Nghiên cứu đánh giá khả năng không gian của sinh viên kỹ thuật

Mục đích của bài viết này là nghiên cứu về khả năng tư duy không gian, đề xuất giải pháp tăng cường khả năng không gian của sinh viên kỹ thuật năm thứ nhất qua môn học vẽ kỹ thuật.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHÔNG GIAN CỦA SINH VIÊN KỸ THUẬT EVALUATION OF SPATIAL ABILITY IN ENGINEERING EDUCATION Nguyễn Tuấn Anh1,*, Lê Văn Nghĩa2 TĨM TẮT Mục đích báo nghiên cứu khả tư không gian, đề xuất giải pháp tăng cường khả không gian sinh viên kỹ thuật năm thứ qua môn học vẽ kỹ thuật Trên sở nghiên cứu khả không gian, hệ thống luyện tập thiết kế với nhiều độ khó khác đưa lên website cho sinh viên năm thứ trường đại học kỹ thuật thực Kết thu thông qua kiểm tra đầu khóa học kết thúc khóa học kỹ hình dung khơng gian sinh viên cải thiện từ điểm 4,34 lên điểm 6,61 Qua góp phần nâng cao kết học tập mơn vẽ kỹ thuật nói riêng mơn học STEM nói chung Từ khố: Khả không gian, vẽ kỹ thuật, sinh viên ABSTRACT The aim of this paper is to research spatial thinking, to propose solutions to enhance the spatial ability of first year technical students through technical drawing subjects Based on the theories, the practices are designed with a variety of difficulty levels and posted on the e-learning website The online-quiz results show that students' visual spatial skills improved reasonably This has contributed to enhance the learning outcomes of technical drawing in particular and STEM subjects in general Keywords: Spatial ability, technical drawing, student Trường Đại học Giao thông Vận tải Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: tuananhnguyen@utc.edu.vn Ngày nhận bài: 01/12/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/01/2019 Ngày chấp nhận đăng: 25/02/2019 GIỚI THIỆU Theo số nghiên cứu giới, tư không gian cần thiết cho nghiên cứu diễn đạt thơng tin khoa học; tư khơng gian góp phần quan trọng giải vấn đề kỹ thuật, thiết kế, vật lý toán học [1] Tại Việt Nam, chưa có tác giả nghiên cứu chuyên sâu vấn đề Tuy nhiên, việc giảng dạy cấp học phổ thông bắt đầu thực dù chưa quan tâm mức Có thể nói phát triển khả khơng gian cho người học tư không gian nên bắt buộc sinh viên theo học trường kỹ thuật công nghệ Các nghiên cứu [2, 76 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 50.2019 3] cho thấy sinh viên có khả khơng gian yếu gặp khó khăn việc tìm hiểu khái niệm học tập, nghiên cứu đặc biệt lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật toán học, gọi tắt STEM (Science, Technology, Engineering and Math) Hiện nay, hầu hết trường đại học nỗ lực nghiên cứu nâng cao chất lượng chương trình đào tạo hướng đến đảm bảo cung cấp nguồn nhân lực khoa học công nghệ chất lượng cao đáp ứng đòi hỏi kinh tế Với xuất chương trình CAD (Computer Aided Design) với cách mạng công nghiệp 4.0 nhiều mơ hình sản xuất thay đổi nhanh chóng Nhiều trường đại học phải xem xét việc giảm thời gian đào tạo cách loại trừ toàn phần nội dung mơn học mang tính lý thuyết trừu tượng Thời lượng đào tạo giảm nên cần thiết có chương trình đào tạo lực khơng gian hiệu quả, đảm bảo cung cấp cho sinh viên đủ lực đọc