Luận án tiến sĩ Khoa học giáo dục: Xây dựng và sử dụng WebGIS mã nguồn mở trong dạy học Địa lí 12 trung học phổ thông

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:186

Thêm vào BST

Báo xấu

75
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng quy trình, thiết kế WebGIS bằng mã nguồn mở, xây dựng một số bản đồ mẫu trên WebGIS và sử dụng trong dạy học Địa lí 12 nhằm góp phần nâng cao hiệu quả dạy học địa lí ở trường trung học phổ thông theo hướng phát triển năng lực học sinh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Khoa học giáo dục: Xây dựng và sử dụng WebGIS mã nguồn mở trong dạy học Địa lí 12 trung học phổ thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ----------*---------- NGUYỄN THANH XUÂN XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG WEBGIS MÃ NGUỒN MỞ TRONG DẠY HỌC ĐỊA LÍ 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Hà Nội, 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ----------*---------- NGUYỄN THANH XUÂN XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG WEBGIS MÃ NGUỒN MỞ TRONG DẠY HỌC ĐỊA LÍ 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chuyên ngành: Lí luận và Phương pháp dạy học bộ môn Địa lí Mã số: 9.14.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS Nguyễn Viết Thịnh 2. PGS.TS Đặng Văn Đức Hà Nội, 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu và tài liệu được trích dẫn trong công trình này là trung thực. Kết quả nghiên cứu này không trùng lặp với bất cứ công trình nào đã được công bố trước đó. Hà Nội, tháng năm 2019 Tác giả Nguyễn Thanh Xuân
LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Viết Thịnh và PGS.TS. Đặng Văn Đức đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện để em thực hiện luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Quý thầy cô khoa Địa lí Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Ban Giám hiệu và cán bộ, giáo viên Trường THPT Cầu Giấy (TP. Hà Nội), THPT Chuyên Thái Bình (tỉnh Thái Bình), THPT Văn Lâm (tỉnh Hưng Yên), THPT Yên Ninh (tỉnh Thái Nguyên) đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả nghiên cứu, thực nghiệm và hoàn thành luận án. Tác giả xin gửi lời tri ân tới gia đình, bạn bè và những người thân yêu đã luôn động viên, khích lệ và giúp đỡ trong thời gian học tập, nghiên cứu. Xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu cho bản luận án của Quý thầy cô và bạn bè đồng nghiệp. Hà Nội, tháng năm 2019 Tác giả Nguyễn Thanh Xuân
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................... 3 3. Đối tượng và giới hạn phạm vi nghiên cứu ................................................ 3 4. Giả thuyết khoa học ..................................................................................... 4 5. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ................................................................ 4 6. Quan điểm và phương pháp nghiên cứu .................................................. 10 7. Những đóng góp mới của luận án............................................................. 14 8. Cấu trúc của luận án ................................................................................. 14 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG WEBGIS MÃ NGUỒN MỞ TRONG DẠY HỌC ĐỊA LÍ 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG ....................................................................................... 15 1.1. Những vấn đề chung về đổi mới giáo dục phổ thông............................ 15 1.1.1. Đổi mới chương trình giáo dục phổ thông ............................................ 15 1.1.2. Đổi mới về phương pháp, hình thức dạy học và đánh giá kết quả học tập ... 17 1.2. Ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông trong dạy học địa lí .. 19 1.2.1. Khái niệm .............................................................................................. 20 1.2.2. Vai trò của CNTT&TT trong dạy học địa lí .......................................... 21 1.2.3. Xu hướng ứng dụng CNTT&TT trong dạy học Địa lí ........................... 23 1.3. Bản đồ giáo khoa trong dạy học địa lí ................................................... 24 1.3.1. Khái niệm bản đồ giáo khoa ................................................................. 24 1.3.2. Phân loại bản đồ giáo khoa .................................................................. 25 1.3.3. Vai trò của bản đồ giáo khoa ................................................................ 26 1.4. WebGIS trong dạy học địa lí .................................................................. 27 1.4.1. Khái niệm WebGIS ................................................................................ 27 1.4.2. Phân loại WebGIS ................................................................................. 29 1.4.3. Ưu và nhược điểm của WebGIS ............................................................ 30 1.4.4. Vai trò của WebGIS trong dạy học địa lí .............................................. 33 1.5. Mã nguồn mở cho WebGIS .................................................................... 41 1.5.1. Khái niệm .............................................................................................. 41 1.5.2. Các ứng dụng GIS mã nguồn mở .......................................................... 42
