KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG – uPhysic TRÊN MÁY TÍNH BẢNG ANDROID

Mục tiêu của đề tài Nhóm tác giả thực hiện đề tài với hai mục tiêu chính: - Mô phỏng thành công các thí nghiệm vật lý trong chương trình trung học phổ thông, giúp cho tiết học trở nên ph

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA MẠNG MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG – uPhysic TRÊN

MÁY TÍNH BẢNG ANDROID

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN ANH TUẤN

NGUYỄN VŨ AN - 08520517

TP Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2013

Trang 2

TÓM TẮT

- -

Ngày nay, khi công nghệ thông tin càng phát triển thì việc phải ứng dụng công nghệ thông tin vào tất cả các lĩnh vực là một điều tất yếu Trong lĩnh vực giáo dục đào tạo, CNTT bước đầu đã được ứng dụng trong công tác quản lý, một số nơi đã đưa tin học vào giảng dạy, học tập Bộ giáo dục và đào tạo cũng yêu cầu “đẩy mạnh ứng dụng CNTT trong giáo dục đào tạo ở tất cả các cấp học, bậc học, ngành học theo hướng dẫn học CNTT như là một công cụ hỗ trợ đắc lực nhất cho đổi mới phương pháp dạy học ở các môn”1 Tuy nhiên, so với nhu cầu thực tiễn hiện nay, việc ứng dụng CNTT trong giáo dục ở các trường nước ta còn rất hạn chế Sức mạnh công nghệ thông tin chưa được vận dụng một cách triệt để, hiệu quả do nó mang lại chưa cao

Interactive Learning2 - học tập tương tác là một giải pháp dạy và học hoàn chỉnh, tích hợp phần mềm và phần cứng Dạy học tương tác là xu hướng mới của giáo dục hiện nay Hình thức dạy học này mang đến cho người học một môi trường lý tưởng

để kiến tạo và tự chiếm lĩnh kiến thức thông qua các họat động được thiết kế bởi người dạy Người học có điều kiện phát triển mạnh mẽ tính chủ động, tư duy sáng tạo và các

kỹ năng sử dụng những công cụ hiện đại của khoa học công nghệ, đáp ứng nhu cầu của thực tiễn đối với sản phẩm đào tạo Tuy nhiên ở nước ta, hình thức học tập này chưa được phổ biến rộng rãi, đồng thời các phần mềm hỗ trợ cho hình thức giảng dạy này vẫn chưa được phát triển nhiều Từ những vấn đề thực tế trên nhóm tác giả đã đưa ra ý tưởng, phát triển một phần mềm hỗ trợ cho việc dạy học tương tác, cụ thể phần mềm được phát triển để phục vụ cho việc dạy Vật lý ở cấp Trung học phổ thông Dựa trên khả năng mô phỏng các hiện tượng vật lý trong chương trình, cũng như khả năng tương

Trang 3

tác giữa giáo viên và học sinh, nhóm tác giả tin tưởng rằng phần mềm này sẽ giúp ích cho nền giáo dục hiện nay của nước ta

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

- -

Để hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này, ngoài sự cố gắng của nhóm tác giả, còn

có sự hỗ trợ, giúp đỡ của các thầy cô, các anh chị, bạn bè và gia đình Nhóm chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến:

Thầy cô trường Đại học Công Nghệ Thông Tin – ĐHQG Tp.HCM, đặc biệt là quý thầy cô khoa Mạng Máy Tính & Truyền Thông đã trang bị những kiến thức chuyên môn, nền tảng vững chắc

Thầy Phan Hoàng Chương – giáo viên bộ môn Toán Lý trường Đại học Công Nghệ Thông Tin, vì những góp ý liên quan đến bộ môn trong lúc thực hiện đề tài

Đặc biệt nhóm chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Anh Tuấn, người Thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn cho chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện

đề tài

Cuối cùng, chúng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân và bạn bè, đã tạo điều kiện thuận lợi, cũng như khích lệ, động viên chúng tôi hoàn thành đề tài này!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 02 năm 2013

Nhóm tác giả

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

- -

Chúng tôi, Nguyễn Vũ An, Hoàng Mạnh Hưng xác nhận nội dung trình bày trong báo cáo này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và hiểu biết thực tế của nhóm tác giả Mọi thông tin trích dẫn đều được chú thích và liệt kê rõ ràng thành các tài liệu tham khảo

Chúng tôi xác nhận đề tài nghiên cứu này là công trình của chúng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Anh Tuấn và sự giúp đỡ của những người khác đã được ghi nhận trong báo cáo

Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 02 năm 2013

Nhóm tác giả

Trang 6

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

- -

………

Trang 7

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

- -

………

Trang 8

MỤC LỤC

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH VẼ x

DANH MỤC BẢNG xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Tên đề tài 1

1.2 Từ khóa 1

1.3 Mục tiêu của đề tài 1

1.4 Ý nghĩa của đề tài 1

1.5 Đối tượng,phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài 2

1.6 Cấu trúc đề tài 3

CHƯƠNG 2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU – KIẾN THỨC NỀN TẢNG 5

