Về một qui trình xây dựng ứng dụng thực tại ảo vào trong giảng dạy các ngành kỹ thuật trong trường đại học

Thực tại ảo (VR) hiện đang là một lĩnh vực phát triển và ứng dụng mạnh trong xã hội nói chung, trong giáo dục đào tạo nói riêng. Nó là một trong những công nghệ nổi bật trong Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và càng ứng dụng mạnh hơn khi mạng di động 5G và công nghệ đám mây đang được triển khai mạnh mẽ trong thực tế. Để đẩy mạnh ứng dụng những ưu điểm của thực tế ảo vào giảng dạy kỹ thuật, bài báo này đề xuất một qui trình xây dựng ứng dụng VR vào giảng dạy trong các trường đại học kỹ thuật. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm đã chứng tỏ qui trình đề xuất phù hợp và mang lại hiệu quả giáo dục và đào tạo tốt hơn, sinh viên học hứng thú hơn và hiểu sâu hơn, nhất là các khái niệm khó, các kỹ thuật, chi tiết phức tạp…

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 VỀ MỘT QUI TRÌNH XÂY DỰNG ỨNG DỤNG THỰC TẠI ẢO VÀO TRONG GIẢNG DẠY CÁC NGÀNH KỸ THUẬT TRONG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THE PROCESS OF BUILDING APPLICATION OF VIRTUAL REALITY IN THE TECHNICAL TEACHING IN UNIVERSITY Hà Mạnh Đào*, Phạm Văn Chiến, Nguyễn Văn Tùng TÓM TẮT Thực ảo (VR) lĩnh vực phát triển ứng dụng mạnh xã hội nói chung, giáo dục đào tạo nói riêng Nó cơng nghệ bật Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 ứng dụng mạnh mạng di động 5G công nghệ đám mây triển khai mạnh mẽ thực tế Để đẩy mạnh ứng dụng ưu điểm thực tế ảo vào giảng dạy kỹ thuật, báo đề xuất qui trình xây dựng ứng dụng VR vào giảng dạy trường đại học kỹ thuật Kết nghiên cứu thử nghiệm chứng tỏ qui trình đề xuất phù hợp mang lại hiệu giáo dục đào tạo tốt hơn, sinh viên học hứng thú hiểu sâu hơn, khái niệm khó, kỹ thuật, chi tiết phức tạp… Từ khóa: Thực ảo (VR), Thực ảo tăng cường (AR), giảng dạy kỹ thuật, giáo dục đào tạo ABSTRACT Virtual reality (VR) is currently a field of development and strong application in society in general and in education and training in particular It is one of the prominent technologies in The Industrial Revolution 4.0 and is increasingly applied when 5G mobile networks and cloud technologies are being strongly deployed in practice In order to promote the application of the advantages of virtual reality in technical teaching, this paper proposes a process to build VR applications in teaching at technical universities The results of the pilot study have shown that the proposed process is suitable and brings better education and training, students are more interested and understand more deeply, especially difficult concepts, the complex techniques and details Keywords: Virtual Reality, Augmented Reality, technical teaching, education and training Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: wncs2012@gmail.com Ngày nhận bài: 25/10/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 21/11/2019 Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2019 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, thực ảo (VR) thực ảo tăng cường (AR), lĩnh vực quan Cách mạng công nghiệp 4.0, phát triển ứng dụng mạnh mẽ nhiều lĩnh vực khác Sự triển khai mạng 5G kết hợp với công nghệ đám mây làm cho việc triển khai ứng dụng VR vào sống xã hội đẩy mạnh hết Trong giảng dạy vậy, VR ngày ứng dụng mạnh mẽ nhằm nâng cao chất lượng giáo dục, đào tạo ưu điểm nó, lĩnh vực y tế, kỹ thuật, quân sự, văn hóa, du lịch, nghiên cứu khoa học, vũ trụ không gian… Trong giảng dạy VR phương tiện truyền thông thâm nhập vào lĩnh vực công nghệ giáo