Nghiên cứu phát triển tư duy tính toán qua ứng dụng thực tế ảo tăng cường - Luận án tiến sĩ khoa học máy tính

Phát triển tư duy tính toán qua ứng dụng thực tế ảo tăng cường. Khám phá phương pháp kết hợp công nghệ XR nâng cao tư duy logic và kỹ năng giải quyết vấn đề.

• Tác giả: The Vinh Nguyen
• Người hướng dẫn: TS. Tommy Dang
• Trường học: Texas Tech University
• Chuyên ngành: Khoa học Máy tính
• Đề tài: Khởi tạo tư duy tính toán thông qua việc phát triển ứng dụng Thực tế tăng cường
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu giám sát năng lượng và giảm rung xe đạp điện

Xe đạp điện đang trở thành phương tiện giao thông phổ biến trong đô thị. Nhu cầu tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và đảm bảo sự thoải mái cho người lái ngày càng cấp thiết. Nghiên cứu hệ thống giám sát năng lượng và giảm rung thích ứng đường nhằm giải quyết đồng thời hai vấn đề cốt lõi: quản lý tiêu hao năng lượng hiệu quả và giảm thiểu tác động rung động từ mặt đường. Hệ thống tích hợp nhiều cảm biến để thu thập dữ liệu thời gian thực. Dữ liệu bao gồm mức pin, dòng điện, điện áp, gia tốc rung và trạng thái mặt đường. Bộ xử lý trung tâm phân tích dữ liệu liên tục. Từ đó, hệ thống đưa ra quyết định điều khiển tự động. Mục tiêu là kéo dài quãng đường di chuyển mỗi lần sạc. Đồng thời, nâng cao trải nghiệm lái trên mọi loại địa hình. Nghiên cứu này đóng góp vào lĩnh vực giao thông bền vững và công nghệ xe điện thông minh.

1.1. Khái niệm hệ thống giám sát năng lượng xe đạp điện

Hệ thống giám sát năng lượng là tập hợp cảm biến và mạch điện tử theo dõi liên tục các thông số hoạt động của xe. Các thông số chính bao gồm dung lượng pin, dòng xạc, điện áp acquy và công suất tiêu thụ động cơ. Dữ liệu được thu thập theo thời gian thực thông qua các cảm biến dòng, cảm biến điện áp và vi điều khiển trung tâm. Hệ thống hiển thị thông tin lên màn hình LCD hoặc ứng dụng di động. Người dùng nắm bắt được mức năng lượng còn lại và dự đoán quãng đường đi được. Công nghệ này giúp tránh tình trạng cạn pin đột ngột và tối ưu hóa thói quen sử dụng năng lượng.

1.2. Vai trò của hệ thống giảm rung thích ứng đường

Giảm rung thích ứng đường là hệ thống giảm xóc có khả năng tự điều chỉnh dựa trên điều kiện mặt đường thực tế. Công nghệ sử dụng cảm biến gia tốc và cảm biến khoảng cách để phát hiện gồ ghề, ổ gà và bề mặt đường không bằng phẳng. Bộ điều khiển vi xử lý phân tích tín hiệu rung động tức thời. Hệ thống thay đổi lực giảm chấn trong thời gian vài mili giây. Kết quả là giảm đáng kể rung động truyền lên khung xe và người lái. Công nghệ này nâng cao sự thoải mái, giảm mệt mỏi và cải thiện khả năng kiểm soát tay lái khi di chuyển trên đường xấu.

II. Phân tích vấn đề năng lượng và rung động trên xe đạp điện

Xe đạp điện đối mặt nhiều thách thức liên quan đến quản lý năng lượng và rung động mặt đường. Về năng lượng, dung lượng pin hạn chế là rào cản lớn nhất. Quãng đường di chuyển trung bình mỗi lần sạc dao động từ 30 đến 60 kilômét. Con số này phụ thuộc vào tải trọng, tốc độ, địa hình và điều kiện thời tiết. Người dùng thường không có công cụ theo dõi chi tiết mức tiêu hao thực tế. Về rung động, mặt đường đô thị Việt Nam có nhiều bất thường. Đường sỏi, đường nhựa hỏng và gờ giảm tốc tạo ra rung động liên tục. Rung động gây mỏi cơ thể và ảnh hưởng hệ thống treo. Hai vấn đề này có mối liên hệ mật thiết với nhau. Rung động lớn làm tăng ma sát và tiêu hao thêm năng lượng. Do đó, giải quyết đồng thời cả hai vấn đề là hướng nghiên cứu cần thiết.

2.1. Thách thức trong quản lý và tối ưu năng lượng xe đạp điện

Quản lý năng lượng xe đạp điện gặp nhiều khó khăn kỹ thuật. Thứ nhất, công nghệ pin lithium-ion hiện tại có mật độ năng lượng giới hạn. Thứ hai, hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ pin sang động cơ bị hao hụt do nhiệt và trở kháng nội. Thứ ba, thói quen lái xe không đều, phanh gấp và tăng tốc đột ngột gây lãng phí năng lượng lớn. Mặt khác, hệ thống điện phụ trợ như đèn, còi và màn hình cũng tiêu thụ điện đáng kể. Không có cơ chế giám sát thông minh, người dùng không thể biết được mức tiêu hao chi tiết theo từng thời điểm và điều kiện vận hành cụ thể.

2.2. Tác động của rung động mặt đường đến hiệu suất và người sử dụng

Rung động mặt đường ảnh hưởng tiêu cực đến cả xe và người lái. Về phía xe, rung động kéo dài gây lỏng ốc vít, hỏng mối hàn và giảm tuổi thọ linh kiện điện tử. Hệ thống pin đặc biệt nhạy cảm với rung động vì có thể gây đứt mạch nội bộ. Về phía người lái, rung động truyền qua tay lái và yên xe gây mỏi cơ, đau lưng và tê tay. Ở tốc độ cao, rung động làm giảm khả năng kiểm soát tay lái, tăng nguy cơ tai nạn. Nghiên cứu cho thấy rung động tần số 4-8 Hz có hại nhất cho cột sống người. Mặt đường xấu còn làm tăng lực cản lăn, dẫn đến tiêu hao năng lượng thêm 10-20%.

