Luận án tiến sĩ: Xây dựng và ứng dụng WebGIS mã nguồn mở trong giảng dạy Địa lí lớp 12 THPT

Luận án tiến sĩ giáo dục nghiên cứu xây dựng và sử dụng webgis mã nguồn mở trong dạy học địa lí 12 trung học phổ thông, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Thanh Xuân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Viết Thịnh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
• Chuyên ngành: Lí luận và Phương pháp dạy học bộ môn Địa lí
• Đề tài: Xây dựng và sử dụng WebGIS mã nguồn mở trong dạy học Địa lí 12 trung học phổ thông
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ khoa học giáo dục
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Cơ sở lý luận và thực tiễn của việc xây dựng và sử dụng WebGIS mã nguồn mở trong dạy học Địa lí 12 THPT

Chương này tập trung phân tích cơ sở lý luận và thực tiễn của việc ứng dụng WebGIS trong dạy học Địa lí 12. WebGIS được xem là công cụ hiện đại, hỗ trợ đắc lực cho việc đổi mới phương pháp dạy học, đặc biệt trong bối cảnh công nghệ thông tin ngày càng phát triển. Nghiên cứu chỉ ra rằng, WebGIS không chỉ giúp học sinh tiếp cận kiến thức địa lí một cách trực quan mà còn phát triển kỹ năng địa lí thông qua việc tương tác với bản đồ số. Đồng thời, việc sử dụng mã nguồn mở trong xây dựng WebGIS giúp tiết kiệm chi phí, tăng tính linh hoạt và dễ dàng chia sẻ trong cộng đồng giáo dục.

1.1. Vai trò của công nghệ thông tin trong dạy học Địa lí

Công nghệ thông tin đóng vai trò quan trọng trong việc đổi mới phương pháp dạy học, đặc biệt là môn Địa lí. Việc ứng dụng WebGIS giúp giáo viên và học sinh tiếp cận thông tin địa lí một cách nhanh chóng và chính xác. Nghiên cứu chỉ ra rằng, WebGIS không chỉ là công cụ hỗ trợ giảng dạy mà còn là phương tiện giúp học sinh phát triển tư duy không gian và kỹ năng phân tích địa lí. Điều này phù hợp với xu hướng giáo dục hiện đại, hướng đến phát triển năng lực người học.

1.2. Đặc điểm và ưu điểm của WebGIS mã nguồn mở

WebGIS mã nguồn mở có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phần mềm bản quyền. Đầu tiên, nó cho phép người dùng tự do chỉnh sửa và phát triển theo nhu cầu cụ thể. Thứ hai, mã nguồn mở giúp tiết kiệm chi phí triển khai, phù hợp với điều kiện kinh tế của các trường học. Cuối cùng, WebGIS mã nguồn mở có tính linh hoạt cao, dễ dàng tích hợp với các công cụ khác như GIS và bản đồ số. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng trong dạy học Địa lí 12.

II. Quy trình xây dựng và sử dụng WebGIS mã nguồn mở trong dạy học Địa lí 12 THPT

Chương này trình bày chi tiết quy trình xây dựng và sử dụng WebGIS trong dạy học Địa lí 12. Quy trình bao gồm các bước: xác định mục đích, thiết kế cấu trúc, lựa chọn công nghệ, xây dựng giao diện và thực nghiệm. Nghiên cứu nhấn mạnh rằng, việc xây dựng WebGIS cần tuân thủ các nguyên tắc khoa học, đảm bảo tính thân thiện và dễ sử dụng. Đồng thời, WebGIS cần được tích hợp các tính năng như quản lý lớp bản đồ, chỉnh sửa dữ liệu và tạo ảnh bản đồ để hỗ trợ tối đa cho quá trình dạy học.

2.1. Xác định các lớp bản đồ và thông tin cần thiết

Việc xác định các lớp bản đồ và thông tin cần thiết là bước đầu tiên trong quy trình xây dựng WebGIS. Các lớp bản đồ cần phản ánh đầy đủ nội dung chương trình Địa lí 12, bao gồm các yếu tố tự nhiên, kinh tế - xã hội và môi trường. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc thiết kế các lớp bản đồ cần dựa trên nhu cầu thực tế của giáo viên và học sinh, đảm bảo tính chính xác và cập nhật thông tin.