dục Nó đóng vai trò quan trọng việc thúc đẩy cải cách phương pháp giáo dục đại học đại trường đào tạo, giáo dục nhiều cấp bậc mức độ khác Ứng dụng cơng nghệ VR giảng dạy nói chung, dạy kỹ thuật nói riêng cung cấp cho người học tảng học tập hiệu so với phương pháp dạy học truyền thống Đó người học thực hành thơng qua việc tương tác để đạt khả trải nghiệm, quan sát, lực đổi qua tập thực hành đầy đủ với hỗ trợ công nghệ VR Từ giúp cho người học có kỹ nghề nghiệp, hiệu giáo dục công nghệ nâng cao, việc học tập có hỗ trợ qua mơi trường tích hợp mạng 5G với cơng nghệ đám mây Một vấn đề quan trọng việc ứng dụng công nghệ VR giảng dạy kỹ thuật thiết kế giảng với VR để đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo? Trong phương pháp giảng dạy truyền thống gạt hái nhiều kết quan trọng Nhưng trước phát triển ứng dụng nhanh chóng khoa học kỹ thuật đại vào sống ngày bộc lộ hạn chế việc giảng dạy đào tạo cung ứng nguồn nhân lực chất lượng cao phù hợp với nhu cầu thực tế, giảng dạy khái niệm, chi tiết, qui trình kỹ thuật phức tạp lĩnh vực hàng khơng, lái xe, lĩnh vực khí, điện tử, tự động hóa truyền thơng Việc ứng dụng công nghệ VR giảng dạy khắc phục hạn chế phương pháp giảng dạy truyền No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 39 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ thống Nó cho phép tạo đối tượng mà người học tương tác với khái niệm trừu tượng; cho phép quan sát, tương tác với đối tượng kỹ thuật, qui trình kỹ thuật phức tạp, tinh vi điều kiện thiết bị thực hành đắt… Trước đòi hỏi thiết thực vậy, báo đề xuất qui trình thực xây dựng giảng nói chung, thực hành kỹ thuật nói riêng, sử dụng cơng nghệ VR kỹ thuật khác, nhằm xây dựng giảng ứng dụng VR từ nhiều nguồn liệu có sẵn Bố cục phần lại báo sau: phần trình kiến thức bản, cốt lõi công nghệ VR ứng dụng VR giáo dục, đào tạo; phần đề xuất qui trình xây dựng giảng ứng dụng VR từ nguồn tài liệu có sẵn; phần cuối kết luận CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY 2.1 Công nghệ VR Công nghệ thực tế ảo hệ thống công nghệ cao kết hợp với cơng nghệ kích thích, cơng nghệ hiển thị, cơng nghệ cảm biến, công nghệ mạng, công nghệ đồ họa máy tính chức nhân tạo để tạo mơ cảnh tương tác nhập vai đắm người sử dụng vào môi trường ảo theo giới thực thơng qua thị giác, thính giác, hiệu ứng xúc giác người dùng Công nghệ thực tế ảo sử dụng hình độ phân giải cao, tương tác nhạy cảm đồ họa ba chiều cho phép máy tính tạo mơi trường ảo ba chiều Người dùng đơn giản cần dựa vào bàn phím chuột số thiết bị đầu vào đeo găng tay chuyên dụng, mũ chuyên dụng thiết bị đặc biệt khác để nhập vai đắm vào khơng gian ảo, nhận thức thao tác với tất đối tượng môi trường ảo Sự tương tác người sử dụng giới ảo với thời gian thực cho phép người sử dụng có cảm giác hoạt động với đối tượng thực tương tự môi trường thực Công nghệ thực ảo đóng vai trò quan trọng giới ảo có đặc điểm mẫu chốt thể tam giác VR [1, 2] (hình 1) Hình Tam giác VR  Sự nhập vai (Immersion - nhập vai, đắm chìm) Tính công nghệ thực ảo làm cho người sử dụng cảm thấy phần mơi trường thực ảo Đồng thời, người sử dụng cảm nhận nhiều nhận thức khác nhau, chẳng hạn nhận thức thị giác, nhận thức xúc giác, nhận thức thính 40 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 55.2019 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 giác, cảm giác vật lý, nhận thức chuyển động, nhận thức khứu giác, nhận thức cảm giác lực, Tất điều cho phép người dùng tạo cảm giác nhập vai, đắm vào mơi trường giới ảo thật  Tương tác (Interaction) Hệ thống thực tế ảo đạt