Chương 1. Đồ họa và vai trò của đồ họa đối với học sinh 1. Giới thiệu đồ họa máy tính Đồ họa máy tính là một ngành khoa học Tin học chuyên nghiên cứu về các phƣơng pháp và kỹ thuật để có thể mô tả và thao tác trên các đối tƣợng của thế giới thực bằng máy tính [5]. Về bản chất đó là một quá trình xây dựng và phát triển các công cụ trên cả hai lĩnh vực phần cứng và phần mềm hỗ trợ cho các lập trình viên thiết kế các chƣơng trình có khả năng đồ họa cao.
Với việc mô tả dữ liệu thông qua các hình ảnh và màu sắc đa dạng của nó các chƣơng trình đồ họa thƣờng thu hút ngƣời dùng bởi tính thân thiện, dễ dùng… kích thích khả năng sáng tạo và nâng cao năng suất làm việc. Vai trò của đồ họa máy tính đối với nhận thức Sự phát triển của khoa học, kĩ thuật, nghệ thuật, kinh doanh, và công nghệ luôn luôn phụ thuộc vào khả năng truyền đạt thông tin của chúng ta, hoặc thông qua các dữ liệu lƣu trữ trong microchip hoặc thông qua giao tiếp bằng tiếng nói. Câu châm ngôn từ xa xƣa “một hình ảnh có giá trị hơn cả vạn lời” hay “trăm nghe không bằng một thấy” cho thấy ý nghĩa rất lớn của hình ảnh trong việc chuyển tải thông tin. Hình ảnh bao giờ cũng đƣợc cảm nhận nhanh và dễ dàng hơn, đặc biệt là trong trƣờng hợp bất đồng về ngôn ngữ.
Do đó không có gì ngạc nhiên khi mà ngay từ khi xuất hiện máy tính, các nhà nghiên cứu đã cố gắng sử dụng nó để phát sinh các ảnh trên màn hình. Trong suốt gần 70 năm phát triển của máy tính, khả năng phát sinh hình ảnh bằng máy tính của chúng ta đã đạt tới mức mà bây giờ hầu nhƣ tất cả các máy tính đều có khả năng đồ họa. Đồ họa máy tính là một trong những lĩnh vực lí thú nhất và phát triển nhanh nhất của tin học. Ngay từ khi xuất hiện, đồ họa máy tính đã có sức lôi cuốn mãnh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 liệt, cuốn hút rất nhiều ngƣời ở nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ khoa học, nghệ thuật, kinh doanh, quản lí,.
Tính hấp dẫn và đa dạng của đồ họa máy tính có thể đƣợc minh họa rất trực quan thông qua việc khảo sát các ứng dụng của nó. Ngày nay, đồ họa máy tính đƣợc sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ công nghiệp, thƣơng mại, quản lí, giáo dục, giải trí, … Số lƣợng các chƣơng trình đồ họa ứng dụng thật khổng lồ và phát triển liên tục, dƣới đây là một số ứng dụng tiêu biểu : 1. Hỗ trợ thiết kế Một trong những ứng dụng lớn nhất của đồ họa máy tính là hỗ trợ thiết kế CAD. Ngày nay CAD đã đƣợc sử dụng hầu hết trong việc thiết kế các cao ốc, ô tô, máy bay, tàu thủy, tàu vũ trụ, máy tính, trang trí mẫu vải, và rất nhiều sản phẩm khác.
Sử dụng các chƣơng trình này, đầu tiên các đối tƣợng đƣợc hiển thị dƣới dạng các phác thảo của phần khung sợi, mà từ đó có thể thấy đƣợc toàn bộ hình dạng và các thành phần bên trong của các đối tƣợng. Sử dụng kĩ thuật này, ngƣời thiết kế sẽ dễ dàng nhận thấy ngay các thay đổi của đối tƣợng khi tiến hành hiệu chỉnh các chi tiết hay thay đổi góc nhìn… Một khi đã thiết kế xong phần khung của đối tƣợng, các mô hình chiếu sáng, tô màu và tạo bóng bề mặt sẽ đƣợc kết hợp để tạo ra kết quả cuối cùng rất gần với thế giới thực. Đồ họa AutoCAD LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Biểu diễn thông tin Đây là các ứng dụng sử dụng đồ họa máy tính để phát sinh các biểu đồ, đồ thị, … dùng minh họa mối quan hệ giữa nhiều đối tƣợng với nhau.
