Chương 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài. Ứng dụng phần mềm công nghệ thực tế ảo tăng cường trong dạy học các bài thuộc phần vật sống KHTN 8 thông nhằm phát triển năng lực số cho học sinh. Thực nghiệm sư phạm.
CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Lược sử nghiên cứu 1. Trên Thế giới 1. Thực tế ảo tăng cường (Augmented Reality-AR).
Lịch sử nghiên cứu AR bắt đầu từ những năm 1960, nhưng nó chỉ thực sự phát triển và trở nên phổ biến từ thập kỷ 1990 và 2000. • Thập niên 1965 - 1975 Ivan Sutherland được coi là người tiên phong khi phát triển hệ thống hiển thị đầu tiên mà ông gọi là “Sword of Damocles” vào năm 1968, đánh dấu sự khởi đầu của AR. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, công nghệ còn rất sơ khai và chưa được ứng dụng rộng rãi [52]. Năm 1975, Myron Krueger phát triển hệ thống Videoplace, một môi trường tương tác ảo cho phép người dùng tương tác với các vật thể ảo, đây là một trong những bước tiến sớm nhất trong lĩnh vực AR và VR [42].
• Giai đoạn thập niên 1990-1999. Thuật ngữ "Augmented Reality" lần đầu tiên được sử dụng bởi nhà nghiên cứu Tom Caudell vào năm 1990. Lúc này, AR chủ yếu được ứng dụng trong quân đội và công nghiệp, chẳng hạn như việc hỗ trợ lắp ráp máy bay Boeing. Trong giai đoạn này, các nghiên cứu chủ yếu hướng đến việc phát triển cả phần cứng và phần mềm nhằm tạo ra các mô hình AR [25].
Rosenberg đã phát triển hệ thống AR đầu tiên, có tên là “Virtual Fixtures” tại phòng nghiên cứu của không quân Mỹ. Tiếp đến là ARToolKit (1999) được giới thiệu, là một trong những bộ công cụ phần mềm đầu tiên cho phép phát triển các ứng dụng AR, đánh dấu một bước ngoặt lớn trong khả năng tạo ra nội dung AR [41]. • Giai đoạn thập niên 2000. 8 Sự phát triển của công nghệ thực tế tăng cường từ những năm 2000 đã có những cột mốc quan trọng, nhờ các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn, góp phần định hình và mở rộng khả năng của AR trong các lĩnh vực khác nhau.
Thomas và nhóm nghiên cứu tại Đại học Nam Úc đã phát triển ARQuake, một trò chơi AR đầu tiên được xây dựng trên nền tảng trò chơi Quake. Đây là một trong những nỗ lực sớm nhất để kết hợp môi trường thực tế với nội dung ảo trong bối cảnh trò chơi video. Người chơi sử dụng một thiết bị di động với màn hình hiển thị để tương tác với các đối tượng ảo trong không gian thực tế. ARQuake được xem là một bước tiến lớn trong việc thử nghiệm tiềm năng của AR trong giải trí [53].
Năm 2008, Wikitude AR Travel Guide ra đời trên điện thoại G1 Android. Wikitude là một ứng dụng AR Travel Guide ra mắt trên điện thoại Android G1, ứng dụng AR đầu tiên dành cho smartphone. Wikitude sử dụng camera của điện thoại để hiển thị thông tin ảo chồng lên các điểm tham quan thực tế. Người dùng chỉ cần hướng điện thoại vào một địa điểm cụ thể, và thông tin như tên, lịch sử hoặc mô tả sẽ xuất hiện trên màn hình.
