Thiết kế và sử dụng phần mềm thực tế ảo trong dạy học chương “hạt nhân nguyên tử” vật lí 12

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG

THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM THỰC TẾ ẢO
TRONG DẠY HỌC CHƢƠNG “HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ” - VẬT LÍ 12

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM VẬT LÍ

HÀ NỘI – 2021


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG

THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM THỰC TẾ ẢO
TRONG DẠY HỌC CHƢƠNG “HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ” VẬT LÍ 12

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM VẬT LÍ
CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC
BỘ MƠN VẬT LÍ
Mã số: 8140211.01

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Kim Chung


HÀ NỘI – 2021

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, tơi xin đƣợc bày tỏ lịng biết ơn
sâu sắc đến:
Q thầy cô khoa Sƣ phạm, trƣờng Đại học Giáo dục – ĐHQG Hà Nội
đã tận tình giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập và hoàn
thành luận văn.
Thầy PGS.TS. Phạm Kim Chung là ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ dạy
và giúp đỡ tôi rất nhiều trong học tập cũng nhƣ trong quá trình nghiên cứu,
thực hiện luận văn.
Ban giám hiệu, các thầy cô tổ Vật lí và các em học sinh trƣờng THPT
Trung Văn, Từ Liêm, Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ tơi trong q trình
thực nghiệm sƣ phạm.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã
ln động viên, khuyến khích và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn
thành luận văn này.
Hà Nội, 2020
Tác giả

Nguyễn Thị Hồng Nhung

i


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Viết đầy đủ

ĐC

Đối chứng

GV

Giáo viên

HS

Học sinh

NL

Năng lực

PPDH

Phƣơng pháp dạy học

SGK

Sách giáo khoa

TN

Thực nghiệm

TNSP

Thực nghiệm sƣ phạm

THPT

Trung học phổ thông

ii


DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ
Bảng:
Bảng 1.1. Cấu trúc năng lực Vật lí [5] ............................................................ 14
Bảng 1.2. Năng lực chuyên biệt mơn Vật lí [2] .............................................. 18
Bảng 3.1. Bảng thống kê điểm số của lớp TN và lớp ĐC .............................. 69
Bảng 3.2. Các tham số đặc trƣng .................................................................... 70
Bảng 3.3. Bảng phân bố tần suất và tần suất tích lũy điểm của lớp TN và lớp
ĐC ................................................................................................... 70
Biểu đồ:
Biểu đồ 3.1. Đƣờng phân bố tần suất điểm của lớp TN và lớp ĐC ................ 71
Biểu đồ 3.2. Đƣờng phân bố tần suất tích lũy điểm của lớp TN và lớp ĐC ... 72

iii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc nội dung chƣơng “Hạt nhân nguyên tử” ................. 25
Hình 2.2. Ý tƣởng xây dựng mơ phỏng .......................................................... 27
Hình 2.3. Cấu tạo ngun tử C ........................................................................ 29
Hình 2.4. Taget nhận diện nguyên tử C .......................................................... 30
Hình 2.5. Mơ phỏng ngun tử C ................................................................... 30
1

Hình 2.6. Cấu tạo nguyên tử 1 H ..................................................................... 30
1
Hình 2.7. Taget nhận diện nguyên tử 1 H ........................................................ 31
1
Hình 2.8. Mơ phỏng ngun tử 1 H ................................................................. 31

Hình 2.9. Sơ đồ phản ứng giữa Li và D .......................................................... 32
Hình 2.10. Taget nhận diện Li và D ................................................................ 32
Hình 2.11. Phản ứng giữa Li và D .................................................................. 33
Hình 2.12. Kết quả sau phản ứng giữa Li và D .............................................. 33
Hình 2.13. Sơ đồ phản ứng giữa H và N ......................................................... 33
Hình 2.14. Taget nhận diện H và N ................................................................ 34
Hình 2.15. Mô phỏng phản ứng giữa H và N ................................................. 35
Hình 2.16. Sơ đồ phóng xạ hạt nhân Po .......................................................... 35
Hình 2.17. Taget nhận diện Po ........................................................................ 36
Hình 2.18. Phóng xạ  ................................................................................... 36
Hình 2.19. Kết quả sau phóng xạ  ................................................................ 36
Hình 2.20. Sơ đồ phóng xạ   của hạt N ....................................................... 36
Hình 2.21. Taget nhận diện N ......................................................................... 37
Hình 2.22. Mơ phỏng phóng xạ   của hạt N ................................................ 37
Hình 2.23. Sơ đồ phóng xạ   của hạt P ......................................................... 38
Hình 2.24. Taget nhận diện P .......................................................................... 39
Hình 2.25. Mơ phỏng phóng xạ   của hạt P ................................................ 38
Hình 2.26. Sơ đồ phản ứng nhiệt hạch của 12 H 12 H ....................................... 39
2
2
Hình 2.27. Taget nhận diện 1 H và 1 H ............................................................. 40

Hình 2.28. Mô phỏng phản ứng nhiệt hạch của 12 H và 12 H .............................. 40
iv

