Thạc Sĩ Ứng dụng công nghệ Multimedia trong giáo dục đào tạo

1

DANH SÁCH CÁC BÁO CÁO CỦA CHƯƠNG TRÌNH HỘI THẢO
“ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MULTIMEDIA TRONG GIÁO DỤC ĐÀO TẠO”


1. Một số vấn đề trong xây dựng các thí nghiệm ảo Vật lí, Hoá học,
Sinh học
2. Triển khai dạy thí điểm các thí nghiệm ảo Vật lí - Những kết quả
bước đầu
3. Triển khai dạy thí điểm các thí nghiệm ảo Sinh học - Những kết quả
bước đầu
4. So sánh đánh giá một số công cụ xây dựng dữ liệu multimedia
5. Các phương pháp tạo ánh sáng trong thí nghiệm ảo
6. Một số modul điều khiển tương tác với Lingo
7. Quy trình tạo các đối tượng 3 chiều bằng phần mềm 3DS Max
8. Phương pháp tạo chất liệu thuỷ tinh cho các dụng cụ trong thí nghiệm
hoá học.

Trang
2

12

16

19
30
39
49
61

2
“MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG XÂY DỰNG
CÁC THÍ NGHIỆM ẢO VẬT LÍ, HOÁ HỌC, SINH HỌC”
Nguyễn Đình Hoá
Viện Công nghệ thông tin - Đại học quốc gia Hà nội

Mục tiêu và nhiệm vụ
Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu phát triển ứng dụng công nghệ đa phương tiện” mã
số KC.01–14 do Viện CNTT-ĐHQG HN là cơ quan chủ trì đề tài và PGS. TSKH.
Nguyễn Cát Hồ làm chủ nhiệm.
Đề tài có 3 nhánh nghiên cứu tương ứng trong 3 lĩnh vực y tế, văn hoá và giáo dục đào
tạo.
Nhánh đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ đa phương tiện trong lĩnh vực giáo dục
đào tạo có nhiệm vụ nghiên cứu xây dựng phần mềm đa phương tiện mô phỏng các thí
nghiệm ảo phục vụ giảng dạy một số môn học trong nhà trường phổ thông và nghiên cứu
các công cụ hỗ trợ.
Các nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm
Xây dựng 24 thí nghiệm ảo chọn lọc từ trong chương trình các môn học Vật lí, Hoá
học, Sinh học ỏ cấp phổ thông trung học.
Xây dựng kho dữ liệu các yếu tố đồ họa số hóa cơ bản (tĩnh và video) phục vụ cho
việc phát triển các thí nghiệm mô phỏng.
Tổ chức thực hiện việc thực nghiệm sư phạm và kiểm nghiệm để chứng minh tính hiệu
quả của phương thức thực nghiệm ảo trong thực tế giảng dạy ở trường phổ thông trung
học
Việc thực hiện nhánh đề tài này do hai nhóm chuyên môn đảm nhiệm
1- Nhóm thứ nhất là một tập thể các nhà sư phạm thuộc Viện Khoa học giáo dục do
PGS.TS. Vũ Trọng Rĩ phụ trách. Nhóm này chịu trách nhiệm lựa chọn các bài thí
nghiệm, viết kịch bản các thí nghiệm và xúc tiến giảng dạy thí điểm.
2- Thứ hai là nhóm công nghệ Multimedia thuộc Viện CNTT- ĐHQG HN gồm các
cán bộ chuyên ngành công nghệ thông tin, chịu trách nhiệm xây dựng phần mềm mô
3
phỏng các thí nghiệm theo kịch bản được lựa chọn, đồng thời nghiên cứu quy trình xây
dựng thí nghiệm ảo.
Báo cáo này trình bày quá trình nghiên cứu của nhóm thứ 2, nhóm chuyên viên CNTT
về multimedia thuộc Viện CNTT-ĐHQG HN. Báo cáo sẽ trình bày những khó khăn
thách thức khi thực hiện nhiệm vụ của đề tài, các bước chuẩn bị và tiến hành nghiên cứu,
và các kết quả đạt được.
Mục tiêu đặt ra cho nhánh đề tài:
Tổng số thí nghiệm ảo cần xây dựng: 24, trong đó 8 thí nghiệm về Vật lí, 8 thí nghiệm
về Hoá học, 8 thí nghiệm về Sinh học.
Các sản phẩm khoa học, cụ thể là các phần mềm thí nghiệm ảo dùng trong giảng dạy
phải bảo đảm các đòi hỏi về chất lượng, có tính khoa học, tính sư phạm, tính thẩm mỹ
cao.
Một cách chi tiết có thể nêu các yêu cầu cụ thể như dưới đây
Về thể hiện nội dung: đảm bảo tính sư phạm, trình bày được bản chất vấn đề; tính
chân thật, đúng đắn, gần hiện thực.
Về kĩ thuật: khai thác tối đa sức mạnh của công nghệ đa phương tiện kết hợp chữ viết,
hình ảnh, chuyển động, âm thanh để diễn tả trực quan. Tính tương tác cao để giáo viên và
học sinh thực hành trên máy tính. Giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng.
Về mỹ thuật: Hài hoà về hình khối, màu sắc, đẹp mắt và hấp dẫn.
Về công nghệ: sử dụng các công nghệ tiên tiến đã được chuẩn hoá. Sử dụng đồ hoạ 3D
để tăng tính trực quan và chân thật, làm nổi bật ưu điểm và hiệu quả của công nghệ đa
phương tiện.

