Biểu diễn trực quan 3D, 4D - Bản chất phát triển năng lực không gian của sinh viên kỹ thuật

Bài báo này trình bày về bản chất của trực quan không gian và sự phát triển của năng lực không gian, xem xét việc áp dụng trực quan không gian vào giảng dạy ở các cấp học và đề xuất phương pháp giúp vừa thúc đẩy năng lực tư duy 4D vừa có kiến thức chuyên môn đáp ứng nhu cầu của xã hội trong thời kỳ cách mạng khoa học 4.0.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 BIỂU DIỄN TRỰC QUAN 3D, 4D - BẢN CHẤT PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHÔNG GIAN CỦA SINH VIÊN KỸ THUẬT REPRESENTATIONS 3D, 4D WITH DEVELOPMENT SPATIAL VISUALIZATION OF TECHNICAL STUDENTS Nguyễn Tuấn Anh*, Bùi Thị Hồng TÓM TẮT Các nhà nghiên cứu thuộc ngành khoa học kỹ thuật toán học dựa nhiều vào khả hình dung cách xếp cấu trúc đa dạng phức tạp đối tượng nghiên cứu, cấu trúc phân tử nhỏ kết cấu cơng trình (cầu, đường, máy móc ) nhiều kích thước khác Biểu diễn 3D,4D đặc biệt quan trọng tất ngành kỹ thuật xây dựng khí việc giải thích nhiều tượng khoa học phức tạp Sau bậc học phổ thơng người học cần có kỹ lực không gian để học tập nghiên cứu môi trường đại học Thực trạng giảng dạy trường kỹ thuật cho thấy tỉ lệ sinh viên năm thứ có đủ lực không gian cần thiết Ngay sinh viên tốt nghiệp thiếu kỹ trực quan không gian thiếu hội rèn luyện, phát triển cách đầy đủ trình học tập Bài báo trình bày chất trực quan không gian phát triển lực không gian, xem xét việc áp dụng trực quan không gian vào giảng dạy cấp học đề xuất phương pháp giúp vừa thúc đẩy lực tư 4D vừa có kiến thức chun mơn đáp ứng nhu cầu xã hội thời kỳ cách mạng khoa học 4.0 Từ khố: Khả khơng gian, hình dung khơng gian, vẽ kỹ thuật 3D, 4D ABSTRACT Researchers in the sciences and engineering disciplines have relied on visualizing the diverse and complex structure of a research object in various sizes 3D and 4D representationsare particularly important in all construction engineering as well as mechanical engineering and in explaining many complex scientific phenomena After high school, students need spatial skills and competencies to study and research in university environment The current situation of teaching at technical schools shows that a very small percentage of first-year students have the necessary spatial capacity Even when graduating students still lack spatial visual skills due to the lack of opportunities to practice and develop fully in the learning process This paper presents the nature of spatial visualization and the development of spatial ability, considers the application of spatial visualization to teaching at all levels, and proposes methods to help promote capacity 4D thinking has both professional knowledge to meet the needs of society in the period of scientific revolution 4.0 Keywords: Spatial ability,spatial visualization, technical drawing 3D, 4D Trường Đại học Giao thông Vận tải * Email: tuananhnguyen@utc.edu.vn Ngày nhận bài: 16/02/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/3/2020 Ngày chấp nhận đăng: 24/4/2020 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn TRỰC QUAN KHÔNG GIAN VỚI KHOA HỌC KỸ THUẬT Trong năm gần việc hiểu mối quan hệ cấu trúc chức vấn đề khoa học đại có tầm quan trọng ngày tăng Các khám phá khoa học kỷ XIX XX phụ thuộc nhiều vào khả hình dung giải thích tượng khoa học nhờ trực quan không gian Việc phát cấu trúc ADN Watson Crick, phát trường điện từ xung quanh dây dẫn có dòng điện chiều chạy qua Michael Faraday, phát triển thuyết tương đối tổng quát Albert Einstein, bước tiến vĩ đại việc tìm hiểu cấu trúc vật chất đưa mơ hình hành tinh ngun tử Ernest Rutherford số ví dụ tiến khoa học khơng thể có