III. Giải pháp công nghệ giám sát năng lượng và giảm rung thích ứng

Hệ thống đề xuất gồm hai module chính hoạt động song song và có liên kết dữ liệu. Module giám sát năng lượng sử dụng cảm biến dòng ACS712, cảm biến điện áp phân áp và vi điều khiển Arduino hoặc ESP32. Dữ liệu được xử lý và truyền qua giao thức Bluetooth Low Energy đến ứng dụng di động. Ứng dụng hiển thị đồ thị tiêu hao năng lượng thời gian thực. Module giảm rung thích ứng sử dụng cảm biến gia tốc MPU6050 gắn trên trục trước và trục sau. Bộ điều khiển PID phân tích tín hiệu rung và điều khiển van điện từ trong giảm sóc thủy lực. Khi phát hiện rung động bất thường, hệ thống tăng lực giảm chấn để hấp thụ năng lượng. Khi đường bằng phẳng, lực giảm chấn giảm để tiết kiệm năng lượng. Hai module chia sẻ dữ liệu qua bus CAN nội bộ. Bộ thuật toán tối ưu tổng thể cân bằng giữa tiết kiệm năng lượng và giảm rung. Hệ thống có thể giảm tiêu hao năng lượng từ 8 đến 15% trên đường xấu.

3.1. Cấu trúc phần cứng và cảm biến giám sát năng lượng

Phần cứng giám sát năng lượng bao gồm các thành phần chính sau. Vi điều khiển ESP32 đóng vai trò trung tâm xử lý và truyền dữ liệu. Cảm biến dòng ACS712-20A đo dòng điện từ pin đến động cơ với độ chính xác cao. Mạch phân áp điện trở đo điện áp acquy lên đến 60V. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 theo dõi nhiệt độ pin để bảo vệ quá nhiệt. Màn hình OLED 0.96 inch hiển thị thông tin cơ bản trực tiếp trên xe. Module Bluetooth tích hợp trong ESP32 truyền dữ liệu đến smartphone. Pin được kết nối qua cầu chì và relay bảo vệ quá dòng. Toàn bộ mạch đặt trong hộp chống nước tiêu chuẩn IP65 để hoạt động ổn định ngoài trời.

3.2. Thuật toán điều khiển giảm rung thích ứng theo thời gian thực

Thuật toán giảm rung thích ứng dựa trên bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) cải tiến. Cảm biến gia tốc MPU6050 thu thập dữ liệu rung động với tần số lấy mẫu 100Hz. Dữ liệu được lọc nhiễu bằng bộ lọc Kalman để loại bỏ tín hiệu không mong muốn. Bộ điều khiển PID tính toán sai lệch giữa rung động thực tế và ngưỡng cho phép. Từ đó, tín hiệu điều khiển gửi đến van điện từ proportional valve để điều chỉnh lưu lượng dầu trong giảm sóc. Hệ thống có ba chế độ: êm ái cho đường bằng, cân bằng cho đường đô thị và cứng cho đường gồ ghề. Chế độ được chọn tự động dựa trên phân tích phổ tần số rung động. Thời gian đáp ứng của hệ thống dưới 50 mili giây, đủ nhanh để xử lý ổ gà và gờ giảm tốc.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của hệ thống trên xe đạp điện

Nghiên cứu đã thiết kế và thử nghiệm thành công hệ thống giám sát năng lượng kết hợp giảm rung thích ứng đường cho xe đạp điện. Kết quả thử nghiệm trên quãng đường 500 kilômét cho thấy nhiều cải thiện đáng kể. Thời lượng pin tăng trung bình 12% nhờ tối ưu hóa phân phối năng lượng. Mức rung động truyền lên tay lái giảm 35% so với giảm sóc thông thường. Người lái đánh giá cao sự thoải mái khi di chuyển trên đường xấu. Hệ thống có chi phí sản xuất hợp lý, khoảng 50-70 USD cho mỗi bộ. Khả năng mở rộng cao, có thể tích hợp thêm GPS và kết nối IoT. Dữ liệu thu thập được hỗ trợ phân tích hành vi lái xe và bảo trì dự đoán. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho ngành xe đạp điện thông minh tại Việt Nam. Công nghệ này phù hợp với xu hướng giao thông xanh và đô thị bền vững.

4.1. Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu quả hệ thống

Thử nghiệm được thực hiện trên ba loại đường phổ biến: đường nhựa bằng phẳng, đường đô thị có ổ gà và đường sỏi đất gồ ghề. Kết quả cho thấy hệ thống giám sát năng lượng hoạt động chính xác với sai số đo dòng điện dưới 2% và sai số điện áp dưới 1%. Hệ thống giảm rung thích ứng đáp ứng nhanh, thời gian phản ứng trung bình 45 mili giây. Chỉ số rung RMS giảm từ 3.2 m/s² xuống 1.8 m/s² trên đường xấu. Quãng đường đi được mỗi lần sạc tăng từ 45 km lên 51 km trên đường hỗn hợp. Người thử nghiệm gồm 15 tình nguyện viên đánh giá mức thoải mái cải thiện rõ rệt, đặc biệt khi lái liên tục trên 30 phút.

4.2. Tiềm năng ứng dụng và hướng phát triển tương lai

Hệ thống có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong giao thông đô thị, công nghệ hỗ trợ người lái tối ưu hành trình và tiết kiệm chi phí năng lượng. Trong logistics, xe đạp điện giao hàng được giám sát hiệu suất liên tục. Dữ liệu rung động còn dùng để đánh giá chất lượng hạ tầng đường bộ. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự đoán thói quen sử dụng và tự động điều chỉnh hệ thống. Kết nối IoT cho phép quản lý đội xe từ xa qua đám mây. Phát triển hệ thống phanh tái tạo năng lượng kết hợp giảm rung để thu hồi năng lượng khi đi đường xấu. Nghiên cứu cũng hướng đến áp dụng cho xe máy điện và xe lăn điện.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ ngành Khoa học Máy tính (Computer Science) của tác giả The Vinh Nguyen, được đệ trình tại Texas Tech University vào tháng 10 năm 2020 dưới sự hướng dẫn của Dr. Tommy Dang (Chủ tịch hội đồng) và Dr. Kwanghee Jung (Đồng chủ tịch hội đồng), mang tên: "Instilling Computational Thinking through making Augmented Reality application".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Kỹ năng tư duy máy tính (Computational Thinking Skills - CTS) bao gồm diễn đạt vấn đề, biểu diễn dữ liệu quy mô lớn, nhận diện, phân tích và thực thi các giải pháp là những yếu tố thiết yếu để thành công trong các ngành giáo dục STEM. Tuy nhiên, các phương pháp tiếp cận truyền thống để xây dựng ứng dụng Thực tế tăng cường (Augmented Reality - AR) và Thực tế ảo (Virtual Reality - VR) phụ thuộc lớn vào các ngôn ngữ lập trình phức tạp và môi trường phát triển tích hợp (IDE) như Unity3D, XCode hoặc Android Studio. Những rào cản này bao gồm yêu cầu thiết bị phần cứng tương thích (ví dụ: ARCore đòi hỏi Android 7.0 trở lên; ARKit đòi hỏi iOS 11 cùng chip xử lý A9–A11), sự không tương thích phiên bản API, cùng độ khó khi người học không chuyên phải xử lý các tệp mã nguồn dài hơn 800 dòng.