2.1 Một vài phần mềm giúp đỡ học Vật lý 5

2.1.1 Interactive Physics 5

a Mô tả 5

b Cách thức hoạt động 6

2.1.2 Physion 7

a Mô tả 7

2.1.3 http://www.walter-fendt.de/ 8

a Mô tả 8

2.2 Mô hình Interactive Learning và ưu điểm của nó 10

2.3 Android và kĩ thuật lập trình Animation trên Android 3.0 11

2.3.1 Hệ điều hành mở Android 12

2.3.2 Kĩ thuật lập trình Animation trên Android 3.0 13

a Frame Animation 14

b Tween and Animator 16

Trang 9

c Surface - based Animation 17

2.4 JSON-JavaScript Object Notation 19

2.5 Kết chương 21

CHƯƠNG 3 ĐẶC TẢ HỆ THỐNG uPhysic 22

3.1 Đặt vấn đề 22

3.2 Thiết kế các thí nghiệm mô phỏng trong chương trình 23

3.2.1 Định nghĩa các đại lượng vật lý trong môi trường ảo: 23

3.2.2 Tính toán chuyển động của các đối tượng trong thí nghiệm mô phỏng 26 a Chuyển động của vật bị ném xiên – ném ngang 26

b Va chạm giữa 2 viên bi 27

c Dao động điều hòa của con lắc đơn – con lắc lò xo 28

3.2.3 Thiết kế sơ đồ xử lý mô phỏng 31

3.2.4 Xử lý chồng chéo va chạm trong thí nghiệm va chạm giữa 2 viên bi 33

3.3 Thiết kế tính năng bài tập kiểm tra 34

3.3.1 Thiết kế sơ đồ giao tiếp giữa giáo viên và học sinh 34

3.3.2 Sử dụng JSON trong việc truyền tải dữ liệu bài kiểm tra 36

3.4 Kết chương 37

CHƯƠNG 4 HIỆN THỰC HỆ THỐNG uPhysic 38

4.1 Hiện thực tính năng mô phỏng thí nghiệm 38

4.1.1 Cấu trúc ứng dụng 38

4.1.2 Hiện thực sơ đồ thiết kế giao diện 40

4.1.3 Xây dựng vòng lặp DrawLoop 41

4.2 Hiện thực tính năng tương tác giữa giáo viên và học sinh(bài tập kiểm tra) 42

4.2.1 Cấu trúc một thông điệp giữa giáo viên và học sinh 42

4.2.2 Cấu trúc ứng dụng 44

4.2.3 Hiện thực sơ đồ xử lý 46

a Mô hình xử lý trên máy Server 46

b Mô hình xử lý trên máy Client 49

Trang 10

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50

5.1 Kết luận 50

5.2 Khó khăn và hạn chế 51

5.3 Hướng phát triển 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

Trang 11

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ tóm tắt mục tiêu và đối tượng nghiên cứu trong đề tài 3

Hình 2.1 Mô phỏng thí nghiệm con lắc đơn với Interactive Physics 6

Hình 2.2 Mô phỏng thí nghiệm con lắc đơn với Physion 7

Hình 2.3 Mô phỏng thí nghiệm con lắc đơn 9

Hình 2.4 Lịch sử hình thành Android 13

Hình 2.5 Hoạt động Frame Animation 14

Hình 2.6 Cách thức vẽ Animation lên Surface 18

Hình 2.7 Hoạt động vòng lặp DrawLoop 19

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc lưu trữ đối tượng của JSON 20

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc lưu trữ mảng của JSON 21

Hình 3.1 Mô hình chức năng tổng quát của chương trình 23

Hình 3.2 Hệ trục toạ độ Android và hệ trục toạ độ tự định nghĩa 24

Hình 3.3 Biểu diễn Vector trong môi trường ảo 25

Hình 3.4 Phân tích chuyển động của một vật bị ném 27

Hình 3.5 Phân tích quá trình va chạm của 2 viên bi 28

Hình 3.6 Phân tích chuyển động của con lắc đơn 29

Hình 3.7 Phân tích chuyển động của con lắc lò xo 31

Hình 3.8 Sơ đồ thiết kế mô phỏng thí nghiệm 32

Hình 3.9 Ví dụ va chạm giữa 2 viên bi 33

Hình 3.10 Sơ đồ giao tiếp giữa giáo viên học sinh 36

Hình 4.1 Cấu trúc ứng dụng phần tính năng mô phỏng thí nghiệm 38

Hình 4.2 Các class trong LogicPacket 39

Hình 4.3 Các class trong DrawerPacket 39

Hình 4.4 Các class trong ViewPacket 39

Hình 4.5 Sơ đồ thiết kế giao diện tính năng mô phỏng thí nghiệm 40

Hình 4.6 Cấu trúc một message 43

Trang 12

Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc ứng dụng trên máy Server/Client 44

Hình 4.8 Các class trong LogicPacket trên máy Server - Client 45

Hình 4.9 Các class trong ViewPacket trên máy Server-Client 45

Hình 4.10 Các class trong ActionPacket trên máy Server-Client 46

Hình 4.11 Sơ đồ xử lý phía Server 48

Hình 4.12 Mô hình xử lý trên Client 49

Trang 13

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Quy đổi giữa đơn vị thực tế và đơn vị trong môi trường ảo 26

Bảng 2 Các loại Message Prefix 43

Bảng 3 Các đối tượng trên Server 46

Bảng 4 Kế hoạch thực hiện đề tài 56

Trang 14

1.3 Mục tiêu của đề tài

Nhóm tác giả thực hiện đề tài với hai mục tiêu chính:

