Luận án tiến sĩ Lý luận và phương pháp dạy học Kỹ thuật: Công nghệ dạy học tương tác ảo trong đào tạo đại học ngành cơ điện tử.pdf (Lý luận và phương pháp dạy học)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---oo0oo--- NGUYỄN THỊ THANH CÔNG NGHỆ DẠY HỌC TƢƠNG TÁC ẢO TRONG ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------------------- NGUYỄN THỊ THANH CÔNG NGHỆ DẠY HỌC TƢƠNG TÁC ẢO TRONG ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Ngành: Lý luận và phương pháp dạy học Mã số: 9140110 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ HUY TÙNG GS. TS. NGUYỄN XUÂN LẠC HÀ NỘI – 2020 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bảy tỏ lòng cảm ơn chân thành tới: Tập thể các Thầy giáo hƣớng dẫn: TS. Lê Huy Tùng và GS. Nguyễn Xuân Lạc đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn khoa cơ khí, phòng khoa học công nghệ trƣờng Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ khi tôi làm thực nghiệm. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam, Công ty VR Tech đã giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu ra sản phẩm, chƣơng trình, thiết bị phục vụ quá trình thực nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện sƣ phạm kỹ thuật và Phòng đào tạo trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện học tập, nghiên cứu, tiến hành Luận án. Tôi xin tri ân đến gia đình và toàn thể anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện Luận án. Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2020 (Nghiên cứu sinh) Nguyễn Thị Thanh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những gì mà tôi viết ra trong Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc tác giả khác công bố. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây. Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2020 T/M Tập thể hƣớng dẫn TS. Lê Huy Tùng GS.TS. Nguyễn Xuân Lạc (Nghiên cứu sinh) Nguyễn Thị Thanh Mục Lục DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. i DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ .............................................................................. iv DANH MỤC BIỂU ĐỒ ............................................................................................. v MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1 1.1. Nhu cầu phát triển khoa học công nghệ hiện đại .......................................... 1 1.2. Thực trạng dạy học ngành cơ điện tử tại Việt Nam ...................................... 1 1.3. Tính thời đại của công nghệ dạy học tƣơng tác ảo ....................................... 2 2. Mục đích nghiên cứu ........................................................................................... 3 3. Khách thể, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..................................................... 3 4. Giả thuyết khoa học ............................................................................................ 3 5. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu ...................................................................... 3 6. Phƣơng pháp nghiên cứu..................................................................................... 4 6.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý luận .................................................................. 4 6.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực tiễn ............................................................... 4 7. Những đóng góp của Luận án ............................................................................. 5 7.1. Về lý luận ...................................................................................................... 5 7.2. Về thực tiễn ................................................................................................... 5 8. Bố cục của Luận án ............................................................................................. 5 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ CÔNG NGHỆ DẠY HỌC TƢƠNG TÁC ẢO………………………….………………………………………..7 1.1. Tổng quan nghiên cứu về công nghệ dạy học tƣơng tác ảo ............................. 7 1.1.1 Thế giới ....................................................................................................... 7 1.1.2 Việt Nam ................................................................................................... 11 1.2. Các khái niệm cơ bản ..................................................................................... 14 1.2.1 Khái niệm công nghệ dạy học .................................................................. 14 1.2.1.1. Công nghệ.......................................................................................... 14 1.2.1.2. Công nghệ dạy học ............................................................................ 15 1.2.2.Khái niệm dạy học tƣơng tác ảo ............................................................... 16 1.2.2.1. Dạy học.............................................................................................. 16 1.2.2.2. Dạy học tƣơng tác ............................................................................. 