thiếu khả hình dung, tưởng tượng nhà khoa học Ngay lĩnh vực khoa học vật lý, lý thuyết trừu tượng, biểu diễn trực quan đóng vai trò quan trọng việc thúc đẩy ý tưởng khoa học [1-2] Năng lực tư khơng gian có nhờ yếu tố thị giác, trình sử dụng mắt để quan sát, định hướng, định vị giới vật tượng Nó bao gồm hình thành, lưu trữ, biến đổi suy luận thơng tin hình ảnh khơng gian tâm trí Mơ hình 4D (4D biến đổi mơ hình 3D theo thời gian) có vai trò quan trọng khoa học, kỹ thuật, tác động tích cực vào giải vấn đề phức tạp Tác động thúc đẩy nhà tâm lý học nhà giáo dục sâu nghiên cứu biện pháp tích cực nhằm phát triển kỹ trực quan không gian Trong thập kỷ qua, khả tạo xử lý hình ảnh máy tính phát triển cơng nghệ mô trực quan Khi mô 4D áp dụng để tác động vào tư trực quan nhận thức tự nhiên người thay đổi Có nhiều nghiên cứu cho thấy thiết kế đồ họa cơng cụ có tác động mạnh vào nhận thức, giúp nâng cao mở rộng não [3] Bản chất hình dung trực quan khơng gian kỹ phát triển nhận thức Điều có nghĩa kỹ cần phát triển phát triển theo thời gian lĩnh vực khác [4-5] Thực tế đáng ý phát triển kỹ khơng gian xảy cách tự nhiên Học sinh sinh viên cần có nhiều hội để thực hành áp dụng kỹ học tập sống hàng ngày Nếu Vol 56 - No (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 129 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ muốn sinh viên hình dung kết cấu phân tử kết cấu khí, cơng trình phức tạp, họ cần có hội phát triển nhận thức cách liên tục dựa kỹ năng, kiến thức đơn giản có trước Sự phát triển khả trực quan không gian cần tập trung lĩnh vực nghiên cứu cụ thể sinh viên có chủ động trình phát triển nhận thức THÁCH THỨC VÀ NHU CẦU TRONG NƯỚC HIỆN NAY Các ngành nghề cần sử dụng mơ hình 3D, ví dụ ngành y tế cần sử dụng mô hình chi tiết cấu tạo thể người để tạo ảnh chiều từ quét MRI CT; ngành điện ảnh xây dựng nhân vật với hình ảnh chuyển động sống động, chân thực; ngành sinh học sử dụng mơ hình chi tiết hợp chất hóa học; ngành kiến trúc sử dụng để biểu diễn tòa nhà cảnh quan thay cho mơ hình kiến trúc truyền thống; ngành khí thiết kế thiết bị máy móc Trong trường đại học thiếu dụng cụ thí nghiệm trực quan, trang bị phòng thí nghiệm viện nghiên cứu lớn, sinh viên có điều kiện tiếp cận Ngay với sinh viên ngành kỹ thuật cơng trình khí, thơng tin hình ảnh trực quan liên quan đến ngành học (các hình ảnh máy siêu âm, kính hiển vi cấu tạo vật liệu, hình dạng khuyết tật, vết nứt vật liệu), độ đồng cấu kiện bê tơng, hoạt động cấu máy móc không cung cấp đầy đủ Nghiên cứu phương pháp tăng cường lực không gian cần thiết để cung cấp phương tiện cho nhà khoa học, sinh viên để sử dụng nghiên cứu Vì vấn đề phát triển nhận thức từ trực quan đến tư trở thành mục tiêu giáo dục đại học, đặc biệt lĩnh vực khoa học kỹ thuật nước ta Con đường vơ khó khăn phần lớn học sinh nước đến trường đại học với kỹ trực quan không gian thô sơ [6] Trang bị cho sinh viên có kỹ 3D 4D quan trọng cho thành công liên tục họ lĩnh vực khoa học, toán học kỹ thuật Trong phần sau, xem xét cách tiếp cận khác giảng dạy để phát triển lực không gian đánh giá kỹ trực quan không gian sinh viên DẠY HỌC KIẾN THỨC TRỰC QUAN KHÔNG GIAN CHO HỌC SINH TRUNG HỌC VÀ ĐẠI HỌC Với lập luận rõ ràng kỹ lực trực quan khơng gian phát triển Những kỹ cần bồi dưỡng để ứng dụng học tập nghiên cứu bậc cao Để đảm bảo đánh giá kỹ trực quan người học cần ngân hàng tập thiết kế đặc biệt Trong phần tại, thảo luận ba can thiệp dựa nghiên cứu khác nhằm mục đích bồi dưỡng kỹ trực quan không gian: (1) trực quan không gian trường trung học sở trung học phổ thông, (2) khóa vẽ thiết kế trực quan mơ hình 3D năm đầu đại học kỹ thuật, (3) mô 4D 130 