1.5.3. WebGIS mã nguồn mở .......................................................................... 44 1.6. Đặc điểm tâm sinh lý và khả năng nhận thức của học sinh lớp 12 ..... 46 1.6.1. Đặc điểm tâm sinh lý lứa tuổi học sinh lớp 12 ..................................... 46 1.6.2. Khả năng nhận thức của học sinh lớp 12 ............................................. 47 1.7. Mục tiêu, nội dung chương trình Địa lí 12 trung học phổ thông ......... 48 1.7.1. Mục tiêu chương trình Địa lí 12 ........................................................... 48 1.7.2. Nội dung chương trình Địa lí 12 ........................................................... 49 1.8. Thực trạng của việc sử dụng phương tiện dạy học và việc ứng dụng CNTT&TT trong dạy học Địa lí lớp 12 ở trường THPT .............................. 51 Tiểu kết chương 1 ................................................................................................................. 56 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG WEBGIS MÃ NGUỒN MỞ TRONG DẠY HỌC ĐỊA LÍ 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG .. 57 2.1. Yêu cầu và nguyên tắc của việc xây dựng và sử dụng WebGIS trong dạy học Địa lí 12 ............................................................................................. 57 2.1.1. Yêu cầu .................................................................................................. 57 2.1.2. Nguyên tắc ............................................................................................. 59 2.2. Xác định các lớp bản đồ và các lớp thông tin cần xây dựng trên WebGIS ........................................................................................................... 63 2.3. Quy trình xây dựng WebGIS .................................................................. 69 2.3.1. Bước 1: Xác định mục đích, yêu cầu..................................................... 69 2.3.2. Bước 2: Xác định các lớp bản đồ, lớp thông tin cần thiết .................... 70 2.3.3. Bước 3: Thiết kế và biên tập dữ liệu ..................................................... 71 2.3.4. Bước 4: Lựa chọn công nghệ WebGIS .................................................. 72 2.3.5. Bước 5: Xây dựng cấu trúc và giao diện WebGIS ................................ 72 2.3.6. Bước 6: Kiểm thử .................................................................................. 74 2.3.7. Bước 7: Hoàn thiện và thực nghiệm ..................................................... 74 2.4. Ứng dụng các mã nguồn mở để xây dựng WebGIS .............................. 75 2.4.1. GeoServer .............................................................................................. 75 2.4.2. Apache ................................................................................................... 76 2.4.3. PostgreSQL/PostGIS ............................................................................. 77 2.4.4. QGIS ...................................................................................................... 78 2.4.5. Heron MC.............................................................................................. 78
2.4.6. Leaflet .................................................................................................... 79 2.5. Giới thiệu sản phẩm WebGIS ................................................................. 80 2.5.1. Chức năng quản trị các lớp chuyên đề ................................................. 81 2.5.2. Chức năng đánh dấu bản đồ ................................................................. 82 2.5.3. Chức năng chỉnh sửa (Edit) .................................................................. 83 2.5.4. Chức năng tạo ảnh bản đồ (Print) ........................................................ 83 2.5.5. Chức năng tải dữ liệu (Upload) ............................................................ 85 2.6. Sử dụng WebGIS trong dạy học Địa lí 12 THPT .................................. 85 2.6.1. Tiến trình dạy học có sự hỗ trợ của WebGIS ......................................... 85 2.6.2. Khai thác các tính năng của WebGIS trong một số tình huống dạy học Địa lí 12 THPT ................................................................................................ 92 2.7. Một số giáo án minh họa ........................................................................ 98 2.7.1. Giáo án số 1 .......................................................................................... 98 2.7.2. Giáo án số 2 ........................................................................................ 