17 1.2.2.3. Dạy học tƣơng tác ảo ......................................................................... 18 1.2.3. Khái niệm phƣơng pháp dạy học tƣơng tác ảo ........................................ 21 1.2.3.1. Phƣơng Pháp dạy học ........................................................................ 21 1.2.3.2. Phƣơng pháp dạy học tƣơng tác ........................................................ 22 1.2.3.3. Phƣơng pháp dạy học tƣơng tác ảo ................................................... 23 1.3. Lý luận về công nghệ dạy học tƣơng tác ảo................................................... 26 1.3.1. Khái niệm ảo ............................................................................................ 26 1.3.2. Môi trƣờng trong công nghệ dạy học tƣơng tác ảo ................................. 26 1.3.3. Phƣơng tiện trong công nghệ dạy học tƣơng tác ảo ................................ 27 1.3.4. Những thành phần của công nghệ dạy học tƣơng tác ảo trong hình thành phƣơng pháp dạy học. ........................................................................................ 30 1.3.4.1. Các thành phần của hệ thống tƣơng tác ảo ........................................ 30 1.3.4.2. Cơ sở dữ liệu cho thế giới ảo ............................................................ 33 1.3.4.3. Hệ cảm biến linh hoạt ........................................................................ 35 1.3. 5. Vai trò của công nghệ dạy học tác ảo trong hình thành kỹ năng cho ngƣời học. ..................................................................................................................... 37 1.4. Đ c điểm của ngành cơ điện tử và vai trò của học phần Robot công nghiệp .. 38 1.4.1. Đ c điểm của ngành Cơ điện tử ........................................................... 38 1.4.2. Vị trí vai trò của học phần Robot Công nghiệp ................................... 39 1.4.3. C u trúc và nội dung môn học Robot công nghiệp .............................. 40 1.5. Cơ sở thực tiễn về công nghệ dạy học tƣơng tác ảo ở các trƣờng đại học. ... 42 1.5.1. Cách thức và nội dung khảo sát ............................................................... 42 1.5.2. Kết quả ..................................................................................................... 43 1.5.3. Đánh giá ................................................................................................... 49 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ......................................................................................... 51 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ DẠY HỌC TƢƠNG TÁC ẢO CHO HỌC PHẦN ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG Đ O TẠO ĐẠI HỌC NG NH CƠ ĐIỆN TỬ................ 53 2.1. Thiết kế dạy học phần Robot công nghiệp dựa vào công nghệ tƣơng tác ảo ........................................................................................................................... 53 2.1.1. Quy trình thiết kế chƣơng trình tƣơng tác ảo trong dạy học của ngành cơ điện tử. ............................................................................................................... 53 2.1.2. Phần mềm Unity ...................................................................................... 55 2.1.3. Xây dựng chƣơng trình VR cánh tay Robot trên kính Oclus .................... 57 và trên điện thoại. ............................................................................................... 57 2.1.4. Lắp kết nối chƣơng trình TTA.................................................................. 62 2.1.5. Soạn giáo án phƣơng pháp dạy học tƣơng tác ảo cho học phần........................ 63 Robot công nghiệp ............................................................................................. 63 2.2. Giáo án mẫu cho học phần Robot công nghiệp .............................................. 65 2.3. Thiết kế quy trình tổ chức dạy học tƣơng tác ảo............................................ 83 2.4. Thiết kế, phân loại bài giảng tƣơng tác ảo ..................................................... 84 2.5. Xây dựng các tiêu chí để tổ chức dạy học dựa vào công nghệ tƣơng tác ảo ........ 88 2.5.1. Điều kiện về môi trƣờng học tập tƣơng tác ảo ........................................ 88 2.5.2. Điều kiện về ngƣời dạy và ngƣời học tƣơng tác ảo ................................. 89 2.5.3. Các tiêu chí tổ chức dạy học tƣơng tác ảo ............................................... 89 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ......................................................................................... 96 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM V ĐÁNH GIÁ ................................. 98 3.1. Khái quát chung về chƣơng trình thực nghiệm .............................................. 98 3.1.1. Mục đích .................................................................................................. 