Thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử

1/ THÍ NGHIỆM ẢO VÀ BÀI GIẢNG ĐIÊN TỬ

Thí nghiệm ảo và các bài giảng điện tử là những thuật ngữ ngày càng trở nên quen thuộc với chúng ta, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và truyền thông, cùng với Internet và học tập điện tử, thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử trở nên một thành phần thiết yếu trong giáo dục hiện đại.

Phạm vi của thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử, không chỉ giới hạn trong lĩnh vực giáo dục & đào tạo mà mở rộng trong mọi ngành, mọi lĩnh vực của đời sống từ quảng bá sản phẩm, dịch vụ trên web, đến trong các hình thức huấn luyện đa phương tiện dùng trong doanh ngiệp, dịch vụ tư vấn, chăm sóc khách hàng, làm việc cộng tác…
Để có một cái nhìn khái quát và cụ thể chúng ta hãy tìm hiểu xem thế nào là thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử, khả năng ứng dụng và cách để chúng ta có thể xây dựng được một phần mềm thực hiện tính năng thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử:

Bài giảng điện tử : là tập hợp những tài nguyên số dưới hình thức các đối tượng học tập, xâu chuỗi với nhau theo một cấu trúc nội dung, định hướng theo chiến lược giáo dục của nhà thiết kế, bài giảng điện tử còn được gọi là khóa học hay cua học.
Thí nghiệm ảo: Là tập hợp các tài nguyên số đa phương tiện dưới hình thức đối tượng học tập, nhằm mục đích mô phỏng các hiện tượng vật lý, hóa học, sinh học…xảy ra trong tự nhiện hay trong phòng thí nghiệm, có đặc điểm là có tính năng tượng tác cao, giao diện thân thiện với người sử dụng và có thể mô phỏng những quá trình, điều kiện tới hạn khó xảy ra trong tư nhiện hay khó thu được trong phòng thí nghiệm. Thí nghiệm ảo giúp giảm thiểu việc học chay, dậy chay thường gặp do thiếu phương tiện, điều kiện thí nghiệm giúp người học chủ động học tập phù hợp với tinh thần người học là trung tâm của giáo dục hiện đại.
Thực và ảo: Bài giảng điện tử giống bài giảng truyền thống đều nhằm giải quyết một hay một số mục tiêu học tập cụ thể, tuân thủ nhưng nguyên tắc sư phạm. Tuy nhiên có nhiều nét đặc thù là bài giảng truyền thống hường được có nhấn mạnh vai trò của người thầy, bài giảng điện tử là hình thức học tập khai thác các tính năng hỗ trợ của công nghệ thông tin nên vai trò của người thầy dường như “mờ” đi, chủ yếu qua các phương tiện giao tiếp điện tử như diễn đàn, chat, công cụ làm việc nhóm, audio, video confference…
Thời gian và địa lý cũng bị xóa nhòa, người học tự học theo nhu cầu và năng lực của mình và được hỗ trợ bởi các công cụ hỗ trợ học tập…
Trong việc thiết kế bài giảng điện tử cũng có nhiều vai trò (14) so với thiết kế bài giảng truyền thống, cách thiết kế cũng khác biệt với thiết kế bài giảng truyền thống. Với bài giảng điện tử, người học được phép tự chọn một lộ trình học tập phù hợp nhất với khả năng của mình, do vậy bài giảng điện tử có thể hỗ trợ hình thức học tập thích nghi đòi hỏi phải thiết kế một cách cẩn thận và cần nhưng chương trình đặc biệt để chạy được những bài giảng thiết kế kiểu này (phần mềm quản trị học tập, trình điều khiển khóa học…).
Thí nghiệm ảo cũng giống với bài giảng điện tử, ngoài ra, một ưu điểm của thí nghiệm ảo trên máy tính là có thể giả lập những tình huống, điều kiện tới hạn, khó xảy ra trong thế giới thực giúp người học nắm được bản chất của vấn đề. Tuy nhiên, thí nghiệm ảo không thể thay thế được kinh nghiệm thực tiễn, hãy thử tưởng tượng phi công lái máy bay hạ cánh khi chỉ toàn thực tập trên mô hình ảo, hay một bác sĩ phẫu thuật mỗ tim trong khi lại chỉ toàn kinh nghiệm với dao mổ ảo trên máy tính.