Các ứng dụng này thƣờng đƣợc dùng để tóm lƣợc các dữ liệu về tài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, toán học, … giúp cho việc nghiên cứu, quản lí, nghiên cứu khoa học một cách có hiệu quả. Giải trí nghệ thuật Trong lĩnh vực nghệ thuật, các chƣơng trình máy tính nhƣ Paint Shop Pro, Adobe Photoshop, 3D Studio, … hỗ trợ rất đắc lực cho các họa sĩ, các nhà tạo mẫu trong việc thiết kế các hình ảnh sống động, và rất thực. Với các chƣơng trình này, ngƣời họa sĩ đƣợc máy tính tạo cho cảm giác y nhƣ đang làm việc ngoài đời thực bằng cách cung cấp các công cụ nhƣ khung vẽ, giá vẽ, bảng pha màu, các hiệu ứng ba chiều, … làm cho họ cảm thấy rất thoải mái và tiện lợi. Ngoài ra đồ họa máy tính còn giúp tạo ra các chƣơng trình trò chơi, giải trí; hỗ trợ cho các kĩ xảo điện ảnh, cho các nhà làm phim.
Có nhiều bộ phim rất nổi tiếng nhờ vào kĩ xảo điện ảnh nhƣ: Công viên Khủng long kỉ Jura, Titanic, Thế giới nƣớc… Hình 2. Đồ họa giải trí - nghệ thuật 1. Giáo dục và Đào tạo Hiện nay các chƣơng trình mô phỏng cấu trúc của các vật thể, tiến trình của các phản ứng hóa học, hoạt động của các gói tin trên mạng máy tính, … đƣợc dùng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 rất nhiều trong việc hỗ trợ giảng dạy. Trong đào tạo, các ứng dụng mô phỏng đƣợc dùng để kiểm tra trình độ ngƣời lái, huấn luyện phi công, điều khiển giao thông… Hình 3.
Đồ họa trong Giáo dục Đào tạo 1. Giao tiếp máy tính và người dùng Mọi ứng dụng đều phải có giao diện giao tiếp với ngƣời dùng. Giao diện đồ họa thực sự là một cuộc cách mạng mang lại sự thuận tiện và thoải mái cho ngƣời dùng ứng dụng. Các ứng dụng dựa trên hệ điều hành MS Windows là một minh họa rất trực quan của giao diện đồ họa.
Các chức năng của các ứng dụng này đƣợc thiết kế cho ngƣời dùng làm việc thông qua các biểu tƣợng mô tả chức năng đó. Ví dụ, chức năng lƣu tập tin đƣợc hiểu thông qua biểu tƣợng đĩa mềm, chức năng in ấn đƣợc hiểu thông qua biểu tƣợng máy in, … Để chọn các chức năng, ngƣời dùng sử dụng chuột trỏ đến và nhấn vào các biểu tƣợng tƣơng ứng. Điểm thuận lợi chính khi dùng biểu tƣợng là kích thƣớc không gian mà nó chiếm ít hơn nhiều so với dùng văn bản để mô tả cho cùng một chức năng, ngoài ra việc nắm bắt các chức năng qua các biểu tƣợng sẽ dễ dàng hơn rất nhiều khi ngƣời dùng gặp trở ngại về mặt ngôn ngữ. Các ứng dụng có giao diện đồ họa còn cho phép ngƣời dùng khả năng làm việc dễ dàng với nhiều cửa sổ với nhiều dạng tài liệu khác nhau cùng một lúc.