hiểu vẽ kỹ thuật số kỹ không gian khác cần thiết cho học tập môn học chuyên ngành Để làm rõ vai trò việc phát triển khả khơng gian việc lĩnh hội môn học STEM, đề cập ngắn gọn tới số khái niệm 1.1 Khả không gian Các tài liệu nghiên cứu nói chung chưa thống thuật ngữ, định nghĩa ý nghĩa khả không gian kỹ năng, quy trình kết nghiên cứu Hơn nữa, nỗ lực để xác định phân loại khả không gian liên quan chủ yếu đến số tâm lý đặc biệt mối quan hệ hiệu suất thử nghiệm nhiều nhà nghiên cứu khác coi đặc trưng cho kỹ không gian [4] Ở nước việc nghiên cứu khả không gian chưa thực quan tâm cách có hệ thống Một số nghiên cứu phạm vi hẹp sau giới khoảng cách lớn, thực tế chưa có nhiều nhà nghiên cứu chuyên sâu khả không gian hiểu rõ thuộc tính khả khơng gian Để tìm phương hướng cách thức để phát triển khả không gian của sinh viên năm thứ nhất, tác giả dựa phân tích kết nghiên cứu Uttal [5] cộng với việc giải nhiều vấn đề chuyên môn thực tế giảng dạy mơn học hình họa vẽ kỹ thuật Thơng qua việc nghiên SCIENCE TECHNOLOGY cứu có chọn lọc tài liệu giới tác giả đưa số khái niệm khả khơng gian để có thống nghiên cứu Khả không gian (spatial ability) khả sử dụng thông tin phi ngôn ngữ khác biệt cá nhân việc thực kiểm tra không gian; khả tạo ra, trì vận dụng hình ảnh trừu tượng Tư khơng gian (spatial thinking) hình thức hoạt động mức cao phân tích, so sánh, đánh giá, tổng hợp trung ương thần kinh tác động đến đối tượng không gian Các nghiên cứu tư cho thấy cách thức để hệ thần kinh ghi nhớ đối tượng tác động lặp lại nhiều lần đối tượng mức độ cao khả bổ sung phần thiếu đối tượng cách tìm ghi nhớ hệ thần kinh phận thuộc đối tượng khác có điểm tương tự với phận xem xét (phương pháp so sánh, chọn lựa) Để thực hoạt động này, hệ thần kinh phải tìm trí nhớ, phải thực nhiều thao tác phân tích, so sánh, đánh giá, tổng hợp, có nghĩa hệ thần kinh phải tư Những phân tích cho thấy hoạt động tư nói chung tư không gian hoạt động phức tạp trung ương thần kinh 1.2 Các thuộc tính khả khơng gian Khả không gian tập hợp nhiều thuộc tính hầu hết nghiên cứu xác định hai thành phần liên quan đến nhau: hình dung khơng gian (spatial visualization) quan hệ khơng gian (spatial relations) Hình dung khơng gian - khả tưởng tượng quay vòng vật thể, gấp lại mở mẫu phẳng thay đổi tương đối vị trí vật thể không gian; khả tinh thần để thao tác, uốn, xoắn, đối xứng đối tượng quan sát Quan hệ không gian - khả xác định mối quan hệ kích thích khác khơng gian hiểu biết xếp thành phần mơ hình quan sát Gần số nghiên cứu đề cập đến thành phần khác khả không gian khả không gian động (dynamic spatial ability), khả xử lý yếu tố di chuyển chuyển động tương đối NÂNG CAO KHẢ NĂNG KHÔNG GIAN THÔNG QUA ĐÀO TẠO Khả khơng gian bao gồm nhiều thuộc tính có nhiều yếu tố ảnh hưởng tích cực đến khả khơng gian Các nghiên cứu trước khả khơng gian cải thiện thông qua đào tạo [6] Kỹ không gian nhiều kỹ khác người cần quan tâm sớm lứa tuổi nhà trường Kinh nghiệm với đồ chơi, âm nhạc, sở thích vẽ phác họa, chơi trò chơi máy tính 3D dường có ảnh hưởng đáng kể, khơng tác động lên trí tưởng tượng, mà việc áp dụng trí tưởng tượng cho khả khơng gian Sự cải