CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ DẠY HỌC THEO LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN 1. TỔNG QUAN LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ 1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 1. Những nghiên cứu về lý thuyết điều khiển cổ điển trong kỹ thuật Trải qua lịch sử, con người luôn cố gắng thích nghi với các điều kiện xã hội khác nhau, dùng tư duy của mình để điều khiển thế giới khách quan theo cách có lợi nhất cho mình và quá trình phát triển cứ thế tiếp diễn trong nhiều giai đoạn lịch sử kế tiếp.
Đến nửa cuối thế kỷ XVII trong thời kỳ đầu của cuộc cách mạng kỹ thuật lần thứ nhất đã bắt đầu xuất hiện những phát minh ứng dụng đầu tiên của công nghệ điều khiển tự động như: van an toàn cho hệ thống khí hơi, điều khiển tốc độ cối xay gió. Phát minh quan trọng nhất cho đến nay được coi là nền móng, động lực cho nghiên cứu Lý thuyết điều khiển (LTĐK) sau này là phát minh của James Watt vào năm 1769 về điều khiển tốc độ tuabin hơi nước dựa trên lực quay ly tâm của quả nặng hay còn được gọi là máy điều tốc ly tâm. Maxwell là người đã thiết lập một lý thuyết toán học liên quan tới LTĐK, sử dụng mô hình phương trình vi phân để giải thích các vấn đề về tính thiếu ổn định mà thiết bị điều tốc của James Watt gặp phải. Năm 1874, Edward Jonh Routh đã đưa ra “Tiêu chuẩn ổn định của hệ bậc năm”.
Lyapunov đã mở rộng công việc của Routh cho hệ phi tuyến trong luận án tiến sỹ khoa học của mình vào năm 1892 với tựa đề "Vấn đề tổng quan về ổn định của chuyển động". Các biến đổi toán học cơ sở để phát triển lý thuyết điều khiển luan an đã được Laplace (1749 - 1827) và Fourier (1758 - 1830) phát triển. [25] Cuối những năm 1920 đầu năm 1930, H. Nyquist làm việc tại phòng thí nghiệm điện thoại Bell đã nghiên cứu công trình về thiết kế bộ khuếch đại phản hồi dựa trên đáp ứng tần số và ngược lại bằng toán học biến số phức, công trình miêu tả cách xác định tính ổn định của hệ thống sử dụng phương pháp miền tần số.
Phương pháp này sau được mở rộng để cho ra đời những phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển mà ngày nay vẫn được sử dụng rộng rãi. Evans một kỹ sư làm trong ngành hàng không, phát triển kỹ thuật đồ thị để vẽ quỹ đạo nghiệm của phương trình đặc trưng của hệ thống có phản hồi. Đây thực sự là đóng góp rất quan trọng trong quá trình phát triển của LTĐK tự động. Khoảng thời gian từ năm 1960 đến nay là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển nâng cao như: điều khiển tối ưu, thích nghi, bền vững, trí tuệ nhân tạo, logic mờ,… Chúng được ứng dụng vào các hệ thống điều khiển hiện đại và giúp cho các hệ thống tự động ngày càng ổn định và thông minh hơn [25], [28].
Từ các nghiên cứu về lý LTĐK cho thấy LTĐK kinh điển chính là nền tảng cơ bản của điều khiển hiện đại để thiết kế các hệ thống đơn giản nhưng rất hiệu quả được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hiện nay. Những nghiên cứu về lý thuyết điều khiển hiện đại Bắt đầu những năm 1980, các bộ điều khiển đã từng bước sử dụng máy tính số để tính toán các tham số cho bộ điều khiển. Sau đó việc ứng dụng máy tính trong điều khiển phát triển mạnh mẽ cho phép xử lý khối lượng thông tin lớn và chính xác trong thời gian ngắn. Cho đến ngày nay, máy tính không thể thiếu trong các hệ điều khiển.