Tương tác đồ hoạ người-máy LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Đồ họa hình học phổ thông 1. Các đối tượng đồ họa hình học phổ thông Chƣơng trình hình học phổ thông đƣợc chia thành hai phần là hình học phẳng và hình học không gian. Hình học phẳng gồm các đối tƣợng đồ họa cơ sở nhƣ: điểm, đƣờng thẳng, vecto, tia, đa giác, đƣờng tròn, cung tròn, các đƣờng conic… và các hình phức hợp đƣợc xây dựng từ hai đối tƣợng cơ sở trong hình học phẳng trở lên.
Hình học không gian gồm các đối tƣợng đồ họa cơ sở nhƣ: điểm, đoạn thẳng, đƣờng thẳng, mặt phẳng, vecto, đa giác, đƣờng tròn, cung tròn, mặt cầu, mặt trụ, mặt nón… và các hình phức hợp đƣợc xây dựng từ hai đối tƣợng cơ sở trong không gian trên trở lên. Yêu cầu xây dựng mô phỏng hình học tại nhà trường phổ thông Kiến thức hình học phổ thông khá trừu tƣợng, nó đƣợc xây dựng từ một hệ thống các tiên đề đƣợc công nhận, sau đó đƣợc sử dụng chứng minh cho các bổ đề, định lý nhằm phát triển nội dung bộ môn hình học. Với lƣợng kiến thức hình học tƣơng đối nhiều và phức tạp, để lĩnh hội đƣợc thì phần hình vẽ mô phỏng cho các khái niệm, các chứng minh định lý và bài tập chiếm một vị trí hết sức quan trọng, giúp học sinh nắm bắt lý thuyết, biết cách biểu diễn các đối tƣợng hình học cơ sở trong mặt phẳng và trong không gian, rồi từ đó kết hợp các đối tƣợng cơ sở để xây dựng các mô phỏng phức tạp hơn theo yêu cầu của bài toán. Ngƣợc lại, sau khi học sinh nắm vững đƣợc cách biểu diễn các đối tƣợng hình học thì việc nhớ và tái hiện lại các khái niệm, định lý thông qua hình ảnh sẽ dễ dàng hơn rất nhiều.
Vì vậy song song với việc truyền tải lý thuyết hình học, yêu cầu phải trang bị kỹ năng vẽ và xây dựng mô phỏng cho học sinh là hết sức cần thiết. Riêng môn hình học không gian, mỗi hình vẽ trong không gian 3 chiều thƣờng đƣợc mô phỏng trên mặt phẳng hai chiều, hình ảnh tĩnh, không thay đổi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 đƣợc các tham số góc, cạnh, màu sắc, điểm quan sát. Tính tƣơng tác bị hạn chế, vì vậy yêu cầu học sinh phải có khả năng hình dung, trí tƣởng tƣợng rất cao mới có thể lĩnh hội đƣợc. Đây là một vấn đề lớn gây trở ngại cho nhiều học sinh.
Giải pháp xây dựng các mô hình thực tế bằng vật liệu cũng đƣợc khuyến khích, song nó rất tốn chi phí để thực hiện, phải mang vác, cất giữ cồng kềnh, hoặc nhiều mô hình yêu cầu sản xuất rất phức tạp, giáo viên khó có thể thực hiện đƣợc. Ví dụ nhƣ tạo mô hình mặt phẳng và mặt cầu giao nhau chẳng hạn. Với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế và khoa học kĩ thuật hiện nay, việc sở hữu một chiếc máy tính là không quá khó khăn, hơn nữa dƣới sự quan tâm của Đảng và Nhà nƣớc, các trƣờng phổ thông đều đƣợc trang bị phòng máy, phòng học đa năng, tạo cơ sở hạ tầng CNTT phục vụ cho quá trình học tập và giảng dạy. Vì vậy việc triển khai xây dựng mô phỏng thông qua hệ thống phần mềm máy tính, trợ giúp học sinh trong quá trình học tập hình học là cần thiết và hoàn toàn có thể thực hiện đƣợc.
Một số vai trò của mô phỏng trong học tập hình học phổ thông Mô phỏng là công cụ trực quan hóa vô cùng hữu hiệu trong việc giảng dạy hình học, giúp học sinh vận dụng tối đa các giác quan còn lại trong việc học tập, vì thế nó có những vai trò vô cùng quan trọng.