- Mô phỏng thành công các thí nghiệm vật lý trong chương trình trung học phổ thông, giúp cho tiết học trở nên phong phú sinh động có sức lôi cuốn với học sinh

- Khả năng ứng dụng vào thực tiễn giảng dạy

1.4 Ý nghĩa của đề tài

Với những mục tiêu cụ thể được đặt ra như trên,nhóm tác giả tin tưởng rằng sẽ xây dựng thành công một ứng dụng hoàn chỉnh có khả năng áp dụng thực tế vào việc giảng dạy ở cấp trung học phổ thông Ứng dụng sẽ bao gồm:

3

Json: http://vi.wikipedia.org/wiki/JSON

Trang 15

- Khả năng mô phỏng một vài dạng bài tập điển hình(trong tương lai sẽ phát triển hoàn chỉnh, bao gồm tất cả các dạng bài tập vật lý) trong chương trình vật lý cấp trung học phổ thông, cho phép học sinh tùy chỉnh tham số đầu vào - đề bài để kiểm tra đối chiếu với những kiến thức đã được tiếp thu

- Nâng cao khả năng tương tác trong lớp học : xây dựng chế độ kiểm tra chất lượng học tập, giáo viên có thể kiểm tra trình độ học sinh thông qua các câu hỏi trắc nghiệm, khả năng ghi chú để giải thích cho học sinh những vấn đề còn khúc mắc

1.5 Đối tượng,phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu:

- Tìm hiểu kỹ thuật lập trình trên thiết bị di động nền tảng Android

- Tìm hiểu kỹ thuật lập trình Animation trên nền tảng Android 3.0 trở lên

- Interactive Learning + truyền thông Server-Client

Phạm vi nghiên cứu:do thời gian nghiên cứu có hạn nên nhóm tác giả giới hạn

phạm vi nghiên cứu như sau:

- Tập trung vào kỹ thuật lập trình Animation để mô phỏng một số dạng bài

tập vật lý phần cơ học như : con lắc đơn,con lắc lò xo,vật va chạm…

- Phát triển tính năng hỗ trợ vấn đề tương tác giữa giáo viên và học sinh

Phương pháp nghiên cứu: Đề tài được thực hiện dựa trên phương pháp khảo

sát, phân tích và ứng dụng các đối tượng nghiên cứu để xây dựng hệ thống

Thời gian nghiên cứu:

- Thời gian bắt đầu :15/10/2012

- Thời gian kết thúc :15/02/2013

Trang 16

Hình 1.1 Sơ đồ tóm tắt mục tiêu và đối tượng nghiên cứu trong đề tài

Khi bắt tay vào xây dựng chương trình, câu hỏi đầu tiên và quan trọng nhất mà

nhóm tác giả đặt ra là:làm thế nào để chương trình có thể thu hút, lôi cuốn học sinh,

cũng như có khả năng áp dụng vào thực tế giảng dạy ở nước ta Chương tiếp theo sẽ

đề cập về những kiến thức nền tảng đã giúp cho nhóm tác giả giải quyết câu hỏi được

đặt ra và hoàn thành chương trình uPhysic

1.6 Cấu trúc đề tài

Cấu trúc bài báo cáo được chia làm 5 chương trong đó

 Chương 1: Trình bày lý do nhóm tác giả chọn đề tài, mục tiêu ý nghĩa

của đề tài, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

 Chương 2: Những kiến thức nền tảng phục vụ cho việc xây dựng đề tài,

khảo sát về tình hình nghiên cứu trong nước

 Chương 3: Đặc tả về hệ thống, phân tích yêu cầu, thiết kế hệ thống

 Chương 4 : Triển khai ứng dụng

Trang 17

 Chương 5 : Tổng kết các kết quả đạt được, nêu ra những khó khăn, hạn chế trong việc thực hiện đề tài, các hướng phát triển trong giai đoạn tiếp theo

Trang 18

CHƯƠNG 2

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU – KIẾN THỨC NỀN TẢNG

Trong những năm gần đây, ngoài đổi mới chương trình, đổi mới giáo án thì việc ứng dụng CNTT vào trong giáo dục cũng ngày càng phổ biến, đã có nhiều phần mềm được phát triển để hỗ trợ cho vấn đề dạy và học Trong chương này chúng ta sẽ đi vào khảo sát một vài phần mềm được phát triển và đang được sử dụng với mục đích hỗ trợ cho việc học Vật lý cấp Trung học phổ thông ở nước ta

 Tạo ra các đối tượng vật lý như : hình tròn , khối , đa giác

 Đo vận tốc, gia tốc, lực, năng lượng theo các đơn vị vật lý

Trang 19

Hình 2.1 Mô phỏng thí nghiệm con lắc đơn với Interactive Physics

b Cách thức hoạt động

Phần mềm Interactive Physics(0) cho phép người dùng tùy chọn các đối tượng vật lý tham gia thí nghiệm mô phỏng với nhiều hình dạng khác nhau, khả năng tùy chỉnh các giá trị đầu vào, cũng như khả năng hiển thị các giá trị trạng thái của đối tượng vật lý, dễ dàng cho việc kiểm tra, đối chiếu giữa kết quả thực nghiệm và kết quả được tính toán theo các kiến thức đã được học

