Lê Văn Điểm Hiệu đính: PGS. Đào Ngọc Biên ĐỒ ÁN NHẬP MÔN KỸ THUẬT Hải Phòng 2020 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU. 1 Phần I: GIỚI THIỆU CHUNG. Xe bẫy chuột (Mouse-Trap Car) là gì.
Tại sao cần thiết kế và chế tạo xe bẫy chuột. Mục tiêu của đồ án xe bẫy chuột. 6 Phần II: KHÁM PHÁ MÔ HÌNH. 9 Lab #1 – Khảo nghiệm mô hình (Chasing the Mouse).
9 Lab #2 – Lực và ma sát (The Force is Against You). 13 Lab #3 – Lực bám mặt đường (The Spinning Wheels). 16 Lab #4 – Quán tính quay (As the Wheel Turn). 18 Lab #5 – Thế năng và hằng số lò xo (All Wound-up).
21 Lab #6 – Lực ma sát – Phần II (The Force Against You, Part II). 26 Lab #7 – Lực kéo, tỷ số truyền động cơ khí, công suất (How Far Can I Go) 27 Lab #8 – Hiệu suất (Conserving Energy). 30 Phần III: HƯỚNG DẪN QUY TRÌNH CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ. Một số yêu cầu chung.
Đề cương thực hiện đồ án. Yêu cầu về sản phẩm và cách đánh giá. Cấu trúc thuyết minh đồ án Mouse-Trap Car. Một số gợi ý và vấn đề thường gặp.
46 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Le Van Diem ii LỜI NÓI ĐẦU Thực hiện đổi mới giáo dục đại học theo hướng phát triển phẩm chất và năng lực cho sinh viên là nhiệm vụ hàng đầu của các trường đại học hiện nay nhằm hiện thực hóa Nghị quyết số 29-NQ/TƯ của Hội nghị Trung ương 8 Khóa XI về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đại học. Trường Đại học Hàng hải Việt Nam hiện đang vận hành các chương trình đào tạo đại học theo tiêu chuẩn CDIO - là tiêu chuẩn xây dựng và vận hành chương trình đào tạo tiên tiến trên thế giới nhằm hướng tới phát triển năng lực toàn diện cho người học. Tiêu chuẩn CDIO được thiết kế hướng tới đối tượng là chương trình đào tạo các ngành kỹ thuật.
CDIO đề xuất 12 tiêu chuẩn, trong đó tiêu chuẩn số 4 là Nhập môn kỹ thuật (Standard 4: Introduction to Engineering). Theo đó, các chương trình đào tạo cần thiết kế một học phần nhằm giúp người học định hình khung cơ bản (framework) về nghề nghiệp kỹ thuật, bao gồm sự hình dung về sản phẩm, quá trình, hệ thống của nghề nghiệp tương lai, cũng như yêu cầu về các kỹ năng cá nhân, liên cá nhân (personal, interpersonal skills). Theo CDIO, việc hình thành phẩm chất, năng lực của sinh viên (gọi là năng lực CDIO) trong quá trình vận hành chương trình đào tạo được ẩn dụ như như quá trình xây dựng cổng vòm, bao gồm một số thành phần là: Phần móng, phần khung, phần tường và mái vòm (hình dưới). Trong đó, học phần Nhập môn kỹ thuật đóng vai trò như là bộ phận trung tâm giúp tạo ra khung sơ khởi trong quá trình xây dựng cho đến khi mái vòm có thể tự đứng vững được.
