Giáo trình Dạy học thực hành kỹ thuật trong môi trường thực tại ảo theo tiếp cận tương tác - Nguyễn Cẩm Thanh

Nội dung text: Giáo trình Dạy học thực hành kỹ thuật trong môi trường thực tại ảo theo tiếp cận tương tác - Nguyễn Cẩm Thanh

1. DẠY HỌC THỰC HÀNH KỸ THUẬT TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC TẠI ẢO THEO TIẾP CẬN TƯƠNG TÁC Tiến sĩ. Nguyễn Cẩm Thanh Trường Đại học Sư phạm Hà Nội ĐT: 0904334428; Email: thanhnc@hnue.edu.vn 1. Đặt vấn đề Thực tại ảo hay còn gọi là thực tế ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR), là thuật ngữ xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90, nhưng thực sự công nghệ thực tại ảo phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây. Công nghệ thực tại ảo là thuật ngữ miêu tả một môi trường mô phỏng, có tác động vào giác quan của con người, làm cho con người có cảm giác như thật (về hình ảnh 3D, âm thanh lập thể, mùi vị, tác động cơ học vào con người qua ghế ngồi, thiết bị đeo, gắn trên người, ). Đặc tính cơ bản của một hệ thống VR là tính tương tác, các đồ họa ba chiều thời gian thực và cảm giác đắm chìm được xem là các đặc tính then chốt [1], [4]. Chính bởi thành tựu khoa học và công nghệ ngày nay, chúng ta hoàn toàn có thể tính đến việc xây dựng và ứng dụng vào dạy học thực hành kỹ thuật trong môi trường thực tại ảo (MTTTA). Những môn chuyên môn đòi hỏi việc tổ chức thực hành thực sẽ khó khăn, tốn kém, thậm chí không thể thực hiện được. Ở các lĩnh vực như y học với thực hành mổ nội soi, hàng không với thực hành lái máy bay, giờ đây đã thực sự được tổ chức thực hành trong môi trường thực tại ảo, đảm bảo hiệu quả, an toàn và ít tốn kém. Dạy học theo tiếp cận tương tác (TTCT) đáp ứng tốt các yêu cầu về dạy học thực hành kỹ thuật, đảm bảo yếu tố tích cực, tự lực giải quyết vấn đề học tập của người học, phù hợp với xu hướng đổi mới phương pháp dạy học hiện nay [2], [3]. Bài viết này làm rõ khái niệm về thực hành kỹ thuật, MTTTA, dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo TCTT, trên cơ sở đó đề xuất biện pháp dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo TCTT. 2. Khái niệm dạy học thực hành kỹ thuật, môi trường thực tại ảo Theo từ điểm Tiếng Việt "thực hành" là: "Làm để cho thành sự thực; bắt tay vào việc áp dụng thực sự lý thuyết đã học". Thực hành kỹ thuật khác với thực hành phi kỹ thuật ở chỗ phải có kiến thức, hiểu biết nhất định về kỹ thuật để vận dụng/áp dụng vào giải quyết, thực hiện một công việc kỹ thuật cụ thể trong thực tiễn ở môi trường thực hoặc trong MTTTA. Trong dạy học kỹ thuật, thực hành kỹ thuật (THKT) được hiểu là: "Thực hành là hoạt động của người học nhằm vận dụng những hiểu biết kỹ thuật và rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo cần thiết" [3, tr.30]. Hoạt động thực hành có hai dạng cụ thể trong mối quan hệ tương hỗ: hoạt động thực hành trí tuệ; hoạt động thực hành vận động. MTTTA là môi trường nhờ có các thiết bị công nghệ tác động vào con người thông qua các giác quan, tạo nên cảm giác như thật cho con người. Môi trường thực tại ảo tồn tại ở các mức độ khác nhau. Tùy theo mức độ của MTTTA, cho phép người học sẽ được học THKT ở cấp độ như sau: - Cấp độ 0: THKT (không có ảo) với môi trường thực hành hoàn toàn là những vật chất thực (thiết bị, dụng cụ, máy móc thực phục vụ thực hành, ). - Cấp độ 1: THKT với môi trường thực hành gồm vật chất thực kết hợp với các