Đang tải... (xem toàn văn)
Việc nghiên cứu xây dựng các mô phỏng thực tại ảo trên các thiết bị, đặc biệt là thiết bị di động đang được quan tâm trên toàn thế giới. Bài viết nghiên cứu công nghệ mô phỏng thực tại ảo tương tác 4D và sử dụng trong dạy học nói chung và dạy học Vật lí, Hóa học nói riêng.
HNUE JOURNAL OF SCIENCE Educational Sciences, 2020, Volume 65, Issue 1, pp 184-191 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn DOI: 10.18173/2354-1075.2020-0018 ỨNG DỤNG THỰC TẾ ẢO TƢƠNG TÁC 4D TRONG DẠY HỌC MƠN VẬT LÍ VÀ HĨA HỌC Nguyễn Thị Hồng Nhung1, Phạm Kim Chung2 Nguyễn Quốc Huy3 Học viên Trường Đại học Giáo dục, Đại học Quốc gia Hà Nội Trường Đại học Giáo dục, Đại học Quốc gia Hà Nội Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư phát triển mạnh mẽ với tham gia công nghệ vật lí, kĩ thuật số, sinh học, internet kết nối vạn vật giao thoa thực ảo Hiện nay, công nghệ thực tế ảo ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực nhiều ngành nghề khác nhau, đòi hỏi thay đổi mạnh mẽ giáo dục đào tạo Việc nghiên cứu xây dựng mô thực ảo thiết bị, đặc biệt thiết bị di động quan tâm toàn giới Bài báo nghiên cứu công nghệ mô thực ảo tương tác 4D sử dụng dạy học nói chung dạy học Vật lí, Hóa học nói riêng Đề xuất xây dựng mơ ứng dụng công nghệ thực tế ảo để sử dụng dạy học vật lí hóa học trường phổ thông gồm: cấu tạo nguyên tử, cấu tạo mạng tinh thể, phóng xạ, phản ứng hạt nhân, phản ứng phân hạch nhằm khắc phục khó khăn dạy học kiến thức hạt nhân – nguyên tử, tăng hứng thú học tập cho học sinh Từ khóa: Ứng dụng thực tế ảo, tương tác 4D, dạy học môn Vật lí Hóa học Mở đầu Thực tế ảo (VR - Virtual Reality) thuật ngữ xuất khoảng đầu thập kỉ 90 VR công nghệ tạo giới ảo mà dùng giác quan để cảm nhận gần giới thực, tương tác qua lại với đối tượng giới ảo Tại Mỹ châu Âu, thực tế ảo phát triển mạnh mẽ ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: nghiên cứu công nghiệp, giáo dục đào tạo, du lịch, dịch vụ bất động sản, thương mại giải trí, qn sự… Với phát triển nhanh chóng thiết bị di động, phát triển VR tăng cường sang hệ - thực tế ảo tăng cường (AR - Augmented Reality) AR giúp giới ảo giới thật xích lại gần [1] Trong lĩnh vực giáo dục, VR AR giúp học sinh sử dụng điện thoại thông minh để trải nghiệm tượng thực tế khó tiếp cận gây nguy hiểm như: tượng xảy giới vi mơ, tượng phóng xạ, tượng xảy với điện cao, phản ứng hóa học gây độc hại Công nghệ AR bổ sung chi tiết vào giới thực để tăng cường trải nghiệm học sinh Người dùng tương tác với nội dung ảo thực tiễn, chạm vào, di chuyển, Nhờ cơng nghệ AR ứng dụng rộng rãi đời sống [2, 3] Ngày nhận bài: 18/11/2019 Ngày sửa bài: 5/1/2020 Ngày nhận đăng: 12/1/2020 Tác giả liên hệ: Nguyễn Quốc Huy Địa e-mail: huynq111984@gmail.com 184 Úng dụng thực tế ảo tương tác 4D dạy học mơn Vật lí Hóa học Việc đổi chương trình giáo dục phổ thông Việt Nam, chuyển từ tiếp cận nội dung sang tiếp cận phát