép người sử dụng lập trình theo tính chất riêng của bài toán. Easy Java Simulation tiết kiệm thời gian trong việc thiết kế giao diện đồ hoạ nhưng cũng cho phép thực hiện lập trình tính toán theo mục đích riêng của bài toán. Để sử dụng tốt Easy Java Simulation, kiến thức cơ bản về lập trình Java là điều cần thiết. Với nhiều ưu điểm, Easy Java Simulation được cho là phần mềm tạo các thí nghiệm ảo Vật lý tương đối tốt và chúng ta có thể áp dụng cho các bài toán Vật lý Phổ thông và Vật lý Đại cương, đặc biết đối với các bài toán cơ học. Có thể nói, Easy Java Simulation là một công cụ không thể thiếu trong quá trình dạy-học Vật lý.

Tác giả bài viết: TS. Nguyễn Ngọc Duy
Đánh giá bài viết
Xếp hạng: 5 - 3 phiếu bầu
Tổng số điểm của bài viết là: 15 trong 3 đánh giá
Click để đánh giá bài viết
 

ddkhtt1

Bản tin PBKT số 172/2018 new (1)

Market Ban tin so 172 trang 1 7 11 small

Phổ biến kiến thức theo Chuyên đề new (1)

Trang 1 Chuyen de Pho bien kien thuc thang 9 2018 small