Hình 2.29. Sơ đồ phản ứng nhiệt hạch của 12 H 13 H ....................................... 40
Hình 2.30. Taget nhận diện 12 H (D) và 13 H (T) ................................................. 41
Hình 2.31. Mơ phỏng phản ứng nhiệt hạch của 12 H và 13 H ............................. 41
Hình 2.32. Sơ đồ phân hạch hạt nhân U ......................................................... 42
Hình 2.33. Taget nhận diện n và U ................................................................. 42
Hình 2.34. Hạt n chuyển động đến gặp hạt U ................................................. 42
Hình 2.35. Kết quả sau phân hạch hạt nhân U ................................................ 42

v


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài ........................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................ 2
4. Câu hỏi nghiên cứu ................................................................................... 3
5. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu .......................................................... 3
6. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 3
7. Giả thuyết khoa học .................................................................................. 3
8. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................... 3
9. Đóng góp mới của đề tài ........................................................................... 4
10. Cấu trúc của luận văn .............................................................................. 4
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ................. 5
1.1. Tổng quan nghiên cứu vấn đề ................................................................ 5
1.1.1. Nghiên cứu ở nƣớc ngoài .................................................................. 5
1.1.2. Nghiên cứu ở trong nƣớc .................................................................. 7
1.2. Công nghệ thực tế ảo.............................................................................. 8

1.2.1. Khái niệm thực tế ảo ......................................................................... 8
1.2.2. Khái niệm thực tế ảo tăng cƣờng ...................................................... 9
1.2.3. Ứng dụng công nghệ thực tế ảo trong giáo dục .............................. 10
1.3. Phát triển năng lực Vật lí ..................................................................... 11
1.3.1. Khái niệm năng lực ......................................................................... 11
1.3.2. Khái niệm năng lực Vật lí ............................................................... 12
1.3.3. Cấu trúc năng lực Vật lí .................................................................. 13
1.3.4. Dạy học theo hƣớng phát triển năng lực Vật lí ............................... 20
1.4. Những hạn chế và khó khăn trong việc dạy và học chƣơng “Hạt nhân
nguyên tử” - Vật lí 12 ở trƣờng trung học phổ thông ................................. 22
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1................................................................................ 23
v


CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN MỀM THỰC TẾ ẢO MÔ PHỎNG CÁC
KIẾN THỨC CHƢƠNG “HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ” ............................... 24
2.1. Phân tích nội dung chƣơng “Hạt nhân nguyên tử” Vật lí 12 ............... 24
2.1.1. Vị trí và vai trị của chƣơng “Hạt nhân ngun tử” trong chƣơng
trình Vật lí THPT .................................................................................. 24
2.1.2. Sơ đồ cấu trúc nội dung của chƣơng............................................... 25
2.1.3. Mục tiêu dạy học của chƣơng ......................................................... 26
2.2. Thiết kế phần mềm mô phỏng kiến thức chƣơng “Hạt nhân nguyên
tử” ................................................................................................................ 27
2.2.1. Ý tƣởng thiết kế các mô phỏng ....................................................... 27
2.2.2. Quy trình thiết kế một mơ phỏng .................................................... 28
2.2.3. Thiết kế các mô phỏng dùng trong dạy học chƣơng “Hạt nhân
nguyên tử” ............................................................................................. 28
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2................................................................................ 43
CHƢƠNG 3: TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƢƠNG “HẠT NHÂN NGUYÊN
TỬ” VỚI PHẦN MỀM ĐÃ THIẾT KẾ ......................................................... 44

3.1. Kế hoạch tổ chức dạy học chƣơng “Hạt nhân nguyên tử”................... 44
3.1.1. Nội dung tổ chức ............................................................................. 44
3.1.2. Hình thức tổ chức ............................................................................ 44
3.1.3. Chuẩn bị .......................................................................................... 45
3.2. Xây dựng tiến trình dạy học chƣơng “Hạt nhân nguyên tử” Vật lí 12 cơ
bản sử dụng các mô phỏng đã thiết kế ........................................................ 45
3.2.1. Tiến trình dạy học bài “Tính chất và cấu tạo của hạt nhân” ........... 45
3.2.2. Tiến trình dạy học bài “Năng lƣợng liên kết của hạt nhân. Phản ứng
hạt nhân” – 2 tiết ................................................................................... 51
3.2.3. Tiến trình dạy học bài “Phản ứng phân hạch – Phản ứng nhiệt hạch”
............................................................................................................... 62
3.3. Thực nghiệm sƣ phạm .......................................................................... 64
vi


3.3.1. Mục đích thực nghiệm sƣ phạm...................................................... 64
3.3.2. Nhiệm vụ thực nghiệm sƣ phạm ..................................................... 65
3.3.3. Đối tƣợng và thời gian thực nghiệm sƣ phạm ................................ 65
3.3.4. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm ............................................... 65
3.3.5. Tiến trình thực nghiệm sƣ phạm ..................................................... 66
3.3.6. Kết quả thực nghiệm sƣ phạm ........................................................ 67
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3................................................................................ 74
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ................................................................. 75
1. Kết luận ................................................................................................... 75
2. Khuyến nghị ............................................................................................ 75
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN VĂN .................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 78
PHỤ LỤC