Ngoài ra Interactive Physics còn cung cấp một thư viện các thí nghiệm mô phỏng được xây dựng phù hợp với chương trình giáo dục hiện tại Tuy nhiên muốn sử dụng các thí nghiệm mô phỏng này bạn bắt buộc phải mua bản quyền của phần mềm Phiên bản dùng thử chỉ có thể xem được một vài thí nghiệm miễn phí

Trang 20

Người dùng có thể sử dụng các công cụ của Physion để tạo ra các đối tượng vật

lý với các hình dạng khác nhau (tròn, đa giác, v.vv ) tuân theo các định luật vật lý Bằng cách đó, người dùng có thể thử nghiệm các định luật vật lý đã được biết Physion cũng cung cấp khả năng cho người dùng tùy chỉnh kịch bản riêng bằng JavaScript Đặc biệt Physion là phần mềm miễn phí hoàn toàn có thể download tại http://physion.net/

Hình 2.2 Mô phỏng thí nghiệm con lắc đơn với Physion

Phần mềm Physion được phát triển trên hệ điều hành Window và Unix cho phép người dùng có thể dễ dàng kéo thả các đối tượng vật lý với các hình dạng khác nhau và

Trang 21

thêm các yếu tố khác như trục quay, lò xo… từ thanh công cụ để mô phỏng các hiện tượng vật lý Ngoài ra, Physion còn cung cấp một thư viện bao gồm nhiều kịch bản thí nghiệm đã được xây dựng sẵn, hoặc cho phép người dùng chia sẻ kịch bản thí nghiệm của mình với những người dùng khác

Ưu điểm Physion là thân thiện, dễ sử dụng Mô phỏng tốt về các hiện tượng như chuyển động rơi, va chạm Bên cạnh những ưu điểm nổi trội của mình Physion cũng tồn tại một số lỗi, điển hình là chương trình đôi khi có thể bị ngừng đột ngột hay các vật thể đôi khi nằm lẫn lộn lên nhau khiến việc thao tác với chúng khá khó khăn, hoặc phần mềm không cho phép người dùng tùy chỉnh một số tham số đầu vào quan trọng như vận tốc, gia tốc v.v và không hiển thị cho người dùng xem trạng thái của vật tại một thời điểm bất kì, khó khăn trong việc kiểm tra giá trị tính toán Đồng thời, các kịch bản có sẵn từ Physion không được sát với chương trình vật lý đang được áp dụng trong

giáo dục tại nước ta

2.1.3 http://www.walter-fendt.de/

a Mô tả

Trang web walter-fendt.de được tạo ra bởi chính Walter Fendt - một cựu giáo viên người Đức vì vậy số lượng thí nghiệm mô phỏng trên trang web rất lớn và hầu như các thí nghiệm đều bám sát theo chương trình giáo dục hiện nay Trang web đã được dịch ra nhiều thứ tiếng, phiên bản tiếng việt của trang web có thể truy cập theo địa chỉ http://vatlysupham.hnue.edu.vn/java/ph14vn

Trang 22

Hình 2.3 Mô phỏng thí nghiệm con lắc đơn theo trang http://www.walter-fendt.de

Trang web được thiết kế, xây dựng bởi cựu giáo viên nên bao gồm nhiều thí nghiệm bám sát với chương trình vật lý Các thí nghiệm được xây dựng sẵn,người dùng chỉ cần chọn thí nghiệm cần mô phỏng sau đó nhập các giá trị đầu vào theo ý mình Tuy nhiên để hiển thị trang web thì yêu cầu máy tính phải cài đặt JavaRuntime version 1.4 trở lên và đặc biệt máy phải kết nối Internet thì mới truy cập để thực hiện các thí nghiệm mô phỏng

Qua việc khảo sát các phần mềm trên, có thể nhận thấy : số lượng phần mềm tiếng Việt được phát triển cho việc hỗ trợ học Vật lý cấp Trung học phổ thông chưa nhiều, cũng như khả năng áp dụng thực tế của các phần mềm được phát triển này chưa cao Rút kinh nghiệm từ đó để tăng thêm tính thực tế cho chương trình uPhysic, nhóm tác giả đã quyết định nghiên cứu về mô hình Interactive Learning (một mô hình dạy

Trang 23

học mới, đã được kiểm định và đang phổ biến gần đây ở nước ta 5 ) với mục đích sẽ áp dụng mô hình này vào chương trình

2.2 Mô hình Interactive Learning và ưu điểm của nó

Interactive Learning – dạy học tương tác là hình thức học tập mà trong đó học sinh xây dựng kiến thức thông qua quá trình tương tác dựa trên yêu cầu hợp tác với các học sinh khác,trong mô hình này giáo viên đồng thời đóng vai trò của một học sinh

đồng thời đưa ra các hoạt động hỗ trợ cho học sinh [1]

Dạy học tương tác là hình thức dạy học mới với nhiều ưu điểm đang được phổ biến hiện nay, được nhà nước khuyến khích áp dụng để nâng cao chất lượng giáo dục

[2] Hình thức dạy học này mang đến cho người học một môi trường lý tưởng để kiến

tạo và tự chiếm lĩnh kiến thức thông qua các họat động được thiết kế bởi người dạy Người học có điều kiện phát triển mạnh mẽ tính chủ động, tư duy sáng tạo và các kỹ năng sử dụng những công cụ hiện đại của khoa học công nghệ, đáp ứng nhu cầu của

thực tiễn đối với sản phẩm đào tạo [3]