Mặc dù các ngôn ngữ lập trình dạng khối kéo-thả (Block-based programming) như Scratch đã được ứng dụng trong giáo dục K-12, các công cụ mở rộng AR trước đây (như AR Scratch của Radu & Blair) chủ yếu chỉ hiển thị hình ảnh 2D trên không gian thực hoặc hạn chế khả năng tương tác giữa các vật thể 3D trong không gian ba chiều. Các nền tảng thương mại như CoSpaces hoặc công cụ VEDILS vẫn tồn tại rào cản về tính tương thích hệ điều hành hoặc nội dung học tập bị cố định, thiếu các công cụ kể chuyện/sáng tác (authoring/storytelling tools) mở cho phép người học tự do thử nghiệm, kiểm thử, trừu tượng hóa, module hóa và tái sử dụng ý tưởng.

Mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là hỗ trợ người học nâng cao kỹ năng tư duy máy tính phục vụ định hướng nghề nghiệp tương lai thông qua quá trình tự xây dựng ứng dụng Thực tế tăng cường trên nền tảng web. Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Đề xuất khung kiến trúc và quy trình thiết lập để hiển thị các mô hình 3D phức tạp phục vụ nội dung chương trình học trong môi trường AR và VR.
2. Đánh giá tiềm năng và tính khả thi của việc tạo ứng dụng AR/VR trên nền tảng web (WebVR) trong môi trường lớp học từ góc nhìn của người học.
3. Khảo sát các phương thức thay thế để sản xuất ứng dụng AR/VR thông qua nghiên cứu trường hợp 3 phần (3-part use case study).
4. Phát triển một công cụ tương tác trên nền tảng web (BlocklyAR) giúp người học xây dựng ứng dụng AR nhằm bồi dưỡng kỹ năng tư duy máy tính.

Luận án triển khai các câu hỏi nghiên cứu cụ thể qua từng giai đoạn thực nghiệm:

• Tại Chương 4:
  • R1: Việc học và tạo ứng dụng WebVR trong một khung thời gian giới hạn có khả thi không? WebVR có tiếp cận được với mọi đối tượng không?
  • R2: Dưới góc nhìn của người học, phương pháp tiếp cận của họ khi học phát triển nội dung WebVR là gì và mức độ nỗ lực bỏ ra là bao nhiêu?
  • R3: Những thách thức gặp phải khi học phát triển nội dung WebVR là gì?
  • R4: Có mối tương quan nào giữa thư viện được lựa chọn với kỳ vọng của dự án không?
• Tại Chương 5:
  • RQ1: Khung/thư viện phát triển VR/AR nào kích thích tốt nhất sự quan tâm của người dùng (từ mới bắt đầu đến chuyên gia) trong việc tạo và chia sẻ nội dung VR/AR xét trên cả tính hữu ích cảm nhận (PU) và tính dễ sử dụng cảm nhận (PEOU)?
  • RQ2: Thư viện/khung mà sinh viên ưa chuộng có hỗ trợ họ giải quyết các vấn đề phức tạp hơn không?
  • RQ3: Khi được lựa chọn, sinh viên sử dụng thư viện/khung nào để phát triển ứng dụng VR/AR dựa trên sở thích cá nhân?
  • RQ4: Dựa trên phản hồi từ người học, ưu điểm và nhược điểm của WebVR so với các công cụ VR/AR dựa trên ứng dụng cài đặt (app-based) là gì?

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Quy trình bồi dưỡng tư duy máy tính; các khung phát triển ứng dụng AR/VR (Unity3D, Vuforia, Google Cardboard SDK, A-Frame, Three.js, React VR, Babylon.js, AR.js, Blockly); công cụ lập trình thị giác BlocklyAR; mức độ chấp nhận công nghệ của người học.
• Phạm vi không gian: Thực hiện tại Khoa Khoa học Máy tính, Texas Tech University (Hoa Kỳ), bao gồm không gian khuôn viên trường đại học và các lớp học chuyên ngành khoa học máy tính/kỹ thuật phần mềm.
• Phạm vi thời gian: Dữ liệu nghiên cứu và các khóa học thực nghiệm được triển khai từ năm 2017 đến năm 2020.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng thuật các công trình nghiên cứu thuộc các nhóm hướng tiếp cận chính:

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                      CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIỀN ĐỀ                           |
+------------------------------------+----------------------------------------+
| Ứng dụng AR/VR trong giáo dục STEM | Serafin et al. (2017): Giáo dục âm nhạc|
| và mô hình hóa không gian 3D       | Miyata et al. (2010): Nhóm phát triển VR|
|                                    | Dinis et al. (2017): CAD, Unity, Oculus|
|                                    | Chen et al. (2011): Đồ họa kỹ thuật    |
|                                    | Messner et al. (2003): CAVE, xây dựng  |
|                                    | Zhao et al. (2017): LiDAR, núi lửa     |
|                                    | Parmar et al.: Hệ thống VEnvI          |
|                                    | Voinea et al.: Mô hình giải phẫu       |
+------------------------------------+----------------------------------------+
| Giảng dạy VR/WebVR trong lớp học   | Hafner et al. (2013): Dự án công nghiệp|
| và các rào cản kỹ thuật            | Takala et al. (2016): Khóa học 5 năm   |
|                                    | Cliburn et al. (2010): Đồ họa máy tính |
|                                    | Stansfield (2005): Kỹ năng mềm trong VR|
|                                    | V. Nguyen & Dang (2017): Khung Unity   |
+------------------------------------+----------------------------------------+
| Lập trình khối thị giác và công cụ | Resnick et al. (2009): Nền tảng Scratch|
| AR cho người mới bắt đầu           | Radu & MacIntyre (2009): AR Scratch 2D |
|                                    | Mota et al.: VEDILS trên Android       |
|                                    | Clarke (2019): Mở rộng VEDILS cho iOS  |
|                                    | Wu et al. (2013); Laine (2018)         |
+------------------------------------+----------------------------------------+

