Nghiên cứu triển khai ứng dụng thí nghiệm ảo vào giảng dạy đại học

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG THÍ

NGHIỆM ẢO VÀO GIẢNG DẠY ĐẠI HỌC

Phạm Hồng Quang, Vũ Minh Hùng, Trịnh Quang Trung

Trường Đại học Dầu khí Việt Nam (PVU), TP. Bà Rịa

Email: [email protected]

Tóm tắt: Bài báo này hướng tới mục tiêu đổi mới phương pháp

giảng dạy tại các trường đại học ở Việt Nam. Bài báo giới thiệu các

công cụ phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo đơn giản và hiệu quả để

giảng viên có thể tiếp nhận và xây dựng các bài thí nghiệm ảo trong

thời gian ngắn. Bài báo đã đưa ra một quy trình xây dựng bài thí

nghiệm ảo trên phần mềm Macromedia Flash và hai sản phẩm mẫu.

Từ những chỉ dẫn thiết kế, giảng viên có thể tham khảo và tự thiết kế

các bài thí nghiệm khác phục vụ cho các bài giảng cụ thể.

Từ khóa: Thí nghiệm ảo, Macromedia Flash

1. Đặt vấn đề

Đổi mới phương pháp giảng dạy đại học là một nhiệm vụ

quan trọng trong các giải pháp đổi mới giáo dục. Trong đó việc

ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông đã giúp giảng

viên thiết kế các bài trình bày một cách sinh động và hấp dẫn.

Với mong muốn tăng cường sự chủ động sáng tạo và khả năng

tự học của sinh viên, đồng thời kích thích tính tương tác trong

bài giảng thì thí nghiệm ảo có thể được sử dụng như một công

cụ rất hiệu quả.

Thí nghiệm ảo có thể được hiểu như việc mô phỏng thí

nghiệm thực tế để kiểm nghiệm lại lý thuyết hoặc làm minh họa

rõ hơn một quá trình công nghệ. Thêm nữa, thí nghiệm ảo còn

giúp mô phỏng các hiện tượng và tình huống khó thực hiện

trong thí nghiệm thực. Nhờ vậy, thí nghiệm ảo kích thích niềm

đam mê khoa học và tìm tòi khám phá cái mới của sinh viên.

Ngoài ra, thí nghiệm ảo còn giúp người học làm quen với thiết

bị và các quy trình công nghệ trước khi thao tác thực tế, cũng

như giảm thiểu đáng kể chi phí đầu tư thiết bị thực nghiệm và

vật tư tiêu hao.

Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về thí

nghiệm ảo như phần mềm Phòng thí nghiệm Vật lý Đại cương

ảo do Viện Vật lý kỹ thuật-Đại học Bách Khoa Hà Nội xây

dựng. Đặc biệt đã có một đề tài nghiên cứu cấp nhà nước do Đại

học Quốc gia Hà Nội chủ trì để xây dựng 24 thí nghiệm ảo cho

các môn học Vật lí, Hóa học và Sinh học. Hơn nữa, thời gian

gần đây cũng có một số nghiên cứu về phương pháp luận và

công cụ phần mềm liên quan đến thí nghiệm ảo (xem thêm ở [1-

4]). Việc xây dựng một bài thí nghiệm ảo đòi hỏi không chỉ

kiến thức chuyên môn của cán bộ giảng dạy trong một lĩnh vực

cụ thể, mà còn phụ thuộc vào việc lựa chọn công cụ phần mềm

và sử dụng các quy trình thiết kế hợp lý. Vì thế việc xây dựng

các bài thí nghiệm ảo mẫu với các quy trình thiết kế chuẩn sẽ rất

cần thiết cho cán bộ giảng dạy cải tiến bài giảng nhằm mục đích

kích thích niềm đam mê học tập, tạo sự chủ động, sáng tạo và

tương tác trong lớp học.

2. Công cụ phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông

tin, rất nhiều công cụ phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo đã xuất

hiện và dần trở nên phổ biến. Một đặc điểm chung dễ nhận thấy

nhất là chúng có giao diện đẹp, thân thiện với người sử dụng và

thao tác tương đối đơn giản. Nhiều phần mềm tích hợp sẵn các

công cụ thiết kế mô hình hoặc có thể liên kết trực tiếp được với

phần mềm đồ họa. Các phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo có thể

xuất ra ảnh động, phim hoặc dạng web. Các phần mềm tạo thí

nghiệm ảo phổ biến nhất hiện nay gồm có: MacroMedia Flash,

Easy Gift Animator, Ulead Gift Animator, Crocodile Physic,

Crocodile Chemistry, Gift Animator, Flex Gift Animator,

Aurora 3D Animation Maker, Corel MotionStudio 3D, Sothink

SWF Quicker, SWF Easy, SWF Easy, EximiousSoft GIF

Creator, Falco gif animator, Smart gif creator, Koolmoves,

Express animator, Iconcool gif animator, Animated gif banner

maker, và Blaze gif creator. Trong số đó thì Macromedia Flash

là một phần mềm mạnh và linh hoạt nhất, sử dụng để mô phỏng

các hiện tượng trong nhiều lĩnh vực: Vật lý, Hóa học, Sinh học,

Cơ học từ đơn giản đến phức tạp tùy theo yêu cầu và khả năng

khai thác của người sử dụng. Các mô phỏng tạo ra từ phần mềm

Macromedia Flash hoàn toàn tương thích với các công cụ tạo

bài giảng E-learning như Adobe Presenter hay Lecture Maker.