tương tác thực môi trường thực người môi trường ảo, chẳng hạn chuyển động tay, chuyển động xoay đầu, di chuyển người xung quanh, Đồng thời với trợ giúp thiết bị phần cứng đặc biệt, hệ thống thực tế ảo cho phép đáp ứng nhanh chóng thơng tin đầu vào người dùng Cho phép người dùng có cảm nhận tương tác người máy tính thực  Tưởng tượng (Imagination) Thực tế ảo giúp người dùng vượt qua giới hạn không gian thời gian, đắm chìm giới ảo để có kiến thức mới, hiểu biết mới, từ gia tăng nhận thức tri giác người sử dụng kích thích họ sáng tạo ý tưởng Kiến trúc hệ thống thực ảo (hình 2) gồm thiết bị đầu vào chuột, bàn phím,…; thiết bị đầu thiết bị hiển thị, loa, tai nghe… đặc biệt thành phần VR Engine [2] Hình Kiến trúc hệ thống VR  Bộ xử lý đầu vào (Input Processor): Điều khiển thiết bị nhập thơng tin vào máy tính bàn phím, chuột, theo dõi vị trí 3D, hệ thống nhận biết tiếng nói…  Bộ xử lý mơ (Simulation Processor): Đây thành phần cốt lõi hệ thống VR Bộ xử lý mô phong nhận đầu vào người dùng hành động lập trình vào giới ảo xác định hoạt động xảy giới thực ảo  Bộ xử lý kết xuất (Rendering Processor): Tạo cảm giác đưa tới người dùng  Cơ sở liệu giới (World Database): Lưu đối tượng giới kịch mô tả hoạt động chúng VR phân loại thành hai loại dựa mức độ tương tác mơi trường nhập vai  VR nhập vai: trình bày nhiều hình kích thước phòng khác thơng qua đơn vị hiển P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thị gắn đầu Phần cứng đặc biệt găng tay, áo vét hệ thống máy tính cao cấp cần thiết mơi trường VR nhập vai  VR khơng nhập vai: mơ máy tính thể máy tính cá nhân truyền thống tương tác với môi trường ảo thực bàn phím, chuột, cần điều khiển hình cảm ứng SCIENCE - TECHNOLOGY linh hoạt sử dụng dịch vụ chia sẻ hoạt động người dùng hiển thị thuyết trình, tham dự hội nghị truyền hình, vẽ bảng trắng, chia sẻ tệp, qua môi trường mạng Hệ thống VR cho phép truy cập thông qua mạng máy tính sử dụng HMD cho phép người học trải nghiệm học tập sâu sắc Trên giới nhiều dự án ứng dụng VR môi trường giáo dục triển khai: từ giảng dạy ảo cách sử dụng giới ảo 3D trải nghiệm cụ thể mô lái xe VR sử dụng công nghệ ảo để đào tạo kỹ không gian Các dự án tiêu biểu thể [8, 9, 10] Hình minh họa ứng dụng VR giảng dạy giải phẫu người giảng dạy kỹ thuật không gian Ở nước có nhiều dự án phát triển ứng dụng VR giảng dạy Đầu tiên phải kể đến dự án ứng dụng VR vào y học Trường Đại học Duy Tân (giải thưởng Sao khuê 2018) Sau phải kể đến phát triển ứng dụng VR/AR công ty VRTech, Co-Well Asia, ADT Creative… Hình Một số cô cụ phần mềm VR [5] Các công cụ phần mềm thực ảo phát triển mạnh mẽ phong phú Hình cho thấy số công cụ phần mềm thực tế ảo phổ biến Đặc biệt môi trường Unity3D sử dụng Android cho phép dễ ràng xây dựng kịch Game nói chung, giảng dạy thực hành kỹ thuật nói riêng Và đặc biệt phát triển AR với công cụ Vuforia đưa đến ứng dụng môi trường ảo vào thực tế mạnh Sự đời VRcore/ ARcore Google hỗ trợ tạo môi trường ảo ứng dụng thực tế mạnh mẽ hơn, dễ ràng 2.2 Ứng dụng VR giảng dạy VR sử dụng trợ giúp giảng dạy thực hành nhiều lĩnh vực kỹ thuật, y học, thiết kế, kiến trúc xây dựng, giáo dục đào tạo mang lại cải thiện lớn thực hiệu [3] Đã có nhiều nghiên cứu khía cạnh khác việc ứng dụng VR giáo dục, đào tạo giới nói chung, Việt Nam nói riêng Nghiên cứu [4] cho thấy cơng nghệ VR có khả khiến người học cảm thấy gắn bó có động lực học tập hơn; tác giả [5, 6] VR mở hướng cho việc dạy học; nghiên cứu [7] cho thấy VR sử dụng điều chỉnh để đào tạo sinh viên ngành học cụ thể nào, chẳng hạn an toàn xây dựng, y học, giáo