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

1. Các nghiên cứu trước phần lớn sử dụng các tập dữ liệu tĩnh hoặc mã nguồn viết sẵn, thiếu khả năng tương tác với thế giới thực và thiếu một khung hướng dẫn toàn diện từ khâu thu thập dữ liệu, tạo địa hình đến hiển thị đa nền tảng.
2. Việc phát triển VR/AR truyền thống đòi hỏi thiết bị HMD đắt tiền và kỹ năng lập trình chuyên sâu, gây khó khăn cho việc triển khai đại trà trong lớp học.
3. Các công cụ lập trình thị giác AR hiện có chỉ hỗ trợ hiển thị hình ảnh 2D, gặp lỗi không tương thích phiên bản hệ điều hành (như iOS 12+), thiếu khả năng thao tác không gian ba chiều, hoạt hóa chuyển động (animation) và chưa vận hành mượt mà trên trình duyệt web độc lập thiết bị.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

• Khái niệm Tư duy Máy tính (Computational Thinking - Wing, 2006): Bao gồm các khái niệm cốt lõi trong lập trình: trình tự (sequence), vòng lặp (loop), tính song song (parallelism), sự kiện (events), câu lệnh điều kiện (conditional), toán tử logic/toán học (operators), và cấu trúc dữ liệu (data).
• Mô hình Chấp nhận Công nghệ (Technology Acceptance Model - TAM - Davis et al., 1989): Phân tích dựa trên hai cấu trúc chính là Tính hữu ích cảm nhận (Perceived Usefulness - PU) và Tính dễ sử dụng cảm nhận (Perceived Ease of Use - PEOU), tác động đến Thái độ sử dụng (Attitude Towards Using - ATU) và Ý định hành vi sử dụng (Behavioral Intention to Use - BIU).
• Khung phân tích mở rộng cho BlocklyAR: Kết hợp TAM với Sự tương thích giữa Nhiệm vụ và Công nghệ (Task-Technology Fit - TTF) và Thiết kế Trực quan (Visual Design - VD).

                      MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG (TAM + TTF + VD)
                      
   +-----------------------+              +-----------------------+
   |   Task-Technology     |------------->|  Perceived Ease of    |
   |      Fit (TTF)        |              |      Use (PEOU)       |
   +-----------------------+              +-----------------------+
                                                      |
   +-----------------------+                          v
   |  Visual Design (VD)   |------------->+-----------------------+
   |                       |              | Perceived Usefulness  |
   +-----------------------+              |        (PU)           |
                                          +-----------------------+
                                                      |
                                                      v
   +-----------------------+              +-----------------------+
   | Behavioral Intention  |<-------------|  Attitude Towards     |
   |     to Use (BIU)      |              |     Using (ATU)       |
   +-----------------------+              +-----------------------+

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp phương pháp hỗn hợp (thiết kế kỹ thuật hệ thống kết hợp đánh giá thực nghiệm định lượng và định tính):

• Phần mềm và Kỹ thuật công nghệ:
  • Phát triển hệ sinh thái VR/AR trên Unity3D tích hợp Vuforia SDK, Google VR SDK (Google Cardboard), Blender (xử lý khung xương và hoạt hình cho mô hình 3D), và dữ liệu độ cao từ cổng terrain.party.
  • Khảo sát các thư viện WebVR: A-Frame, Three.js, React VR, Babylon.js, Vizor, PlayCanvas.
  • Thiết kế công cụ BlocklyAR kết hợp thư viện Google Blockly (tạo khối lệnh và sinh mã JavaScript) và AR.js (trình diễn AR trên nền web thông qua nhận diện hình ảnh/marker).
• Thu thập dữ liệu và Mẫu khảo sát:
  • Đánh giá hệ thống mô hình hóa (Chương 3): Thử nghiệm thực địa với 2 học viên sau đại học (1 học viên Thạc sĩ, 1 nghiên cứu sinh Tiến sĩ) tại khuôn viên đại học.
  • Nghiên cứu trường hợp WebVR (Chương 4 & 5): Mẫu khảo sát gồm 38 sinh viên đại học ngành khoa học máy tính tham gia hoạt động 16 tuần, thực hiện dự án thiết kế "Ngôi nhà mơ ước" (Dream House) trong 1 tháng và 3 ca nghiên cứu tình huống có mức độ tự do tăng dần.
  • Đánh giá công cụ BlocklyAR (Chương 6): Mẫu khảo sát định lượng gồm $N = 66$ người tham gia thử nghiệm công cụ và trả lời bảng hỏi theo thang đo Likert 5 mức độ.
• Kỹ thuật phân tích dữ liệu:
  • Sử dụng phần mềm thống kê SPSS để thực hiện kiểm định hệ số tương quan Pearson (Pearson correlation test).
  • Sử dụng mô hình phương trình cấu trúc (SEM / PLS-SEM) để tính toán hệ số tải nhân tố (factor loadings), độ tin cậy nội tại (Internal Consistency - Cronbach's Alpha, Composite Reliability), giá trị hội tụ (Convergent Validity - AVE), và hệ số đường dẫn (Path coefficients).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương này nêu bật động lực nghiên cứu về sự cần thiết của kỹ năng tư duy máy tính trong giáo dục STEM và mối liên hệ giữa tương tác người-máy (HCI) với việc phát triển bền vững. Tác giả trình bày các rào cản kỹ thuật của công nghệ AR/VR hiện nay đối với người học không chuyên, giới thiệu tóm tắt 4 mục tiêu nghiên cứu và cấu trúc toàn văn luận án.

Chapter 2: Background

Chương 2 tổng quan toàn diện các nghiên cứu nền tảng:

• Phân tích các công trình đưa VR vào lớp học (từ bức tranh toàn cảnh Trận Borodino của Louis-Francois Lejeune thế kỷ XIX đến các hệ thống hiện đại).
• Phân tích ưu nhược điểm của các nghiên cứu đưa mô hình CAD/LiDAR vào VR (Dinis et al., Zhao et al., Messner et al.).
• Tổng kết các nỗ lực lập trình thị giác trong giáo dục: Scratch, AR Scratch, VEDILS, và các ứng dụng SDK Vuforia/ARToolkit.

Chapter 3: Framework for Presenting Complex Models

Chương 3 đề xuất khung cấu trúc toàn diện tích hợp 5 thành phần chính:

1. Nội dung vật liệu (Material contents): Thu thập mô hình 3D miễn phí từ Free3D, TurboSquid, Unity Asset Store, Clara.io; xuất bản đồ độ cao từ terrain.party (giới hạn vùng chọn tối đa 60 km, chia lô đất 500 m cho mỗi sinh viên) và thêm nhiễu Perlin (Perlin noise) để tạo địa hình núi đồi; tùy chỉnh hoạt hình (rigging, skeletal animation) bằng Blender.
2. Gói Vuforia cho Unity3D: Nhận diện và theo dõi hình ảnh phẳng (planar images) trong thế giới thực.
3. Gói Google Cardboard: Cung cấp tính năng theo dõi cử động đầu (head tracking) và dựng hình lập thể chia đôi màn hình (side-by-side stereo rendering).
4. Công cụ Unity3D: Liên kết toàn bộ tài nguyên và xuất ứng dụng đa nền tảng.
5. Ứng dụng trò chơi quản lý lưu vực nước (Watershed-based game): Kết hợp chế độ AR (sinh viên ra ngoài khuôn viên quét ảnh cây cối/sông/đập để đưa vào túi đồ - inventory) và chế độ VR (dùng tài nguyên thu thập được để quy hoạch vùng đất được chỉ định bằng hệ thống ngắm tương tác - gaze system/reticle).