thiện khả hình dung khơng gian sinh viên kỹ thuật lợi quan trọng ảnh hưởng đến cơng việc thành công học tập Các tác giả có ảnh hưởng bẩm sinh, yếu tố di truyền, sinh học [7] kinh nghiệm yếu tố mơi trường đóng góp nhiều cho phát triển lực người lĩnh vực Sinh viên ngành kỹ thuật, công nghệ nhiều nước giới phải tham gia hồn thành khóa học hình họa, vẽ kỹ thuật hay đồ họa kỹ thuật năm bậc học đại học Các loại hoạt động để cải thiện khả không gian giống với sử dụng giảng dạy vẽ kỹ thuật Đồng thời, khóa học Hình họa - Vẽ kỹ thuật giúp sinh viên rèn luyện phát triển khả tư không gian thông qua hoạt động học tập [8, 9] Hiện phương pháp đào tạo kỹ khơng gian qua mơn học Hình họa - Vẽ kỹ thuật sử dụng ba hình thức sau: + Phương pháp truyền thống: Các nội dung phác thảo tay nêu bật vai trò đồ họa kỹ thuật quy trình thiết kế kỹ thuật thường thúc đẩy động lực học tập sinh viên Rõ ràng việc học kiến thức đồ họa năm học cần thiết sinh viên họ thiếu kỹ không gian Các kỹ vẽ vẽ phác công cụ giúp cho phát triển kỹ không gian làm phong phú thêm khả không gian, lịch sử đào tạo chứng minh phương tiện hữu ích để nâng cao lực tưởng tượng sáng tạo [10] + Phương pháp truyền thống kết hợp phần mềm 3D: Khi có xuất cơng cụ phần mềm 3D, nội dung khóa học thiết kế bao gồm hai phần: Phần dựa phương pháp truyền thống vẽ kỹ thuật sử dụng bút chì giấy vẽ dựng hình chiếu thẳng góc, hình chiếu trục đo, mặt cắt; Phần sử dụng phần mềm 3D dựng khối vật thể, giao khối Kỹ hình dung khơng gian có cải thiện đáng kể đặc biệt sinh viên có khả không gian yếu [11] Sự phát triển cơng nghệ máy tính mơ phỏng, hoạt hình, mơ hình ảo tạo mẫu nhanh chóng nghiên cứu phương tiện để hỗ trợ tư không gian tăng cường khả không gian Tuy nhiên mức độ hiệu so với giảng dạy truyền thống cần kiểm chứng Các hình ảnh động thực có giá trị trực quan vượt trội so với đồ hoạ tĩnh, số nhà nghiên cứu thấy ảnh hưởng hình ảnh động khơng phải lúc có ích [12] [13] Các mơ hình 3D nhiều dẫn đến tải mặt nhận thức + Các môi trường ảo: Các môi trường thực tế ảo VR (Virtual Reality) ứng dụng vào mơn học thiết kế đồ hoạ kỹ thuật cải thiện khả hầu hết sinh viên để hình dung đối tượng 3D thành công Điều mơ hình VR cơng cụ hữu ích đầy hứa hẹn để cải thiện việc học tập động lực học viên [14] Hiện Số 50.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 77 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ nhiều nghiên cứu quan tâm đặc biệt để khám phá cách huấn luyện kỹ không gian thông qua môi trường ảo 3D phòng thí nghiệm hình ảnh [15] Tuy nhiên, mơi trường ảo VR chưa ứng dụng rộng rãi giảng dạy trường đại học Việt Nam XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP NÂNG CAO NĂNG LỰC KHƠNG GIAN Để đánh giá khả khơng gian liên quan đến việc đo lường khả không gian, cần có nhiều kiểm tra khả không gian đáng tin cậy Các kiểm tra phải dựa đầy đủ thuộc tính khơng gian: hình dung khơng gian, định hướng khơng gian, quan hệ không gian Hệ thống tập nghiên cứu đưa với mục đích để luyện tập phát triển khả không gian sinh viên kỹ thuật năm thứ đồng thời góp phần tích cực việc đánh giá kỹ khơng gian Với mục đích cải thiện kỹ không gian, cách