Khi đã có khung, thì những khối kiến thức Khoa học (Sciences), kiến thức Ngành (Disciplines) và đồ án tốt nghiệp (Capstone) sẽ lần lượt tạo thành móng, tường và mái vòm để hoàn chỉnh năng lực CDIO cho người học. Học phần nhập môn thường được bố trí vào đầu khóa học nhằm giúp sinh viên có những trải nghiệm thực hành nghề nghiệp đầu tiên, qua đó khơi gợi đam mê theo đuổi nghề nghiệp kỹ thuật. Khung cơ bản về nghề nghiệp được giới thiệu trong học phần nhập môn thường bao gồm: Nhiệm vụ và trách nhiệm xã hội của người kỹ 2020 Assoc. Le Van Diem 1 sư; Sử dụng kiến thức chuyên ngành để thực hành nhiệm vụ; Thực hành các kỹ thuật giải quyết vấn đề với các bài tập thiết kế đơn giản theo hình thức cá nhân và theo nhóm; Các phẩm chất, kỹ năng cá nhân và liên cá nhân như tư duy suy xét, phản biện, đạo đức nghề nghiệp, hay kỹ năng giao tiếp và làm việc nhóm.
Các chương trình đào tạo theo CDIO ngành kỹ thuật cơ khí tại Viện Cơ khí - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam được triển khai với học phần Nhập môn kỹ thuật được bố trí vào học kỳ đầu tiên. Nhằm định hình khung nghề nghiệp ban đầu cũng như rèn luyện những năng lực CDIO đầu tiên, ngoài giảng dạy lý thuyết, sinh viên còn thực hiện dự án xe bẫy chuột (Mouse-trap Car). Theo đó, sinh viên cần vận dụng các kiến thức, kỹ năng học được ở học phần này và kiến thức vật lý cơ bản để hoàn thành dự án với bốn giai đoạn trải nghiệm CDIO: Hình thành ý tưởng (Conceive); Thiết kế (Design); Triển khai (Implement); Vận hành (Operation). Tài liệu Đồ án Mouse-Trap Car được biên soạn như là một khung để giúp sinh viên có thể hiểu rõ và tự mình trải nghiệm để hình thành năng lực CDIO đầu tiên.
Phát triển mô hình xe mà một dự án mang tính mở, không có một công thức chung nào cho thành công. Chỉ với những nguyên vật liệu đơn giản, sinh viên có thể chế tạo xe mô hình có thể di chuyển được chỉ 5 mét; những thiết kế tốt lại có thể cho những xe mô hình có thể di chuyển đến 100 mét. Với mục tiêu khơi gợi đam mê theo đuổi nghề nghiệp kỹ thuật và kích thích sáng tạo, tài liệu này chỉ đóng vai trò như một khung cơ bản để sinh viên dựa vào đó khám phá những bí mật của kỹ thuật và thỏa sức sáng tạo. Ở các nước có nền giáo dục phát triển, học phần nhập môn với nguyên lý khơi gợi đam mê nghề nghiệp nói chung, và những dự án sáng tạo kiểu như Mouse-Trap Car nói riêng, đã được áp dụng thành công từ rất lâu.
Còn ở Việt Nam, hiện chỉ có rất ít các trường đại học áp dụng mô hình này. Vì vậy, tài liệu hướng dẫn đồ án Mouse-trap Car cũng lần đầu được chính thức biên soạn. Nội dung tài liệu hướng dẫn này dựa trên đề xuất đang áp dụng tại một số trường đại học ở Hoa Kỳ và kinh nghiệm thực hiện dự án Mouse-trap Car đối với sinh viên từ Khóa 58 tại Viện Cơ khí - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Tác giả xin chân thành cảm ơn những đóng góp của các đồng nghiệp đang cùng giảng dạy học phần Nhập môn kỹ thuật tại Viện Cơ khí.
Vì lần đầu tiên được triển khai và xuất bản ở Việt Nam, nên tài liệu không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc để hoàn thiện hơn. Le Van Diem 2 Phần I: GIỚI THIỆU CHUNG 1. Xe bẫy chuột (Mouse-Trap Car) là gì Xe bẫy chuột là một chiếc xe được vận hành hoàn toàn bằng năng lượng từ lo xo của bẫy chuột.