+-----------------------------------------------------------------------------+
|              SƠ ĐỒ KHUNG HIỂN THỊ MÔ HÌNH PHỨC TẠP (CHƯƠNG 3)               |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  [Tài nguyên 3D & Địa hình]                                                 |
|  - Mô hình 3D (Free3D, Clara.io...) --> Tùy biến hoạt hình qua Blender      |
|  - Bản đồ độ cao (terrain.party)    --> Tạo lưới bề mặt bằng Perlin noise   |
|                               |                                             |
|                               v                                             |
|  [Môi trường phát triển tích hợp Unity3D]                                   |
|  - Tích hợp Vuforia SDK (Nhận diện mục tiêu hình ảnh - AR Mode)             |
|  - Tích hợp Google VR SDK (Hiển thị lập thể chia màn hình - VR Mode)        |
|                               |                                             |
|                               v                                             |
|  [Ứng dụng tương tác kép: Quản trị Lưu vực nước]                            |
|  - Chế độ AR: Thu thập thực thể tự nhiên ngoài khuôn viên vào Inventory      |
|  - Chế độ VR: Sử dụng Gaze-reticle xây dựng vùng đất mô phỏng 500m          |
+-----------------------------------------------------------------------------+

• Thực nghiệm và giải pháp: Thử nghiệm với 2 học viên cho thấy động lực học tập tăng cao khi nhận diện thực tế các loài cây (như Birch tree). Luận án đề xuất giải pháp dán nhãn định danh vật thể để khắc phục giới hạn quét ảnh của Vuforia và kỹ thuật tinh giản khung cảnh (culling/lod rendering) để giảm độ trễ khi tải nhiều vật thể 3D.

Chapter 4: Potential Capability of Generating Web-based AR/VR Applications in the Classroom Setting from Learners' Perspectives

Chương 4 khảo sát việc ứng dụng WebVR trong lớp học thông qua dự án "Ngôi nhà mơ ước":

• Quy trình sư phạm 16 tuần: Kết hợp bài giảng lý thuyết, bài thuyết trình 5 phút của sinh viên về công nghệ VR, dự án mẫu (sample project về HTML/JavaScript/A-Frame), và diễn đàn thảo luận trực tuyến.
• Kết quả dự án của 38 sinh viên: Các dự án tiêu biểu gồm: Nhà mơ ước trên mặt trăng (Moon dream house), Nhà 2 tầng (2-level dream house), và Căn hộ cao cấp ngắm đường chân trời New York (New York skyline dream condo).
• Đánh giá mức độ chấp nhận công nghệ: Sinh viên hoàn thành dự án trong thời gian ngắn (1 tháng), thể hiện khả năng sáng tạo và giải quyết vấn đề. Phân tích thống kê cho thấy sự hỗ trợ của trợ giảng (TA support) và diễn đàn thảo luận đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu rào cản lập trình.

Chapter 5: Alternative Ways of Producing Web-based AR/VR Applications through a 3-part Use Case Study

Chương 5 mở rộng nghiên cứu trường hợp 3 giai đoạn đối với 38 sinh viên nhằm trả lời 4 câu hỏi nghiên cứu (RQ1–RQ4):

• Use Case 1: Phát triển ứng dụng WebVR theo chủ đề định sẵn ("Ngôi nhà mơ ước").
• Use Case 2: Phát triển ứng dụng VR/AR trên một chủ đề cụ thể được giao (yêu cầu đánh giá đồng đẳng - peer evaluation).
• Use Case 3: Phát triển ứng dụng VR/AR tự do theo bất kỳ chủ đề nào sinh viên tự chọn.

Kết quả phân tích:

• Sinh viên có xu hướng chuyển từ các thư viện cấp cao (A-Frame) sang các công cụ linh hoạt hơn khi yêu cầu kỹ thuật tăng lên.
• Phân tích tương quan Pearson (SPSS) giữa các biến đo lường thái độ, tính dễ sử dụng, tính hữu ích và kết quả điểm số dự án (Level 1 tương đương điểm C, Level 3 tương đương điểm A).
• Thống kê phần cứng và loại ứng dụng: Sinh viên ứng dụng thành công trên cả thiết bị di động lẫn máy tính để bàn, qua đó nâng cao các kỹ năng mềm như tư duy phản biện, kỹ năng thuyết trình và giao tiếp.

Chapter 6: Instilling Computational Thinking through making Augmented Reality application

Chương 6 trình bày thiết kế và đánh giá thực nghiệm công cụ BlocklyAR:

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                      KIẾN TRÚC HỆ THỐNG BLOCKLYAR                           |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  [Khối Giao diện Kéo-Thả] (Google Blockly)                                 |
|  - Bảng lệnh trực quan: Logic, Vòng lặp, Toán tử, Biến, Hàm, Sự kiện        |
|  - Khối định nghĩa đối tượng 3D: Box, Sphere, Cone, Cylinder, 3D Model      |
|  - Khối điều khiển hoạt ảnh (Animation) và Tọa độ Không gian 3D             |
|                               |                                             |
|                               v (Biên dịch trực tiếp mã nguồn)              |
|  [Bộ Chuyển đổi Mã nguồn] (JavaScript Generator)                            |
|                               |                                             |
|                               v (Render thời gian thực)                     |
|  [Khung Trình diễn Thực tế Tăng cường] (AR.js + Web Browser)                |
|  - Nhận diện Marker camera thiết bị di động / máy tính                      |
|  - Ánh xạ tương tác vật thể 3D trực tiếp trên luồng video thực tế           |
+-----------------------------------------------------------------------------+

• Kiểm thử khả năng ứng dụng: Tái hiện hoàn chỉnh ứng dụng lịch sử "Trận chiến trang trại Palmito" (Palmito Battle Ranch) bằng BlocklyAR, cho kết quả trực quan và tương tác tương đương với phiên bản lập trình mã truyền thống.
• Đánh giá định lượng mô hình TAM mở rộng ($N = 66$):
  • Đo lường các cấu trúc: Task-Technology Fit (TTF), Visual Design (VD), Perceived Ease of Use (PEOU), Perceived Usefulness (PU), Attitude Towards Using (ATU), Behavioral Intention to Use (BIU).
  • Phân tích độ tin cậy và giá trị hội tụ cho thấy các thang đo đạt chuẩn thống kê khoa học.
  • Phân tích hệ số đường dẫn (Path coefficients) khẳng định các yếu tố thiết kế trực quan và sự tương thích nhiệm vụ tác động tích cực đến nhận thức về tính dễ sử dụng và tính hữu ích, qua đó thúc đẩy ý định sử dụng công cụ để rèn luyện tư duy máy tính.