vii


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Cuộc cách mạng cơng nghiệp lần thứ tƣ đang phát triển mạnh mẽ với sự
tham gia của công nghệ vật lý, kỹ thuật số, sinh học, internet kết nối vạn vật
và giao thoa thực ảo. Hiện nay, công nghệ thực tế ảo đang đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và nhiều ngành nghề khác nhau, đòi hỏi thay đổi
mạnh mẽ về giáo dục và đào tạo. Việc nghiên cứu xây dựng các mô phỏng
thực tại ảo trên các thiết bị, đặc biệt là thiết bị di động đang đƣợc quan tâm
trên toàn thế giới.
Nghị quyết số 29 Hội nghị Trung ƣơng lần thứ 8 khóa XI về đổi mới căn
bản, tồn diện giáo dục và đào tạo nêu rõ: “Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương
pháp dạy và học theo hướng hiện đại, phát huy tính tích cực, chủ động, sáng
tạo và vận dụng kiến thức, kĩ năng của người học, khắc phục lối truyền thụ
một chiều, ghi nhớ máy móc” [1]. Nhƣ vậy có thể nói việc đổi mới chƣơng
trình giáo dục phổ thông ở nƣớc ta chuyển từ tiếp cận nội dung sang tiếp cận
năng lực ngƣời học, đòi hỏi tạo cơ hội để HS đƣợc trải nghiệm, vận dụng kiến
thức vào thực tiễn, đặc biệt là khi dạy học các môn khoa học tự nhiên. Tuy
nhiên, khi dạy học một số kiến thức về các hiện tƣợng vĩ mô, vi mô, hiện
tƣợng xảy ra quá nhanh hoặc quá chậm, các hiện tƣợng có thể gây nguy
hiểm… cịn gặp nhiều khó khăn. Ví dụ: Khơng thể quan sát trực tiếp cấu tạo
nguyên tử, cấu trúc mạng tinh thể vì cần phải có kính hiển vi hiện đại. Đặc
biệt, sự tƣơng tác giữa các hạt nhân trong quá trình phản ứng xảy ra rất phức
tạp không thể quan sát đƣợc. Do vậy, khi học các nội dung nhƣ trên, HS chỉ
nghiên cứu các hiện tƣợng qua các tài liệu in hoặc phải mất thời gian để tìm
kiếm tranh, ảnh ở dạng 2D, 3D trên máy tính, điện thoại thơng minh và
internet. Đồng thời, các mô phỏng 3D chỉ giúp HS quan sát hiện tƣợng xảy ra
mà không thể tƣơng tác đƣợc với các đối tƣợng trên mơ phỏng đó [4].

1


Với sự phát triển của công nghệ mô phỏng thực tế ảo và thực tế ảo tăng
cƣờng có thể xây dựng các mơ phỏng 4D, trong đó có thể tƣơng tác đƣợc với
các đối tƣợng trong không gian 3D thêm một chiều thứ tƣ mà HS mong
muốn, giúp HS trải nghiệm đƣợc nhiều hiện tƣợng phức tạp có thể xảy ra
trong thực tế. Hiện nay, các trƣờng THPT chƣa sử dụng các mơ phỏng 4D vào
việc dạy học Vật lí nói chung và dạy các kiến thức trong chƣơng “Hạt nhân
ngun tử” – Vật lí 12 nói riêng. Chính vì vậy, tôi đã nghiên cứu sử dụng
công nghệ thực tế ảo để thiết kế các phần mềm mô phỏng cấu tạo nguyên tử,
phóng xạ, phản ứng hạt nhân, phản ứng phân hạch và nhiệt hạch nhằm khắc
phục những khó khăn trên đồng thời phát huy đƣợc tính tích cực, tự lực và
phát triển năng lực Vật lí của HS.
Với những lí do trên, tơi quyết định lựa chọn đề tài nghiên cứu “Thiết kế
và sử dụng phần mềm thực tế ảo trong dạy học chương “Hạt nhân nguyên
tử” - Vật lí 12”.
2. Mục đích nghiên cứu
Thiết kế phần mềm thực tế ảo mô phỏng kiến thức chƣơng “Hạt nhân
nguyên tử” và tổ chức dạy học với các mô phỏng đã thiết kế nhằm phát huy
tính tích cực của HS đồng thời phát triển năng lực Vật lí của HS.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu về công nghệ thực tế ảo, thực tế ảo tăng cƣờng và những ứng
dụng trong giáo dục.
- Phân tích các tài liệu dạy học bộ môn bàn về việc sử dụng các mô phỏng
trong dạy học vật lí nhằm rút ra những yêu cầu cơ bản đối với mô phỏng đƣợc
dùng trong dạy học.
- Nghiên cứu những lý luận về năng lực, năng lực Vật lí
- Nghiên cứu cấu trúc và nội dung chƣơng “Hạt nhân ngun tử” Vật lí 12.

- Tìm hiểu những hạn chế và khó khăn trong việc dạy và học các kiến thức
hạt nhân - nguyên tử ở trƣờng phổ thông.
2


- Thiết kế các mô phỏng đáp ứng đƣợc những yêu cầu đối với mô phỏng
dùng trong dạy học.
- Xây dựng tiến trình dạy học với các mơ phỏng đã thiết kế.
- Tiến hành thực nghiệm sƣ phạm theo nội dung tiến trình đã soạn và
đánh giá hiệu quả dạy, học.
4. Câu hỏi nghiên cứu
- Những hạn chế và khó khăn của GV và HS trong việc dạy và học các
kiến thức chƣơng “Hạt nhân nguyên tử” - Vật lí 12 là gì?
- Thiết kế và sử dụng phần mềm thực tế ảo trong dạy học chƣơng “Hạt
nhân nguyên tử” nhƣ thế nào để khắc phục những khó khăn trên và phát huy
đƣợc năng lực Vật lí của HS?
5. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
- Khách thể nghiên cứu: Q trình dạy học Vật lí ở trƣờng THPT.
- Đối tƣợng nghiên cứu: Thiết kế và sử dụng phần mềm thực tế ảo trong
dạy học Vật lí.
6. Phạm vi nghiên cứu
- Nội dung nghiên cứu: quá trình dạy và học chƣơng “Hạt nhân nguyên
tử” - Vật lí 12.
- Địa bàn nghiên cứu: Hà Nội
- Thời gian nghiên cứu: từ tháng 03/2020 đến tháng 11/2020.
7. Giả thuyết khoa học
Nếu thiết kế đƣợc các mô phỏng thực tế ảo về các kiến thức hạt nhân nguyên tử và tổ chức dạy học theo một tiến trình hợp lí thì sẽ góp phần làm
tăng tính tích cực của HS trong việc chiếm lĩnh kiến thức đồng thời phát huy
đƣợc năng lực Vật lí của HS.
8. Phƣơng pháp nghiên cứu