triển lực học sinh, đòi hỏi tạo hội để học sinh trải nghiệm, vận dụng kiến thức vào thực tiễn, đặc biệt dạy học môn khoa học tự nhiên Tuy nhiên, dạy học số kiến thức tượng vĩ mô, vi mô, tượng xảy nhanh chậm, tượng gây nguy hiểm… cịn gặp nhiều khó khăn Ví dụ: Khơng thể quan sát trực tiếp cấu tạo nguyên tử, cấu trúc mạng tinh thể cần phải có kính hiển vi đại Đặc biệt, tương tác hạt nhân trình phản ứng xảy phức tạp quan sát Do vậy, học nội dung trên, học sinh nghiên cứu tượng qua tài liệu in phải nhiều thời gian tìm kiếm tranh, ảnh dạng 2D, 3D máy tính, điện thoại thông minh internet Đồng thời, mô 3D giúp học sinh quan sát tượng xảy mà tương tác với đối tượng mơ Với phát triển công nghệ mô thực tế ảo thực tế tăng cường xây dựng mơ 4D, tương tác với đối tượng không gian 3D thêm chiều thứ tư mà học sinh mong muốn, giúp học sinh trải nghiệm nhiều tượng phức tạp xảy thực tế Nội dung nghiên cứu 2.1 Xây dựng mô thực tế ảo tƣơng tác 4D hỗ trợ dạy học Vật lí Hóa học 2.1.1 Ý tƣởng xây dựng mô Đối với học sinh phổ thông, học liệu chủ yếu tài liệu in giấy, tượng Vật lí, Hóa học chủ yếu mơ tả thơng qua ảnh tĩnh, học sinh khó hình dung đầy đủ Hiện nay, học liệu điện tử, phần mềm máy tính thiết bị di động cố gắng mơ tả tượng dạng hình ảnh 2D 3D Điều cịn khó khăn cho học sinh học tập với tài liệu in giấy Để tài liệu in giấy trở nên linh hoạt sinh động hơn, mơ tượng kết hợp với VR AR điện thoại thông minh để nhận diện hình ảnh giấy, hiển thị mô điện thoại thông minh, cho phép học sinh tương tác với đối tượng theo 4D Ví dụ: Khi nghiên cứu nguyên tố hạt nhân, nguyên tố hóa học, hạt nhân in kí hiệu tài liệu in mảnh giấy nhỏ (đối tượng đích - Taget), camera điện thoại thông minh nhận diện hình ảnh xuất mơ hình điện thoại thơng minh mà mơ thực Có thể xoay theo góc khác để quan sát, hứng tay, tờ giấy, dùng tay điều khiển hình để thay đổi kích thước hướng Sau kết thúc mô xuất sơ đồ phản ứng kiến thức liên quan (Hình 1) Điện thoại cài đặt phần mềm mơ Mảnh giấy in kí hiệu ngun tố giúp camera điện thoại nhận diện (Taget) Kết mô hình điện thoại hình máy chiếu Hình Sơ đồ ý tưởng xây dựng mơ 185 Nguyễn Thị Hồng Nhung, Phạm Kim Chung, Nguyễn Quốc Huy 2.1.2 Quy trình chung nghiên cứu mơ Bước 1: Tìm hiểu tài liệu: sách giáo khoa Vật lí, Hóa học, mạng internet…để lựa chọn kiến thức cần mô phỏng, hiểu rõ nội dung kiến thức cần mơ phỏng, q trình, tượng xảy mơ Tìm hiểu mơ 2D, 3D có để tìm nhược điểm, hạn chế cần khắc phục, từ đặt mục tiêu hiệu cần đạt mô Bước 2: Viết kịch để lập trình mơ Nội dung kịch mô tả chi tiết q trình, tượng xảy mơ Bước 3: Sửa chốt kịch Kiểm tra lại tính đắn kịch cho phù hợp với sở lí thuyết Bước 4: Lập trình mơ phỏng: phần mềm viết ngôn ngữ c#, ngôn ngữ phổ biến lập trình dùng nhiều lập trình Java Mỗi mơ gồm có hai phần: xử lí nhận diện tính tốn Mơ dựa mơ hình 3D, nhận diện hình ảnh (vuforia) tảng Unityn Lập trình tương tác với đối tượng theo chiều di chuyển