Cấu trúc đo lường (Constructs)	Số biến quan sát (Items)	Giá trị trung bình (Mean)	Độ lệch chuẩn (SD)
Task-Technology Fit (TTF)	3	4.12	0.76
Visual Design (VD)	3	4.25	0.68
Perceived Ease of Use (PEOU)	4	4.31	0.65
Perceived Usefulness (PU)	4	4.18	0.72
Attitude Towards Using (ATU)	3	4.22	0.70
Behavioral Intention to Use (BIU)	3	4.15	0.78

(Ghi chú: Số liệu tổng hợp từ các bảng thống kê mô tả thang đo TAM trong Chương 6 của luận án, $N = 66$)

Chapter 7: Conclusion and Future work

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả đạt được đối với 4 mục tiêu nghiên cứu và thảo luận các định hướng mở rộng hệ thống.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

1. Hệ thống hóa mối quan hệ giữa việc lập trình ứng dụng Thực tế tăng cường dựa trên khối (Block-based AR) với việc hình thành 7 khái niệm cốt lõi của tư duy máy tính (Sequence, Loop, Parallelism, Events, Conditional, Operator, Data).
2. Mở rộng Mô hình Chấp nhận Công nghệ (TAM) bằng cách tích hợp hai cấu trúc tiền đề là Sự tương thích giữa Nhiệm vụ - Công nghệ (TTF) và Thiết kế Trực quan (VD) trong bối cảnh đánh giá công cụ giáo dục AR trên nền web.

Đóng góp về mặt thực tiễn và công nghệ

1. Xây dựng quy trình tích hợp mô hình 3D thực tế vào Unity3D kết hợp terrain.party, Blender, Vuforia và Google Cardboard với chi phí phần cứng tối thiểu.
2. Thiết kế và triển khai hoàn thiện công cụ BlocklyAR trên nền web (kết hợp Google Blockly và AR.js), cho phép người học tạo hoạt ảnh và tương tác 3D trong không gian AR mà không cần cài đặt IDE hay ghi nhớ cú pháp mã nguồn.
3. Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm và tài liệu giảng dạy gồm 3 giai đoạn nghiên cứu trường hợp đã được kiểm chứng qua các khóa học thực tế tại trường đại học.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Đưa các công cụ lập trình thị giác trên web vào chương trình giảng dạy STEM cho học sinh phổ thông và sinh viên năm đầu nhằm giảm áp lực cú pháp.
• Áp dụng mô hình kết hợp bài giảng lý thuyết ngắn với dự án mẫu và diễn đàn trao đổi học thuật ngang hàng để tăng cường kỹ năng mềm và khả năng giải quyết vấn đề.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong văn bản

• Công cụ nhận diện hình ảnh Vuforia trong môi trường tự nhiên còn phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng và kích thước hình ảnh mục tiêu dán nhãn.
• Hiệu năng hiển thị của WebVR/WebAR còn bị giới hạn về tốc độ khung hình (framerate) so với các ứng dụng cài đặt gốc (native apps).
• Quá trình dựng hình nhiều vật thể 3D đồng thời trong cảnh VR gây hiện tượng giật lag nếu không áp dụng kỹ thuật tinh giản khung cảnh.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Tích hợp mô hình toán học vào trò chơi quản lý lưu vực nước: thiết lập các điểm kiểm soát tuân thủ (Compliance Points - CP) trên các đoạn sông để giám sát chất lượng nước; áp dụng cơ chế xử phạt kinh tế tự động đối với người chơi gây ô nhiễm thượng nguồn dựa trên nồng độ chất thải và khoảng cách địa lý.
• Khai thác chuẩn định dạng nhị phân WebAssembly để thực thi mã máy trực tiếp trên trình duyệt, giúp WebAR đạt hiệu năng tương đương ứng dụng native.
• Nghiên cứu cân bằng tối ưu giữa độ phức tạp hình học và độ chi tiết chân thực (fidelity) của mô hình 3D để tránh quá tải bộ nhớ hệ thống.

---

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cho nhiều nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh và Giảng viên ngành Khoa học Máy tính / Sư phạm STEM: Tham khảo Chương 4 và Chương 5 về mô hình thiết kế khóa học 16 tuần, phương pháp đánh giá sinh viên qua nghiên cứu trường hợp 3 phần và kỹ thuật phân tích thống kê tương quan Pearson/TAM trong giáo dục công nghệ.
• Kỹ sư phát triển phần mềm và Nhà nghiên cứu AR/VR: Tham khảo Chương 3 và Chương 6 về kiến trúc tích hợp giữa Blockly và AR.js, quy trình chuyển đổi mô hình từ Blender sang Unity3D, cũng như phương pháp xử lý bản đồ độ cao địa hình từ terrain.party.
• Nhà quản lý giáo dục và Xây dựng chính sách đào tạo: Tham khảo các kết luận về việc ứng dụng thiết bị giá thành thấp (Google Cardboard) và nền tảng web độc lập thiết bị để phổ cập giáo dục công nghệ nhập vai trong điều kiện ngân sách hạn chế.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Công cụ BlocklyAR trong luận án được xây dựng từ những công nghệ cốt lõi nào?

BlocklyAR được phát triển trên nền tảng web bằng cách tích hợp thư viện Google Blockly (đóng vai trò tạo giao diện khối lệnh kéo-thả và biên dịch logic thành mã JavaScript) với thư viện AR.js (đóng vai trò nhận diện hình ảnh/marker qua camera trình duyệt và hiển thị không gian thực tế tăng cường 3D).

2. Mô hình trò chơi quản trị môi trường nước trong Chương 3 hoạt động như thế nào?

Trò chơi vận hành theo cơ chế kết hợp hai chế độ: Chế độ AR cho phép sinh viên dùng camera điện thoại ra ngoài khuôn viên trường nhận diện các vật thể thực tế (cây cối, đập nước, dòng sông) để lưu trữ vào túi đồ ảo (inventory); Chế độ VR cho phép sinh viên sử dụng kính Google Cardboard và điểm ngắm (gaze-reticle) để quy hoạch, xây dựng công trình trên một mảnh đất ảo diện tích 500 m được hệ thống phân bổ ngẫu nhiên.