tiếp cận áp dụng thơng qua khóa học đồ họa kỹ thuật bao gồm nội dung truyền thống (bản vẽ phác, hình chiếu thẳng góc, hình chiếu phối cảnh, mặt cắt, hình chiếu phụ), kết hợp với các mơ hình trực quan 3D xây dựng chủ yếu công cụ CAD Hệ thống tập gồm: Loại thứ hình dung hình dạng kích thước vật thể 3D mối liên hệ hình phẳng đặc trưng 2D 3D minh họa hình 1; mối liên hệ vật thể 3D với hình chiếu thẳng góc biểu diễn hình 3D quay đến vị trí khác theo trục khác số ví dụ hình Hình Hình ảnh vật thể 3D theo góc quay trục quay khác KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Để tìm hiểu mức độ cải thiện khả khơng gian, 63 sinh viên khóa học Hình họa - Vẽ kỹ thuật tham gia vào nghiên cứu Những sinh viên học năm thứ ngành kỹ thuật khí cơng trình, Trường Đại học Giao thơng Vận tải Nội dung khóa học bao gồm tiêu chuẩn đồ họa kỹ thuật thực hành thông thường theo phương pháp truyền thống Sinh viên yêu cầu thực tập phát triển khả hình dung khơng gian Sinh viên tham gia khóa học yêu cầu làm kiểm tra đầu khóa Hình thể phổ điểm trích xuất từ sở liệu kiểm tra trắc nghiệm khóa học trực tuyến Trong trục hồnh biểu diễn khoảng điểm (Grade) trục tung số lượng sinh viên tương ứng đạt khoảng điểm (Participants) Hình Xây dựng hình 3D từ quay hình 2D Hình Hình chiếu thẳng góc khối Loại tập thứ hai tập quay, đối xứng, cắt, gập để tăng cường khả xác định mối quan hệ đặc điểm hình ảnh không gian khác tăng cường hiểu biết xếp, thay đổi thành phần mơ hình quan sát Bài tập xây dựng với mức độ khó khác góc quay độ phức tạp vật thể Người học phải hình dung thay đổi hình ảnh vật thể 78 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 50.2019 Hình Phổ điểm kiểm tra trước - Điểm trung bình 4,34 Biểu đồ hình cho thấy, tổng thể có dạng phân bố Poison với xác suất điểm trung bình mức cao giảm khu vực điểm thấp hay cao Điều thể ngân hàng câu hỏi đa dạng phù hợp Sau kiểm tra đầu vào, sinh viên đưa vào chương trình đào tạo tư khơng gian Trong suốt khóa học 12 tuần, sinh viên làm nhiều luyện tập với hai loại vừa giới thiệu phần SCIENCE TECHNOLOGY Sau kết thúc khóa huấn luyện, sinh viên thực kiểm tra sau với kết thể hình Kết điểm cho thấy nhóm sinh viên có cải thiện khả khơng gian Điểm ý số sinh viên đạt từ điểm trở lên 18 sinh viên tổng số 62 sinh viên thực hiện, chiếm 29,03% Nghĩa nhóm có phổ điểm đạt mức độ mong muốn chương trình đa số sinh viên tham gia khóa học vượt qua điểm kỳ vọng điểm Hình Phổ điểm lần kiểm tra sau - Điểm trung bình 6,61 Các kết khẳng định hiệu vượt trội mặt điểm số người học kỹ hình dung khơng gian tư không gian họ rèn luyện Kết kiểm tra rõ ràng tập trực quan chương trình cải thiện khả tư không gian sinh viên cách rõ rệt KẾT LUẬN Nghiên cứu cho thấy khả khơng gian gồm nhiều thuộc tính bị tác động nhiều yếu tố Khả không gian quan trọng lĩnh vực kỹ thuật cải thiện thông qua hoạt động học tập thích hợp Hệ thống tập thiết kế theo mức độ để phù hợp với nhiều đối tượng Việc ứng dụng công nghệ thông tin giúp sinh viên tiếp cận tài liệu học tập tiến hành luyện tập thường xuyên Kết nghiên cứu kỹ không gian học viên cải thiện đáng kể [6] Sorby, S.A, 2009 Educational Research in