8.1. Nhóm phương pháp nghiên cứu lý luận
- Phân tích và tổng hợp các tài liệu liên quan đến ứng dụng công nghệ
thực tế ảo trong dạy học; năng lực vật lí của HS; nghiên cứu về nội dung, mục
tiêu dạy học chƣơng “Hạt nhân nguyên tử”.
3


- Phân loại và hệ thống hóa lý thuyết
8.2. Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn
- Nghiên cứu thực trạng việc dạy và học các kiến thức chƣơng “Hạt nhân
nguyên tử” - Vật lí 12 ở trƣờng THPT.
- Thực nghiệm giáo dục: Sử dụng mô phỏng đã thiết kế để giảng dạy
thực nghiệm với HS lớp 12.
8.3. Thống kê toán học
Thống kê và xử lí, phân tích các số liệu thực nghiệm, từ đó đƣa ra nhận
xét đánh giá kết quả nghiên cứu.
9. Đóng góp mới của đề tài
- Thiết kế đƣợc một phần mềm ứng dụng trên điện thoại gồm 10 mô
phỏng để dùng trong dạy học các kiến thức chƣơng “Hạt nhân nguyên tử” Vật lí 12.
- Xây dựng tiến trình dạy học với từng mơ phỏng.
10. Cấu trúc của luận văn
Chương 1: Cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài
Chương 2: Thiết kế phần mềm thực tế ảo mô phỏng kiến thức chƣơng
“Hạt nhân nguyên tử”
Chương 3: Tổ chức dạy học chƣơng “Hạt nhân nguyên tử” với phần
mềm đã thiết kế

4

CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Tổng quan nghiên cứu vấn đề
1.1.1. Nghiên cứu ở nước ngồi
Cơng nghệ thực tế ảo (Virtual Reality Technology - VRT) đƣợc xây
dựng với các định dạng phần cứng và kỹ thuật số để tạo ra một môi trƣờng
nhập vai thực tế [16]. Kỹ thuật này đã hỗ trợ rất nhiều lĩnh vực nhƣ kỹ thuật,
y học, du lịch, giáo dục và nhiều khía cạnh khác của cuộc sống [7]. Đặc biệt,
nó cung cấp một cơng cụ mạnh mẽ để tạo điều kiện và cung cấp rất nhiều đặc
quyền cho giáo dục [21]. Việc ứng dụng VRT vào giáo dục đã và đang đƣợc
chú trọng ở nhiều nƣớc phát triển trên thế giới nhƣ Mỹ, Đức, Hàn Quốc, Nhật
Bản,... Trong đó đã có một số nghiên cứu về sử dụng cơng nghệ này trong dạy
học Vật lí. Cụ thể là:
- Nghiên cứu của nhóm tác giả H. Kaufmann và B. Meyer [14] đã phát
triển một ứng dụng thực tế ảo giáo dục đƣợc gọi là PhysicsPlayground để hỗ
trợ HS trong việc nghiên cứu và cuối cùng là hiểu rõ các khái niệm về cơ học.
PhysicsPlayground cung cấp cho ngƣời dùng một thế giới ảo ba chiều đáng
tin cậy. Trong mơi trƣờng này, ngƣời học và nhà giáo dục có thể tự do tạo ra
các thí nghiệm vật lí có thể đƣợc mơ phỏng trong thời gian thực. Ngồi ra,
khả năng phân tích các tính chất vật lí đƣợc cung cấp trong thế giới ảo, đó là
một thế mạnh quan trọng của một phịng thí nghiệm ảo PhysicsPlayground.
Nó cung cấp các khả năng vƣợt trội hơn nhiều so với những gì có thể đƣợc
thực hiện trong một phịng thí nghiệm vật lí truyền thống. Một kết nối trực
tiếp giữa thực tế mơ phỏng và dữ liệu vật lí giúp HS nắm bắt những điều cơ
bản về lý thuyết của cơ học. Tuy nhiên, để tƣơng tác trong mơi trƣờng thí
nghiệm ảo này, mỗi ngƣời dùng cần đƣợc trang bị một màn hình gắn trên đầu
(HMD), bút khơng dây và bảng gọi tƣơng tác cá nhân (PIP). Bút và PIP đƣợc
sử dụng để kiểm sốt hồn tồn ứng dụng trong khơng gian 3D.
5