2.2. Ứng dụng mã nguồn mở trong xây dựng WebGIS

Mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng WebGIS nhằm tối ưu hóa chi phí và tăng tính linh hoạt. Các công cụ như GeoServer, PostGIS và OpenLayers được lựa chọn để phát triển hệ thống. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc sử dụng mã nguồn mở không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tạo điều kiện cho việc chia sẻ và phát triển hệ thống trong tương lai.

III. Thực nghiệm sư phạm và đánh giá hiệu quả của WebGIS trong dạy học Địa lí 12 THPT

Chương này trình bày kết quả thực nghiệm sư phạm nhằm đánh giá hiệu quả của WebGIS trong dạy học Địa lí 12. Thực nghiệm được tiến hành tại 4 trường THPT với sự tham gia của giáo viên và học sinh. Kết quả cho thấy, việc sử dụng WebGIS giúp học sinh hứng thú hơn với môn học, đồng thời cải thiện đáng kể kỹ năng địa lí và khả năng tư duy không gian. Đánh giá định lượng và định tính đều khẳng định tính khả thi và hiệu quả của WebGIS trong dạy học Địa lí 12.

3.1. Kết quả thực nghiệm và phân tích

Kết quả thực nghiệm sư phạm cho thấy, WebGIS đã mang lại hiệu quả tích cực trong việc nâng cao chất lượng dạy học. Học sinh được tiếp cận với kiến thức địa lí một cách trực quan và sinh động, từ đó phát triển kỹ năng phân tích và tư duy không gian. Đánh giá định lượng cho thấy, điểm số của học sinh trong các bài kiểm tra có sử dụng WebGIS cao hơn đáng kể so với phương pháp truyền thống.

3.2. Đánh giá của giáo viên và học sinh

Giáo viên và học sinh đều đánh giá cao tính hiệu quả và tiện ích của WebGIS trong dạy học Địa lí 12. Giáo viên nhận thấy rằng, WebGIS giúp tiết kiệm thời gian chuẩn bị bài giảng và tăng tính tương tác trong lớp học. Học sinh cảm thấy hứng thú hơn với môn học và dễ dàng tiếp thu kiến thức thông qua việc tương tác với bản đồ số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. 56 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG WEBGIS MÃ NGUỒN MỞ TRONG DẠY HỌC ĐỊA LÍ 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG. Yêu cầu và nguyên tắc của việc xây dựng và sử dụng WebGIS trong dạy học Địa lí 12. Xác định các lớp bản đồ và các lớp thông tin cần xây dựng trên WebGIS.

Quy trình xây dựng WebGIS. Bước 1: Xác định mục đích, yêu cầu. Bước 2: Xác định các lớp bản đồ, lớp thông tin cần thiết. Bước 3: Thiết kế và biên tập dữ liệu.

Bước 4: Lựa chọn công nghệ WebGIS. Bước 5: Xây dựng cấu trúc và giao diện WebGIS. Bước 7: Hoàn thiện và thực nghiệm. Ứng dụng các mã nguồn mở để xây dựng WebGIS.

Giới thiệu sản phẩm WebGIS. Chức năng quản trị các lớp chuyên đề. Chức năng đánh dấu bản đồ. Chức năng chỉnh sửa (Edit).

Chức năng tạo ảnh bản đồ (Print). Chức năng tải dữ liệu (Upload). Sử dụng WebGIS trong dạy học Địa lí 12 THPT. Tiến trình dạy học có sự hỗ trợ của WebGIS.

Khai thác các tính năng của WebGIS trong một số tình huống dạy học Địa lí 12 THPT. Một số giáo án minh họa. 113 Tiểu kết chương 2 .126 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM. Mục đích, nguyên tắc, phương pháp thực nghiệm.

Phương pháp thực nghiệm. Đối tượng, địa bàn, thời gian thực nghiệm. Đối tượng thực nghiệm. Địa bàn thực nghiệm.

Thời gian thực nghiệm. Chọn bài và tổ chức thực nghiệm. Chọn bài thực nghiệm. Tổ chức thực nghiệm.

Kết quả thực nghiệm. Bài thực nghiệm số 1. Bài thực nghiệm số 2. Bài thực nghiệm số 3.

Đánh giá kết quả thực nghiệm. Đánh giá định lượng. Đánh giá định tính. Đánh giá về ứng dụng WebGIS.