103 2.7.3. Giáo án số 3 ........................................................................................ 113 Tiểu kết chương 2 ...............................................................................................................126 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ..............................................................127 3.1. Mục đích, nguyên tắc, phương pháp thực nghiệm.............................. 127 3.1.1. Mục đích .............................................................................................. 127 3.1.2. Nguyên tắc ........................................................................................... 127 3.1.3. Phương pháp thực nghiệm .................................................................. 127 3.2. Đối tượng, địa bàn, thời gian thực nghiệm ......................................... 129 3.2.1. Đối tượng thực nghiệm ....................................................................... 129 3.2.2. Địa bàn thực nghiệm ........................................................................... 129 3.2.3. Thời gian thực nghiệm ........................................................................ 130 3.3. Chọn bài và tổ chức thực nghiệm ........................................................ 131 3.3.1. Chọn bài thực nghiệm ......................................................................... 131 3.3.2. Tổ chức thực nghiệm ........................................................................... 131 3.4. Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 133 3.4.1. Bài thực nghiệm số 1 ........................................................................... 133 3.4.2. Bài thực nghiệm số 2 ........................................................................... 135 3.4.3. Bài thực nghiệm số 3 ........................................................................... 138
3.5. Đánh giá kết quả thực nghiệm ............................................................. 140 3.5.1. Đánh giá định lượng ........................................................................... 140 3.5.2. Đánh giá định tính .............................................................................. 141 3.6. Đánh giá về ứng dụng WebGIS............................................................ 144 Tiểu kết chương 3 ...............................................................................................................147 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ................................................................................148 1.Kết luận ...................................................................................................... 148 2.Khuyến nghị .............................................................................................. 149 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ................................................151 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................152 PHỤ LỤC.............................................................................................................................167
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ CNTT : Công nghệ thông tin CNTT&TT : Công nghệ thông tin và truyền thông ĐC : Đối chứng GIS : Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lí) GV : Giáo viên GDĐT : Giáo dục và đào tạo GTVT : Giao thông vận tải HS : Học sinh KTXH : Kinh tế - xã hội KT, ĐG : Kiểm tra, đánh giá NL : Năng lực PPDH : Phương pháp dạy học SGK : Sách giáo khoa TBDH : Thiết bị dạy học THPT : Trung học phổ thông TN : Thực nghiệm UNESCO : Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa Liên hợp quốc WGT12 : WebGIS for Geography Teaching (WebGIS dạy học Địa lí 12)
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Khả năng tiếp thu và lưu giữ tri thức của HS qua các giác quan ............. 23 Bảng 1.2. Phân loại bản đồ giáo khoa ............................................................ 25 Bảng 1.3. Các chức năng của ứng dụng webGIS ........................................... 30 Bảng 1.4. Các loại kết quả từ yêu cầu của máy khách ................................... 30 Bảng 1.5. Các nhánh phát triển của GIS mã nguồn mở .................................. 42 Bảng 1.6. Phân phối chương trình môn Địa lí lớp 12 .................................... 50 Bảng 1.7. Thông tin về mẫu khảo sát của giáo viên ....................................... 52 Bảng 1.8. Thông tin mẫu khảo sát của học sinh ............................................. 55 Bảng 2.1. Ví dụ về kịch bản sử dụng WebGIS ............................................... 59 Bảng 2.2. Các lớp bản đồ và lớp thông tin cần xây dựng trên WebGIS ..... 63 Bảng 2.3. Kịch bản sử dụng WGT12 đối với bài 13 ...................................... 99 Bảng 2.4. Kịch bản sử dụng WGT12 đối với bài 24 .................................... 