3. Quy trình thiết kế thí nghiệm ảo

Thiết kế một bài thí nghiệm ảo phải đảm bảo các nguyên tắc

cơ bản sau: (1) Phù hợp với nội dung của môn học, có ý nghĩa,

có tính khả thi và có độ phức tạp; (2) Giao diện thân thiện với

người sử dụng, hình ảnh được bố trí có tính khoa học; (3) Các

thao tác thực hiện nhanh và kết quả cũng được đưa ra trong một

thời gian ngắn; (4) Có hiệu quả cao, thực hiện được nhiều chức

năng trong dạy học hoặc thí nghiệm với chi phí hợp lý.

Quy trình thiết kế một bài thí nghiệm ảo thường được thực

hiện với các bước như sau:

 Bước 1: Lựa chọn nội dung bài thí nghiệm ảo;

 Bước 2: Xác định mục tiêu thực hiện và phân tích các

yêu cầu;

 Bước 3: Xây dựng mô hình 2D, 3D và chuẩn bị các

khung hình tĩnh để chèn vào phần mềm;

 Bước 4: Chèn các khung ảnh tĩnh vào phần mềm, tạo vị

trí và định dạng;

 Bước 5: Thiết kế giao diện để hiện thị, giao tiếp và

chuyển động;

 Bước 6: Sử dụng các kỹ thuật thí nghiệm ảo như: nội

suy, biến hình, tạo hiệu ứng, quản lý khung thời gian,

mặt nạ, bộ lọc, nhân bản, định dạng và chuyển động để

tạo mô phỏng;

 Bước 7: Xác định thuật toán cho thí nghiệm ảo và viết

chương trình phần mềm;

 Bước 8: Chạy thử, chỉnh sửa, hoàn thiện, viết hướng dẫn

sử dụng và nghiệm thu.

4. Các sản phẩm thí nghiệm ảo

Phần mềm Macromedia Flash được đề cập ở mục 2 là một

công cụ phần mềm rất mạnh để thiết kế các bài thí nghiệm ảo.

Nó có thể tạo ra một giao diện đẹp mắt và cho phép người dùng

tương tác với thí nghiệm thông qua các nút bấm, ô nhập dữ liệu

và các hình ảnh động. Các tác giả đã sử dụng phần mềm này để

xây dựng hai bài thí nghiệm ảo như ở hình bên dưới.

Hình 1. Thí nghiệm về các kiểu dòng chảy trong đường ống

Hình 2. Thí nghiệm ảo về chu trình nhiệt Carnot

Trong đó, Hình 1 là thí nghiệm dòng chảy Reynolds. Người

sử dụng dùng chuột để chọn các loại chất lỏng trên mô hình, rồi

chọn vận tốc của dòng chảy và bấm Start. Ngay sau đó thì số

Reynolds (R) sẽ được tính và quyết định hiện thị loại dòng chảy

nào (chảy tầng hay rối) trên mô hình. Khi làm thí nghiệm ảo,

sinh viên sẽ quan sát được hoạt động bơm nước vào bình, quá

trình và dạng chuyển động của các dòng chảy trong ống, cũng

như hiện thị các giá trị vận tốc và lưu lượng. Ngoài ra thí

nghiệm còn có các tính năng về học an toàn và học lý thuyết.

Hình 2 minh họa một chu trình nhiệt Carnot: người sử dụng sẽ

quan sát được sự thay đổi trạng thái, hình ảnh và hướng dịch

chuyển của chu trình tùy thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ và

áp suất.

5. Kết luận

Qua khảo sát và đánh giá nhu cầu áp dụng thí nghiệm ảo, các

tác giả nhận thấy thí nghiệm ảo đóng một vai trò quan trọng

trong việc cải tiến các bài giảng và đổi mới phương pháp giảng

dạy nhằm nâng cao chất lượng đào tạo. Vì thế tác giả đã đề xuất

sử dụng phần mềm Macromedia Flash với các yêu cầu và quy

trình thiết kế chi tiết. Hai sản phẩm mẫu đã được thiết kế để các

giảng viên có thể tham khảo và tự triển khai thực hiện cho chính

các bài giảng của mình.

Tài liệu tham khảo

[1] Vũ Trọng Rỹ, Các yêu cầu cơ bản đối với thí nghiệm ảo-Sản

phẩm Multimedia, Tạp chí giáo dục, số 107, 2005, Tr.20-22.

[2] Phạm Xuân Quế, Ứng dụng công nghệ thông tin trong tổ chức

hoạt động nhận thức vật lý tích cực, tự chủ và sáng tạo, NXB ĐHSP,

2007.

[3] Nguyễn Bảo Hoàng Thanh, Sử dụng phần mềm Crocodile

Technology 3D nhằm nâng cao năng lực tự học của sinh viên môn

Vật lý ở các trường đại học, Tạp chí KH&CN Đà Nẵng, số 4 năm

2010, tr. 93-99.

[4] Ngô Tứ Thành, Giải pháp đổi mới phương pháp giảng dạy ở các

Trường đại học ICT hiện nay, Tạp chí Khoa học ĐHQG HN, số 24

năm 2008, tr. 237-242.