- Một nghiên cứu khác của C. Savage và cộng sự [18] tại Đại học Quốc
gia Úc đã mô phỏng “Thuyết tƣơng đối” bằng VRT. Tác giả đã phát triển một
mơ phỏng ba chiều, tƣơng tác, có tên là “Real Time Relativity” (RTR), mô
phỏng bao gồm các động học và quang học tƣơng đối tính, sự giãn nở thời
gian và tính tƣơng đối đồng thời. Nghiên cứu đã tiến hành đánh giá hiệu quả
giáo dục của phịng thí nghiệm RTR với một mẫu gồm 200 sinh viên từ Đại
học Quốc gia Úc và Đại học Queensland. Kết quả cho thấy việc sử dụng RTR
làm cho tính tƣơng đối ít trừu tƣợng hơn đối với sinh viên.
- Nghiên cứu của Narek Minaskan và cộng sự [15], trình bày về việc
thêm hình ảnh thực tế ảo tăng cƣờng (AR) vào một thí nghiệm vật lý. Sử
dụng thông tin AR về vận tốc của vật thể, vận tốc góc và động năng đƣợc
phủ lên các vật thể trong thời gian thực để hiểu trực tiếp về các định luật
chuyển động vật lí. Hai thiết lập AR đã đƣợc phát triển cho thí nghiệm này,
một thiết kế dành cho sinh viên đại học trong mơi trƣờng phịng thí nghiệm sử
dụng màn hình gắn trên đầu (HMD) nghĩa là trải nghiệm của một cá nhân và
thiết kế thứ hai sử dụng AR chiếu lên màn hình máy chiếu cho một triển lãm
trong một bảo tàng khoa học nhắm đến một cơ sở ngƣời dùng rộng lớn hơn
nhiều, nghĩa là một trải nghiệm nhóm. Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy
thiết lập AR trong bảo tàng đƣợc đón nhận nhiều hơn, mang tính giải trí và có
thể hữu ích trong việc củng cố các khái niệm về chuyển động và vận tốc trong
vật lí.
- Một nghiên cứu khác sử dụng AR mô phỏng về chủ đề Điện từ để
giảng dạy cho HS phổ thông của nhóm tác giả Somsak Techakosit và
Prachaynun Nilsook [19]. Kết quả nghiên cứu cho thấy AR đƣợc sử dụng cho
việc học và giảng dạy về chủ đề Điện từ đƣợc đánh giá ở mức cao nhất trong
các tiêu chí nhƣ: Độc quyền cho việc học và dạy về Điện từ; dành thời gian
ngắn hơn để hiểu về Điện từ trƣờng; hiểu rõ hơn về nghiên cứu; học sinh học
đƣợc nhiều hơn; AR có thể chỉ ra các nguyên tắc khoa học một cách chính
6

xác; tài liệu học tập và giảng dạy dựa trên AR có tính linh hoạt có thể đƣợc áp
dụng trong mọi bối cảnh và các cách học khác nhau và ngƣời dùng có thể
tƣơng tác với AR. Các tiêu chí đƣợc đánh giá ở mức cao nhƣ: Sử dụng đơn
giản; tiện lợi để sử dụng ở bất cứ đâu và tiện lợi để sử dụng bất cứ lúc nào.
1.1.2. Nghiên cứu ở trong nước
Tại Việt Nam, VRT đã đƣợc triển khai trong giáo dục. Hệ thống mô
phỏng huấn luyện bắn súng Bộ binh (Phạm vi bắn ảo) đƣợc nghiên cứu, thiết
kế và sản xuất bởi Viện Công nghệ Mô phỏng - Học viện Kỹ thuật Quân sự.
Hệ thống mô phỏng đối tƣợng mục tiêu trong môi trƣờng ba chiều, cũng mơ
phỏng âm thanh, hình ảnh và độ giật của súng nhƣ khi bắn đạn thật. Trong
lĩnh vực y tế, Khoa Y - Đại học Duy Tân đã áp dụng VRT để mô phỏng cơ
thể ảo để giảng dạy, học tập và nghiên cứu môn học Giải phẫu. Viện Công
nghệ Thông tin và Truyền thông CDIT thuộc Học viện Công nghệ Bƣu
chính Viễn thơng là một trong những tổ chức hàng đầu về nghiên cứu ứng
dụng VRT tại Việt Nam. Họ đã xây dựng và đƣa công cụ này vào các bài
giảng hỗ trợ dạy kỹ thuật chụp ảnh và quay video. Mơ hình này đã đƣợc áp
dụng từ năm 2016 với việc mô phỏng các thiết bị thực là thiết bị ảo tƣơng
tác và có thể chạy trên PC, cho phép sinh viên thực hành trƣớc khi làm việc
trên thiết bị thực. VRT ni dƣỡng cho HS sự nhiệt tình, hứng thú và tò mò
về kiến thức bài học, đồng thời giải quyết tình trạng thiếu thiết bị thực hành
cho ngƣời học [17].
Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế trong việc ứng dụng VRT vào giáo
dục tại Việt Nam. Thứ nhất, các công ty VRT tại Việt Nam tập trung chủ yếu
vào lĩnh vực giải trí, thƣơng mại chƣa chú trọng nhiều đến lĩnh vực giáo dục,
đối tƣợng giáo dục hƣớng đến mới chỉ là trẻ nhỏ với sản phẩm “Tranh tô màu
4D KOLORFUN” hay sách học tiếng anh sử dụng công nghệ thực tế ảo tăng
cƣờng (AR) nhƣng phục vụ cho mục đích kinh doanh thƣơng mại. Trong khi,
VRT là một cơng cụ mạnh mẽ, có tác động to lớn đến giáo dục cho phép HS
7