104 Bảng 2.5. Kịch bản sử dụng WGT12 đối với bài 30 .................................... 114 Bảng 3.1. Danh sách các trường và giáo viên dạy thực nghiệm ................... 130 Bảng 3.2. Danh sách các bài thực nghiệm .................................................... 130 Bảng 3.3. Kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 1 ......................................... 133 Bảng 3.4. Phân loại kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 1 .......................... 133 Bảng 3.5. Các tham số tổng hợp của bài kiểm tra số 1 ................................. 135 Bảng 3.6. Kết quả phân tích phương sai một nhân tố của bài kiểm tra số 1. 135 Bảng 3.7. Kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 2 ......................................... 135 Bảng 3.8. Phân loại kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 2 .......................... 136 Bảng 3.9. Các tham số tổng hợp của bài kiểm tra số 2 ................................. 137 Bảng 3.10. Kết quả phân tích phương sai một nhân tố của bài kiểm tra số 2 .. 138 Bảng 3.11. Kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 3 ....................................... 138 Bảng 3.12. Phân loại kết quả kiểm tra bài thực nghiệm số 3 ........................ 138 Bảng 3.13. Các tham số tổng hợp của bài kiểm tra số 3 ............................... 140 Bảng 3.14. Kết quả phân tích phương sai một nhân tố của bài kiểm tra số 3 .. 140 Bảng 3.15. Tổng hợp điểm trung bình 3 bài kiểm tra ................................... 140 Bảng 3.16. Kết quả xếp loại điểm kiểm tra .................................................. 141 Bảng 3.17. Thông tin về mẫu khảo sát đánh giá WGT12 ............................. 144 Bảng 3.18. Tổng hợp kết quả đánh giá WGT12 của GV .............................. 145
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Ví dụ về hệ thống menu của webGIS ......................................................34 Hình 1.2. Tìm kiếm các đối tượng (A) và thêm dữ liệu (B) trên webGIS ............35 Hình 1.3. Các thiết bị di động tương thích tốt với webGIS trên thực địa ...............36 Hình 1.4. Đảo Phú Quốc (trái) và đảo Cát Bà (phải) ..............................................38 Hình 1.5. Dãy núi Hoàng Liên Sơn trên bản đồ ảnh vệ tinh (trái) và bản đồ địa hình (phải) ....................................................................................................................38 Hình 1.6. Tỷ lệ tử vong vì ung thư trên 100,000 dân tại Đài Loan giai đoạn 1972 - 2011 (trái) và các giai đoạn nhỏ (phải) ......................................................................39 Hình 1.7. Hiển thị thông tin thuộc tính bằng hộp thoại popup (trái) và bằng bảng thống kê (phải) .............................................................................................................40 Hình 1.8. Thông tin thuộc tính trong bảng thống kê và được trực quan hóa bằng biểu đồ ..........................................................................................................................40 Hình 1.9. Hiển thị đa phương tiện các thông tin thuộc tính của đối tượng ................41 Hình 1.10. Các dự án nhánh C ...................................................................................43 Hình 1.11. Các dự án nhánh Java ..............................................................................43 Hình 1.12. Các dự án nhánh .Net ...............................................................................43 Hình 1.13. Các dự án nhánh Web ..............................................................................44 Hình 1.14. Sơ đồ sự tương thích giữa các thành phần của WebGIS ......................45 Hình 1.15. Mối quan hệ của một số thành phần WebGIS ......................................46 Hình 2.1. Quy trình xây dựng WebGIS .....................................................................70 Hình 2.2. Cấu trúc WebGIS phục vụ dạy học Địa lí 12 ...........................................73 Hình 2.3. Dự kiến giao diện của WebGIS .................................................................74 Hình 2.4. Tổ chức dữ liệu (A) và tạo ảnh bản đồ bằng WMS (B) trên GeoServer75 Hình 2.5. Tạo kiểu dáng của cảng biển bằng CSS ....................................................76 Hình 2.6. Apache khởi tạo cổng cho ứng dụng WebGIS.........................................76 Hình 2.7. Quản lý cơ sở dữ liệu bằng PostgreSQL...................................................77 Hình 2.8. Biên tập dữ liệu trên QGIS .........................................................................78 Hình 2.9. Các tiện ích trong thư viện JavaScript của Heron MC ............................79 Hình 2.10. Leaflet trình bày các đối tượng địa lí dưới dạng đa phương tiện..........80 Hình 2.11. Bố cục trên giao diện của WebGIS .........................................................81 Hình 2.12. Kích hoạt các lớp bản đồ ..........................................................................81 Hình 2.13. Quản trị các lớp được kích hoạt ...............................................................82 Hình 2.14. Thao tác đánh dấu bản đồ.........................................................................82 Hình 2.15. Quản lý các bản đồ được đánh dấu .........................................................82 Hình 2.16. Bộ công cụ chỉnh sửa................................................................................83