Các vấn đề kĩ thuật công nghệ

Mô hình thí nghiệm ảo
Trước hết cần quan niệm đúng đắn thế nào là thí nghiệm ảo.
Thí nghiệm ảo không phải là một đoạn hoạt hình hay vi deo tường thuật lại minh hoạ
quá trình tiến hành thí nghiệm. 4
Mỗi thí nghiệm ảo là một phần mềm đa phương tiện hoàn chỉnh, tích hợp nhiều loại
dữ liệu như văn bản, hình ảnh, âm thanh, video.
Các thí nghiệm ảo phải có khả năng tương tác cao. Giáo viên và học sinh thực sự có
thể “làm thí nghiệm” như trước một bàn thí nghiệm. Các đối tượng trong cho phép người
sử dụng trực tiếp điều khiển. Giáo viên có thể sử dụng chuột để chọn lấy các dụng cụ thí
nghiệm trên giá, thực hiện thao tác từng bước theo kịch bản đề ra, nhịp độ có thể nhanh
hay chậm tuỳ ý, có thể làm lại thao tác.
Bản thân mỗi thí nghiệm ảo là một chuỗi các thao tác phức tạp, gồm nhiều cảnh khác
nhau.
Có những thí nghiệm đòi hỏi xử lí có phần “thông minh”, có nhiều khả năng lựa chọn
khác nhau đưa đến các tình huống khác nhau. Một ví dụ thí là thí nghiệm về đo dòng
điện. Các cách lắp đặt nguồn điện, thiết bị đo và nối dây khác nhau có thể đưa đến tình
huống đúng hoặc sai, sai từ lỗi nhẹ đến lỗi có hậu quả nghiêm trọng (gây cháy nổ).

Tính đa dạng của các thí nghiệm
Do đặc thù của các môn học Vật lí, Hoá học, Sinh học về các lĩnh vực rất khác nhau
nên sản phầm thí nghiệm ảo cũng phong phú và đa dạng.
Các thí nghiệm Vật lý yêu cầu tính chính xác về hình khối, đảm bảo tỷ lệ về kích
thước, chính xác các chuyển động, công thức tính toán đúng đắn.
Các thí nghiệm Hoá học đòi hỏi phải mô tả trung thành các phản ứng hoá học, do đó
yêu cầu chính xác về màu sắc: màu của các hoá chất, của lửa cháy, khói bốc lên; yêu cầu
chính xác về hình dạng: các dạng kết tủa khác nhau, dạng mây, dạng hạt, khuyếch tán
Môn Sinh học yêu cầu nhiều hình vẽ giải phẫu học phức tạp, các quá trình mô phỏng
hoạt động của các cơ quan nội tạng, các quá trình sinh học khó diến tả trực quan và cũng
khó thực hiện tương tác.