Quan hệ giữa thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử: Thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử gắn bó chặt chẽ với nhau, không thể tách rời, thí nghiệm ảo giúp tăng hiệu quả giáo dục, huấn luyện của bài giảng điện tử qua tính năng tương tác cao với người tiến hành thí nghiệm, với hệ thống trong khi bài giảng điện tử giúp xâu chuỗi các thí nghiệm ảo theo một trình tự logic, mang tính giáo dục. Thí nghiệm ảo cùng với bài giảng điện tử giúp áp dụng được cả 3 yếu tố giáo dục hiện đại trong phần mềm dạy học như HỌC + THỰC HÀNH + KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ, cần thiết hiệu quả học tập đạt được cao.
Trò chơi giáo dục: Theo quan điểm giáo dục hiện đại, không có sự phân biệt giữa một đơn vị học tập điện tử (đối tượng học tập hay Learning Object còn gọi là LO) với một thí nghiệm ảo, hay một đơn vị kiểm tra đánh giá, vì thực chất các đơn vị này đều có tính năng tương tác người học, khả năng đánh giá tiến độ người học theo mức độ đáp ứng các yêu cầu đề ra, cũng trên quan điểm như vậy, thí nghiệm ảo về thực chất không khác một game giáo dục… tuy nhiên để làm được điều này cần đảm bảo tính chất độc lập, hay mỗi thí nghiệm ảo phải có khả năng hoạt động độc lập như một đối tượng học tập, được thiết kế để giải quyết một hay một số mục tiêu (nhiệm vụ học tập cụ thể).Trò chơi giáo dục giúp tăng hiệu quả học tập qua việc khuyếnh khích người học chủ động học tập thể hiện tinh thần “học mà chơi, chơi mà học”
Multimedia: Tính năng và sự hỗ trợ của công nghệ đa phương tiện là yếu tố quan trọng nâng cao hiệu quả của thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử. Hãy thử tưởng tượng một chương trình Tivi show mà không có tiếng, hay một game trò chơi mà không hoạt hình (animation)… một châm ngôn xưa “trăm nghe không bằng một thấy” là minh họa cho trường hợp này, nhờ các tính năng multimedia, sự buồn chán của việc đọc text trên Internet được giảm thiểu, không còn giới hạn 20 dòng trên một trang màn hình nữa vì với một đoạn hoạt hình kèm theo âm thanh sẽ giúp người học tiếp thu bài học nhanh chóng và dễ nhớ hơn.
Một yếu tố cần tính đến là những hoạt cảnh và âm thanh thường tốn nhiều bandwidth, sử dụng những công nghệ nén đi kèm với Macromedia, cùng với sự cải tiến không ngừng về bandwidth của hạ tầng Internet, rào cản này có thể vượt qua được.
Đề minh họa cho những vấn đề đã nêu ở trên, chúng ta cùng xem một vài thí nghiệm ảo có mô phỏng hiện tượng tự nhiên (các thí nghiệm một phần lấy từ bộ phần mềm môi trường và thực tập ảo khoa học và công nghệ vật liệu). Ở đây sử dụng các component được chúng tôi xây dựng trên công nghệ Macromedia để xây dựng thí nghiệm, các tính năng đa phương tiện, khả năng tương tác và vận hành đa nền (PC, Web) đều được thực hiện, các thí dụ mang tính minh họa.

Component là sự nâng cấp từ những đoạn phim thông minh (smart movie clip) hay những đoạn phim có thể lập trình được với ngôn ngữ lập trình hành động Action Script, component có tính đóng gói, giao diện thiết kế, khả năng lập trình và tái sử dụng … những tính năng ưu việt này giúp cho nhà thiết kế thí nghiệm ảo nhanh hơn và thuận tiện hơn, dễ bảo dưỡng, phân phối, giảm chi phí thiết kế thí nghiệm.