Hình 2.17. Tạo ảnh bản đồ bằng Print .......................................................................84 Hình 2.18. Tạo ảnh bản đồ bằng chụp màn hình ......................................................84 Hình 2.19. Tải dữ liệu lên WebGIS............................................................................85 Hình 2.20. Kiểm tra chức năng Upload dữ liệu ........................................................85 Hình 2.21. Sử dụng WGT12 trong dạy học đối với cả lớp ......................................86 Hình 2.22. Các bước sử dụng WebGIS trong dạy học với cả lớp ...........................87 Hình 2.23. Các bước sử dụng WebGIS dạy học nhóm nhỏ.....................................89 Hình 2.24. Nhóm nhỏ làm việc với WebGIS ............................................................90 Hình 2.25. Ví dụ về dạng phiếu học tập dành cho nhóm nhỏ ở 2 kiểu phòng học 91 Hình 2.26. Tìm kiếm đối tượng theo địa chỉ .............................................................93 Hình 2.27. Định vị đối tượng theo tọa độ địa lí.........................................................94 Hình 2.28. Sử dụng công cụ Edit mô tả điểm cực Đông của Việt Nam .................95 Hình 2.29. Quan sát bản đồ sản lượng thủy sản khai thác tại 2 thời điểm khác nhau tại vùng đồng bằng sông Cửu Long ...........................................................................95 Hình 2.30. Chọn bài cần tìm hiểu (trái) và nhấp chuột lên đối tượng .....................96 để hiển thị các thông tin (phải)....................................................................................96 Hình 2.31. Ví dụ về tạo bản đồ trống trên WGT12 ..................................................97 Hình 2.32. Tải lên dữ liệu lưu trữ (trái) và hiển thị dữ liệu trên WGT12 (phải) ....97 Hình 2.33. Vị trí một số đỉnh núi, dãy núi của Việt Nam ......................................101 Hình 2.34. Các dãy núi cánh cung của Việt Nam được phóng đại từ bản đồ 4 ...102 Hình 2.35. Mẫu phiếu học tập dành cho nhóm 1 và nhóm 3 (bên trái), ...............112 nhóm 2 và nhóm 4 (bên phải) ...................................................................................112 Hình 3.1. Biểu đồ thể hiện kết quả tổng hợp xếp loại học lực HS qua bài kiểm tra số 1 ........................................................................................................... 134 Hình 3.2. Biểu đồ thể hiện kết quả tổng hợp xếp loại học lực HS qua bài kiểm tra số 2 ........................................................................................................... 137 Hình 3.3. Biểu đồ thể hiện kết quả tổng hợp xếp loại học lực HS qua bài kiểm tra số 3 ........................................................................................................... 139 Hình 3.4. GV tổ chức dạy học với WebGIS............................................................142 Hình 3.5. HS đại diện nhóm trình bày kết quả thảo luận bằng WebGIS ..............143 Hình 3.6. HS thảo luận nhóm nhỏ tại lớp học thông thường (trái)........................143 và thảo luận cặp đôi, tương tác với WebGIS tại phòng ICT (phải).......................143
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Bản đồ nói chung, bản đồ giáo khoa nói riêng là phương tiện, công cụ đặc biệt quan trọng trong dạy học địa lí ở trường phổ thông. Hệ thống các bản đồ giáo khoa cung cấp hình ảnh trực quan, khái quát về đối tượng, hiện tượng đồng thời lưu trữ nguồn tri thức địa lí phong phú. Vai trò quan trọng đó đã được Baranxki đánh giá: "bản đồ là điểm khởi đầu và kết thúc của mỗi nghiên cứu địa lí học, bản đồ là ngôn ngữ thứ hai của địa lí học" [4]. Các loại bản đồ giáo khoa đang được sử dụng trong trường phổ thông hiện nay như: bản đồ trong sách giáo khoa, bản đồ giáo khoa treo tường, atlat Địa lí Việt Nam, … chủ yếu được in trên giấy và tồn tại một số đặc điểm: tính cập nhật có độ trễ khá lớn; tỉ lệ bản đồ cố định nên các đối tượng, hiện tượng phải được khái quát hóa phù hợp với tỉ lệ khi in, khó khăn khi mở rộng khối lượng kiến thức trên bản đồ; người dùng gặp bất tiện khi muốn tra cứu hay tìm hiểu các nội dung trên bản đồ mà không mang theo bản đồ. Việc có thêm một hệ thống bản đồ giáo khoa dạng dữ liệu số, lưu trữ, cập nhật trực tuyến, dùng phối hợp với các nguồn bản đồ hiện có, sẽ khắc phục được những hạn chế trên, tạo nhiều thuận lợi cho người dạy và người học. Đối với giáo dục phổ thông, một trong những mục tiêu quan trọng là giúp học sinh phát triển toàn diện, hình thành nhân cách và trách nhiệm công dân [39]. Theo nghị quyết Hội nghị Trung ương 8 khóa XI về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo của nước ta hiện nay, một nhiệm vụ cũng là giải pháp quan trọng là tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại; phát huy tính tích cực, khuyến khích tự học, tạo cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kĩ năng, phát triển năng lực; đẩy mạnh ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông trong dạy và học [3]. Đặc biệt, việc đẩy mạnh ứng dụng thành tựu của khoa học kỹ thuật, công