144 Tiểu kết chương 3 .147 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ. 149 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .151 TÀI LIỆU THAM KHẢO.167 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ CNTT : Công nghệ thông tin CNTT&TT : Công nghệ thông tin và truyền thông ĐC : Đối chứng GIS : Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lí) GV : Giáo viên GDĐT : Giáo dục và đào tạo GTVT : Giao thông vận tải HS : Học sinh KTXH : Kinh tế - xã hội KT, ĐG : Kiểm tra, đánh giá NL : Năng lực PPDH : Phương pháp dạy học SGK : Sách giáo khoa TBDH : Thiết bị dạy học THPT : Trung học phổ thông TN : Thực nghiệm UNESCO : Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa Liên hợp quốc WGT12 : WebGIS for Geography Teaching (WebGIS dạy học Địa lí 12) DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Khả năng tiếp thu và lưu giữ tri thức của HS qua các giác quan. Phân loại bản đồ giáo khoa.

Các chức năng của ứng dụng webGIS. Các loại kết quả từ yêu cầu của máy khách. Các nhánh phát triển của GIS mã nguồn mở. Phân phối chương trình môn Địa lí lớp 12.

Thông tin về mẫu khảo sát của giáo viên. Thông tin mẫu khảo sát của học sinh. Ví dụ về kịch bản sử dụng WebGIS. Các lớp bản đồ và lớp thông tin cần xây dựng trên WebGIS.

Kịch bản sử dụng WGT12 đối với bài 13. Kịch bản sử dụng WGT12 đối với bài 24. Kịch bản sử dụng WGT12 đối với bài 30. Danh sách các trường và giáo viên dạy thực nghiệm.

Danh sách các bài thực nghiệm. Kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 1. Phân loại kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 1. Các tham số tổng hợp của bài kiểm tra số 1.

Kết quả phân tích phương sai một nhân tố của bài kiểm tra số 1. Kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 2. Phân loại kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 2. Các tham số tổng hợp của bài kiểm tra số 2.

Kết quả phân tích phương sai một nhân tố của bài kiểm tra số 2. Kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 3. Phân loại kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 3. Các tham số tổng hợp của bài kiểm tra số 3.

Kết quả phân tích phương sai một nhân tố của bài kiểm tra số 3. Tổng hợp điểm trung bình 3 bài kiểm tra. Kết quả xếp loại điểm kiểm tra. Thông tin về mẫu khảo sát đánh giá WGT12.

Tổng hợp kết quả đánh giá WGT12 của GV. 145 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Ví dụ về hệ thống menu của webGIS. Tìm kiếm các đối tượng (A) và thêm dữ liệu (B) trên webGIS.

Các thiết bị di động tương thích tốt với webGIS trên thực địa. Đảo Phú Quốc (trái) và đảo Cát Bà (phải). Dãy núi Hoàng Liên Sơn trên bản đồ ảnh vệ tinh (trái) và bản đồ địa hình (phải). Tỷ lệ tử vong vì ung thư trên 100,000 dân tại Đài Loan giai đoạn 1972 - 2011 (trái) và các giai đoạn nhỏ (phải).

Hiển thị thông tin thuộc tính bằng hộp thoại popup (trái) và bằng bảng thống kê (phải). Thông tin thuộc tính trong bảng thống kê và được trực quan hóa bằng biểu đồ. Hiển thị đa phương tiện các thông tin thuộc tính của đối tượng. Các dự án nhánh C.

Các dự án nhánh Java. Các dự án nhánh. Các dự án nhánh Web. Sơ đồ sự tương thích giữa các thành phần của WebGIS.

Mối quan hệ của một số thành phần WebGIS. Quy trình xây dựng WebGIS. Cấu trúc WebGIS phục vụ dạy học Địa lí 12. Dự kiến giao diện của WebGIS.

Tổ chức dữ liệu (A) và tạo ảnh bản đồ bằng WMS (B) trên GeoServer75 Hình 2. Tạo kiểu dáng của cảng biển bằng CSS. Apache khởi tạo cổng cho ứng dụng WebGIS. Quản lý cơ sở dữ liệu bằng PostgreSQL.

Biên tập dữ liệu trên QGIS. Các tiện ích trong thư viện JavaScript của Heron MC. Leaflet trình bày các đối tượng địa lí dưới dạng đa phương tiện. Bố cục trên giao diện của WebGIS.

Kích hoạt các lớp bản đồ. Quản trị các lớp được kích hoạt. Thao tác đánh dấu bản đồ. Quản lý các bản đồ được đánh dấu.

Bộ công cụ chỉnh sửa. Tạo ảnh bản đồ bằng Print. Tạo ảnh bản đồ bằng chụp màn hình. Tải dữ liệu lên WebGIS.