phần mềm thực hành ảo trên máy tính (hình ảnh 2D). - Cấp độ 2: THKT trong MTTTA ở mức cao cho phép tác động đến người học ở tất cả các giác quan, điều đó có nghĩa tính hiện đại của thiết bị công nghệ đã tạo ra được hình ảnh 3D, âm thanh lập thể, những tác động cơ học đến người học, có thể tạo ra mùi, vị, MTTTA đã ở mức như thật. Đây là điều kiện MTTTA lý tưởng cho thực hành, tuy nhiên trong điều kiện hiện nay, hầu hết ở các cơ sở đào tạo nghề nước ta chưa được trang bị đồng bộ các trang thiết bị đạt được ở mức này. 1
2. Có thể hiểu ở nghĩa tương đối về thực hành kỹ thuật trong MTTTA là: Thực hành kỹ thuật được tổ chức có kế hoạch cho việc học tập và lao động của người học trong môi trường thực tại ảo. 3. Dạy học thực hành kỹ thuật trong môi trường thực tại ảo theo tiếp cận tương tác Trong mọi hoạt động dạy học đều diễn ra các hoạt động tương tác, đó là tương tác trong dạy học. Tuy nhiên không phải mọi quá trình dạy học đều được gọi là dạy học tương tác. Bởi một quá trình dạy học được gọi là dạy học tương tác khi thông qua các hoạt động tương tác đa dạng, vai trò người học làm trung tâm, chủ động, tự lực giải quyết các vấn đề học tập. Hoạt động học của người học trong dạy học tương tác là quá trình người học tự lực kiến tạo tri thức, đồng thời là quá trình xã hội, quá trình xúc cảm, quá trình ý chí, mang tính tình huống và là quá trình sáng tạo. Kết quả học tập của người học phụ thuộc vào sự kiến tạo tri thức mang tính cá nhân của người học. Vai trò người dạy là định hướng, trợ giúp. Về bản chất, dạy học tương tác là dạy học mang tính kiến tạo. Có thể hiểu: Dạy học tương tác là dạy học lấy người học làm trung tâm, trong đó diễn ra các hoạt động tương tác đa dạng ở môi trường dạy học được tổ chức phù hợp, đòi hỏi người học chủ động, tích cực và tự lực giải quyết vấn đề. Người dạy đóng vai trò là người tổ chức môi trường dạy học và hỗ trợ, tư vấn cho người học [2, tr. 4]. "Học thông qua hành" là hình thức điển hình trong dạy học tương tác, trong đó lý thuyết và thực hành được kết nối với nhau. Thông qua hoạt động thực tiễn hoặc thực tại ảo, các kiến thức lý thuyết được vận dụng và kiểm nghiệm, các kiến thức và kinh nghiệm mới được lĩnh hội. Các tương tác trong dạy học định hướng hành động mang tính đa dạng, trong đó có tương tác ở MTTTA. Việc phát triển năng lực hành động chỉ được thực hiện thông qua hành động tự lực của người học. Dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo TCTT được hiểu: Dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo TCTT là quá trình dạy học được người dạy tổ chức, định hướng, giúp đỡ người học vận dụng kiến thức tham gia vào các hoạt động học tập tự lực trong một môi trường thực tại ảo để rèn luyện, phát triển kỹ năng, chiếm lĩnh kiến thức mới. - Cấu trúc và cơ chế dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo TCTT Cấu trúc đó là tác động, phản ứng của các chủ thể tham gia tương tác. Sự tương tác là tích cực khi cách thức tác động và phản ứng này tạo nên sự chủ động, tự giác, tích cực của các chủ thể tham gia trong MTTTA. Thực hiện tương tác cần có mục đích, công cụ, nội dung và các nhiệm vụ tương tác. Khi có một mối tương tác sẽ kéo theo sự xuất hiện các mối tương tác khác cùng tham gia, chúng sẽ có sự ảnh hưởng, chi phối nhau. Bên cạnh các mối tương tác đa dạng của hoạt động dạy học THKT, mối tương tác người học ⇆ môi trường thực tại ảo sẽ làm nảy