luan an Trong các hệ thống điều khiển thì điều khiển có phản hồi là hệ thống ứng dụng phổ biến nhất trong tất cả các lĩnh vực: công nghiệp, năng lượng, nông nghiệp, giao thông, an ninh quân sự … Ngay cả trong quản lý xã hội, kinh tế, sản xuất, hệ thống điều khiển vẫn có những ứng dụng nhất định. Các nghiên cứu [76], [78] cho rằng: Mặc dù giữ vai trò lịch sử quan trọng của thời đại, điều khiển học lại không thật giống như một môn khoa học độc lập. Từ điều khiển học đã nhanh chóng, liên tục hình thành các ngành khoa học mới như khoa học máy tính, lý thuyết thông tin, trí tuệ nhân tạo, khoa học nhận thức, hệ thống phức tạp, khoa học thiết kế mô hình và mô phỏng máy tính, những hệ thống năng động, cuộc sống nhân tạo. nên các chuyên gia điều khiển cũng nghiên cứu theo nhiều ngành khoa học khác nhau.
Nghiên cứu về LTĐK hiện đại, nhiều tác giả đã đi sâu nghiên cứu về thu nhận và xử lý thông tin phản hồi để điều khiển đối tượng điều khiển theo yêu cầu: Gene F. David Powell, Abbas Emami-Naeini [59], [64], Tác giả John Doyle, Bruce Francis, Allen Tannenbaum đã đi sâu nghiên cứu thông tin phản hồi trong lý thuyết điều khiển [62]. Từ các nghiên cứu về LTĐK cổ điển và hiện đại cho thấy phạm vi của LTĐK không hạn chế trong một ngành kỹ thuật cụ thể nào mà có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực. Sự phát triển của LTĐK hiện đại và ứng dụng rộng rãi của máy vi tính giúp cho khoa học kỹ thuật phát triển nhảy vọt.
Sự phát triển đó làm nền tảng cho Cuộc Cách mạng công nghiệp 4. Những nghiên cứu về dạy học theo lý thuyết điều khiển Sau những năm 1970 của thế kỷ 20, LTĐK được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành và nhiều lĩnh vực khác nhau. luan an Bắt đầu từ những năm 1980 LTĐK mới được nghiên cứu và vận dụng trong giáo dục. Những nghiên cứu đầu tiên về vấn đề này là nghiên cứu thông tin phản hồi trong dạy học.D cho rằng yếu tố nảy sinh tương tác trong dạy học là tình huống, để tạo dựng cho người học các nhiệm vụ học tập.
Các tương tác hướng đến tập trung vào quá trình kích thích điều chỉnh, duy trì các tác động và phản hồi một cách liên tục của người học, điều chỉnh hành vi của người học thông qua các phản hồi nhằm đạt mục tiêu học tập [72]. P đã nghiên cứu về tầm quan trọng của thông tin phản hồi trong dạy học [69]. Năm 2000, Kate Day cho rằng trong dạy học việc thu nhận thông tin phản hồi để điều chỉnh quá trình dạy học là yếu tố quan trọng cho việc thành công trong dạy học [63]. Năm 2006, tác giả David Nicol đã nghiên cứu mô hình tự đánh giá và tự điều chỉnh thông tin phản hồi.
Tác giả cho rằng SV có thể sử dụng thông tin phản hồi để tự đánh giá và tự điều chỉnh quá trình học tập của mình [58, tr. Năm 2007, nhóm tác giả Hattie, J. và Timperley nghiên cứu và đề xuất mô hình thông tin phản hồi trong dạy học để đáp ứng tốt nhất NL của người học và mục tiêu đề ra [60]. Năm 1998, tác giả Paul Black và Dylan Wiliam nghiên cứu LTĐK trong dạy học theo hướng vận dụng trong đánh giá quá trình.