ngón tay chiều thứ tư Bước 5: Sửa đóng gói phần mềm Chạy thử mô xem phù hợp với kịch chưa, sau chỉnh sửa đóng gói phần mềm, viết hướng dẫn sử dụng Bước 6: Đề xuất việc sử dụng mô dạy học vật lí hóa học trường phổ thơng 2.2 Một số mô thực tế ảo tƣơng tác 4D hỗ trợ dạy học Vật lí Hóa học 2.2.1 VR - AR mô cấu tạo nguyên tử Nhôm – Al * Kịch Mô cấu tạo nguyên tử Nhôm (Al) theo kiểu 4D phương pháp thực ảo, phần mềm nhận diện ngun tử Al xuất mơ (Hình 4) Nguyên lí: Chùm hạt hạt nhân, có 13 hạt prơtơn màu đỏ, 14 hạt nơtron màu vàng Ở lớp vỏ có 13 electron: có electron chuyển động quỹ đạo trạng thái đối nhau, electron chuyển động quỹ đạo electron chuyển động quỹ đạo ngồi Tại thời điểm trạng thái Hình Cấu tạo nguyên tử Al electron hình * Taget (Hình 3) Hình Taget nhận diện ngun tử Al Hình Kết mơ ngun tử Al * Kết mơ Hình kết mô cấu tạo nguyên tử Nhôm thu máy chiếu 186 Úng dụng thực tế ảo tương tác 4D dạy học môn Vật lí Hóa học Khi quan sát thấy electron chuyển động tròn quỹ đạo quanh hạt nhân, prôtôn nơtron hạt nhân không đứng yên mà chuyển động trượt thành khối khơng tách rời Người sử dụng tương tác lên hình để xoay nghiêng quỹ đạo theo hướng khác nhau, điều chỉnh kích thước để tiện quan sát nhiều góc độ để thấy quy luật chuyển động hạt mô hình, giúp học sinh hứng thú học tập * Khả sử dụng mô dạy học Mô sử dụng để minh họa cấu tạo nguyên tử Al Giáo viên sử dụng mô dạy học kiến thức cấu tạo nguyên tử chương trình hóa học lớp 8, lớp 10 chương hạt nhân nguyên tử vật lí lớp 12 Giáo viên cho học sinh tự tương tác q trình quan sát thơng qua việc quan sát yêu cầu học sinh nhận biết cấu tạo nguyên tố 2.2.2 VR – AR mô cấu tạo mạng tinh thể NaCl * Kịch Mô mạng tinh thể muối ăn NaCl có cấu trúc hình lập phương Các ion Na+ Cl– nằm nút mạng tinh thể cách luân phiên Trong tinh thể NaCl, ion Na+ bao quanh ion Cl– ngược lại, ion Cl– bao quang ion Na+ Khi phần mềm nhận diện NaCl xuất mơ Hình Ta dùng tay điều chỉnh kích thước to nhỏ xoay để quan sát góc khác (Hình 7) [4] Hình Cấu tạo mạng tinh thể NaCl * Taget (Hình 6) * Kết mơ Hình Taget nhận diện NaCl Hình Kết mơ mạng tinh thể NaCl Hình kết mô cấu tạo mạng tinh thể NaCl thu hình điện thoại Người sử dụng tương tác lên hình để xoay nghiêng khối mạng theo hướng khác nhau, thay đổi kích thước để tiện quan sát * Khả sử dụng mô dạy học Mô sử dụng để minh họa cấu tạo mạng tinh thể NaCl Giáo viên sử dụng mô dạy học kiến thức mơ hình mạng tinh thể chương trình vật lí hóa học lớp 10 2.2.3 VR - AR mô phản ứng hạt nhân Li D * Kịch Mô phản ứng hạt nhân hạt nhân Li D theo kiểu 4D phương pháp thực ảo, phần mềm nhận diện đồng thời hạt Li D xuất mơ sơ đồ (Hình 8) Khi hạt Li hạt D va vào xuất hiện tượng lóe sáng tách thành hai hạt He 187 Nguyễn Thị Hồng Nhung, Phạm Kim Chung, Nguyễn Quốc Huy Hạt D Hạt He Hạt Li Hình Sơ đồ phản ứng Li D * Taget Hình Taget nhận diện Li D * Kết mơ Hình 10 Phản ứng Li D Hình 11 Kết sau phản ứng Li D Hình 10 hình 