Đây là một bước tiến lớn trong việc tích hợp AR vào các ứng dụng di động, làm nền tảng cho các ứng dụng AR hiện đại trên điện thoại thông minh ngày nay [36]. Sau đó một năm, ARToolkit được chuyển sang Adobe Flash (FLARToolkit), đưa AR vào môi trường web một cách dễ dàng hơn. Điều này giúp các nhà phát triển web có thể tạo ra các ứng dụng AR trực tuyến mà không cần phần mềm đặc biệt. Việc tích hợp AR vào môi trường web thông qua FLARToolkit đã mở ra cánh cửa cho việc phổ biến AR rộng rãi hơn trên internet và các trình duyệt web, đồng thời giúp tiếp cận công nghệ này dễ dàng hơn cho người dùng phổ thông [51].
• Những cột mốc nổi bật của AR từ thập niên 2010 đến nay. Công nghệ thực tế tăng cường (AR) đã có nhiều bước phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong việc ứng dụng vào các lĩnh vực như giải trí, giáo dục, thương mại và công nghiệp với những thành tựu tiêu biểu kể đến: 9 Năm 2012, ra mắt, Google Glass là một thiết bị AR đeo trên đầu, ra mắt vào năm 2012. Đây là một trong những thiết bị đầu tiên tích hợp AR vào cuộc sống hàng ngày thông qua một kính đeo thông minh, cho phép hiển thị thông tin, điều hướng, và các thông tin khác trong tầm nhìn của người dùng mà không cần rời mắt khỏi môi trường thực tế [48]. Năm 2016 chứng kiến sự ra đời của Pokémon GO và sự bùng nổ AR trong trò chơi di động.
Năm 2017, Apple ARKit và Google ARCore ra đời. Cả hai bộ công cụ này đã làm giảm đáng kể rào cản kỹ thuật trong phát triển ứng dụng AR, giúp phổ biến và thúc đẩy việc tích hợp AR vào nhiều lĩnh vực khác nhau như thương mại điện tử, thiết kế, và giáo dục [47]. Năm 2020-2023 là giai đoạn các ứng dụng AR đã được phát triển để hỗ trợ việc giảng dạy và học tập, đặc biệt là trong các lĩnh vực như khoa học tự nhiên và y học. AR được sử dụng để mô phỏng các thí nghiệm, đào tạo phẫu thuật, và giảng dạy về giải phẫu cơ thể con người, giúp HS và sinh viên nắm bắt các kiến thức phức tạp một cách sinh động và trực quan hơn.
Trong tương lai, với sự phát triển của metaverse, AR được kỳ vọng sẽ tiếp tục là một phần quan trọng của các nền tảng kỹ thuật số tương lai, kết nối người dùng với không gian ảo qua các thiết bị thông minh như kính AR, điện thoại di động, và thậm chí là ô tô. • Ứng dụng công nghệ thực tế ảo tăng cường trong giáo dục. Riêng với lĩnh vực giáo dục, AR bắt đầu nhận được sự quan tâm từ giữa những năm 2000. Các nghiên cứu cho thấy AR giúp HS hình dung và tương tác với các khái niệm trừu tượng trong toán học và khoa học một cách trực quan và dễ hiểu hơn [31].
Từ năm 2010 trở đi, AR đã được áp dụng vào nhiều môn học, từ khoa học tự nhiên đến lịch sử và ngôn ngữ, nhờ khả năng tăng cường trải nghiệm học tập thông qua hình ảnh 3D và tương tác thời gian thực [26]. Ngày nay, các nền tảng như ARCore và ARKit đã giúp phổ biến công nghệ này trong giáo dục, mang đến những trải nghiệm sinh động cho HS trên toàn thế giới [20]. 10 Trong môn khoa học tự nhiên, AR cũng đã được nghiên cứu và triển khai rộng rãi ở các quốc gia khác nhau, mang lại nhiều lợi ích cho quá trình giảng dạy và học tập. Nghiên cứu của Cheng và Tsai (2013) hướng tới việc sử dụng AR trong dạy học khoa học, đưa ra các gợi ý cho nghiên cứu tương lai về cách AR có thể được sử dụng để cải thiện hiểu biết của HS về các khái niệm khoa học phức tạp.