Ưu điểm của dạy học tương tác:

Dạy học tương tác khuyến khích tranh luận lành mạnh giữa giáo viên và học sinh Mặc dù nghe có vẻ đơn giản, tuy nhiên rất khó để thực sự tạo ra được môi trường học tập mà trong đó học sinh có thể tự do, thoải mái phát biểu ý kiến của mình mà

không phải e ngại bị trêu chọc,xấu hổ [4]

Khi một học sinh có thể bày tỏ ý kiến của mình trong lớp học, học sinh đó sẽ có thêm cơ hội nói chuyện trước mặt bạn bè và giáo viên, giúp học sinh thêm tự tin Môi trường học tập tương tác tốt sẽ giúp cho học sinh có thể thể hiện bản thân mình với người khác, điều này giúp học sinh tự tin hơn về bản thân Ngoài ra nó còn giúp cho

5 1965417/

Trang 24

http://gdtd.vn/channel/3005/201212/He-thong-tuong-tac-va-van-de-danh-gia-chat-luong-day-hoc-học sinh có thể cải thiện kĩ năng giao tiếp với mọi người Vì vậy, http://gdtd.vn/channel/3005/201212/He-thong-tuong-tac-va-van-de-danh-gia-chat-luong-day-hoc-học sinh sẽ thêm chủ

động trong lớp học [4]

Thảo luận là một trong những yếu tố chính trong quá trình giảng dạy của hình thức dạy học tương tác Khi giáo viên yêu cầu học sinh thảo luận về một chủ đề cụ thể trong lớp học, điều này sẽ thúc đẩy học sinh hướng tới việc nghiên cứu thêm nữa về chủ đề đó, giúp phát triển khả năng tư duy của học sinh

Môi trường tương tác trong lớp học giúp cho học sinh hiểu được thế nào là làm việc trong một nhóm, đồng thời nó giúp cho các buổi học trở nên thú vị hơn, và học

sinh sẽ có ý định học những điều mới [4] Sinh viên đôi khi tiếp thu kiến thức tốt hơn

từ chính bạn của mình Việc khuyến khích tương tác giữa các học sinh thông qua các bài tập nhóm sẽ làm cho môi trường học tập trở nên thoải mái Học sinh có thể nhớ được nhiều kiến thức hơn và áp dụng nó vào môi trường bên ngoài

Đặc biệt với hình thức dạy học tương tác, giáo viên có thể tận dụng được các nguồn tài nguyên trong lớp học, việc đánh giá mức độ tiếp thu kiến thức của học sinh

sẽ trở nên dễ dàng Thực tiễn giáo dục cho thấy một khi hoạt động đánh giá được tổ chức đều đặn và thích hợp thì chất lượng học tập không ngừng được nâng cao Đánh giá được xem như một chất xúc tác giúp cho “phản ứng học tập” được diễn ra thuận lợi hơn, hiệu quả hơn Trong tâm lý học, cho điểm hay xếp loại học tập có thể được xếp vào loại hoạt động khích lệ (incentive) Hoạt động này đóng vai trò như là nhân tố thúc đẩy bên ngoài (external motivational factor) Nếu nó được kết hợp cùng với lòng mong

muốn (drive), cả hai sẽ tạo ra động lực (motive) cho các hoạt động của con người [5]

Tuy nhiên, nếu quá đề cao hoặc áp dụng thái quá các biện pháp khích lệ thì có thể dẫn đến kết quả làm cho người được khuyến khích điều chỉnh mục đích hoạt động của họ

[6]

2.3 Android và kĩ thuật lập trình Animation trên Android 3.0

Trang 25

Việc mô phỏng các thí nghiệm vật lý với các dữ liệu đầu vào có sẵn(do người dùng nhập vào) thực chất là công việc tạo ra một hình ảnh động chuyển động tuân theo định luật vật lý trong thí nghiệm Vì vậy, để mô phỏng các thí nghiệm này nhóm tác giả quyết định sử dụng kĩ thuật lập trình Animation – một kĩ thuật lập trình nhằm tạo ra các hình ảnh động Trong đó Android là hệ điều hành mã nguồn mở hỗ trợ nhiều kiểu Animation, hơn nữa diện tích màn hình phải lớn để mô phỏng chính xác các thí nghiệm Do đó, nhóm tác giả đã quyết định phát triển chương trình trên máy tính bảng nền tảng Android

2.3.1 Hệ điều hành mở Android

Nền tảng Android là:

Một nền tảng phát triển ứng dụng: được phát triển dựa trên nền nhân Linux 2.6.x, được giới hạn/mở rộng các thư viện hỗ trợ cho thiết bị di động, chứa các thư viện

mã nguồn mở cho Web, SQL Lite, OpenGL,…

Phần mềm trung gian: dựa trên các thư viện C/C++ từ nhân Linux, hoàn toàn hỗ trợ giao diện lập trình với ngôn ngữ java, tối ưu và linh động trong định nghĩa thiết kế giao diện bằng XML

Tổ hợp những phần mềm tiện ích cho thiết bị di động: rất nhiều những ứng dụng cho phép quản lý/giải trí cá nhân trên thiết bị di động dộng (Contacts, Calendar, Phone, SMS Manager, Browser, Player, )