Phương pháp nghiên cứu và phát triển sản phẩm
Để tiến hành một đề tài nghiên cứu khoa học thành công cần phải có phương pháp
nghiên cứu đúng đắn. Sau khi đã xác định được những vấn đề kĩ thuật công nghệ phức
tạp như nêu trên, cần có phương pháp đúng đắn để giải quyết. 5
Trước hết, cần tìm hiểu các công nghệ liên quan, so sánh đánh giá các tính năng và lựa
chọn công nghệ phù hợp nhất. Nghiên cứu phát triển sản phẩm trên cơ sở công nghệ và
kỹ thuật hiện đại, tuân theo các chuẩn mới.
Nghiên cứu các sản phẩm đa phương tiện cùng loại đã có, nghiên cứu để nắm được
phương pháp phát triển, tìm ra các ưu điểm nhược điểm, rút kinh nghiệm vận dụng vào
sản phẩm của mình.
Nghiên cứu nắm vững nội dung khoa học và sư phạm của mỗi thí nghiệm để có thể
trình bày được bản chất vấn đề, đảm bảo chân thật, sát với hiện thực. Tìm hiểu thực tế
các phòng thí nghiệm, công cụ thí nghiệm, việc giảng dạy thực hành thí nghiệm ở nhà
trường
Làm thử sản phẩm, rút kinh nghiệm trên cơ sở bản mẫu trực quan, xây dựng quy trình
chuẩn hoá dần từng bước.

Tìm hiểu công nghệ và lựa chọn công cụ phát triển
Việc xây dựng sản phẩm multimedia yêu cầu tích hợp rất nhiều loại dữ liệu như văn
bản, hình ảnh, âm thanh, video. Đồng thời trong các sản phẩm multimedia phải có các
tương tác theo kịch bản.
Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu các công cụ làm đồ hoạ 2 chiều, 3 chiều, các công cụ
biên tập, tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Lingo dành riêng để phát triển tương tác trong các
sản phẩm đa phương tiện

Các công cụ làm đồ hoạ 2 chiều
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều công cụ xây dựng đồ hoạ 2 chiều. Chúng rất đa
dạng và phong phú. Có những phần mềm có đầy đủ các chức năng, cững có những phần
mềm chỉ có một vài chức năng. Dưới đây là danh sách các phần mền đồ hoạ 2 chiều:
Photoshop, Paint Shop Pro, QuarkXpress, Corel KnockOut, Illustrator, Eye Candy,
Photoshop Elements, Freehand, Canvas, Photosuit,
Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu 4 công cụ chính, đó là
Adobe PHOTOSHOP
Paint Shop Pro
QuarkXpress 6
Corel KNOCKOUT

So sánh các công cụ xử lý Video
Nhóm nghiên cứu đã so sánh
Adobe Premiere
Final Cut Pro
After Efects
Cleaner
Roxio Videowave

Công cụ đồ hoạ 3 chiều
Các công cụ đồ hoạ 3D đã được tìm hiểu nghiên cứu
Bryce 3D
InfiniD
3D Studio Max
Soft Image
Maya

Các phần mềm tổng hợp dữ liệu và xây dựng ứng dụng Multimedia
Authorware 6.0
Macromedia Flash
Macromedia Director

Tìm hiểu các sản phẩm multimedia hiện có
7
Các sản phẩm đa phương tiện vê lĩnh vực giáo dục đào tạo đang có mặt trên thị trường
Việt nam không nhiều. Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu hơn 10 CD sản phẩm loại này.
Bộ phần mềm gia sư dạy học các môn toán, lý, hoá, sinh, sử, địa cho học sinh phổ
thông trên các đĩa CD của NXB Trẻ, 2003.
Thí nghiệm vật lý chứng minh : Nhiệt động lực học, vật lý phân tử “ giao động cơ học
và sóng “ Của Phạm Xuân Kế và Lăng Đức Sỹ-khoa vật lý Đại học sư phạm Hà nội.
Bộ phần mềm Sách giáo khoa điện tử Khoa học tự nhiên lớp 9: Hóa học, Sinh học,
Vật lý, NXB Giáo Dục, 2000.
Phần mềm Quang hình học: Mô phỏng và thiết kế, ĐHSP Hà Nội, 2003.
Phần mềm dạy học Vật lý trong trường Trung học cơ sở, ĐHSP Hà Nội, 2003.
02 đĩa CD thí nghiệm sinh vật của Đức về tế bào

Khảo sát thực tế

Đọc sách giáo khoa các môn học Vât lí, Hoá học, Sinh học chương trình lớp 8, lớp 9
do NXB Giáo dục ấn hành
Đọc sách giáo khoa các môn học Vât lí, Hoá học, Sinh học chương trình cải cách do
các nhà sư phạm của Viện KHGD cung cấp.
Tham quan phòng thí nghiệm, chụp ảnh các đồ dùng thí nghiệm, quay vi deo một số
thí nghiệm.
Sưu tầm tài liệu hình ảnh minh hoạ từ nguồn Internet.