2 nghệ trong dạy học, tạo môi trường tương tác hiện đại cho học sinh sẽ góp phần quan trọng trong việc đào tạo thế hệ "công dân toàn cầu", phù hợp với yêu cầu của kỷ nguyên cách mạng công nghiệp 4.0. Trong khoảng 2 thập kỉ gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống thông tin địa lí (GIS) kết hợp với sự bùng nổ của mạng Internet đã cho ra đời khái niệm mới - WebGIS. WebGIS bước đầu đã được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực của đời sống, kinh tế, xã hội trong đó có giáo dục. Người dạy và người học có thể sử dụng hệ thống bản đồ mọi lúc, mọi nơi thông qua kết nối Internet để tra cứu, khám phá kiến thức, cập nhật và chia sẻ dữ liệu địa lí là một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống này. WebGIS có thể là hướng đi thích hợp trong thời đại dạy học bằng công nghệ, góp phần đổi mới phương pháp dạy học, nâng cao hiệu quả, năng lực ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học địa lí. WebGIS được xây dựng bằng nhiều phương thức và công nghệ khác nhau. Trong đó, các phần mềm mã nguồn mở là một trong những lựa chọn được ưu tiên hàng đầu bởi khả năng linh hoạt trong triển khai ứng dụng, dễ dàng chia sẻ mà không bị giới hạn về bản quyền, tiết kiệm chi phí hạ tầng thiết bị nhưng vẫn đảm bảo khá đầy đủ các tính năng về công nghệ so với các phần mềm bản quyền khác. Phần mềm mã nguồn mở là lựa chọn phù hợp trong lĩnh vực giáo dục. Địa lí 12 ở trường trung học phổ thông là môn học giúp học sinh có những kiến thức cơ bản, nền tảng về đặc điểm tự nhiên, dân cư và nền kinh tế - xã hội của Việt Nam, những vấn đề đặt ra đối với cả nước nói chung và các vùng, các địa phương nơi học sinh sinh sống nói riêng. Hệ thống các bản đồ dùng trong dạy học Địa lí 12 chủ yếu có nguồn từ bản đồ in trong sách giáo khoa, bản đồ giáo khoa treo tường và atlat địa lí Việt Nam. Giáo viên có thể tìm kiếm thêm nguồn tư liệu bản đồ từ ứng dụng Google maps và các website
3 khác nhưng WebGIS dành riêng cho dạy học Địa lí 12 thì chưa thấy tác giả nào công bố. Xuất phát từ những lý do đó, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu “Xây dựng và sử dụng WebGIS mã nguồn mở trong dạy học Địa lí 12 trung học phổ thông” nhằm góp phần nâng cao chất lượng dạy học Địa lí ở trường phổ thông. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2.1. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng quy trình, thiết kế WebGIS bằng mã nguồn mở, xây dựng một số bản đồ mẫu trên WebGIS và sử dụng trong dạy học Địa lí 12 nhằm góp phần nâng cao hiệu quả dạy học địa lí ở trường trung học phổ thông theo hướng phát triển năng lực học sinh. 2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tổng quan cơ sở lí luận và thực tiễn của việc xây dựng và sử dụng WebGIS mã nguồn mở trong dạy học Địa lí. - Xác định những yêu cầu, nguyên tắc xây dựng và sử dụng WebGIS trong dạy học Địa lí 12 trung học phổ thông (THPT). - Xây dựng quy trình và thiết kế WebGIS. - Sử dụng WebGIS trong dạy học Địa lí 12 THPT. - Thực nghiệm sư phạm để kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng WebGIS trong dạy học Địa lí 12 THPT. 3. Đối tượng và giới hạn phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu quy trình xây dựng WebGIS; ứng dụng mã nguồn mở để xây dựng WebGIS; sử dụng WebGIS trong dạy học Địa lí 12 THPT. 3.2. Giới hạn phạm vi nghiên cứu Trong khuôn khổ luận án, chỉ xây dựng một số bản đồ mẫu trên WebGIS để dạy học 03 bài trong chương trình Địa lí 12 THPT, cụ thể là Bài 13. Thực hành: Đọc bản đồ địa hình, điền vào lược đồ trống một số dãy núi và đỉnh
4 núi; Bài 24. Vấn đề phát triển ngành Thủy sản và Lâm nghiệp; Bài 30.Vấn đề phát triển ngành Giao thông vận tải và Thông tin liên lạc. Sử dụng sản phẩm WebGIS trong dạy học 03 bài nêu trên. Việc thực nghiệm sư phạm cũng chỉ giới hạn tại 04 trường THPT thuộc Hà Nội, Thái Bình, Hưng Yên, Thái Nguyên. 4. Giả thuyết khoa học Nếu sử dụng hợp lí sản phẩm WebGIS mã nguồn mở trong dạy học Địa lí 12 thì sẽ phát huy được tính tích cực, phát triển năng lực học sinh, góp phần đổi mới phương pháp, nâng cao hiệu quả dạy học môn Địa lí ở trường phổ thông. 5. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 5.1. Trên thế giới Một số nhà giáo dục, nhà địa lí nổi tiếng của Nga đã có những nghiên cứu từ rất sớm về bản đồ và sử dụng bản đồ trong dạy học địa lí. V.P.Budanov (1948) đã nhấn mạnh đến ý nghĩa của bản đồ trong việc giảng dạy địa lí và nhu cầu phải hướng dẫn học sinh hiểu biết bản đồ để học tập địa lí [61]. A. A. Borzov (1949) cũng đã đề cập đến vai trò của bản đồ trong việc giảng dạy địa lí. Ông cho rằng cơ sở của việc học tập địa lí phải là thiên nhiên và bản đồ, cho nên một trong những mục đích cơ bản của việc học tập địa lí phải là kĩ năng đọc bản đồ và kĩ năng dựa vào bản đồ để tìm ra những kiến thức địa lí [58]. N.N.Baranxki trong cuốn sách “Phương pháp giảng dạy Địa lí kinh tế” (1960, bản dịch 1972) đã đề cập đến vai trò của bản đồ trong nghiên cứu và giảng dạy địa lí với phát biểu nổi tiếng “Tư duy địa lí là tư duy lãnh thổ, dựa trên bản đồ” [4]. Nhiều công trình nghiên cứu về lí luận, phương pháp xây dựng bản đồ dùng trong trường học được đề cập trong các tác phẩm của: Borden D. Dent (1999) “Cartorgraphy: Thematic Map Design” (Thiết kế bản đồ chuyên đề)
5 [65]; Slocum (1999) “Thematic cartography and Visualization” (Bản đồ chuyên đề và sự hiển thị) [89]; A.M. Berliant (2004) “Phương pháp nghiên cứu bằng bản đồ” [5]; K.A. Xalisev (bản dịch 2005) “Bản đồ học" [53]. Bên cạnh việc xây dựng bản đồ bằng phương pháp truyền thống, các tác giả đã trình bày công tác tự động hoá trong việc thành lập bản đồ, như việc sử dụng các thiết bị vẽ, thiết bị in ấn nhằm tăng hiệu quả của công tác xây dựng bản đồ, đồng thời các tác giả đều nhấn mạnh vai trò to lớn của việc sử dụng bản đồ trong nghiên cứu và giảng dạy địa lí. Từ cuối thế kỷ XX, sự phát triển và bùng nổ của khoa học kỹ thuật và công nghệ đã dẫn đến sự ra đời của dạng bản đồ mới - bản đồ số (digital map). Bản đồ số có nhiều điểm ưu việt, thể hiện trong quá trình thiết kế, thành lập, hình thức, trọng tải, tính linh động, khả năng cập nhật, ... Đây chính là một tiền đề quan trọng, tạo một bước nhảy vọt trong việc xây dựng và sử dụng bản đồ. Một số nghiên cứu nổi bật như: Denis Wood, John Fels (1992) “The power of maps” (Sức mạnh của bản đồ) [92]; A.H. Robinson và nnk (1995) “Element of Cartograpohy”(Yếu tố của bản đồ) [86]; M.J. Kraak và F.J. Ormeling (1996) “Cartography: visualization of spatial data” (Bản đồ: hiển thị dữ liệu không gian) [75]; Allan Brown (2001) Web Cartography: developments and prospects (Bản đồ web: sự phát triển và triển vọng) [60]; Alan M. MacEachren (2004) “How maps work: representation, visualization, and design” ( Bản đồ làm việc như thế nào: sự trình bày, hiển thị và thiết kế) [77]; M.P. Peterson (2005) “Maps and the internet” (Bản đồ và internet) [83]; E. Stefanakis và nnk (2006) “Geographic hypermedia: concepts and systems” (Siêu đa phương tiện địa lí: khái niệm và hệ thống) [90]; W. Cartwright và nnk (2007) “Multimedia Cartography” (Bản đồ đa phương tiện) [62], … Các công trình đã trình bày việc sử dụng công nghệ và khoa học kỹ thuật trong xây dựng và sử dụng bản đồ, đồng thời đưa ra những phân tích, so sánh tính ưu việt của bản đồ điện tử, bản đồ đa phương tiện so với bản đồ truyền thống, trong đó các tác giả cũng
6 đưa ra các khái niệm nền tảng về loại hình bản đồ trên nền web, trên internet. Các khái niệm tương tự bản đồ trực tuyến như Web Mapping, GIS Internet, GIS Online, Web-based GIS hay WebGIS ngày càng trở nên phổ biến từ sau khi xuất hiện Xerox PARC Map Viewer - bản đồ chạy trên nền web đầu tiên được xây dựng dựa trên CGI/Perl (1993). Từ đó rất nhiều các cá nhân, tổ chức, quốc gia đã chú trọng tới hướng phát triển này, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của WebGIS vào đầu thế kỷ XXI. Những hãng công nghệ hàng đầu thế giới trong lĩnh vực bản đồ trực tuyến không thể không nhắc tới là Google với dịch vụ google.com/maps, Microsoft với Bing.com/maps, Esri với ArcGIS online,… Tuy nhiên, các thuật toán và nền tảng công nghệ bản đồ trực tuyến của các hãng này có tính bản quyền, không hoàn toàn là mã nguồn mở. WebGIS mã nguồn mở thực sự nở rộ khi các nền tảng công nghệ máy chủ bản đồ (Map Server) mã nguồn mở ra đời, trong đó phải kể đến UMN MapServer (1997) [108], Geoserver (2001) [107], Deegree (2002) [112]. Ngoài ra còn phải kể đến sự phát triển rầm rộ của các ứng dụng, phần mềm mã nguồn mở liên quan đến GIS và Web như PostgreSQL/PostGIS, Open Layer, MapBuilder, MapBender, QGIS, uDig, gvSIG, ... Các dự án WebGIS rất phong phú về số lượng, đa dạng về lĩnh vực ứng dụng và mở rộng tới rất nhiều quốc gia trên thế giới như các dự án WebGIS về hành chính công của công ty Greenwood Mapping (Mỹ) [111]; Atlat quốc gia (Canada) [110], WebGIS quản lý lưu vực sông [109] hay tra cứu cho khảo cổ học (Italy) [59]; thông tin về tài nguyên thiên nhiên (Ấn Độ) [88]; WebGIS phục vụ ngành du lịch tại Nigeria [67], Bồ Đào Nha [81]; WebGIS quản lý, điều khiển phương tiện giao thông (Đài Loan) [63] hay quản lý, phân tích dữ liệu giám sát rừng (Đức) [55],… Có thể thấy, WebGIS ngày càng có vị thế quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống, phục vụ phát triển kinh tế - xã hội. Trong lĩnh vực giáo dục, WebGIS cũng sớm được ứng dụng vào giảng dạy tại nhiều quốc gia.