Hỗ trợ các chuẩn đa phương tiện phổ biến, thoại trên nền GSM, Bluetooth EDGE, 3G và Wifi, camera, GPS, la bàn, máy đo gia tốc,…

Được phát triển bởi tập đoàn Google từ năm 2005 và cùng với OHA (Open Handset Alliance) công bố HĐH Android với công cụ phát triển ứng dụng đầu tiên năm 2008 Quá trình phát triển của Android thể hiện qua Hình 2.4:

Trang 26

Hình 2.4 Lịch sử hình thành Android

Từ khi ra đời đến nay, do tính mở nên rất nhiều nhà phát triển phần cứng lẫn phần mềm phát triển trên nền tảng này làm cho Android có một cộng đồng rất lớn Có thể kể đến các hãng lớn như: HTC, SAMSUNG, SONY ERICSION,… Phiên bản hiện tại của Android là 4.2 Jelly Bean Tuy mới ra đời không lâu nhưng hiện nay Android đã là nền tảng di động dành cho smartphone có thị phần lớn nhất thế giới (tính đến tháng 12/2011)6

2.3.2 Kĩ thuật lập trình Animation trên Android 3.0

Animation (có thể dịch là hoạt ảnh) đơn giản là một hình động, cho phép đối tượng trên màn hình có thể thay đổi màu sắc, vị trí kích thước, hay hướng của nó theo

thời gian [7] Animation trong Android rất thiết thực, vui nhộn và đơn giản vì thế được

Trang 27

Android 3.0 và các phiên bản trở về sau đó đã được tăng cường khả năng Animation trong Android bằng việc giới thiệu khả năng tạo hiệu ứng động cho các thuộc tính của giao diện người dùng(User Interface), hỗ trợ 3 kiểu animation lớn sau:

a Frame Animation

Frame Animation là quá trình đơn giản, hiển thị một chuỗi hình ảnh liên tiếp trong các khoảng thời gian ngắn để tạo ra hiệu ứng cuối cùng là đối tượng di chuyển

hoặc thay đổi [9]

Hoạt động của Frame Animation tương tự như việc vẽ một loạt các hình ảnh ở góc cuốn sách, rồi lật nó qua thật nhanh Mỗi khung hình được hiển thị trong một khoảng thời gian rất ngắn trước khi chuyển qua khung hình tiếp theo, để cho mắt người xem không phát hiện được những hình ảnh này tách biệt lẫn nhau Hình 2.5 mô tả quy trình hoạt động của một Frame Animation, và bởi vì Frame Animation là sự trình chiếu một loạt các hình ảnh tĩnh, theo một thứ tự nhất định, vì thế người ta thường đánh số

cho các hình ảnh tĩnh để có thể biết được thứ tự hiển thị khung hình [9]

Hình 2.5 Hoạt động Frame Animation

Để tạo được một Frame Animation thì ta có thể sử dụng một trong hai cách sau:

Tạo Frame Animation từ XML:

Tương tự như các thành phần đồ họa khác trong Android,chúng ta có thể sử dụng XML để định nghĩa một Frame Animation Tập tin Animation XML được lưu trong thư mục res/anim trái ngược với res/drawable,tuy nhiên các đối tượng do Android Build Tool tạo ra vẫn là lớp con của lớp Drawable

Trang 28

Một vài thẻ XML dùng để tạo một Frame Animation

 <animation-list>:luôn là thẻ đầu tiên trong một frame animation.Thẻ

này gồm các tùy chọn

 xmlns:android dùng để khai báo namespace,ví dụ như

xmlns:android= http://schemas.android.com/apk/res/and roid

 android:oneshot là biến cờ boolean để xác định xem có nên dừng

lại sau khi chạy hay là vẫn giữ vòng lặp các animation

 <item> : mỗi thẻ item sẽ đại diện cho một khung hình trong frame

animation

<item

android:drawable="@drawable/stickman_frame_01" android:duration="83" />

Mỗi thẻ nên xác định các thuộc tính sau :

 android:drawable định nghĩa một tham chiếu đến tài nguyên

trong android tại đường dẫn res/drawable hoặc res/xdrawable

 android:duration chỉ định thời gian hiển thị khung hình này

trong frame animation,đơn vị là 1 milisecond

Tạo Frame Animation từ Java:

Với Frame Animation được tạo từ file XML thời gian chạy một khung hình là

cố định, do ta định nghĩa từ trước Tuy nhiên trong thực tế, đòi hỏi khả năng linh hoạt hơn vì thế Android cung cấp khả năng cho phép ta tạo Frame Animation từ Java Từ đó việc tạm dừng, tăng thời gian, hay giảm thời gian một khung hình bất kì là có thể thực hiện Ta cũng có thể thêm hoặc bớt một khung hình từ chuỗi các khung hình của Frame Animation