3. Phương pháp tạo địa hình thực tế ảo trong luận án sử dụng công cụ gì?

Tác giả sử dụng cổng thông tin trực tuyến terrain.party để tải dữ liệu bản đồ độ cao (heightmap) ở định dạng ảnh raster của khu vực thực tế (tối đa 60 km), sau đó áp dụng hàm nhiễu Perlin (Perlin noise) và chuyển đổi thành lưới đa giác (polygon mesh) hiển thị bề mặt đồi núi tự nhiên trong Unity3D.

4. Khảo sát thực nghiệm đánh giá BlocklyAR ở Chương 6 được thực hiện với quy mô mẫu bao nhiêu và dùng mô hình lý thuyết nào?

Khảo sát thực nghiệm được tiến hành với $N = 66$ người tham gia. Nghiên cứu sử dụng Mô hình Chấp nhận Công nghệ (TAM) mở rộng, bổ sung thêm hai cấu trúc là Sự tương thích giữa Nhiệm vụ - Công nghệ (Task-Technology Fit - TTF) và Thiết kế Trực quan (Visual Design - VD).

5. Vì sao nghiên cứu chuyển hướng từ ứng dụng AR/VR cài đặt truyền thống sang ứng dụng chạy trên nền tảng web (WebVR/WebAR)?

Việc chuyển hướng sang nền tảng web giúp loại bỏ rào cản về cấu hình thiết bị di động (như yêu cầu phiên bản Android 7.0+ cho ARCore hay iOS 11+ cho ARKit), giải quyết xung đột phiên bản API trong môi trường phát triển tích hợp (IDE), và giải phóng người học không chuyên khỏi việc phải viết và phân tích các đoạn mã lệnh dài trên 800 dòng.

---

Kết luận

Luận án của tác giả The Vinh Nguyen đã giải quyết thành công rào cản kỹ thuật trong việc đưa công nghệ Thực tế tăng cường và Thực tế ảo vào giáo dục STEM thông qua các giải pháp dựa trên nền tảng web. Bằng việc xây dựng khung hiển thị mô hình phức tạp chi phí thấp và phát triển công cụ lập trình thị giác BlocklyAR, nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc bồi dưỡng các khái niệm tư duy máy tính cốt lõi cho người học không chuyên. Các kết quả đánh giá thực nghiệm trên 38 sinh viên qua 3 nghiên cứu trường hợp và 66 người dùng với mô hình TAM mở rộng cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ nhập vai trong giảng dạy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Instilling Computational Thinking through making Augmented Reality application by The Vinh Nguyen A Dissertation In Computer Science Submitted to the Graduate Faculty of Texas Tech University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY Approved Dr. Tommy Dang Chair of Committee Dr. Kwanghee Jung Co-chair of Committee Dr. Yuanlin Zhang Dr.

Akbar Siami-Namin Dr. Yo Woon Chong Graduate Dean's representative Mark Sheridan Dean of the Graduate School October, 2020 Copyright 2020, The Vinh Nguyen Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 ACKNOWLEDGMENTS The purpose of this page is to recognize scholarly and professional aid and advice; however, the inclusion of references to persons who provided clerical help, help with field studies, financial assistance, and permission to use copyrighted materials is also acceptable. Acknowledgments should be brief, in a professional style, and should not exceed two pages. ii Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGMENTS .VI LIST OF TABLES.

VII LIST OF FIGURES .1 Motivation and Issues .1 Framework for presenting complex models.2 Potential capability of generating web-based AR/VR applications in the classroom setting .3 Alternative ways of producing Web-based AR/VR applications through a 3- part use case study.4 Instilling Computational Thinking through using a Visual Programming Interface. FRAMEWORK FOR PRESENTING COMPLEX MODELS .2 Vuforia package for Unity3D.3 Google Cardboard Package.6 Challenge and Discussion. POTENTIAL CAPABILITY OF GENERATING WEB-BASED AR/VR APPLICATIONS IN THE CLASSROOM SETTING FROM LEARNERS' PERSPECTIVES. 31 3 Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 4.1 Goal and objectives .6 Lessons learned and challenges.

ALTERNATIVE WAYS OF PRODUCING WEB-BASED AR/VR APPLICATIONS THROUGH A 3-PART USE CASE STUDY .1 Goal and objectives .5 Use Case Study .1 Use Case 1: Developing a WebVR application .2 Use Case 2: Developing a VR/AR application on a given topic 75 5.3 Use Case 3: Developing a VR/AR application on any topic .6 Results and Discussion.1 Research question 1: What VR/AR development framework/library best- allowed users (novice to expert) to stimulate their interest in creating and sharing VR/AR content in both perceived utility and ease of use?.2 Research question 2: Did the library/framework that students favored afford them the ability to solve more complex problems?.3 Research question 3: When given the choice, which library/framework did students employ to develop a VR/AR application (based upon their interests)? .4 Research question 4: Based upon reported learners' perspectives, what 4 Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 were the pros and cons of WebVR compared to other app-based VR/AR tools? 84 5.5 Lessons learned and discussion.7 Conclusion and Future work. INSTILLING COMPUTATIONAL THINKING THROUGH MAKING AUGMENTED REALITY APPLICATION. 128 REFERENCES 130 5 Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 ABSTRACT It is widely recognized that instilling and inculcating computational thinking skills (CTS) such as problem formulation, effective representation of big data, and identifying, analyzing and implementing possible solutions are essential for succeeding in STEM disciplines. There is also a recognition that technology and human behavior are tightly interrelated and leveraging computational thinking to understand complex human-computer interactions is vital to foster systemic sustainable developments.

Augmented Reality is a technology that expands the physical world with additional digital information. The central value of AR is that the components of the digital world blend into a person's perception of the real world. It is not just simply showing the data but through the integration of immersive sensations, which are perceived as natural parts of an environment. Traditional approaches involving making an AR application are heavily dependent on a programming language in which the syntax of programming is not easy to master for non-computer science users.

Recent research has produced some insights that describe how to lessen the issue of mastering a certain programming language for young learners and enthusiasts. Block-based programming is a type of programming language where instructions are mainly represented as blocks (or visual cues) and users drag and drop the cues to form a set of instructions. This programming paradigm enables developers to focus on logical programming rather than memorizing the syntax of coding. However, in the existing studies, the interactions between 3D objects are limited.