11 kết mô phản ứng hạt nhân Li hạt nhân D thu hình điện thoại Sau kết thúc mơ hình xuất phương trình phản ứng hai hạt nhân * Khả sử dụng mô dạy học Mô sử dụng để minh họa trình tương tác xảy phản ứng hạt nhân Li D Giáo viên sử dụng mô dạy học kiến thức phản ứng hạt nhân chương trình vật lí 12 188 Úng dụng thực tế ảo tương tác 4D dạy học mơn Vật lí Hóa học 2.2.4 VR – AR mơ phóng xạ hạt nhân Po * Kịch Mô phóng xạ alpha Po theo kiểu 4D phương pháp thực ảo, phần mềm nhận diện hạt nhân Po xuất mơ sơ đồ (Hình 12) Hạt alpha Hạt Pb Hạt Po Hình 12 Sơ đồ phóng xạ hạt nhân Po * Taget (Hình 13) Hình 13 Taget nhận diện Po Hình 14 Phóng xạ Po Hình 15 Kết sau phóng xạ Po * Kết mơ Hình 14 hình 15 kết mơ q trình phóng xạ hạt nhân Po thu hình điện thoại Sau kết thúc mơ hình xuất phương trình phóng xạ hạt nhân Po * Khả sử dụng mô dạy học Mô sử dụng để minh họa trình phóng xạ hạt nhân Po Giáo viên sử dụng mô dạy học kiến thức phóng xạ chương trình vật lí 12 2.2.5 VR – AR mô phân hạch hạt nhân Urani * Kịch Mô tượng phân hạch Urani theo kiểu 4D phương pháp thực ảo, phần mềm nhận diện đồng thời hạt n hạt nhân U lúc xuất mơ (Hình 16) 189 Hình 16 Sơ đồ phân hạch hạt nhân U Nguyễn Thị Hồng Nhung, Phạm Kim Chung, Nguyễn Quốc Huy * Taget Hình 17 Taget nhận diện n U * Kết mơ Hình 18 Hạt n chuyển động đến gặp hạt U Hình 19 Sau phân hạch hạt nhân U Hình 18 hình 19 kết mơ q trình phân hạch hạt nhân U thu hình điện thoại Sau kết thúc mơ hình xuất phương trình phân hạch hạt nhân U * Khả sử dụng mô dạy học Mô sử dụng để minh họa trình phân hạch hạt nhân U Giáo viên sử dụng mô dạy học kiến thức phân hạch chương trình vật lí 12 Kết luận Các mơ lập trình mô hệ thống mô app có nội dung chưa cơng bố trước Việt Nam Các mơ góp phần đổi phương pháp dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy học vật lí hóa học cấp học khác Chỉ với điện thoại thông minh máy tính bảng, giáo viên học sinh dạy học tượng phức tạp kiến thức hạt nhân – nguyên tử cách sinh động, hiệu quả, tăng hứng thú học tập cho học sinh Học sinh lĩnh hội kiến thức, trải nghiệm mô ảo thực thật Từ kích thích đam mê, tìm tịi, phát triển hoạt động lực, hoạt động trí tuệ - thực tiễn độc lập sáng tạo học sinh [5] Các mô minh họa cách trực quan tượng, trình vật lí, để qua tìm kiến thức (mối quan hệ, quy luật ) đường nhận thức lí thuyết [6] Đảm bảo tính khoa học – kĩ thuật, sư phạm, thẩm mĩ kinh tế phần mềm mô sử dụng dạy học trường phổ thông [7] Qua tìm hiểu VR AR, nghiên cứu phát triển mô 3D với chiều tương tác thứ tư (4D) xây dựng thử nghiệm số mô 4D hỗ trợ dạy học hạt nhân nguyên tử chương trình vật lí, hóa học trường phổ thông Nghiên cứu bước đầu ứng dụng 190 Úng dụng thực tế ảo tương tác 4D dạy học mơn Vật lí Hóa học việc mơ kiến thức hạt nhân – nguyên tử đơn giản Trong thời gian tới, nghiên cứu tiếp tục hồn thiện mơ khác để dùng dạy học vật lí, hóa học xây dựng quy trình sử dụng xuyên suốt cấp