phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án đƣợc c u trúc gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Cơ sở lý luận và thực tiễn về công nghệ dạy học tƣơng tác ảo Chƣơng 2: Thiết kế bài giảng học phần Robot công nghiệp theo công nghệ dạy học tƣơng tác ảo trong đào tạo ngành Cơ điện tử Chƣơng 3: Thực nghiệm sƣ phạm và đánh giá Kết luận và khuyến nghị 5 Tài liệu tham khảo Danh mục các công trình đã công bố của Luận án Phụ lục 6 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ CÔNG NGHỆ DẠY HỌC TƢƠNG TÁC ẢO 1. T ng quan nghiên cứu về công nghệ dạy học tƣơng tác ảo 1.1 Thế gi i Con ngƣời không chỉ có nhu cầu sử dụng mà còn có nhu cầu thƣởng ngoạn vẻ đẹp trên các sản phẩm công nghệ, đ c biệt các nội dung hiển thị không chỉ đƣợc truyền tải một chiều mà còn có khả năng tƣơng tác qua lại giữa ngƣời tham gia và nội dung, giữa nội dung và hình thức. Các sản phẩm của công nghệ kỹ thuật số ngày nay đang hƣớng đến những tiện ích ngày càng cao hơn cho ngƣời sử dụng.Công nghệ tƣơng tác ảo đã manh nha xu t hiện từ cuối những năm 60 thế kỷ XX và đƣợc biết tới với nhiều tên gọi nhƣ môi trƣờng ảo, không gian ảo, thực tại nhân tạo. Những công nghệ này là nền tảng cho sự phát triển của công nghệ tƣơng tác ảo ngày nay [1].
Các khía cạnh quan trọng nh t của VR đƣợc xây dựng bởi các nhà tiên phong đồ họa máy tính Ivan Sutherland năm 1965 đã mô tả ý tƣởng: Đừng suy nghĩ về điều đó nhƣ một loại hình công nghệ tích hợp các nội dung đa phƣơng tiện để truyền tải nội dung thông tin, mà nó còn cho phép ngƣời dùng tƣơng tác với các thành phần nội dung. VR sử dụng đồ họa máy tính để tạo ra một thế giới nhƣ thật theo không một màn hình, nghĩ về nó nhƣ một cửa sổ, một cửa sổ thông qua đó có thể nhìn vào thế giới ảo. Thách thức đối với đồ họa máy tính và làm cho ảo thế giới nhìn thật, âm thanh thật, di chuyển và phản ứng lại với tƣơng tác trong thời gian thực và thậm chí cảm th y thật. Theo ông, nhiệm vụ của VR là mô phỏng một thế giới ảo trong đó một cách thực tế mà ngƣời dung có đƣợc n tƣợng là ở bên trong một thế giới thực, đƣợc gọi là đắm chìm.
Công nghệ tƣơng tác ảo là một gian ba chiều, ngƣời tham gia có thể tƣơng tác với môi trƣờng ảo đó. Hơn nữa, thế giới nhân tạo không tĩnh tại, mà thay đổi theo ý muốn tƣơng tác của ngƣời sử dụng (nhờ hành động, lời nói. Điều này xác định một đ c tính chính của VR, đó là tƣơng tác thời gian thực. Cho đến nay, công nghệ này đã đƣợc phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: quân sự, y tế, giải trí, v.v… 7 Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, công nghệ, các nhà nghiên cứu đã đƣa ra một số cách tiếp cận mới cho loại hình ứng dụng này, một trong số đó là công nghệ tƣơng tác ảo với giao diện màn hình ảo.
Đây là loại hình công nghệ thực tế ảo cho phép tạo ra các ứng dụng có chi phí sản xu t hợp lý và đáp ứng đƣợc hầu hết các nhu cầu của ngƣời sử dụng. Công nghệ tƣơng tác ảo đƣợc xử lý trên hệ thống máy vi tính, hình ảnh mô phỏng đƣợc hiển thị trên màn hình máy tính và ngƣời tham gia đƣợc tƣơng tác với nội dung thông qua bàn phím, chuột và một số các phím chức năng trên bàn phím tùy theo đ c thù ứng dụng tƣơng tác ảo đƣợc tạo ra. Do đó, công nghệ này đƣợc nhiều nƣớc sử dụng trong việc tạo ra các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó có giáo dục và đào tạo [2], [3], [4]. Việc tích hợp các loại hình truyền tải thông tin sẽ có tác dụng nâng cao hiệu quả thông tin.