2/ MỘT SỐ THÍ NGHIỆM ẢO MINH HỌA (một phần lấy từ 2 bộ phần mềm môi trường và khoa học vật liệu)

Ở đây giới thiệu ba thí nghiệm ảo:

2.1/ Thí nghiệm 1: về hiện tượng thiên nhiên, sấm và sét hay sự phóng điện của các đám mây:

http://www.itims.edu.vn/ThiNghiemAo/may.swf

Hình thí nghiệm N0 1

Giao diện là một khung cảnh thiên nhiên tươi đẹp, với ông mặt trời tỏa sáng, một ngọn đồi và cây cối xanh tươi. Trên bầu trời có 1 đám mây ban đầu lững lờ trôi với vận tốc ban đầu là V1, kích thước đám mây là S1 (ở đây mô phỏng 2 chiều nên coi kích cỡ các đám mây tỉ lệ với diện tích của chúng). Có 2 hộp hiện thị phía trên màn hình mô tả diện tích và tên của các đám mây, người học tìm hiểu từng đám mây bằng cách di chuyển con trỏ chuột trên mỗi đám mây để hiện tên và diện tích của nó trên hộp hiển thị.
Đối tượng thí nghiệm: ở đây là các đám mây: Có sẵn một đám mây bay lững lờ trên bầu trời, người tiến hành thí nghiệm có thể tự tạo thêm các đám mây mới.
Tương tác người tiến hành thí nghiệm: Người học có thể thao tác trên các đám mây qua các tương tác kéo thả, mỗi đám mây sinh ra đều có 1 vấn tốc ban đầu và hướng bay xác định (là một giá trị ngẫu nhiên). Bằng việc kéo thả, người học có thể di chuyển các đám mây đến các vị trí khác nhau trên màn hình hay chủ động tạo ra một vụ va chạm giữa 2 đám mây với nhau (bấm lên đám mây, giữ chuột kéo đến vị trí mới, nhả chuột).
Tương tác giữa các đối tượng thí nghiệm: Mỗi đám mây là một đối tượng thí nghiệm, mỗi đám mây có một số thuộc tính như : tên, kích thước, vận tốc, hướng chuyển động, và tên của đối tượng mà nó va chạm, ở đây các đối tượng có tương tác là các đám mây và bản sao của chúng mà thôi.

Ông mặt trời là một nút bấm đặc biệt, bằng cách bấm lên biểu tượng ông mặt trời, người học chủ động tạo ra một đám mây mới với những thuộc tính xác định. Bằng cách chủ động tạo ra va chạm qua việc kéo thả hay để cho các đối tượng thí nghiệm tự va chạm nhau trong khi chuyển động ngẫu nhiên, người học có thể tạo ra một tương tác giữa 2 đối tượng thí nghiệm ảo (đám mây và các bản sao của nó)
Điều gì sẽ xảy ra khi xuất hiện tương tác (va chạm): Trước hết 2 đám mây sẽ nhập vào nhau, đám mây lớn sẽ “nuốt” đám mây bé, tia sét xuất hiện kèm theo tiếng sấm, mưa sẽ rơi, sau đó chỉ còn lại một đám mây, một chu trình kế tiếp sẽ xảy ra và chỉ đám mây nào lớn nhất còn tồn tại cuối cùng.

Việc lập trình cầu kỳ hơn sẽ kiểm soát cả giới hạn của các đám mây, mây sẽ chỉ bay trên bầu trời và khi va chạm nhau, sự biến mất của một đám mây này sẽ kèm theo sự năng và lớn hơn của đám mây kia (năng hơn thì bay thấp xuống và mầu sẫm hơn) sau sấm sét và mưa, đám mây sẽ nhẹ hơn, sáng hơn và bay cao hơn…Nhưng trong giới hạn mô tả về hiện tượng sấm sét thì mức độ mô phỏng như trên là vừa đủ, mô phỏng các hiện thực thì càng tốn nhiều thời gian và công sức thiết kế, lập trình.Nhưng trong một mô phỏng cơ bản này ta đã nhìn thấy mọi khía cạnh của thí nghiệm ảo được thể hiện, từ sự tương tác người học đến đối tượng thí nghiệm, đến tương tác giữa các đối tượng thí nghiệm với nhau, đến sự tích hợp multimedia (âm thanh và hoạt hình)…

Hoạt động :

1/ Tìm hiểu xem điều gì xảy ra khi 2 đám mây gặp nhau?

2/ Tìm hiểu xem điều gì xảy ra khi một đám mây mới được sinh ra?