Trang 29

Để tạo một Frame Animation từ Java ta sử dụng class AnimationDrawable Một vài phương thức trong class AnimationDrawable

 setOneShot(boolean oneShot): tương tự như thẻ android:oneshot trong

XML,khi bạn sử dụng phương thức này, animation sẽ dừng lại sau khi

chạy xong frame cuối cùng

 addFrame(Drawable frame,int duration): thêm một khung hình vào

cuối animation, khoảng thời gian hiển thị khung này được quy định bằng

biến duration

 getFrame(int index) : lấy thông tin về một khung, thường được sử dụng

khi muốn xây dựng một animation mới dựa trên chuyển động của một

animation sẵn có

 getDuration(int index): trả về thời gian hiển thị của một khung

 getNumerOfFrame(): trả về số lượng khung hình trong một Frame

b Tween and Animator

Tween Animation được áp dụng cho một View, khi muốn thay đổi một loạt các

khía cạnh của View đó như vị trí, màu sắc, độ trong suốt.v.vv [10]

Cách thức hoạt động:Khi Tween Animation được gắn vào một View A nào đó

(A này có thể được thêm vào một View Group với nhiều đối tượng đồ họa phức tạp), Animation sẽ gọi hàm callback theo một chu kì nhất định nhằm thay đổi một khía cạnh bất kì trong ma trận biến đổi sẽ được dùng để vẽ lại A

Di chuyển đối tượng, thay đổi tỉ lệ đối tượng, hoặc thay đổi màu sắc của đối tượng là một trong những khía cạnh của ma trận biến đổi Bằng cách thay đổi ma trận khi gọi hàm callback, View A sẽ được vẽ lại tại một địa điểm khác với một tỉ lệ khác

Tóm lại Tween Animation được dùng để thực hiện việc thay đổi thuộc tính của một View tại những khoảng thời gian khác nhau đã được định trước của một Animation

Các loại Tween Animation

Trang 30

 AlphaAnimation : thay đổi tính trong suốt của đối tượng

 RotateAnimation : xoay một đối tượng

 ScaleAnimation : thay đổi tỉ lệ của đối tượng

 TranslateAnimation :di chuyển đối tượng

Trong Android có rất nhiều cách để xác định vị trí, màu sắc của một View, do

đó việc tạo hiệu ứng động cho một View không đơn giản chỉ là thay đổi thông số của View đó trong mỗi khung thời gian Vì vậy Android 3.0 giới thiệu tính năng Animator

để giải quyết vấn đề này

Ở mức độ đơn giản, có thể xem Animator như một deamon threads.Khi Animator được gọi threads này sẽ được thức dậy , thực hiện thay đổi một vài yếu tố của View, sau đó trở về chế độ ngủ, và chờ cho đến khung hình tiếp theo Mặc dù có rất nhiều kiểu Tween Animation, nhưng Animator lại mang tính chất tổng quát hơn Ví

dụ như Animator có thể cho phép người dùng thay đổi màu nền của View , hay những yếu tố khác mà Tween không thể làm được Ngoài ra khi người dùng có nhu cầu implemented một View riêng của mình với những tính năng đặc biệt thì Animator hỗ

trợ tốt hơn

c Surface - based Animation

Surface-based Animation là sự kết hợp giữa một thành phần hiển thị có sẵn trên Android là Surface và kĩ thuật lập trình trò chơi là Game Loop Đây là kĩ thuật tốt nhất

để tạo Animation trên Android version 3.0, được sử dụng khi người dùng muốn tạo ra một Animation từ các yếu tố đồ họa bất kì, chứ không phải từ những yếu tố đã được

Trang 31

 Lập trình một vòng lặp GameLoop để quản lí quy trình cập nhật Animation lên Surface

Surface là khoảng không gian trên màn hình có hình chữ nhật Có nhiều cách để hiển thị các đối tượng đồ họa trên Surface, nhưng trong bài báo cáo này nhóm tác giả

sử dụng đối tượng Canvas để thực hiện điều đó, do Canvas là công cụ tốt nhất trong

việc hiển thị Animation trên Surface [11]

Hình 2.6 mô tả cách thức vẽ Animation lên Surface Đối tượng SurfaceView khi được tạo ra không thể tự nhận biết được Surface mà nó có thể vẽ dữ liệu lên, tuy nhiên nó sẽ nhận được một đối tượng SurfaceHolder ngay lúc chạy thông qua SurfaceHolder.Callback() Đối tượng SurfaceHolder này mang theo một Surface có thể hiển thị Như vậy ta có thể nhận biết được Surface chứa trong SurfaceHolder và sau đó

vẽ các đối tượng đồ họa lên đó

Hình 2.6 Cách thức vẽ Animation lên Surface

Trang 32

Điểm quan trọng khi sử dụng Surface-based Animation là việc cập nhập lại hình

vẽ trên màn hình trong phần tiếp theo của Animation Thông thường ta phải thay đổi

mô hình của Animation một cách đều đặn, sau đó sẽ cập nhật nó lên màn hình Vì thế trong code của chúng ta cần có một vòng lặp chạy thường xuyên

Vòng lặp được mô tả trong Hình 2.7 được gọi là DrawLoop hay còn gọi là GameLoop trong các trò chơi lập trình Nó là một tiến trình đơn lẻ, chịu trách nhiệm cho mọi thứ liên quan đến ứng dụng mà nó thực thi Game loop kiểm soát đồ họa, dữ liệu đầu vào, cơ chế cập nhật Animation hiển thị trên Surface

Thực tế, nhiệm vụ của Game Loop là tính toán và quyết định xem ta sẽ vẽ gì lên

bề mặt Surface và sau đó sẽ là vẽ nó ra Vòng lặp này sẽ lặp đi lặp lại đến khi nào Animation kết thúc