Tác giả cho rằng: Sự thành công của đánh giá quá trình có liên quan đến cách người dạy sử dụng nó để điều chỉnh hoạt động giảng dạy và học tập. Hiệu quả học tập dựa trên sự tham gia của người học vào hoạt động học tập được người dạy tổ chức. Tăng cường thông tin phản hồi là yếu tố rất quan trọng để cải thiện kết quả [54]. Tác giả Christopher Benjamin đã nghiên cứu về việc nâng cao dạy học bằng thông tin phản hồi [57].
Nhóm tác giả Leo luan an Stocco, Ignacio Galiano, Francisco Paz, Roberto Rosales and David Feixo đã ứng dụng lý thuyết điều khiển vào dạy học mô hình hóa quá trình dạy học như một hệ thống điều khiển để nâng cao chất lượng dạy học [66]. Tác giả LO Mun Ling nghiên cứu về lý thuyết biến đổi và vận dụng linh hoạt trong dạy học thông qua các ví dụ [67]. Khi nghiên cứu về thông tin phản hồi tích cực trọng dạy học, tác giả Ovando, M. N và Norwest Territories cho rằng thông tin phản hồi là chìa khóa dẫn đến sự thành công trong dạy học [68], [77].
Nghiên cứu về tầm quan trọng của phản hồi trong dạy học, các tác giả Lia Voerman, Paulien C. Korthagen, Robert Jan Simons cho rằng: Thông tin phản hồi phản ánh hiểu biết của người học được tham chiếu đến mục tiêu để nâng cao hiệu quả dạy học [65]. Khi nghiên cứu về mối quan hệ giữa thông tin phản hồi của SV và GV cho rằng: trong dạy học phản hồi của SV có ảnh hưởng trực tiếp đến thành tích của SV và hiệu quả dạy học [71] Có thể thấy rằng, LTĐK được ứng dụng trong dạy học ở nhiều độ khác nhau. Các nghiên cứu cho rằng trong dạy học thông tin phản hồi từ người học đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh quá trình dạy học của người dạy và quá trình tự điều chỉnh của người học; từ đó nâng cao hiệu quả dạy học.
Tình hình nghiên cứu ở trong nước 1. Những nghiên cứu về lý thuyết điều khiển Ở Việt Nam, nghiên cứu về LTĐK khá muộn, các nghiên cứu chủ yếu là LTĐK hiện đại dựa trên nền tảng LTĐK cổ điển và phát triển các nghiên cứu về LTĐK hiện đại của các nhà nghiên cứu nước ngoài. Tuy nghiên cứu muộn hơn nhưng những các nghiên cứu cũng đã tập trung nhiều trong lĩnh vực tự động hóa. Các tác giả Nguyễn Duy Anh [1], Trần Đình Long [23], Phan Xuân Minh, Hà Thị Kim Duyên, Phạm Xuân Khánh [25], Nguyễn luan an Thương Ngô [28], Nguyễn Doãn Phước [30], Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng [7], [8] đã tập trung nghiên cứu vào một số vấn đề chính của LTĐK: Ở mức độ hệ thống: nghiên cứu hệ thống tuyến tính, hệ thống phi tuyến, hệ thống phân tán.
Ở mức độ các phương thức điều khiển chính: Điều khiển thích nghi, điều khiển phân cấp, điều khiển thông minh, điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững, điều khiển ngẫu nhiên Các phương pháp điều khiển tối ưu được phát triển trên nền tảng của các nghiên cứu như quy hoạch hoạt động của Bellman, nguyên lý cực đại của Pontryagin, ứng dụng phương trình Ricatti trong việc tổng hợp các hệ điều khiển và điều chỉnh; điều khiển thích nghi với các hệ thích nghi cơ bản và phổ quát: hệ cực trị, hệ giải tích và đưa ra phương pháp tổng quát để khảo sát hệ thích nghi. Như vậy có thể thấy, LTĐK dựa trên các nền tảng của lý thuyết phản hồi và phân tích hệ thống tuyến tính, kết hợp các khái niệm của mạng truyền dữ liệu và lý thuyết truyền thông.