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (4/2020) P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 3.1 Kỹ trực quan không gian trường trung học phổ thông Báo cáo ủy ban Hội đồng nghiên cứu quốc gia Mỹ [7] nhấn mạnh tầm quan trọng sức mạnh kỹ tư không gian khoa học, công việc sống hàng ngày Theo báo cáo Hội đồng nghiên cứu quốc gia Mỹ, tiêu chuẩn quốc gia toán học khoa học ý không đầy đủ đến sinh viên việc phát triển kỹ khơng gian, cần có biện pháp hỗ trợ để phát triển kỹ tư họ Hậu thiếu quan tâm coi nhẹ với kỹ không gian gây tác động nghiêm trọng cho hệ thống giáo dục, dẫn đến thiếu hụt nguồn nhân lực khoa học kỹ thuật chất lượng cao giai đoạn sau Ở nước ta kỹ trực quan không gian chưa nhà khoa học giáo dụng quan tâm mức qua việc xây dựng chương trình đào tạo thời lượng học lý thuyết chiếm nhiều thời gian, dụng cụ hay thí nghiệm trực quan nhiều mơn học thiếu Kỹ trực quan không gian học sinh trung học sở trung học phổ thơng phát triển thông qua tất môn học Với phát triển công nghệ GIShiện nay, xây dựng hệ thống sở liệu không gian cách đầy đủ,cơ sở liệu GIS 3D thực tế hiển thị hình ảnh giống với khơng gian thực [8] Chúng ta cần xây dựng áp dụng hệ thống thông tin GIS cho việc giảng dạy môn học địa lý phổ thông Kỹ trực quan không gian học sinh trung học sở trung học phổ thông phát triển qua tiếp cận hình ảnh hệ thống thông tin địa lý GIS Việc biểu diễn thông tin có sẵn dạng 2D định dạng 3D, từ mở hội giúp học sinh phát triển tư trực quan không gian Giáo viên cần có kỹ trực tốt quan khơng gian 3D thiết kế cập nhật thường xuyên tài liệu giảng dạy Ngoài thời gian tới cần thúc đẩy giáo dục STEM trường phổ thông phương pháp góp phần phát triển lực trực quan học sinh định hướng theo khối ngành công nghệ định hướng công nghiệp [9] Giáo dục STEM phương pháp tiếp cận liên ngành tạo kết hợp hài hòa lĩnh vực khoa học, cơng nghệ, kỹ thuật tốn học để mang đến cho học sinh trải nghiệm thực tế ý nghĩa Việc dạy học STEM tăng tính hấp dẫn với học sinh, giúp học sinh hiểu sâu vấn đề để đạt hiểu việc học giúp học sinh nhìn nhận liên hệ học Giáo dục nên coi trọng nguồn tư liệu sách giáo khoa, lợi công nghệ thông tin truyền thông, môi trường học tập đa phương tiện học đôi với hành 3.2 Kỹ trực quan không gian 3D đại học kỹ thuật Trong năm gần đây, số trường đại học nước bắt đầu quan tâm vào việc tạo biểu diễn đồ họa 3D Chức trung tâm đồ họa kỹ thuật giảng dạy để sinh viên trực quan hình dạng chi tiết sở cho việc lắp ghép vận hành từ nắm yêu cầu kỹ thuật cần thiết Sinh viên yêu cầu sử Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 dụng phần mềm vẽ thiết kế để làm tập môn học vẽ kỹ thuật thiết kế máy Bên cạnh kiến thức chun mơn sinh viên cần có kỹ sử dụng phần mềm 3D Kỹ sử dụng phần mềm hỗ trợ họ hiểu rõ kết cấu cách xây dựng đối tượng không gian cách nhanh chóng theo tư thiết kế Các hoạt động học tập trực quan phải trở thành phần quan trọng chương trình giảng dạy Các sinh viên cần liên tục đánh giá mức độ tham gia thành thạo việc áp dụng kỹ trực quan khơng gian sau khóa học Phần mềm trực quan 3D cơng cụ mạnh mẽ giúp sinh viên có kỹ trực quan không gian, sinh viên phải sử dụng phần mềm cách tích cực cho nhiệm vụ học tập CT tăng từ 5,34 lên 7,9 Nhóm CK tăng từ 5,73 lên 8,61 Kết nghiên cứu kỹ không gian học viên cải thiện đáng kể hai nhóm tiến hành nghiên cứu Dữ liệu đánh giá lấy từ http://spability.cscvn.com:8080/moodle/index.php truy cập lần cuối ngày 17/2/2020 Hơn nữa, can thiệp phát có tác động tốt đến môn học chương trình đào tạo, nghĩa học sinh đạt kỹ trực quan khơng gian có khả ứng dụng tích cực vào học tập nghiên cứu mơn thuộc chun mơn Hình So sánh điểm trung bình nghiên cứu Hình Ví dụ tập tổ hợp khối 3D dùng nghiên cứu Chúng tiến