khám phá môi trƣờng mà không thể tiếp cận đƣợc [8]. Điều này phù hợp cho
việc thiết kế các thí nghiệm ảo mô phỏng kiến thức các môn khoa học tự
nhiên nhƣ các hiện tƣợng vĩ mô, vi mô, hiện tƣợng xảy ra quá nhanh hoặc quá
chậm, các thí nghiệm có thể gây nguy hiểm... Thứ hai, việc áp dụng VRT
trong giáo dục tại Việt Nam bị hạn chế do giá thị trƣờng cao của các cơng cụ
tính tốn độ phân giải lớn và các thiết bị ngoại vi, điển hình là màn hình gắn
trên đầu. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của các cơng nghệ di động nhƣ
điện thoại thơng minh và máy tính bảng, việc sử dụng VRT là khả thi hơn và
giá cả phải chăng cho giáo dục [16].
Chính vì vậy, luận văn sẽ nghiên cứu thiết kế một phần mềm ứng dụng
gồm các mô phỏng thực tế ảo về các kiến thức hạt nhân - nguyên tử để HS dễ
dàng quan sát cấu trúc nguyên tử, các phản ứng hạt nhân xảy ra một cách trực
quan. Đặc biệt, phần mềm này sẽ đƣợc tích hợp trên điện thoại thông minh, sử
dụng camera của điện thoại để nhận diện các kí hiệu từ đó xuất hiện các mơ
phỏng trên màn hình mà HS có thể vừa quan sát, vừa tƣơng tác đƣợc với các
mơ phỏng đó. Điều này sẽ làm giảm chi phí thiết bị đồng thời có thể sử dụng
một cách dễ dàng, thuận tiện.
1.2. Công nghệ thực tế ảo
1.2.1. Khái niệm thực tế ảo
Thực tế ảo (Virtual Reality - VR) là thuật ngữ xuất hiện khoảng đầu thập
kỷ 90. Khái niệm VR đề cập đến tồn bộ thực tế mơ phỏng, đƣợc xây dựng
với các hệ thống máy tính bằng cách sử dụng các định dạng kỹ thuật số [16].
Năm 1987, Jaron Lanier, cùng với Steve Bryson, đƣa ra định nghĩa đầu
tiên về VR, họ mô tả VR là việc sử dụng công nghệ máy tính để tạo ra hiệu
ứng tƣơng tác thế giới ba chiều trong đó các đối tƣợng có cảm giác về sự hiện
diện không gian [13]. Một định nghĩa khác của VR đƣợc thể hiện qua mơ
hình I3 bao gồm: Tƣơng tác + Nhập vai + Tƣởng tƣợng [10]. Hiện tại, mơ
hình I3 chủ yếu đạt đƣợc thơng qua việc tạo ra các hiệu ứng hình ảnh, âm

8


thanh và ít thƣờng xuyên hơn về xúc giác, mùi hoặc vị giác. Bộ não con
ngƣời có khả năng xử lý những cảm giác này và cho phép một luồng thơng tin
giữa tâm trí và mơi trƣờng, tạo ra trải nghiệm của thực tế. Điều này có nghĩa
là nhận thức của thực tế có thể đƣợc thay đổi nếu thơng tin cảm giác đƣợc gửi
đến não ngƣời bị thay đổi để cung cấp thông tin giả tƣởng.
Về mặt kỹ thuật, VR là môi trƣờng ba chiều nhân tạo đƣợc tạo bởi máy
tính và trình bày cho một ngƣời theo cách tƣơng tác. Nó đề cập đến mơ phỏng
máy tính hiển thị một mơi trƣờng thơng qua đó ngƣời ta có thể đi bộ và tƣơng
tác với các đối tƣợng và mơ phỏng ngƣời do máy tính tạo ra (avatar - hình đại
diện). Mơi trƣờng ảo thƣờng là ba chiều và nó thƣờng cố gắng tái tạo thế giới
thực trong diện mạo và hiện tƣợng vật lý của nó. Nó mơ phỏng sự hiện diện
vật lý của ngƣời dùng trong một thế giới đƣợc tạo ra nhân tạo cho phép tƣơng
tác với môi trƣờng [12].
Ngày nay, VR chủ yếu đƣợc tạo ra bằng cách tạo hiệu ứng hình ảnh
thơng qua hệ thống màn hình gắn trên đầu (HMD). HMD là một thiết bị đeo
trên đầu hoặc là một phần của mũ bảo hiểm có màn hình tích hợp và ống
kính, cho phép ngƣời dùng trải nghiệm thế giới ảo với sự trợ giúp của góc
nhìn rộng, theo dõi chuyển động đầu và tay cũng nhƣ các đối tƣợng tƣơng tác
bởi bộ điều khiển [13].
1.2.2. Khái niệm thực tế ảo tăng cường
Thực tế ảo tăng cƣờng hay còn gọi là thực tế mở rộng (Augmented
Reality - AR) là khả năng xử lý các thông tin mới ngay lập tức trực tiếp hoặc
gián tiếp, từ đó làm cho mơi trƣờng vật lý thực đƣợc nâng cao/ tăng cƣờng
bằng cách thêm thông tin ảo đƣợc tạo ra trên máy tính vào nó [11]. AR áp
dụng các yếu tố tổng hợp nhƣ vật thể 3D, nội dung đa phƣơng tiện hoặc thông
tin văn bản lên hình ảnh trong thế giới thực, tăng khả năng tƣơng tác với
ngƣời dùng [16]. AR nâng cao nhận thức của ngƣời dùng về tƣơng tác với thế