Developing 3-D Spatial Skills for Engineering Students Int J Sci Ed Vol.31, 459-480 [7] Gardner, H Frames of Mind Basic Books, New York, NY, 1983 [8] Pillay, H K., 1994 Cognitive Load and Mental Rotation: Structuring Orthographic Projection for Learning and Problem Solving Instructional Science, 22(2), 91-113 [9] Samsudin, K A, Rafi, A., & Hanif, A S., 2011 Training in Mental Rotation and Spatial Visualization and Its Impact on Orthographic Drawing Performance Educational Technology & Society, 14(1), 179-186 [10] Ferguson, E.S., 1992 Engineering and the Mind´S Eye MA: The MIT Press, Cambridge [11] Sorby, S.A., Baartmans, B.J, 2000 The Development and Assessment of a Course for Enhancing the 3-D Spatial Visualization Skills of First Year Engineering Students Journal of Engineering Education, 89, 3, 301-307 [12] Narayanan, H.N, Hegarty, M, 2000 Communicating Dynamic Behaviours: Are Interactive ultimedia Presentations Better than Static Mixed Mode Presentations? In: Diagrams, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2000, 178-193 [13] Hegarty, M., 2007 Effects of Knowledge and Spatial Ability on Learning from Animation In: Learning from Animation, Cambridge University Press, New York, 3-29 [14] Smith, S.S-F & Lee, S-L., 2004 A Pilot Study for Integrating Virtual Reality into an Introductory Design and Graphics Course Journal of Industrial Design, Vol 20,4, 1-7 [15] Léa Pillette, Camille Jeunet, R N ’Kambou, Bernard N’Kaoua, Fabien Lotte, 2018 Towards Artificial Learning Companions for Mental Imagery-based Brain-Computer Interfaces HAL Id: hal-01762612 https://hal.inria.fr/hal01762612, Submitted on 10 Apr 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jonathan Wai, David Lubinski, and Camilla P Benbow, 2009 Spatial ability for STEM domains Journal of Educational Psychology, 101, 817-835 [2] Alias, Maizam, 2000 Spatial Visualisation Ability and Problem Solving in Civil Engineering Doctoral thesis, University of Surrey [3] Jianping Yue, 2009 Spatial Visualization by Realistic 3D Views Engineering Design Graphics Journal, 72 [4] Sorby, S.A, 2009 Developing Spatial Cognitive Skills among Middle School Students Cognitive Processing, 10, S312-S315 [5] David H Uttal, Nathaniel G Meadow, Elizabeth Tipton, Linda L Hand, Alison R Alden, and Christopher Warren, 2013 The Malleability of Spatial Skills: A Meta-Analysis of Training Studies Psychological Bulletin, Vol 139, No 2, 352– 402 (2013) Số 50.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 79 ... CAO NĂNG LỰC KHÔNG GIAN Để đánh giá khả không gian liên quan đến việc đo lường khả không gian, cần có nhiều kiểm tra khả không gian đáng tin cậy Các kiểm tra phải dựa đầy đủ thuộc tính khơng gian: ... khơng gian, định hướng khơng gian, quan hệ không gian Hệ thống tập nghiên cứu đưa với mục đích để luyện tập phát triển khả không gian sinh viên kỹ thuật năm thứ đồng thời góp phần tích cực việc đánh. .. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Để tìm hiểu mức độ cải thiện khả khơng gian, 63 sinh viên khóa học Hình họa - Vẽ kỹ thuật tham gia vào nghiên cứu Những sinh viên học năm thứ ngành kỹ thuật khí