hành nghiên cứu phát triển kỹ không gian trường Đại học Giao thông Vận tải từ năm 2017, kết nghiên cứu ban đầu cho thấy trực quan không gian quan trọng với ngành kỹ thuật [10] Những phát đặc biệt phù hợp cho ngành kỹ thuật xây dựng khí qua tạo lập vẽ kỹ thuật đồ họa Trong học kỳ năm học 2019 để giúp sinh viên đại học phát triển kỹ khơng gian, nhóm tác giả thiết kế thực khóa học đặc biệt kết hợp giảng, phân nhóm CT 40 sinh viên, CK 47 sinh viên vừa học tập lớp vừa học online Tài liệu khóa học gồm nhiều tập với chủ đề nhằm phát triển kỹ không gian 3D tiến hành chuyển đổi hình 2D, hình chiếu trục đo vật thể 3D, hình dung vẽ mặt cắt ngang vật thể xuyên Khóa học tiến hành thông qua môi trường đa phương tiện máy tính điện thoại thơng minh, bổ sung tài liệu giáo trình Hình họa - vẽ kỹ thuật Bài kiểm tra trực quan không gian kết hợp vẽ kỹ thuật sử dụng để đo lường kiến thức kỹ trực quan không gian sinh viên đánh giá hiệu khóa học Kết thúc khóa học sinh viên cải thiện đáng kể kỹ không gian trực quan họ Kiểm tra đánh giá theo trình học tập, giúp phát triển hiệu lực người học Kết đánh giá lần trước sau cung cấp thông tin phản hồi để học sinh chủ động theo dõi trình học tập Với nhóm nghiên cứu có chênh lệch điểm trung bình hai nhóm sinh viên CT CK hai lần kiểm tra đánh giá: Nhóm Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 3.3 Kỹ trực quan không gian 4D đại học kỹ thuật Tư trực quan không gian công cụ mạnh mẽ có tiềm giúp sinh viên sử dụng thuộc tính khơng gian phương tiện để cấu trúc vấn đề, để tìm câu trả lời trình bày giải pháp Chúng ta sử dụng nhiều cách biểu diễn đồ họa đa phương tiện mơ 4D để giải thích cấu trúc, hoạt động chức đối tượng [11-12] Qua nhận thức, thông tin không gian, phân tích tĩnh hiểu tính chất động đối tượng mối quan hệ chúng Thách thức việc dạy mơ khó khăn người học việc hình dung chất 4D kết cấu cơng trình cấu khí; hiểu tương tác chi tiết hoạt động cấu theo thời gian Mơ hình 3D mơ cách thiết kế ràng buộc, điều kiện giống với thực tế sản phẩm Trong đó, cơng nghệ mơ 4D sử dụng để thể chuyển động, ứng xử thực tế sản phẩm sau thiết kế Chương trình mơ xuất kết mà nhờ tùy chỉnh lại sản phẩm cho tối ưu mặt thẩm mỹ, kỹ thuật độ bền theo thời gian Cần nghiên cứu so sánh đánh giá kết thực tế với kết mơ để có qui trình mơ tối ưu Bước tiếp cận mô 4D thường mức cao dành cho chuyên gia nên sinh viên thành thạo phần mềm 3D chưa thể mô cách đầy đủ Để hình dung biến đổi theo thời gian (tư 4D) sinh viên phải trang bị tương đối đầy đủ kiến thức chuyên môn Theo tiến Vol 56 - No (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 131 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ trình học, sinh viên hồn thiện dần thiết kế mơ hoàn thành năm cuối trước tốt nghiệp đại học, họ có hiểu biết tổng hợp kiến thức thuộc chuyên ngành Trong trình thiết kế, xây dựng mơ hình 4D, việc trao đổi thông tin bước, từ giai đoạn lên ý tưởng đến thiết kế chi tiết, kiến thức chun mơn tham gia trực tiếp file sở liệu Việc giúp cho lĩnh vực liên quan tương tác trực tiếp đồng bộ, làm giảm đáng kể thời gian thiết kế, sản phẩm đạt chất lượng cao Các phần mơ thiết kế riêng thích hợp cho chuyên ngành khác giúp sinh viên hiểu biết đắn trình hoạt động phức tạp cơng trình cầu đường hay hệ thống máy móc Do đó, việc cần thiết áp dụng tài liệu chuyên môn cần thiết phát triển nguồn lực cho việc sản xuất mơ hình 3D 4D Việc phát triển tài nguyên đa phương tiện có tính giáo dục lâu dài hiệu kinh tế cao, điều quan trọng sinh viên giúp đỡ để tìm hiểu quy trình kỹ thuật phức tạp Nếu mơ trở nên phổ biến sinh viên sau tốt nghiệp đảm bảo có lực trực quan khơng gian hiểu chun mơn cách sâu sắc có suy nghĩ 4D KẾT LUẬN Hầu hết học