sinh ra mối tương tác người học ⇆ bản thân người học và chính điều này giữ một vai trò cơ bản, chủ đạo trong hoạt động học của người học. - Đặc trưng dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo TCTT "Tương tác" là cách thức và mục tiêu dạy học, vai trò người học làm trung tâm, chủ động, tự lực giải quyết các vấn đề học tập, chú trọng việc xây dựng, khai thác MTTTA, tương tác nổi bật là tương tác người học với thiết bị thực hành để tạo ra sản phẩm, các thiết bị thực hành hỗ trợ mạnh cho tương tác khi nó là những thiết bị công nghệ có tính tương tác cao. - Điều kiện dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo TCTT + Xác định môi trường thực tại ảo phù hợp có tính khả thi + Cần phải thiết kế kế hoạch dạy học trong MTTTA có tổ chức tốt đó là: xác định mục tiêu dạy học, cần xác định cụ thể những kiến thức kỹ năng, thái độ, năng lực then chốt cần đạt được + Có biện pháp dạy học phù hợp với năng lực người dạy và nhận thức của người học. + Một số yêu cầu đặc thù đối với người dạy và người học: 2
3. * Người dạy cần biên soạn học liệu đa dạng, kết hợp học liệu in với các học liệu điện tử để kết hợp tương tác giáp mặt với tương tác trong MTTTA. Người dạy cần nắm vững mục tiêu, trọng tâm để chuyển thành chuẩn đầu ra và các họat động dạy học chính. * Người học cần tích cực chuẩn bị bài trước mỗi buổi học, tự tin trong các hoạt động cá nhân, nhóm với sự trợ giúp của người dạy. Chủ động trải nghiệm trong MTTTA. 4. Các biện pháp dạy học thực hành kỹ thuật trong môi trường thực tại ảo theo tiếp cận tương tác Dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo TCTT để đạt được hiệu quả cao cần kết hợp tốt các biện pháp dạy sau đây: 4.1. Xác định môi trường thực tại ảo Môi trường thực tại ảo là điều kiện tiền đề cho dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo tiếp cận tương tác. Vì vậy, cần xác định rõ điều kiện của một hệ thống VR đã có thể đáp ứng được ở mức độ nào. Một hệ thống VR tổng quát bao gồm 5 thành phần: phần mềm, phần cứng, mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng. Trong đó 3 thành phần chính và quan trọng nhất là phần cứng, các ứng dụng, phần mềm [3]. - Phần cứng và các ứng dụng thường là đã được trang bị cho phòng thực hành (máy vi tính, máy chiếu, hệ thống âm thanh, các thiết bị kỹ thuật chuyên dụng kết nối máy tính, hệ thống mô hình động điều khiển, phụ kiện đi kèm, ). - Phần mềm thể hiện linh hồn của VR chúng ta có thể khai thác các chương trình phần mềm đã có sẵn vào dạy học. Thực tế còn nhiều nội dung chuyên môn chưa có sẵn các phần mềm cho ta khai thác sử dụng. Vì vậy, việc đặt ra là chúng ta cùng nhau chủ động trong việc thiết kế và xây dựng các phần mềm dạy học phù hợp với từng nội dung chuyên môn cụ thể. Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa và mô phỏng các đối tượng của VR. Một số ngôn ngữ lập trình miễn phí như OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop, Flash, solidworks, Xây dựng phần mềm cho hệ thống VR đảm bảo các nguyên tắc và yêu cầu cơ bản như sau: Một là: Tạo hình và mô phỏng đảm bảo tính chính xác, tính kỹ thuật, tính trực quan sư phạm, tính thẩm mỹ. Hai là: Mô phỏng động học, động lực học và mô phỏng ứng xử của đối tượng. Ba là: Tính tương thích trên hầu hết các máy tính chạy hệ điều hành Windows. Nên có tính mở, linh hoạt để rễ ràng trong điều chỉnh, bổ sung. - Đặc tính cơ bản của hệ thống VR cần đảm