giới thực. Trong khi VR hoàn toàn đƣa ngƣời dùng vào một thế giới tổng hợp
9


khơng nhìn thấy thế giới thực, cơng nghệ AR làm tăng cảm giác thực tế bằng
cách đặt các vật thể ảo và tín hiệu vào thế giới thực trong thời gian thực. Nhƣ
vậy, ta có thể thấy AR có lợi thế hơn rất nhiều so với VR truyền thống và lợi
thế rõ ràng nhất của AR là cho cảm giác thực hơn, tính tƣơng tác tốt hơn vì
AR coi trọng việc tích hợp giữa mơi trƣờng ảo và thế giới thực.
Pence (2011) đã phân loại AR thành hai loại nhƣ sau: AR dựa trên điểm
đánh dấu vì cần một gợi ý hình ảnh cụ thể thơng qua webcam để truy cập đối
tƣợng ba chiều trên hình ảnh của thế giới thực mong muốn; AR không dấu, là
việc sử dụng dữ liệu vị trí từ điện thoại di động hoặc nhận dạng hình ảnh để
xác định vị trí và sau đó phủ lên thông tin kỹ thuật số. Giờ đây, những tiến bộ
công nghệ đã làm cho AR trở nên hiệu quả hơn bao giờ hết, các thiết bị đƣợc
sử dụng với AR là nhỏ gọn, nhƣ máy tính cá nhân, điện thoại di động và xu
hƣớng áp dụng AR hơn nữa, đặc biệt là trong giáo dục và đào tạo [19].
1.2.3. Ứng dụng công nghệ thực tế ảo trong giáo dục
Yuen, Yaoyuneyong và Johnson (2011) đã thu thập tiềm năng của AR
cho giáo dục nhƣ sau: tham gia, kích thích và thúc đẩy HS khám phá các tài
liệu lớp học từ các góc độ khác nhau; giúp dạy các mơn học mà HS khơng thể
có đƣợc thế giới thực trƣớc tiên kinh nghiệm thủ cơng (ví dụ nhƣ thiên văn
học và địa lý); tăng cƣờng sự hợp tác giữa HS và ngƣời hƣớng dẫn và giữa
các HS; thúc đẩy sự sáng tạo và trí tƣởng tƣợng của sinh viên; giúp sinh viên
kiểm soát việc học theo tốc độ của riêng họ và trên con đƣờng của riêng họ và
tạo ra một mơi trƣờng học tập đích thực phù hợp với nhiều phong cách học
tập khác nhau [19].
Sự hỗ trợ của AR trong giáo dục và giảng dạy là một chủ đề đƣợc nghiên
cứu trong một thời gian dài. Theo Bower và cộng sự [9] tổng hợp có bốn loại
học tập trong đó AR có thể hữu ích, đó là: Học tập có tính xây dựng bằng

cách khuyến khích HS tham gia nhiều với các nhiệm vụ và khái niệm; học tập
bằng cách nhúng những kinh nghiệm giáo dục vào môi trƣờng thế giới thực
10


và bằng cách đƣa thế giới thực vào lớp học; học tập dựa trên trò chơi nhập vai
bằng cách tạo ra một câu chuyện kỹ thuật số, đặt HS trong một vai trò, cung
cấp tài nguyên xác thực và nhúng theo ngữ cảnh thông tin liên quan; học tập
dựa trên yêu cầu của dữ liệu điện tử thu đƣợc sử dụng để phân tích và cung
cấp các mơ hình ảo trong bối cảnh thế giới thực.
Cũng theo [9], các ứng dụng của VRT gần đây nhất liên quan đến các
lĩnh vực giáo dục gồm có:
Giáo dục kĩ thuật: Thiết kế và phát triển các phịng thí nghiệm trực tuyến
cho sinh viên có thể truy cập từ xa bằng VR, sử dụng bảng mạch ảo và các
công cụ ảo để thực hiện cơng việc phịng thí nghiệm điện tử đơn giản,...
Giáo dục y tế: VR hỗ trợ trong giáo dục giải phẫu; mô phỏng VR trong
giáo dục điều dƣỡng bằng việc tái tạo một bệnh viện thực sự, đầy đủ các
avatar của bệnh nhân mất trí nhớ, ngƣời nhà của họ và nhân viên bệnh viện,
nhằm mục đích chuẩn bị cho sinh viên cho vai trị điều dƣỡng và trình bày
trách nhiệm của họ trong một môi trƣờng thực tế.
Các chủ đề giáo dục phức tạp - Công nghệ vũ trụ và Tốn học: Sử dụng mơ
hình 3D động của hệ mặt trời, sử dụng VR mơ phỏng hình học trong tốn học.
Giáo dục phổ thơng: VR trong một số dự án hấp dẫn có thể đƣợc sử dụng
trong lớp học nhƣ các chuyến thám hiểm ảo ở nhiều địa điểm khác nhau, tạo ra
các trải nghiệm nhập vai khi dạy về các biện pháp an toàn tại nơi làm việc sản
xuất công nghiệp hoặc trong điều kiện nguy hiểm nhƣ tai nạn, thảm họa,...
Giáo dục nhu cầu đặc biệt: VR có vai trị quan trọng trong việc cải thiện
các kỹ năng hành vi, giao tiếp và xã hội của trẻ bị rối loạn phổ tự kỷ (ASD).
1.3. Phát triển năng lực Vật lí
1.3.1. Khái niệm năng lực

Năng lực là phạm trù đƣợc rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và đƣa ra
hàng loạt các định nghĩa khác nhau. Theo Weinert, năng lực là những kĩ năng,
kĩ xảo học đƣợc hoặc sẵn có của mỗi cá nhân nhằm giải quyết các tình huống
11