3/ Tìm hiểu một đám mây sẽ bay đi đâu?

4/ Làm thế nào để sinh ra sấm sét khi 2 đám mây bay ở 2 độ cao khác nhau?

2.2/ Thí nghiệm thứ 2 : Một khâu trong chu trình thức ăn, cá ăn mồi, ở đây chúng ta minh họa rõ thêm về vai trò của các thành phần component trong khi xây dựng thí nghiệm ảo.

http://www.itims.edu.vn/ThiNghiemAo/Ca_Component.swf

Hình thí nghiệm N0 2

Các đối tượng thí nghiệm: ở đây là một bể cá, để mục đích mô phỏng, chúng tôi làm thành bề dầy và có mầu khác với mầu nước.
– Đối tượng cá giống như thí nghiệm 1 có các thuộc tính trong đó quan trọng là : loại cá, loại mồi nó sẽ ăn, hướng và tốc độ bơi. Đối tượng cá sẽ di chuyển trong giới hạn của bình chứa nó (ở đây chưa phân biệt nước và không khí).
– Đối tượng thứ 2 là mồi ăn cho cá: có các thuộc tính là tên mồi ứng với loại cá sẽ ăn loại mồi này.
Lưu ý ở đây là trong bể có 4 loại cá ứng với 4 loại mồi khác nhau nhưng khi thiết kế chỉ sử dụng một component cá và một component môi cá. Mỗi component có nhiều giao diện khác nhau nhưng đều chia sẻ các tính chất và phương thức chung của lớp mà nó đại diện ví dụ như lớp cá là tên, loại mồi, hướng và tốc độ di chuyển thì mồi là tên, loại mồi và loại cá sẽ ăn mồi đó.
Việc xây dựng component là một công việc phức tạp, tốn công sức nhưng lại được hưởng lợi ích khi sử dụng nó trong thiết kế thí nghiệm ảo do nó có giao diện thiết kế sống “live” giúp người thiết kế trực quan được trạng thái của bản sao đối tượng trên khung thiết kế cũng như giảm thiểu nỗ lực bảo dưỡng và chia sẻ giữa các dự án…
Các tương tác ở đây gồm:

http://www.itims.edu.vn/ThiNghiemAo/Ca_LiveView.swf
Hình : Live preview của UI

Tương tác giữa người tiến hành thí nghiệm: Lên bình chứa, người tiến hành thí nghiệm có thể di chuyển bình chứa (tất nhiên là chưa tính đến việc di chuyển cá đồng thời do thí nghiệm này chỉ mang tính minh họa, chưa có đối tượng nước)
Đối tượng cá: người tiến hành thí nghiệm có thể di chuyển từng bản sao đối tượng cá bằng cách kéo thả trong và ra ngoài phạm vi bình chứa, sau khi di chuyển cá lại tiếp tục hướng bơi với vận tốc ban đầu của nó

http://www.itims.edu.vn/ThiNghiemAo/Ca_UI_Custom.swf

Hình Đối tượng cá

Đối tượng mồi, người tiến hành thí nghiệm có thể di chuyển đối tượng mồi bằng cách kéo thả, mỗi loại mồi tương ứng với mỗi loại cá
http://www.itims.edu.vn/ThiNghiemAo/MoiCa_Component.swf

Hình Đối tượng mồi

Tương tác giữa các đối tượng: Khi cá va chạm với thành bình, nó sẽ đổi hướng bơi ngược lại, do thành bình giới hạn và các chỉ bơi theo 1 phương xác định nên nếu thả cá trong bình, nó sẽ bị giam trong đó và sẽ bơi quanh quẩn với cùng tốc độ.
Nếu người tiến hành thí nghiệm di chuyển cá ra khỏi phạm vi bình chứa thì cá sẽ bơi mất khỏi màn hình do nó được tự do không còn bị giới hạn
Khi ca va chạm với mồi, nó sẽ kiểm tra tính chất của mồi là loại mồi gì và nếu chén được, nó sẽ chén và mồi biến mất. Mỗi loại cá chỉ ăn một loại mồi ví dụ cá chép chén mồi châu chấu, cá mè chén giun…cá sẽ bỏ qua khi gặp mồi không phải sơ thích của nó.
Để đơn giản, mồi không di chuyển, có 2 mồi được đặt sẵn cùng phương loài cá ăn nó, còn 2 mồi thì không, người tiến hành thí nghiệm có thể thí nghiệm kéo thả 2 con mồi (hoặc cá) trùng với nhau để xem nó có phải là loại mồi mà cá ưa thích không?