Một số khó khăn

Khó khăn chủ quan
Đề tài nghiên cứu là dịp đầu tiên phối hợp cộng tác giữa các nhà sư phạm với các
chuyên viên CNTT để làm ra một sản phẩm khoa học ứng dụng CNTT vừa có tính giáo
dục cao vừa chứa đựng những tính năng ưu việt của công nghệ đa phương tiện.
Các nhà khoa học sư phạm chuyên môn giỏi chưa biết được khả năng của CNTT đến
đâu. Việc xây dựng kịch bản cho một sản phẩm phần mềm do đó có nhiều khó khăn, đòi 8
hỏi có sự cộng tác hõ trợ lẫn nhau từ phía những người thực hiện sản phẩm.Chất lượng
của các kịch bản giai đoạn đầu phản ánh những khó khăn này.
Các kĩ thuật viên CNTT chưa có kiến thức chuyên môn và khả năng sư phạm về các
môn học.
Cả hai nhóm đều chưa có kinh nghiệm trong việc xây dựng kịch bản. Chưa có một
ngôn ngữ chung thống nhất. Sự phối hợp với nhau phải dựa vào mô tả trực quan, trên cơ
sở bản mẫu thí điểm, sửa chữa hoàn thiện dần.

Khó khăn khách quan
Lựa chọn sử dụng công nghệ 3D để có tính trực quan cao, có hình khối, có nhiều góc
nhìn là cần thiết để đảm bảo các yêu cầu của sản phẩm thí nghiệm ảo. Tuy nhiên, công
nghệ đa phương tiện đã phức tạp, trong đó kĩ thuật 3D lại phức tạp hơn nữa.
Việc xây dựng sản phẩm đa phương tiện yêu cầu tích hợp nhiều loại dữ liệu như văn
bản, hình ảnh, âm thanh, video. Người phát triển sản phẩm cần nắm vững tính chất, đặc
điểm của từng loại dữ liệu, biết cách xử lí chúng thành thạo để có thể tích hợp nhiều
thành phần, nhiều đối tượng thành một thể thống nhất. Sự đồng bộ chính xác là rất quan
trọng nhưng cũng khó thực hiện, đòi hỏi tỉ mỉ, chi tiết.
Các đối tượng 3D đòi hỏi xây dựng khá công phu (có thể xem các báo cáo trong phần
Xemina chuyên đề về vấn đề này). Từ xây dựng bộ xương, chọn chất liệu đắp da thịt cho
nó, tạo bóng tuỳ theo nguồn sáng, tạo chuyển động cho từng bộ phận hoà hợp với chuyển
động tổng thể của toàn đối tượng là một quá trình tỉ mỉ. Thậm chí tốc độ xử lí của máy
tính cũng phải đủ cao thì mới có khả năng thực hiện. Kích cỡ tệp lớn, thời gian Rendering
lâu.