Bên cạnh đó, tác giả chỉ ra việc phát triển nội dung giáo dục phù hợp và hiệu quả cho AR vẫn đang trong giai đoạn phát triển. Nhiều nội dung AR hiện tại còn hạn chế về chất lượng và chưa được thiết kế tối ưu để tích hợp vào chương trình học [26]. Nghiên cứu của Bressler và Bodzin (2013) đã sử dụng phương pháp sử dụng AR để phát triển một trò chơi giáo dục về khoa học môi trường trên điện thoại đi động, giúp HS hiểu rõ hơn về các vấn đề môi trường như biến đổi khí hậu và bảo tồn thiên nhiên. Kết quả cho thấy AR giúp tăng cường sự hứng thú và động lực học tập của học sinh.Tuy nhiên cũng cần nhấn mạnh rằng GV cần được đào tạo chuyên sâu để sử dụng hiệu quả công nghệ AR trong lớp học.
Việc đào tạo này có thể tốn thời gian và nguồn lực, và không phải GV nào cũng sẵn sàng hoặc có khả năng tiếp thu công nghệ mới [19]. Nghiên cứu của Wojciechowski và Cellary (2013) đã phát triển một ứng dụng AR để giảng dạy các khái niệm hóa học, cho phép HS tương tác với các mô hình 3D của phân tử và quan sát các phản ứng hóa học. Kết quả cho thấy HS có thể hiểu rõ hơn và nhớ lâu hơn các khái niệm hóa học thông qua việc sử dụng AR [55]. Nghiên cứu của Ibáñez et al (2014) xem xét tác động của việc sử dụng AR trong việc giảng dạy về điện từ học, kết quả cho thấy AR giúp cải thiện trải nghiệm học tập của HS và tăng cường sự hiểu biết về các khái niệm điện từ học.
Nghiên cứu cũng lưu ý rằng mặc dù AR có thể tạo ra môi trường học tập hấp dẫn, nhưng nó có thể làm giảm tương tác xã hội giữa HS và giáo 11 viên. HS có thể trở nên quá tập trung vào các thiết bị công nghệ và bỏ qua việc tương tác trực tiếp [37]. Nghiên cứu của Küçük, Yılmaz, và Göktaş (2014) tập trung vào việc sử dụng AR để giảng dạy các khái niệm vật lý như lực, chuyển động, và năng lượng. HS sử dụng AR để quan sát và tương tác với các mô hình ảo mô phỏng các hiện tượng vật lý, giúp nâng cao sự hiểu biết và kỹ năng giải quyết vấn đề [40].
Cũng trong lĩnh vực Vật lý, nghiên cứu của Irawati et al. (2008) trình bày một môi trường giáo dục giải trí 3D, cung cấp nền tảng học tập dựa trên trải nghiệm để hiểu các định luật vật lý Newton. Họ đã thiết kế một ứng dụng dựa trên vật lý mô phỏng hiệu ứng domino trong một môi trường 3D. Sử dụng ứng dụng này, các tác giả cho rằng người dùng có thể học vật lý bằng cách tương tác và trải nghiệm các loại hiệu ứng domino khác nhau trong môi trường VR/AR.
Ở đó, có một cách dễ dàng để người dùng thao tác mô phỏng, cho thấy các quỹ đạo tương lai có thể có của các đối tượng được chọn. Dựa trên những quỹ đạo này, các tác giả khẳng định rằng có thể giúp người dùng hiểu và so sánh kết quả của mỗi cấu hình được chọn [38]. Nghiên cứu của Di Serio và cộng sự (2013) tập trung vào việc sử dụng AR để giảng dạy về giải phẫu học con người. HS sử dụng AR để quan sát và tương tác với các mô hình 3D của cơ thể con người, giúp cải thiện sự hiểu biết về cấu trúc và chức năng của các cơ quan.
Nghiên cứu so sánh và họ nhận thấy rằng mức độ tập trung và hài lòng của HS trong môi trường học tập có ứng dụng công nghệ thực tế ảo tăng cường cao hơn so với bài học sử dụng slide [30].