7 Milson và các cộng sự đã chỉ ra rằng WebGIS là phương hướng phát triển quan trọng của GIS ở Mỹ cũng như trên toàn thế giới [79]. Các tác giả cũng đã điều tra và thống kê cho thấy trong số 60 trường đại học của Hiệp hội tổ chức thành viên GIS (UCGIS), việc khởi tạo, chia sẻ webGIS dễ dàng và phổ biến. Trong số hơn 7000 tổ chức giáo dục đại học trên toàn cầu sử dụng các sản phẩm của Esri, phần lớn trong số này tạo và sử dụng WebGIS để hướng dẫn học sinh học tập. Tại Mỹ, ước tính vào năm 2017, hơn 25.000 trường sử dụng webGIS trong giảng dạy ở nhiều cấp độ và trong nhiều lĩnh vực. Tại các trường học ở Canada, Anh và Châu Âu (đặc biệt là Đức, Na Uy và Pháp) số lượng webGIS tăng nhanh, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học Địa lí và Trái Đất hay khoa học môi trường. Điều tương tự cũng được ghi nhận tại Úc, Đài Loan, Thổ Nhĩ Kỳ, Dominica và Đức [79]. Theo Esri Canada, WebGIS có thể dễ dàng kết hợp vào chương trình giảng dạy ở trường phổ thông, đặc biệt là trong các môn học như nghiên cứu xã hội, địa lí, lịch sử, chính trị và khoa học và công nghệ. Mặc dù việc áp dụng Web GIS chủ yếu trong chương trình giảng dạy từ lớp 9 đến lớp 12, tuy nhiên cũng có thể áp dụng vào nội dung chương trình giảng dạy cho học sinh nhỏ tuổi từ lớp 2 đến lớp 4. Bất kể lĩnh vực hay chủ đề nào, WebGIS đều có thể được sử dụng để hỗ trợ tìm hiểu về các vấn đề địa phương như định vị bãi chôn lấp rác thải mới hoặc tìm hiểu các mô hình giao thông, các vấn đề quốc tế mở rộng như di cư và phát triển bền vững [66]. Martin Duren và Thomas Bartoschek [57] đã nghiên cứu phê phán 5 trang WebGIS đang được dùng trong dạy học phổ thông của nước Đức, trên cơ sở đó đã đề xuất giải pháp thực hiện 1 mẫu WebGIS dùng chung cho các trường phổ thông với yêu cầu trực quan, tương tác tốt và dễ dàng thực hiện đối với HS, giúp HS phát huy được khả năng của bản thân. Theo Stéphane Joost, học sinh tiểu học và trung học ở Thụy Sĩ đã được học tập trên nền tảng WebGIS dành cho giáo dục. WebGIS có tên Hydroweb,
8 cung cấp kiến thức về các biến thể không gian, thời gian của các tham số khí tượng ở quy mô lưu vực. Đây là một phần của chương trình giáo dục môi trường tại Thụy Sĩ, do CCES, một thành viên trong Hiệp hội các trường đại học và viện nghiên cứu liên bang Thụy Sĩ thực hiện [73]. Trong một nghiên cứu chuyên sâu về WebGIS trong giáo dục, Baker đã trình bày những thách thức cũng như những lợi thế khi sử dụng WebGIS trong giáo dục nhìn từ kinh nghiệm của các quốc gia đã triển khai. Ông cũng khẳng định WebGIS có rất nhiều ưu điểm trong học tập chính khóa hay ngoại khóa tại tất cả các trường phổ thông và trường đại học [56]. Nghiên cứu của Tomoaki Ito [72] cho thấy GIS và WebGIS được chú trọng đầu tư từ rất sớm tại Nhật Bản. Thậm chí ngay đầu thập niên 90 của thế kỷ XX đã có các đề xuất tích hợp GIS trong giáo dục địa lí ở trường phổ thông. Tuy nhiên quá trình này diễn ra chậm và gặp phải một số khó khăn, chủ yếu là do ngân sách quốc gia. Sau đó, Nhật Bản đã đưa GIS vào Chuẩn chương trình giáo dục quốc gia mới và chính sách này có hiệu lực từ năm 2013. Đây là bước ngoặt cho cả nghiên cứu GIS và giáo dục địa lí ở Nhật Bản. GIS được xem xét đưa vào tất cả các chủ đề địa lí, đặc biệt là ở chương trình địa lí THPT. Một tác giả khác, Hideki Oshima, đánh giá WebGIS trở thành một trong những lựa chọn để hỗ trợ việc dạy học địa lí, cũng nhằm thúc đẩy sự phát triển của GIS. Việc xây dựng WebGIS đều nhờ vào lực lượng các chuyên gia về GIS [82]. 5.2. Tại Việt Nam Đã có nhiều giáo trình nghiên cứu về bản đồ và sử dụng bản đồ trong dạy học Địa lí, tiêu biểu như: Ngô Đạt Tam (1968) "Giáo trình Địa đồ học" [45]; Phạm Ngọc Đĩnh, Vũ Tuấn Cảnh, Lâm Quang Dốc, Lê Huỳnh, Hoàng Xuân Lính, Đỗ Thị Minh Tính (1976) "Giáo trình Bản đồ học" [20], Lê Huỳnh - Lê Ngọc Nam (chủ biên) (2001) "Bản đồ học chuyên đề" [32]; Lâm Quang Dốc - Phạm Ngọc Đĩnh (chủ biên), Vũ Bích Vân, Nguyễn Minh Ngọc