98 3.1.2. Nhiệm vụ.................................................................................................. 98 3.1.3. Đối tƣợng thực nghiệm ............................................................................ 98 3.1.4. 1. Năng lực về ngƣời học ..................................................................... 99 3.1.4.2. Năng lực về ngƣời dạy .................................................................... 105 3.1.4.3. Năng lực về môi trƣờng .................................................................. 105 3.1.5. Phƣơng pháp thực nghiệm.................................................................. 106 3.2. Tổ chức thực nghiệm.................................................................................... 107 3.2.1. Công tác chuẩn bị .................................................................................. 107 3.2.2. Nội dung thực nghiệm ........................................................................... 107 3.2.3.Tiến trình thực hiện................................................................................. 108 3.3. Kết quả thực nghiệm .................................................................................... 108 3.3.1. Kết quả đánh giá định tính ..................................................................... 108 3.3.2. Kết quả đánh giá định lƣợng .................................................................. 108 3.4. Kết quả khảo sát ý kiến sinh viên sau giờ học ............................................. 115 3.5. Kết quả khảo sát l y ý kiến chuyên gia ........................................................ 120 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3.......................................................................................... 125 KẾT LUẬN V KHUYẾN NGHỊ......................................................................... 127 T I LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 129 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN......................... 136 Phụ lục 1: Hình ảnh lớp học tƣơng tác ảo ............................................................ PL-4 Phụ lục 2: Nội suy quỹ đạo trong không gian khớp của robot 4 bậc tự do .......... PL-7 Phụ lục 3: Tính toán thiết kế robot ..................................................................... PL-13 Phụ lục 4: Code................................................................................................... PL-21 Phụ lục 5: Đề cƣơng chi tiết học phần robot công nghiệp ................................. PL-36 Phụ lục 6:PHiếu đánh giá đề cƣơng chi tiết ....................................................... PL-41 học phần robot công nghiệp ............................................................................... PL-41 Phụ lục 7: Phiếu điều tra thực trạng dạy học tƣơng tác ảo trong môn robot công nghiệp ................................................................................................................. PL-42 Phụ lục 8: Phụ lục danh sách chuyên gia cho ý kiến ................................................. PL-44 Phụ lục 9: Phiếu xin ý kiến chuyên gia .............................................................. PL-45 Phụ lục 10: Phiếu đánh giá kết quả thực nghiệm ............................................... PL-46 Phụ lục 11: Phiếu khảo sát ý kiến sinh viên online ............................................ PL-49 Phụ lục 12: Phiếu điều tra thông tin sinh viên .................................................... PL-50 Phụ lục 13: PHiếu khảo sát ý kiến sinh viên ...................................................... PL-51 sau giờ học .......................................................................................................... PL-51 Phụ lục 14 : Phân loại robot ............................................................................... PL-53 Phụ Lục 15: Robot song song ............................................................................. PL-57 Phụ lục 16: Cách đánh giá kết quả học tập ngƣời học ....................................... PL-60 Phụ lục 17: Tổng hợp điểm học tập đầu vào của sinh viên ........................................ PL-62 Phụ lục 18: Tổng hợp điểm lớp thực nghiệm và lớp đối chứng.................................... PL-63 Phụ lục 19: Giáo án theo phƣơng pháp truyền thống ......................................... PL-64 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1: Khảo sát đánh giá môn học Robot công nghiệp................................................................. 45 Bảng 1. 2: Tần su t giá viên sử dụng dạy học tƣơng tác ảo trong thực tế ......................................... 46 Bảng 1. 3: Khảo sát c p độ dạy học tƣơng tác ảo đƣợc giáo viên sử dụng ....................................... 46 Bảng 1. 4: Yếu tố quyết định để giáo viên lựa chọn dạy học tƣơng tác ảo........................................ 47 Bảng 1. 5: Nhận thức của GV về tƣơng tác ảo trong dạy học............................................................. 47 Bảng 1. 