Các giải pháp xây dựng các đối tượng cho thí nghiệm ảo

Đối tượng 3D:
được sử dụng đối với hầu hết các đồ dùng chính trong các thí nghiệm Hoá học và một
số thí nghiệm Vật lý, vì đây là phần chính tập trung sự chú ý của người xem, đòi hỏi phải
thể hiện với độ chính xác cao.Ví dụ các ống nghiệm, lọ bình thuỷ tinh, các hiện tượng
chuyển động gây chú ý như lửa, khói, kết tủa, 9
Công cụ xây dựng: sử dụng phối hợp các chương trình thiết kế 3D hiện có như 3DS
Max, InfiniD, Bryce 3D.
Đối tượng dạng 2D:
dùng để thể hiện các vật thể nền cho các tương tác, sử dụng nhiều trong các thí nghiệm
Vật lý.
Công cụ xây dựng là các phần mềm Paint Shop Pro, Photoshop
Cách xây dựng đơn giản hơn: xuất phát từ các hình mô tả trong tài liệu hoặc sưu tầm,
từ các ảnh chụp trong các phòng thí nghiệm, chỉnh lại hình dạng, kích thước, gia công
mầu sắc, xử lí ánh sáng. Cách làm này có ưu điểm xây dựng rất nhanh. Các đối tượng 2D
cũng cho phép dễ tạo ra các tương tác trong các thí nghiệm ảo.
Đối tượng dạng giả 3D:
Đây là các đối tượng bản chất là 2D nhưng được xử lí trong môi trường 3D, xử lý
thêm các phần bóng, ánh sáng, mầu sắc tựa như 3D.
Mục đính sử dụng chính là trong các thí nghiệm Sinh học. Nó thường dùng để mô
phỏng các hiện tượng trong các quá trình sinh học ở người và động vật
Cách xây dựng: Xây dựng các đối tượng trên máy tính, hoặc từ các ảnh chụp cảnh
thực, chuyển các đổi tượng thành ảnh vector, xử lý ánh sáng, xử lý mầu, chỉnh lại kích cỡ
và hình dáng.
Các đối tượng giả 3D cho phép khai thác ưu điểm của của cả hai loại. Đối tượng có
chất lượng cao hơn 2D và kích cỡ lại nhỏ có thể chạy trên máy tính cấu hình thấp tương
đối nhanh, chấp nhận được, dễ xây dựng chuyển động và tạo các tương tác tốt.
Có thể nói lựa chọn sử dụng đối tượng giả 3D vào những phần thích hợp là một ý sáng
tạo trong xây dựng sản phẩm.

Kết luận

Một số sản phẩm thí nghiệm ảo đã hoàn thành cho đến nay đã được thử nghiệm trong
giảng dạy ở các trường THPT. Các sản phẩm được thực hiện nhìn chung đảm bảo yêu
cầu trung thành với ý đồ sư phạm, có tính mỹ thuật trội hơn, đặc biệt nhiều thí nghiệm
Vật lí, Hoá học có khả năng tương tác cao hơn nhiều sản phẩm cùng loại. Đây không phải 10
là các hình ảnh minh hoạ mà thực sự là các thí nghiệm ảo, cho phép giáo viên học sinh
thử “làm thí nghiệm”.
Các sản phẩm được xây dựng tuân thủ các chuẩn công nghệ. Các dữ liệu Multimedia
như movie, ảnh đều có khuôn dạng chuẩn quốc tế và chuẩn công nghiệp như: Mov, Avi,
Mpeg1,2,4, Jpeg, Gif
Giao diện người dùng chuẩn hoá chung trong toàn bộ loạt sản phẩm, tiện dùng và mỹ
thuật hài hoà. Các thí nghiệm đều có phần làm mẫu, có tính chất hướng dẫn sử dụng,
người xem dễ dàng làm theo.
Sản phẩm phần mềm được đóng gói mã hoá dưới dạng mã máy, có biện pháp chứng
thực bản quyền. Các gói dễ dàng cài đặt và chạy trên các nền hệ điều hành phổ dụng
Windows NT, Windows 9X và 2000. 11
Phụ lục 1

DANH SÁCH CÁC THÍ NGHIỆM ẢO
Thí nghiệm sinh học
Sự phân bào nguyên phân (nguyên nhiễm)
Sự phân bào giảm phân (giảm nhiễm)
Quá trình tự nhân đôi của ADN
Quá trình tổng hợp chuỗi Axit amin
Tim và mạch máu
Hoạt động hô hấp
Tiêu hóa ở ruột non
Bài tiết nước tiểu
Hấp thu chất dinh dưỡng và thải phân
Thí nghiệm Vật lí
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Xác định điện trở
Chuyển động cơ học
Mắt- mắt cận thị, mắt viễn thị
Ảnh của vật tạo bởi thấu kính hội tụ
Từ trường, Đường sức từ trường
Thí nghiệm Hoá học
Tính chất vật lí và tính chất hoá học chung của kim loại
Tính chất hoá học của muối 12
Tính chất vật lý và hóa học của axit sunfuric
Giới thiệu những dụng cụ hóa học trong nhà trường phổ thông
Pha chế dung dịch theo nồng độ