Hình 2.7 Hoạt động vòng lặp DrawLoop

2.4 JSON-JavaScript Object Notation

Trang 33

JSON là một định dạng dữ liệu nhỏ gọn Nó chuyển dữ liệu thành một định dạng

dữ liệu mà con người dễ đọc và viết, cũng như máy tính dễ dàng phân tích và khởi tạo JSON là một định dạng kiểu text và hoàn toàn độc lập với các ngôn ngữ hoàn chỉnh Chính nhờ đặc tính này cùng với sự nhỏ gọn của mình, JSON thường được sử dụng để định dạng dữ liệu để có thể trao đổi thông tin qua mạng So với XML thì JSON nhỏ gọn hơn và khả năng xử lý định dạng JSON nhanh hơn XML, tuy nhiên về mặt tuỳ biến thì XML có phần nhỉnh hơn, cho nên JSON thường được sử dụng trong các hệ thống có các thiết bị giới hạn về tốc độ xử lý, cũng như môi trường truyền dữ liệu thấp7

JSON có 2 cấu trúc chính:

 Là tập hợp của các cặp tên và giá trị name-value (Hình 2.8) Nó tương đương với các thuật ngữ : đối tượng (object), sự ghi (record), cấu trúc (struct), từ điển (dictionary), bảng băm (hash table), danh sách khoá (keyed list), hay mảng liên hợp trong các ngôn ngữ lập trình

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc lưu trữ đối tượng của JSON

 Là tập hợp các giá trị đã được sắp xếp (Hình 2.9) Nó tương đương với các thuật ngữ: array, vector, list trong các ngôn ngữ lập trình

7

http://www.infoq.com/news/2006/12/json-vs-xml-debate

Trang 34

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc lưu trữ mảng của JSON

2.5 Kết chương

Tóm lại trong chương này, chúng ta đã khảo sát qua một vài phần mềm hỗ trợ cho việc học Vật lý cấp THPT, cũng như đã tìm hiểu được ưu điểm của Interactive Learning(dạy học tương tác), và kĩ thuật lập trình để tạo ra Animation trên hệ điều hành Android version 3.0 trở lên

Chúng tôi nhận thấy rằng các phần mềm hỗ trợ học vật lý theo hướng tương tác chưa được phổ biến trên máy tính bảng Hơn nữa, các phần mềm đã khảo sát vẫn còn hạn chế bởi tính cơ động, tiện dụng Trong khi đó, các máy tính bảng vốn dễ di chuyển (portable), và có những ưu điểm vượt trội trong việc tương tác với người dùng sẽ là một môi trường thuận lợi để phát triển ứng dụng uPhysic với mục tiêu đem lại cho người học những trải nghiệm thực tế với những ví dụ trực quan, sinh động Qua đó, người học sẽ tiếp thu bài giảng một cách dễ hiểu hơn

Trong chương sau, ta sẽ đề cập đến việc làm thế nào để áp dụng mô hình dạy học tương tác vào trong chương trình, cũng như vận dụng kĩ thuật lập trình Animation

để mô phỏng các thí nghiệm vật lý, nhằm xây dựng hoàn thiện chương trình uPhysic

Trang 35

Hình 3.1 mô tả các chức năng tổng quát của chương trình uPhysic:

 Tính năng mô phỏng các dạng bài tập vật lý:đây là tính năng chính của

chương trình,thông qua việc mô phỏng các dạng bài tập trong chương trình học sẽ giúp cho bài học bình thường trở nên phong phú, tăng sức thu hút với học sinh Ngoài ra học sinh có thể tự mình thực hiện các thí nghiệm ảo hoá để kiểm tra kết quả bài tập, cũng như kiểm chứng lại các

định luật vật lý đã được học

 Tính năng làm bài tập kiểm tra:đây là tính năng được phát triển để hỗ trợ

cho vấn đề tương tác giữa giáo viên và học sinh Thông qua các bài tập kiểm tra, giáo viên có thể dễ dàng biết được mức độ tiếp thu kiến thức của học sinh, từ đó dễ dàng điều chỉnh mức độ bài học cũng như kèm cặp

cho các học sinh yếu kém

Trang 36

Hình 3.1 Mô hình chức năng tổng quát của chương trình

3.2 Thiết kế các thí nghiệm mô phỏng trong chương trình

Do giới hạn về mặt thời gian, cũng như lượng kiến thức vật lý trong cấp THPT quá rộng, nên ở đây nhóm tác giả chủ yếu tập trung vào việc mô phỏng một số dạng bài tập điển hình trong phần vật lý cơ học Cụ thể như sau:

 Phần Động Lực học : mô phỏng chuyển động của vật bị ném ngang (ném xiên)

 Phần Các định luật bảo toàn : mô phỏng thí nghiệm về va chạm đàn hồi (va chạm mềm) của 2 viên bi để minh chứng cho định luật bảo toàn động lượng

 Phần Dao động cơ : mô phỏng dao động điều hoà của Con lắc đơn và Con lắc lò xo

3.2.1 Định nghĩa các đại lượng vật lý trong môi trường ảo:

Trục toạ độ:

Trục toạ độ thường được sử dụng để biểu diễn một hệ quy chiếu trong vật lý Đối với Android, gốc hệ trục toạ độ được quy định tại góc trên cùng bên trái, điều này

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	3,39 MB