xác định, cũng nhƣ khả năng vận dụng các cách giải quyết những tình huống
một cách có trách nhiệm, hiệu quả và linh hoạt [20]. Trên quan điểm tâm lý
học, Phạm Minh Hạc định nghĩa: những đặc điểm tâm lý cá nhân đáp ứng
đƣợc những đòi hỏi của hoạt động nhất định nào đó gọi là năng lực. Năng lực
cũng là điều kiện để thực hiện có hiệu quả hoạt động đó hay khơng [5].
Từ những quan điểm trên, có thể hiểu một cách ngắn gọn năng lực là khả
năng vận dụng những kiến thức của bản thân để giải quyết các vấn đề trong
cuộc sống. Năng lực là một thuộc tính tâm lý phức hợp, nó đƣợc biểu hiện
thơng qua các thành tố nhƣ kiến thức, kĩ năng, thái độ, …
NL đƣợc chia thành năng lực chung và năng lực riêng:
+ Năng lực chung: là năng lực cơ bản trong nhiều lĩnh vực khác nhau để
con ngƣời có thể sống và làm việc bình thƣờng trong xã hội nhƣ thuộc tính về
thể lực, về trí tuệ (quan sát, trí nhớ, tƣ duy, tƣởng tƣợng, ngôn ngữ, sáng tạo,
giải quyết vấn đề…). Năng lực này đƣợc hình thành và phát triển ở nhiều môn
học. Theo quan niệm của EU đây là năng lực chính, rất quan trọng đối với
mỗi ngƣời [6].
+ Năng lực riêng (còn gọi là năng lực chuyên biệt, chun mơn) là năng
lực đƣợc hình thành và phát triển do một lĩnh vực hoặc môn học cụ thể. Năng
lực có đƣợc để đáp ứng yêu cầu của một lĩnh vực hoạt động chuyên biệt nhƣ
năng lực ngôn ngữ, năng lực tính tốn, năng lực khoa học, năng lực công
nghệ, năng lực tin học, năng lực thẩm mĩ, năng lực thể chất.
Trong đó, năng lực chun mơn muốn phát triển thì phải lấy nền tảng
từ năng lực chung. Dù có sự phân biệt về mức độ chuyên biệt nhƣng quan
hệ giữ năng lực chung và năng lực riêng là khơng thể tách rời mà cịn bổ

sung cho nhau.
1.3.2. Khái niệm năng lực Vật lí
Năng lực Vật lí chính là năng lực riêng về lĩnh vực Vật lí. Năng lực Vật
lí bao gồm các kĩ năng, kĩ xảo có đƣợc trong q trình học tập mơn Vật lí,
12


mỗi cá nhân có thể giải quyết đƣợc các tình huống xác định thơng qua khả
năng vận dụng có hiệu quả các kiến thức Vật lí đã đƣợc học. Năng lực Vật lí
cũng có thể gọi là năng lực khoa học trong mơn Vật lí, năng lực này là:
- Kiến thức khoa học của mỗi cá nhân và sử dụng kiến thức đó để nhận
dạng các câu hỏi có vấn đề, tiếp thu kiến thức mới và rút ra kết luận có cơ sở
về các vấn đề liên quan đến khoa học.
- Hiểu biết của cá nhân về khoa học, về những ảnh hƣởng của khoa học
đến mọi khía cạnh cuộc sống của con ngƣời.
- Sẵn sàng tham gia nghiên cứu các vấn đề liên quan tới khoa học.
1.3.3. Cấu trúc năng lực Vật lí
Năng lực Vật lí có thể đƣợc biểu hiện thông qua các hoạt động:
- Nhận thức Vật lí:
+ Nhận thức đƣợc kiến thức vật lí đại cƣơng: cơ, nhiệt, điện, quang,..
+ Nhận biết đƣợc một số ngành nghề có liên quan đến Vật lí.
- Tìm hiểu thế giới tự nhiên dƣới góc độ Vật lí:
+ Thực hiện đƣợc một số hoạt động tìm hiểu một số sự vật, hiện tƣợng
đơn giản, gần gũi trong đời sống và trong thế giới tự nhiên.
+ Sử dụng đƣợc các chứng cứ khoa học để kiểm tra các dự đoán, lý giải
các hiện tƣợng, rút ra các kết luận [3].
- Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học trong một số trƣờng hợp đơn
giản, bƣớc đầu sử dụng toán học nhƣ một ngôn ngữ và công cụ để giải
quyết vấn đề.
Cấu trúc năng lực Vật lí có thể xác lập đƣợc thông qua sự phối hợp các

hoạt động từ quan sát, tìm tịi, khám phá thế giới tự nhiên và vận dụng kiến
thức, kĩ năng để giải thích các hiện tƣợng tự nhiên.

13


Bảng 1.1. Cấu trúc năng lực Vật lí [5]
Năng lực

Chỉ số hành vi

Tiêu chí chất lƣợng

thành tố
Quan sát,

Mơ tả đặc điểm các - Mức 1: Liệt kê đƣợc một số đặc tính

mơ tả thế

đối tƣợng, sự kiện, của hiện tƣợng quan sát đƣợc bằng

giới tự nhiên khái niệm hoặc quá các khái niệm rời rạc
dƣới góc độ
Vật lí

trình tự nhiên quan - Mức 2: Mơ tả một số đặc tính quan
sát đƣợc

sát đƣợc thành các mệnh đề có nghĩa

- Mức 3: Diễn đạt đƣợc đầy đủ các
đặc tính của hiện tƣợng quan sát đƣợc
bằng các cách khác nhau nhƣ ngôn
ngữ, hình ảnh, bảng biểu

Sử dụng các mơ - Mức 1: Sử dụng đƣợc mơ hình, diễn
hình để diễn tả thế tả đƣợc đối tƣợng tự nhiên riêng lẻ
giới tự nhiên

quan sát đƣợc
- Mức 2: Sử dụng đƣợc mơ hình để
diễn tả đƣợc sự liên kết giữa các đối
tƣợng tự nhiên quan sát đƣợc
- Mức 3: Tạo lập mơ hình phù hợp
diễn tả mối quan hệ giữa các hiện
tƣợng quan sát đƣợc để rút ra các hệ
quả

Đặt câu hỏi trƣớc - Mức 1: Đặt đƣợc câu hỏi riêng lẻ
một hiện tƣợng tự một cách hình thức về hiện tƣợng tự
nhiên

nhiên
- Mức 2: Đặt đƣợc câu hỏi một cách
có chủ đích một cách riêng lẻ về hiện

14