Vì vậy, các nhà giáo dục trên thế giới đang đẩy mạnh việc tích hợp công nghệ tƣơng tác ảo vào giảng dạy nhằm nâng cao tính h p dẫn, chủ động tích cực và sáng tạo của ngƣời học, quản lý các môn học một cách hiệu quả. Theo thống kê của mạng Cnet, đã có hơn 300 trƣờng đại học và hơn 4.200 nhà giáo trên thế giới ứng dụng công nghệ tƣơng tác ảo, mô phỏng các hoạt động học thuật nhƣ thật. Thí dụ nhƣ: các buổi xử án ảo dành cho sinh viên Luật, đại học Harvard, các buổi thảo luận chuyên đề văn hóa, lịch sử ở Đại học Princeton, các bài giảng âm nhạc và nghệ thuật qua tƣơng tác ảo ở Đại học Ohio… đã đạt hiệu quả r t cao. Đại học Aizona Mỹ đã ứng dụng công nghệ tƣơng tác ảo để tái hiện lại hình ảnh vở Harlem nổi tiếng vào năm 1920 trong không gian ảo, giúp ngƣời học hiểu đƣợc rõ về giá trị văn hóa lịch sử trong những thời kỳ trƣớc theo một cách nhìn trực quan và chân thực hơn [5].
Tiến sĩ Bryan Carter, Trƣờng Đại học Arizona cho rằng: “Việc sử dụng công nghệ tƣơng tác ảo giúp cho sinh viên có nhiều cảm hứng hơn trong quá trình học” [6]. Hiện nay, trên thế giới để nâng cao hiệu quả dạy học đã tích hợp các nội dung đa phƣơng tiện có tính tƣơng tác nhƣ công nghệ tƣơng tác ảo đang là một xu thế trong chƣơng trình học. Các nội dung đƣợc tích hợp với nhau từ hình ảnh đến âm thanh và có khả năng tƣơng tác sẽ góp phần nâng cao khả năng truyền tải thông tin một cách hữu hiệu đến ngƣời học, đ c biệt một số thông tin mang tính ch t đ c thù kỹ thuật trừu tƣợng. Với phƣơng pháp này ngƣời học sẽ tiếp nhận đƣợc kiến thức không chỉ bằng thị 8 giác mà còn đƣợc thông qua các giác quan khác, giúp cho ngƣời học trở nên chủ động và năng động hơn trong việc học của mình.
Loại hình tích hợp này làm thay đổi cách truyền đạt và tiếp thu kiến thức, tạo khả năng cuốn hút, hứng thú cho ngƣời học, giờ học trở nên sinh động, hiệu quả giáo dục, đào tạo tăng lên rõ rệt [7]. Lĩnh vực y tế là một trong những lĩnh vực tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ tƣơng tác ảo vào đào tạo. Trong đào tạo thực hành bác sĩ chuyên khoa trƣớc đậy chủ yếu sử dụng các mẫu vật thật về con ngƣời. Phƣơng pháp này bộc lộ nhiều hạn chế trong sự truyền đạt giữa ngƣời dạy và ngƣời học, ngƣời học với mẫu vật.