dục sức khỏe Ngày nay, không việc sử dụng công nghệ VR lớp học, mà cải tiến cơng nghệ cho phép phương án khác với mức độ tương tác hòa nhập khác VR sử dụng để tạo mơi trường học tập ảo Hình Ứng dụng VR giảng dạy [4] Việc ứng dụng VR vào giảng dạy đem lại bốn vấn đề liên quan cho người học:  Kích thích tăng động lực, ham muốn tham gia vào học tập người học  Cho phép người học tiếp cận theo cách kiến tạo  Các thiết bị VR có giá phải dễ tiếp cận Nó cho phép người học tham gia học đâu, lúc nào, sử dụng mạng 5G công nghệ đám mây, nhờ điện thoại thông minh, máy tính bảng…  Cơng nghệ ảo cho phép tương tác nhiều với tài liệu học tập so với thông thường No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 41 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 nhiều lần để đánh giá, tinh chỉnh thỏa mãn yêu cầu Kế môi trường ảo cần thử nghiệm chấp nhận với số đông người sử dụng nhận ý kiến phản hồi, tinh sửa thỏa mãn yêu cầu chấp nhận Cuối triển khai sản phẩm thực vào giảng dạy Các cách tiếp cận Giáo dục Giáo dục đầy đủ thời gian (mặt đối mặt) Giáo dục bán thời gian Bắt đầu Giáo dục từ xa Thiết kế xây dựng môi trường ảo Xác định mục tiêu khóa học Thế giới ảo dựa văn kết nối mạng Thực ảo với máy tính Desktop Giao tiếp cá nhân Dự án VR nhập vai (đắm chìm) Duyệt thơng tin Trải nghiệm thực tế Hình Các cách tiếp cận giáo dục [6] Trong giáo dục có ba phương pháp tiếp cận giáo dục toàn thời gian, giáo dục bán thời gian (một phần trường, phần ảo từ xa) giáo dục từ xa (ảo) hình Đặc biệt phương pháp giáo dục từ xa phương pháp mà người dạy người học tương tác thông qua mạng nhờ công nghệ truyền thông đại ngày nay, sử dụng công nghệ 5G đám mây việc học với VR thực thời gian thực QUI TRÌNH THIẾT KẾ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ỨNG DỤNG VR Việc thiết kế giảng kỹ thuật ứng dụng VR đòi hỏi trải qua nhiều bước thể hình Đầu tiên phải xác định mục tiêu khóa học Việc xác định mục tiêu cho phép đánh giá phần kiến thức giảng dạy nên sử dụng mơ phỏng, mơ máy tính tạo hay thực tế ảo (mô 3D) Việc cho phép đánh giá mục tiêu phần kiến thức giảng dạy giảng khóa học Bước phải tiến hành tinh chỉnh phần lựa chọn để rõ mục đích phần hơn, từ lựa chọn danh sách mục tiêu sử dụng VR phương tiện tiến hành xây dựng kịch VR đáp ứng mục tiêu Trong mục tiêu thứ i, người thiết kế phải xác định mức thực cần thiết (từ tưởng tượng đến thực thế); xác định kiểu mức đắm chìm (từ khơng đắm chìm tới đắm chìm hồn tồn mơi trường 3D); Xác định loại tương tác với đầu vào đầu cảm biến, đầu vào giới ảo môi trường cần thiết Sau thực thiết kế xong mục tiêu, môi trường ảo thiết kế xây dựng theo yêu cầu mục tiêu, theo người dẫn người xây dựng giới ảo, theo người học mơi trường có từ sửa đổi mơi trường có sẵn Tiếp đến người thiết kế phải tiến hành thiết kế lựa chọn phần mềm, phần cứng phù hợp Cuối chuyển sản phẩm cho nhóm người học thí điểm để kiểm thử Q trình kiểm thử nhóm thực lặp 42 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 55.2019 Chọn phần mềm/phần cứng VR hệ thống phân bố Xác định chọn mục tiêu phù hợp sử dụng mô hay VR Đánh giá mơi trường ảo với nhóm thử nghiệm Sửa bổ xung lại môi trường ảo Tinh chỉnh lựa chọn lọc danh sách N mục tiêu mà cần sử dụng mô VR ( N>0) N Thỏa mãn yêu cầu? i=0 Y Xác định mức thực mục tiêu thứ i Xác định kiểu nhập vai (đắm chìm) diện mục tiêu thứ i Đánh giá môi trường ảo với số đông người sử dụng theo yêu cầu mục tiêu Sửa chữa bổ xung phù hợp theo kết đánh giá Xác định kiểu tương tác đầu cảm biến môi trường ảo mục tiêu thứ i N Thỏa mãn yêu cầu? i=i+1 Y N Y i