bảo với 3 đặc tính là: + Tương tác thời gian thực: có nghĩa là khi con người tác động, đưa tín hiệu vào máy tính, nó sẽ thay đổi thông tin thể hiện ngay trên màn hình giao tiếp. + Cảm giác đắm chìm: hiệu ứng tạo khả năng tập trung sự chú ý cao nhất một cách có chọn lọc vào chính những thông tin từ người sử dụng hệ thống thực tế ảo. Họ sẽ cảm thấy mình là một phần của thế giới ảo, hòa nhập vào thế giới đó. + Tính tương tác: động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà người, vật và mọi thứ tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc thông tin. 4.2. Thiết kế dạy học thực hành trong môi trường thực tại ảo theo tiếp cận tương tác Giai đoạn 1: Chuẩn bị - Xác định điều kiện của hệ thống VR về phần cứng, phần mềm. - Xác định mục tiêu nội dung học tập thực hành. - Xác định kiến thức, kỹ năng liên quan. - Những lưu ý trong thực hành, an toàn lao động, - Xây dựng phiếu học tập, kiểm tra đánh giá, 3
4. Giai đoạn 2: Xây dựng các hoạt động dạy học thực hành - Xác định nội dung các đơn vị kiến thức mà người học cần học - Chia mỗi đơn vị kiến thức tương ứng với một hoạt động chính trong học tập thực hành, trong đó có thể có nhiều hoạt động thành phần. Dự kiến cho người học tham gia tương tác, trải nghiệm trong môi trường thực tại ảo trong thời gian nhất định. Yêu cầu có ghi chép lại những nguyên nhân, ý nghĩa thành công và thất bại trong từng hoạt động. - Kết thúc quá trình trải nghiệm tổ chức cho người học cùng nhau thảo luận, đánh giá rút kinh nghiệm qua những thành công và những thất bại. - Có thể cử đại diện đã làm tốt trước đó để làm biểu diễn (demo) cho cả lớp - Cho người học tiếp tục thực hiện rèn luyện phát triển kỹ năng. Giai đoạn 3: Kiểm tra đánh giá và kết thúc thực hành - Xây dựng bảng các tiêu chí đánh giá cung cấp cho người học để hướng dẫn người học tự kiểm tra đánh giá kết quả của bản thân và của bạn. - Người dạy giữ vai trò làm trọng tài phân xử, thể chế hóa. - Kết thúc thực hành, người dạy giao nhiệm vụ về nhà cho người học chuẩn bị, nghiên cứu trước nội dung thực hành buổi học sau. 4.3. Tổ chức điều khiển dạy học thực hành kỹ thuật trong môi trường thực tại ảo theo tiếp cận tương tác - Tùy theo điều kiện môi trường thực tại ảo, số lượng người học để có thể chia nhóm nhỏ 2 đến 5 người một nhóm để tổ chức hoạt động thực hành. - Vận dụng phối hợp các phương pháp dạy học tích cực, trong đó đặc biệt chú trọng đến phương pháp dạy học trải nghiệm. David Kolb đã phát triển lý thuyết kiến tạo bằng việc đề xuất mô hình "học tập trải nghiệm" để mô tả quá trình học tập như là một "chu trình học tập". Đây là hình thức học tập gắn liền với các hoạt động có sự chuẩn bị ban đầu và có sự phản hồi, đề cao kinh nghiệm của cá nhân người học. Sơ đồ các bước của học tập trải nghiệm theo chu trình như (sơ đồ 1) [3, tr.54-57]. Sơ đồ 1: Mô hình học tập trải nghiệm (Kolb, 1984) Trình tự học tập theo sơ đồ trên được David Kolb khuyến cáo cần tuân thủ trình tự của chu trình nhưng không nhất thiết khởi đầu từ bước nào. Chu trình này yêu cầu người học chủ động trong việc học thông qua việc lên kế hoạch, hành động, phản tính và liên hệ ngược trở lại các lý thuyết. Phương pháp dạy học trải nghiệm được thực hiện tốt nhất khi tổ chức cho người học làm làm việc độc lập và kết hợp với làm việc hợp tác theo cặp/ nhóm. 5. Kết luận Dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo TCTT, người dạy cần bỏ ra nhiều thời gian để chuẩn bị MTTTA, thiết kế hoạt động thực hành, xây dựng các phương án dạy học theo điều kiện cụ thể của MTTTA, kiểm tra đánh giá. Triển khai dạy học khuyến khích tổ chức hình thức dạy học theo nhóm nhỏ, kết hợp dạy học cho người học được trải nghiệm trong MTTTA, đồng thời còn tạo điều kiện để người học được học tập theo khả năng và nhu cầu của chính họ giúp gia 4