Nhƣ việc học về chuyển động của tĩnh mạch qua các đoạn video cũng hết sức hạn chế để ngƣời học hình dung đƣợc toàn diện v n đề. Chính vì vậy, nhóm tác giả Trƣờng Đại học Southern Queensland về ứng dụng của công nghệ tƣơng tác ảo trong đào tạo sinh viên y khoa cho th y rằng, việc truyền tải kiến thức bằng ngôn ngữ hình ảnh tƣơng tác ảo với việc mô tả sinh động, nhƣ thật các bộ phận cơ thể con ngƣời, cùng với sự kết hợp đan xen giữa các nội dung hình ảnh tĩnh và động, ngƣời tham gia có thể tƣơng tác trực tiếp với nội dung và các bộ phận cơ thể ngƣời nhƣ thật đã đem lại hiệu quả cao trong việc tiếp thu kiến thức [8]. Trong giáo dục, đào tạo, một trong những yêu cầu đ t ra là làm sao để ngƣời học có thể trải nghiệm thực tiễn các kiến thức đƣợc nhiều hơn thông qua việc sử dụng ngôn ngữ hình ảnh. Một dự án của Công ty phát triển các ứng dụng tƣơng tác ảo trong giáo dục, đào tạo Unimersiv đã phát triển thành công một ứng dụng đào tạo trong lĩnh vực y khoa có tên Molecule hỗ trợ trong việc dạy và học [9].
Đây là một ứng dụng giới thiệu về những khái niệm cơ bản về sự truyền tải thông tin và các tín hiệu trong mạch máu. Nội dung đƣợc thể hiện bằng hình ảnh 3D và tích hợp tính năng tƣơng tác đa phƣơng tiện, ngƣời học không chỉ đƣợc quan sát để cảm nhận mà còn đƣợc tƣơng tác với chính các hình ảnh theo ý muốn của bản thân. Đó chính là trải nghiệm đem lại sự th u đáo mà nếu đơn thuần chỉ dừng lại ở việc quan sát xem thôi sẽ không đủ. Đồng thời, nó cũng phát huy đƣợc tính tích cực, chủ động, sáng tạo của ngƣời học, khai thác nhiều giác quan của ngƣời học để lĩnh hội tri thức [10].
Ông Michabrbel Bodekaer, sáng lập của Labster đã trình bày phòng nghiên cứu tƣơng tác ảo về hóa học tại Hội thảo toàn cầu mang tên TED do Công ty Sapling Foudation tổ chức, Phòng thí nghiệm này đƣợc mô phỏng nhƣ một phòng thí nghiệm 9 thật thông qua đồ họa 3D. Điểm nổi bật ở dự án này không chỉ là xây dựng không gian phòng thí nghiệm ảo, mà những ngƣời tham gia có thể trực tiếp thao tác, tạo ra các chuỗi phản ứng hóa học qua các hình ảnh phản ứng để quan sát. Nếu nhƣ trƣớc đây, các phòng thí nghiệm chỉ đƣợc thực hiện trong môi trƣờng thật với nhiều rủi ro và chi phí tốn kém, thì với công nghệ tƣơng tác ảo, đã giúp việc thực hiện công việc này một cách an toàn và thuận lợi hơn r t nhiều với chi phí hợp lý [11]. Công nghệ tƣơng tác ảo còn đƣợc ứng dụng trong đào tạo cán bộ lãnh đạo, quản lý, những nhà quản lý doanh nghiệp ở các c p, thông qua mô phỏng môi trƣờng, tình huống, v n đề nhƣ ngoài thực tế, để ngƣời học có thể tƣơng tác, xử lý thông tin, ra quyết định nhƣ trong môi trƣờng thật và thời gian thật [12].
VR giúp trình bày dữ liệu phức tạp theo cách trực quan, dễ tiếp cận. Sinh viên có thể tƣơng tác với các đối tƣợng trong môi trƣờng ảo để khám phá sâu hơn về chúng, điều này giúp ngƣời học vừa cảm th y dễ hiểu bài và ghi nhớ sâu hơn. Chẳng hạn, với môn thiên văn học, sinh viên có thể tìm hiểu hệ m t trời bằng cách quan sát tiến trình hoạt động của các ngôi sao trong không gian ba chiều tƣơng tác vật lý nhƣ “di chuyển” các hành tinh trong vũ trụ ảo. VR cũng thực sự hữu ích cho những môn học có tính trình diễn cao nhƣ: xây dựng, kiến trúc, du lịch, sinh học hay những môn cần tái hiện lại hình ảnh trong quá khứ nhƣ môn lịch sử [13] [14].
Bên cạnh đó, VR đƣợc ứng dụng r t hiệu quả trong việc mô phỏng các tình huống nguy hiểm ho c rủi ro trong một môi trƣờng có kiểm soát.