sinh trung học chí sau trung học khơng có hội phát triển đủ mức độ hiểu biết trực quan không gian Sinh viên ngành kỹ thuật thiếu kỹ trực quan 3D 4D đóng vai trò quan trọng khoa học đại Bản chất phát triển kỹ không gian trực quan cho thấy cần thiết phải tập trung vào phát triển lực nhiều môn học Đánh giá bước đầu phát triển lực không gian sinh viên sau tiếp cận nhiều với mơ hình 3D khóa học Vẽ kỹ thuật trường Đại học Giao thông Vận tải chương trình online tích cực, nhiên cần tiếp tục đánh giá thời gian dài theo thành công sinh viên học tập môi trường đại học Những hoạt động tạo điều kiện phát triển nhận thức nói chung hình dung 3D, 4D cho người học qua nhiệm vụ học tập phần chương trình giảng dạy trung học sau trung học P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 [5] Brown AL, Campione JC, Metz KE, Ash DB, 1997 The development of science learning abilities in children In: Burgen A, Harnquist K (eds) Growing up with science: developing early understanding of science Academia Europaea, Goteborg, pp 7–40 [6] Nguyễn Tuấn Anh, 2019 Nghiên cứu đánh giá khả không gian sinh viên kỹ thuật Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội số 50, 76-79 [7] National Research Council, 2006 Learning to think spatially Washington, D.C.: National Academies Press [8] Jant, E W., Meadow, N., Uttal, D H., Hund, A., & Kolvoord, R, 2013 Using GIS in project based curriculum: Influence on students' approach to problem solving Poster presented at the biennial meeting of the Society for Research in Child Development, Seattle [9] Stieff, M., Lira, M., & Scopelitis, S A,2016 Gesture as a strategic resource for spatial thinking in STEM problem solving Cognition & Instruction, 34(2), 80-99 [10] Nguyễn Tuấn Anh, Bùi Thị Hồng, 2018 Phát triển lực tư không gian sinh viên kỹ thuật Đề tài NCKH Trường Đại học Giao thông Vận tải, mã số: T2018-CB-5 [11] Gerson, H.B.P, S.A Sorby, A Wisocki, and B.J Baartmans, 2001 The development and assessment of multimedia software for improving 3-D spatial visualization skills Computer Applications in Engineering Education (2): 105–13 [12] Lieu, D.K., Sorby, S.A, 2009 Visualisation, Modelling and Graphics for Engineering Design, Delmar Cengage Learning AUTHORS INFORMATION Nguyen Tuan Anh, Bui Thi Hong University of Transport and Communications TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Marina Milner-Bolotin & Samson Madera Nashon, 2013 The essence of student visual–spatial literacy and higher order thinking skills in underg raduate biology Springer-Verlag [2] David H Uttal, Nathaniel G Meadow, Elizabeth Tipton, Linda L Hand, Alison R Alden, and Christopher Warren, 2012 A Meta-Analysis of Training Studies Psychological Bulletin, Vol 139, No 2, 352–402 [3] Ware C, 2008 Visual thinking for design Elsevier, Inc [4] Allen KW, 2000 Learning theories: Bruner Piaget and Vygotsky The Jean Piaget Society http://trackstar-dev.scrtec.org/main/display.php3?option =frames&track_id=292 132 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (4/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... có hội phát triển đủ mức độ hiểu biết trực quan không gian Sinh viên ngành kỹ thuật thiếu kỹ trực quan 3D 4D đóng vai trò quan trọng khoa học đại Bản chất phát triển kỹ không gian trực quan cho... tra trực quan không gian kết hợp vẽ kỹ thuật sử dụng để đo lường kiến thức kỹ trực quan không gian sinh viên đánh giá hiệu khóa học Kết thúc khóa học sinh viên cải thiện đáng kể kỹ không gian trực. .. toán học kỹ thuật Trong phần sau, xem xét cách tiếp cận khác giảng dạy để phát triển lực không gian đánh giá kỹ trực quan không gian sinh viên DẠY HỌC KIẾN THỨC TRỰC QUAN KHÔNG GIAN CHO HỌC SINH