5. tăng sự hứng thú, say mê trong thực hành. Bên cạnh đó người dạy cần có sự giám sát chặt chẽ và định hướng giúp đỡ kịp thời cho người học. Nhiệm vụ của người dạy khi dạy học THKT trong MTTTA theo TCTT là làm sao để hoạt động học tập của người học đáp ứng được mục tiêu của chương trình đào tạo, của môn học, của bài học nhằm góp phần nâng cao hiệu quả đào tạo. Với đà phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ mạnh mẽ như ngày nay, kinh tế xã hội Việt Nam tăng trưởng không ngừng, là điều kiện để tiến đến việc cho phép trang bị hiện đại về thiết bị công nghệ ở các nhà xưởng, phòng thực hành thuộc các cơ sở đào tạo kỹ thuật sẽ trở thành hiện thực trong tương lai không xa. Khi đó dạy học thực hành kỹ thuật trong MTTTA theo TCTT sẽ trở nên phổ biến trong các cơ sở đào tạo kỹ thuật ở nước ta. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Công nghệ thực tế ảo là gì (2014), Theo Tri Thức Trẻ | 28/03/2014 - 17:00 2. Nguyễn Văn Cường, Nguyễn Cẩm Thanh (2015), Tương tác trong dạy học và dạy học tương tác, tạp chí Khoa học ĐHSP Hà Nội, số 2, tr. 3-9. 3. Nguyễn Văn Khôi (2013), Lý luận dạy học thực hành kỹ thuật, NXB Đại học Sư phạm Hà Nội. 4. Sandra Dutra Piovesan, Liliana Maria Passerino1 and Adriana Soares Pereira (2012), Virtual reality as a tool in the education, IADIS International Conference on Cognition and Exploratory Learning in Digital Age, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. TÓM TẮT Dạy học thực hành kỹ thuật trong môi trường thực tại ảo theo tiếp cận tương tác Dạy học theo tiếp cận tương tác đáp ứng tốt các yêu cầu về dạy học thực hành kỹ thuật trong môi trường thực tại ảo, đảm bảo yếu tố tích cực, tự lực giải quyết vấn đề học tập của người học, phù hợp với xu hướng đổi mới phương pháp dạy học hiện nay. Bài viết tác giả trình bày: 1/ Làm rõ khái niệm thực hành kỹ thuật, môi trường thực tại ảo; 2/ Bản chất, cấu trúc và cơ chế, đặc trưng, điều kiện dạy học thực hành kỹ thuật trong môi trường thực tại ảo theo tiếp cận tương tác; 3/ Đề xuất biện pháp dạy học thực hành kỹ thuật trong môi trường thực tại ảo theo tiếp cận tương tác. Từ khóa: dạy học thực hành kỹ thuật, môi trường thực tại ảo, tiếp cận tương tác. SUMMARY Teaching practice-based engineering in an interactive visual environment Interactive teaching approach will satisfy the requirements for practice-based engineering teaching technique in a virtual environment, ensuring positive factors, and enabling learners to solve their learning problems in line with the renewal trends of current teaching methods. The article presents: (i) Clarification of the concept of practice-based engineering, and virtual environment; (ii) The nature, structure and mechanism, characteristics, conditions of teaching practice-based engineering in interactive virtual environment and (iii) measures for teaching practice-based engineering in an interactive virtual environment Keywords: practice-based engineering, virtual environment, interactive approach 5