Kiểm tra chức năng Upload dữ liệu. Sử dụng WGT12 trong dạy học đối với cả lớp. Các bước sử dụng WebGIS trong dạy học với cả lớp. Các bước sử dụng WebGIS dạy học nhóm nhỏ.

Nhóm nhỏ làm việc với WebGIS. Ví dụ về dạng phiếu học tập dành cho nhóm nhỏ ở 2 kiểu phòng học 91 Hình 2. Tìm kiếm đối tượng theo địa chỉ. Định vị đối tượng theo tọa độ địa lí.

Sử dụng công cụ Edit mô tả điểm cực Đông của Việt Nam. Quan sát bản đồ sản lượng thủy sản khai thác tại 2 thời điểm khác nhau tại vùng đồng bằng sông Cửu Long. Chọn bài cần tìm hiểu (trái) và nhấp chuột lên đối tượng .96 để hiển thị các thông tin (phải). Ví dụ về tạo bản đồ trống trên WGT12.

Tải lên dữ liệu lưu trữ (trái) và hiển thị dữ liệu trên WGT12 (phải). Vị trí một số đỉnh núi, dãy núi của Việt Nam. Các dãy núi cánh cung của Việt Nam được phóng đại từ bản đồ 4. Mẫu phiếu học tập dành cho nhóm 1 và nhóm 3 (bên trái), .112 nhóm 2 và nhóm 4 (bên phải).

Biểu đồ thể hiện kết quả tổng hợp xếp loại học lực HS qua bài kiểm tra số 1. Biểu đồ thể hiện kết quả tổng hợp xếp loại học lực HS qua bài kiểm tra số 2. Biểu đồ thể hiện kết quả tổng hợp xếp loại học lực HS qua bài kiểm tra số 3. GV tổ chức dạy học với WebGIS.

HS đại diện nhóm trình bày kết quả thảo luận bằng WebGIS. HS thảo luận nhóm nhỏ tại lớp học thông thường (trái).143 và thảo luận cặp đôi, tương tác với WebGIS tại phòng ICT (phải). Lý do chọn đề tài Bản đồ nói chung, bản đồ giáo khoa nói riêng là phương tiện, công cụ đặc biệt quan trọng trong dạy học địa lí ở trường phổ thông. Hệ thống các bản đồ giáo khoa cung cấp hình ảnh trực quan, khái quát về đối tượng, hiện tượng đồng thời lưu trữ nguồn tri thức địa lí phong phú.

Vai trò quan trọng đó đã được Baranxki đánh giá: "bản đồ là điểm khởi đầu và kết thúc của mỗi nghiên cứu địa lí học, bản đồ là ngôn ngữ thứ hai của địa lí học" [4]. Các loại bản đồ giáo khoa đang được sử dụng trong trường phổ thông hiện nay như: bản đồ trong sách giáo khoa, bản đồ giáo khoa treo tường, atlat Địa lí Việt Nam, … chủ yếu được in trên giấy và tồn tại một số đặc điểm: tính cập nhật có độ trễ khá lớn; tỉ lệ bản đồ cố định nên các đối tượng, hiện tượng phải được khái quát hóa phù hợp với tỉ lệ khi in, khó khăn khi mở rộng khối lượng kiến thức trên bản đồ; người dùng gặp bất tiện khi muốn tra cứu hay tìm hiểu các nội dung trên bản đồ mà không mang theo bản đồ. Việc có thêm một hệ thống bản đồ giáo khoa dạng dữ liệu số, lưu trữ, cập nhật trực tuyến, dùng phối hợp với các nguồn bản đồ hiện có, sẽ khắc phục được những hạn chế trên, tạo nhiều thuận lợi cho người dạy và người học. Đối với giáo dục phổ thông, một trong những mục tiêu quan trọng là giúp học sinh phát triển toàn diện, hình thành nhân cách và trách nhiệm công dân [39].

Theo nghị quyết Hội nghị Trung ương 8 khóa XI về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo của nước ta hiện nay, một nhiệm vụ cũng là giải pháp quan trọng là tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại; phát huy tính tích cực, khuyến khích tự học, tạo cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kĩ năng, phát triển năng lực; đẩy mạnh ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông trong dạy và học [3]. Đặc biệt, việc đẩy mạnh ứng dụng thành tựu của khoa học kỹ thuật, công 2 nghệ trong dạy học, tạo môi trường tương tác hiện đại cho học sinh sẽ góp phần quan trọng trong việc đào tạo thế hệ "công dân toàn cầu", phù hợp với yêu cầu của kỷ nguyên cách mạng công nghiệp 4.