Hoạt động :

1/ Tìm hiểu xem cá nào ăn loại mồi nào?

2/ Tìm hiểu xem điều gì xảy ra khi cá bơi gặp thành bình?

3/ Điều gì xảy ra khi cá bơi ra khỏi phạm vi bình chứa?

4/ Nếu để tự nhiên, cuối cùng trong bình cá sẽ còn gi?

2.3/ Thí nghiệm 3: Đo nhiệt độ của các vật thể: Trên khung hình là một căn phòng ảo, với các đối tượng

http://www.itims.edu.vn/ThiNghiemAo/NhietKeNew.swf
Hình thí nghiệm N0 3
Đối tượng: Nhiệt kế thay đổi nhiệt độ theo nhiệt độ đối tượng mà nó được đặt lên
4 cục đá, ở nhiệt độ 00C, bình nước ở nhiệt độ 200C và ấm đun nước ở 300C, một bếp đun nước khi bật sẽ cháy và đun nước lên nhiệt độ sôi (1000C), một hòn bi thép có nhiệt độ 600C.
Công cụ: có thêm công cụ hỗ trợ là hình con trỏ, và hình bàn tay có thể cầm nắm các vật để di chuyển
Tương tác người tiến hành thí nghiệm: Sử dụng con trở hay bàn tay cầm nắm để di chuyển các vật thể (cái bình, cục nước đá, nhiệt kế, bình nước, ấm nước), bấm để bật tắc các tính năng trên vật thể như bấm để bật lửa (nút đen trên đĩa dưới ấm nước), bấm để nghe lời thoại giải thích về trạng thái của vật thể (bấm nút đen trên bình nước, ấm nước…). Với hòn bi sắt, người tiến hành thí nghiệm có thể cầm ném hay thả nó xuống nền nhà, nó sẽ nảy lên khi chạm nền nhà hay tường vì có thuộc tính khối lượng và độ đàn hồi định trước (bỏ qua va chạm với các vật thể khác).
Tương tác đối tượng với nhau: Khi nhiệt kế được đặt trên vật thể nào, hay va chạm với vật thể nào đang di chuyển thì nó lập tức thể hiện nhiệt độ của vật thể, ấm đun nước nếu đặt trên lửa (bật lửa hay chịu tác dụng của lửa) thì nước sẽ được đun lên đến nhiệt độ sôi.
Ở nhiệt độ phòng, nhiệt kế chỉ nhiệt độ 250C và khi chạm tay người nó chỉ nhiệt độ cơ thể là 370C
Hoạt động :
1/ Tìm hiểu xem điều gì xảy ra khi cầm nhiệt kế đo nhiệt độ từng đối tượng?
2/ Ném hòn bi sắt, kiểm tra xem điều gì xảy ra khi hòn bi va chạm vào nhiệt kế?
3/ Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của ấm nước, bật lửa lên thì điều gì sẽ xảy ra, cầm nhiệt kế bỏ ra ngoài phạm vi ấm nước thì điều gì sẽ xảy ra, bỏ tay ra khỏi nhiệt kế điều gì sẽ xảy ra?
4/ Bấm vào những nút đen trên các vật thể thì sẽ xảy ra điều gi?
ThS. Vũ Anh Minh
Theo : http://my.opera.com/gdbvmt/
Việc thiết kế các thí nghiệm ảo khó và tốn nhiều công sức, để biết thêm thông tin, liên hệ với chúng tôi theo địa chỉ minh_va@yahoo.co.uk.
Một số ứng dụng kỹ thuật trên bài viết này, tham khảo tại :
G3T các trò chơi và trắc nghiệm lấy bằng lái xe ô tô, xe máy tại : http://www.giaothongtuoiteen.com
Blog G3T : Bộ qui tắc hoạt hình tình huống giao thông : http://my.opera.com/giaothongtuoiteen
Các thí nghiệm ảo dùng trong thực tập KH&CN Vật liệu: http://www.itims.edu.vn/tinhocungdung/