6: Đánh giá về tầm quan trọng của DHTTA trong dạy học hệ đại học ............................. 48 Bảng 1. 7: Biện pháp kỹ thuật đƣợc sử dụng trong DH TTA để nâng cao hiệu quả ....................... 48 Bảng 1. 8: Đánh giá của GV về hình thức DHTTA nếu đƣa vào ...................................................... 49 Bảng 1. 9: Giáo viên đánh giá những khó khăn khi tiến hành DH TTA ........................................... 49 Bảng 2. 1: Code chƣơng trình điều khiển cánh tay Robot trên Oclus và điện thoại ........................ 58 Bảng 2. 2: Đánh giá những kỹ năng DHTTA và hoạt động giáo dục ............................................... 90 Bảng 2. 3: Đánh giá tính hiệu quả trong lãnh đạo, tổ chức các lớp học TTA (lãnh đạo và quản lý ngƣời học, việc học và môi trƣờng dạy học TTA) ................................................................ 90 Bảng 2. 4: Đánh giá tƣơng tác ngƣời học – môi trƣờng1 .................................................................... 91 Bảng 2. 5: Đánh giá tƣơng tác ngƣời học – ngƣời dạy......................................................................... 91 Bảng 2. 6: Đánh giá tƣơng tác ngƣời học – ngƣời học......................................................................... 92 Bảng 2. 7: Mức độ ảnh hƣởng tích cực của các yếu tố từ môi trƣờng bên ngoài............................. 93 Bảng 2. 8: Mức độ ảnh hƣởng tích cực của môi trƣờng tâm lý trong dạy học TTA ....................... 93 Bảng 2. 9: Tƣơng tác ngƣời học – môi trƣờng trong lớp học Robot công nghiệp ........................... 94 Bảng 2. 10: Tiêu chí lớp học tƣơng tác ảo cho học phần Robot công nghiệp .................................. 95 Bảng 3. 1: Số lƣợng sinh viên tiến hành thực nghiệm giai đoạn 1 ..................................................... 99 Bảng 3. 2: Số lƣợng sinh viên tiến hành thực nghiệm giai đoạn 2 ..................................................... 99 Bảng 3. 3: Tổng hợp số lƣợng sinh viên tiến hành thực nghiệm ........................................................ 99 Bảng 3. 4: Thông tin trong lớp học sinh viên học tốt nh t khi ..........................................................102 Bảng 3. 5: Sinh viên thƣờng nhớ gì khi xem một chƣơng trình truyền hình ..................................103 Bảng 3.6: Thông tin ngoài giờ học sinh viên quan tâm......................................................................103 Bảng 3.7: Thông tin để học một kỹ năng mới của sinh viên .............................................................104 Bảng 3.8: Thông tin sinh viên thích giáo viên sử dụng trong giờ học..............................................104 Bảng 3.9: Thông tin khi sinh viên chơi một trò chơi, sinh viên thích...............................................105 Bảng 3. 10: Xếp loại điểm ......................................................................................................................109 Bảng 3. 11: Cách tính điểm ....................................................................................................................109 Bảng 3. 12: So sánh số lƣợng sinh viên đạt điểm Xi điểm quá trình và kết thúc modul ...............110 Bảng 3. 13: Kết quả kiểm tra bài ( Số sinh viên đạt điểm Xi)...........................................................111 Bảng 3. 14: Bảng tần su t ( số phần trăm SV đạt điểm Xi) ..............................................................112 Bảng 3. 15: Phƣơng sai, độ lệch chuẩn,hệ số biến thiên cho lớp đối chứng ...................................113 Bảng 3. 16: Phƣơng sai, độ lệch chuẩn,hệ số biến thiên cho lớp thực nghiệm ...............................113 Bảng 3. 17: So sánh các thông số thống kê ..........................................................................................114 Bảng 3. 18: Khảo sát ý kiến sinh viên về cảm nhận khi đƣa dạy học tƣơng tác ảo vào lớp học ..116 Bảng 3. 19: Ý kiến sinh viên tự đánh giá những kỹ năng sẽ đƣợc tăng lên khi tham gia lớp học tƣơng tác ảo ...............................................................................................................117 ii Bảng 3.20: Phần trăm sinh viên tự đánh giá những kỹ năng sẽ đƣợc tăng lên ..............................118 Bảng 3. 21: Khảo sát ý kiến sinh viên về cách thức đƣa DH TTA vào lớp học.............................118 Bảng 3. 22: Khảo sát ý kiến của sinh viên đánh giá không khí lớp học...........................................119 Bảng 3. 23: Khảo sát đánh giá của sinh viên khi đƣa DH TTA có thể giúp gì cho môn Robot công nghiệp. .....................................................................................................................119 Bảng 3. 24: Khảo sát đánh giá của sinh viên khi áp dụng PPDH tƣơng tác ảo bán nhập vai và PPDH nhập vai cho môn học Robot công nghiệp ......................................................120 Bảng 3. 25: Xây dựng DH TTA trong quá trình dạy môn Robot công nghiệp.............................121 Bảng 3. 27: Khảo sát hiệu quả sau khi học Robot công nghiệp sử dụng PPDH TTA ..................123 iii