Nguyên lý cơ bản của xe như sau (Hình 1): Bẫy chuột được gắn trên thân xe, phần khung chuyển động hoặc một đầu lò xo của bẫy chuột được gắn với một tay đòn (lever arm). Phía đầu tay đòn được nối với một sợi dây (string), đầu kia của dây được quấn trên trục bánh dẫn động (drive axle). Khi vận hành, khung của bẫy chuột được kéo lên, lò xo xoắn lại (góc xoắn thường là 1800), dây truyền động được quấn quanh trục của bánh xe dẫn động. Ở trạng thái này, xe được tích trữ năng lượng nhờ thế năng của lò xo.
Khi đó, nếu nhả lò xo, mô men xoắn của lò xo tạo thành lực kéo ở đầu tay đòn, qua dây truyền động biến thành mô men dẫn động trên trục của bánh xe dẫn động. Mô hình xe bẫy chuột Với cấu tạo hết sức đơn giản, những người mới làm quen có thể thiết kế và chế tạo chiếc xe di chuyển được vài mét. Để chế tạo chiếc xe có thể đi xa trên 100m hoặc gia tốc đến tốc độ 5m/s trong thời gian dưới một giây, cần hiểu rõ những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của xe. Ví dụ: Ma sát ảnh hưởng như thế nào đến khoảng cách xe đi được; Chiều dài của tay đòn, chiều dài dây truyền động, đường kính bánh xe dẫn động, hay đường kính trục dẫn động có quan hệ như thế nào và ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động của xe.
Le Van Diem 3 1. Tại sao cần thiết kế và chế tạo xe bẫy chuột Giáo dục đại học Thế kỷ 21 đang có sự chuyển dịch mạnh mẽ theo hướng định nghĩa năng lực của người học thông qua các chuẩn đầu ra và tìm cách đạt được các chuẩn đầu ra đó trong quá trình đào tạo. Tổ chức văn hóa, khoa học và giáo dục Liên hợp quốc (UNESCO) đã định nghĩa bốn trụ cột của giáo dục (Four Pillars of Learning) Thế kỷ 21 (Hình 2) như là phẩm chất, năng lực cần thiết của một con người trưởng thành trong xã hội hiện đại. Bốn trụ cột của giáo dục Thế kỷ 21 (Nguồn: Internet) - Học để biết (Learning to know): Học để biết không chỉ học kiến thức, mà còn học phương pháp học tập, vốn là một công cụ gắn bó mật thiết với giáo dục cơ bản.
Đây cũng là kỹ năng để mỗi cá nhân có thể tận dụng cơ hội để học tập suốt đời. Trong thế giới mà khoa học công nghệ cũng như các hình thức kinh tế-xã hội phát triển nhanh chóng như hiện nay, thì kỹ năng học tập càng trở nên quan trọng. - Học để làm (Learning to do): Học để làm là việc tích lũy các kỹ năng nghề nghiệp cần thiết cho thực hành nghề nghiệp sau này. Việc tích lũy kỹ năng nghề nghiệp cũng cần có điều kiện để việc học tập được phối hợp với khu vực kinh doanh hay sản xuất công nghiệp.
Người học cũng cần được trang bị kỹ năng để có thể đối phó với những biến động khó lường trong thế giới thực tế. Le Van Diem 4 - Học để chung sống (Learning to live together): Học để chung sống là sự cần thiết hiểu biết người khác về lịch sử, truyền thống, tâm hồn của họ. Sự hiểu biết lẫn nhau giúp sáng tạo tinh thần mới và giúp con người đối mặt với những rủi ro, thử thách trong tương lai, cũng như dẫn dắt họ khi cùng tham gia các dự án, đối mặt với những xung đột một cách thông minh và hòa bình, hay thoát khỏi sự hoài nghi, tự mãn. - Học để trưởng thành (Learning to be): Học để trưởng thành là sự nhấn mạnh phát triển tiềm năng con người một cách toàn diện.
Sự trưởng thành của con người trong Thế kỷ 21 cần thể hiện ở tư duy đánh giá độc lập, kết hợp với nhận thức mạnh hơn về trách nhiệm đối với những mục tiêu chung của xã hội, cộng đồng, hay doanh nghiệp, tổ chức.