The purpose of this dissertation is to help students enhance computational thinking skills for a successful future career through making an Augmented Reality application. To tackle the aforementioned issues, we provide students with an interactive web-based tool that allows them for experimenting, testing, abstracting, modularizing, reusing, and remixing the application ideas. LIST OF TABLES 6 Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 4.1 Pearson correlation test scores produced by SPSS software.1 Participant distribution by gender vs graduate level .2 Research questions for the survey.3 Survey questions for peer evaluation in Project Case 2.4 Pearson Correlation test scores produced by SPSS .5 A summary of the VR/AR application types and hardware.1 Construct and items.2 General information about the participants.3 Means and standard deviations of TAM measures (N = 66).4 Internal Consistency and Convergence Validity.5 Estimates of loadings.6 Estimates of path coefficients. 125 7 Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 LIST OF FIGURES Figure 3.1 A comprehensive framework to build VR/AR application.2 Example of some free3D models that will be used in the application .3 Heightmap generator from terrain.4 Terrain generated from heightmap in Unity .5 Birch tree 3D model.6 Example of using tree in the inventory to plant and build the city.7 Main menu of the VR/AR game that allows to switch between VR/AR mode .1 A collage of WebVR applications created by sampled students.2 Sampled Students' WebVR project examples: (a) A moon dream house (b) A 2-level dream house (c) A New York skyline dream condo .3 Students' grade distribution of the WebVR dream house project: Level 1 is equivalent to a C while Level 3 is equivalent to a A.4 Responses from students (regarding questions 1-3) .5 Responses from students (regarding questions 4-6) .6 Responses from students (regarding questions 7-8) .7 Responses from students (regarding questions 9-10) .1 The study design: 16-week activities.2 A collage of WebVR applications created by sampled students.3 Three good WebVR project examples: (a) A moon dream house (b) A relaxing dream house (c) A bar dream house.4 Students' grade distribution of the WebVR dream house project: Level 1 is equivalent to a C while Level 3 is equivalent to a A.5 A collage of VR/AR applications created by students.6 A collage of VR/AR applications created by students in Project 3.7 Survey results from students in Project 1 from question 1 to 10.

80 8 Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 Figure 6.1 The visual interface of Blockly for generating JavaScript from blocks 100 Figure 6.2 The coding editor of BlocklyAR: it enables users to drag and drop a palette of commands into the working space .3 Different shapes of blocks allow users to stack or wire up components together .4 The visual AR component enables enthusiasts to experience their coding schemes in the mixed 3D space .5 Tutorial section where learners are guided on how to use blocks and the connections among them.6 Use case of using BlocklyAR to recreate the Palmito Battle Ranch.7 The conceptual research model with extensions of TaskTechnology Fit and Visual Design variables. Each set of ellipses represents a construct and an arrow denotes a hypothesis. 118 9 Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 CHAPTER 1 1.1 Motivation and Issues It is widely recognized that instilling and inculcating computational thinking skills (CTS) such as problem formulation, effective representation of big data, and identifying, analyzing and implementing possible solutions (Sykora, 2014; Wing, 2006) are essential for succeeding in STEM disciplines (Assaraf & Orion, 2010; Kokkelenberg & Sinha, 2010). Evaluation and understanding of highly complex systems with extensive inter- connection and feedback has become an integral focus of many STEM fields as the world we live in is increasingly becoming dynamic, self-organizing and continually adaptive (Assaraf & Orion, 2010; Bower et al.

A strong grounding in CTS is an essential requirement to study these complex adaptive systems. There is also a recognition that technology and human behavior are tightly interrelated and leveraging computational thinking to understand complex human-computer interactions is vital to foster systemic sustainable developments. Computer programming is not only writing a code but the process of analyzing a situation, identifying its key components, modeling the data and processes, and creating or refining a program through an agile design-thinking approach to accomplish a specific computing result. These strategies could be considered under the umbrella of the CT concept (Wing, 2006), thus having and understanding creative programming skills would improve computational thinking.

Basic concepts in computer programming include sequence (identifying an ordered series of steps), loop (running the same set of sequences multiple times), parallelism (running multiple sequences at the same time), events (one thing causing another thing to happen), conditional (making decisions based on criteria), operator (mathematical and logical expressions), data (storing, retrieving, and updating values). Human Computer Interaction (HCI) focuses on the interaction between human 1 Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 and computer and it has been applied in my fields such as user customization, embedded computation, augmented reality, social computing and knowledge and knowledge driven (Biseria & Rao, 2016). Augmented Reality (AR) is a technology that expands the physical world with additional digital information such as sound, image, model, etc (R. The central value of AR is that the components of the digital world blend into a person's perception of the real world.

It is not just simply showing the data but through the integration of immersive sensations, which are perceived as natural parts of an environment. In recent years, the growth of AR applications can be attributed to solutions that focus on contextualizing information (e., annotating different parts of a physical object (Bruno et al., 2019), displaying artifacts at a given place (K. Jung et al., 2020), aligning virtual objects with the real world (Norouzi et al., 2019)--that is, automatically position an object on the detected table or floor). In the educational setting, AR technology can be incorporated in the classroom to enhance teaching/learning efficiency and the motivations of both educators and learners (R.

Azuma et al. Nguyen, Hite, & Dang, 2018). Traditional approaches involving making an AR application are heavily dependent on a programming language in which the syntax of programming is not easy to master for non-computer science users. For example, developers rely on available tools/frameworks such as ARCore, ARKit, Vuforia, Unity (Linowes & Babilinski, 2017), and ARToolkit (Kato, 2002) to create and manipulate AR applications.

ARCore is a framework from Google for building augmented reality applications for both Android and iOS devices. Apple also provides ARKit for making AR apps and games for their iOS devices. Both of these frameworks use a handheld device's sensors for motion tracking, light estimation, and environmental understanding. Unlike ARCore and ARKit, ARToolkit and Vuforia are computer tracking libraries that overlay virtual objects on the real world based on markers.

The above frameworks and libraries can be integrated in Unity for porting an AR application on different operating system devices (e. To use these frameworks, it is necessary to have an integrated development environment (e., XCode for iOS and Android Studio for Android, or Unity for both iOS 2 Texas Tech University, The Vinh Nguyen, October 2020 and Android), a compatible device (e., ARCore requires that the device must be running Android at least 7.0, or ARKit requires device to be run on iOS 11 with an A9, A10, or A11 processor), and knowledge of a specific programming language (e. These requirements are obstacles for beginners who want to create an AR experience on their own. In their study, Nguyen et al.

(Vinh T Nguyen, Jung, & Dang, 2019) showed that API version incompatibility in the integrated development environment (IDE) is a major obstacle students face while working with the application in terms of both coding and deploying. The study also indicated that students faced difficulty in analyzing “800+ line scripts”.