học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pablo Biswas, 2015 Development of a Virtual Teaching Assistant System Applying Agile Methodology, American Society for Engineering Education, Texas A&M International University [2] Wu, Hsin-Kai; Lee, Silvia Wen-Yu; Chang, Hsin-Yi; Liang, Jyh-Chong, 2013 Current status, opportunities and challenges of augmented reality in education Computers & Education [3] Nguyễn Ngọc Hưng, 2016 Một số hướng đổi dạy học vật lí trường phổ thơng Tạp chí khoa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Vol 6, Số 8B, tr - 10 [4] Lê Xuân Trọng, 2010 Sách giáo khoa mơn Hóa học 10 nâng cao Nxb Giáo dục Việt Nam, tr 69 [5] Nguyễn Ngọc Hưng, 2016 Thí nghiệm Vật lí với dụng cụ tự làm từ chai nhựa vỏ lon (tập 2) Nxb Đại học Sư phạm, tr 4-5 [6] Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế, 2003 Phương pháp dạy học Vật lí trường phổ thơng Nxb Đại học Sư phạm, tr 257 [7] Phạm Xuân Quế, 2006 Giáo trình Tin học dạy học vật lí Nxb Đại học Sư phạm, tr 13 ABSTRACT Application virtual reality interactive 4D in teaching Physics and Chemistry Nguyen Thi Hong Nhung1, Pham Kim Chung2 and Nguyen Quoc Huy3 Masters student, University of Education, Hanoi National University University of Education, Hanoi National University Faculty of Physics, Hanoi National University of Education The industrial revolution 4.0 is developing strongly with the participation of physical, digital, biological, internet technologies connecting everything and virtual reality Currently, virtual reality technology is being widely applied in many different fields and industries, requiring changes in education and training The research development of virtual reality simulations on mobile devices researched on 4D interactive virtual reality simulation technology and its use in teaching in general and in Physics and Chemistry in particular Proposing to build simulations applying virtual reality technology for use in teaching physics and chemistry in high school including: atomic structure, crystal structure, radioactivity, nuclear reaction, fission response to overcome difficulties in teaching nuclear - atomic knowledge Thus, interest on learning for students should be increased Keywords: Virtual reality application, 4D interaction, teaching Physics and Chemistry 191 ... hướng dẫn sử dụng Bước 6: Đề xuất việc sử dụng mơ dạy học vật lí hóa học trường phổ thông 2.2 Một số mô thực tế ảo tƣơng tác 4D hỗ trợ dạy học Vật lí Hóa học 2.2.1 VR - AR mơ cấu tạo nguyên tử Nhôm... chiều tương tác thứ tư (4D) xây dựng thử nghiệm số mô 4D hỗ trợ dạy học hạt nhân ngun tử chương trình vật lí, hóa học trường phổ thơng Nghiên cứu bước đầu ứng dụng 190 Úng dụng thực tế ảo tương tác. .. trình vật lí 12 188 Úng dụng thực tế ảo tương tác 4D dạy học mơn Vật lí Hóa học 2.2.4 VR – AR mơ phóng xạ hạt nhân Po * Kịch Mơ phóng xạ alpha Po theo kiểu 4D phương pháp thực ảo, phần mềm nhận diện