I. Hướng dẫn lắp ráp bàn thực hành điện tại ĐH KTCN Thái Nguyên
Dự án “Xây dựng lắp ráp bàn thực hành trang bị điện” mã số T2020-ÐH03 là một sáng kiến quan trọng nhằm giải quyết nhu cầu cấp thiết về trang thiết bị dạy học. Sáng kiến này được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu do ThS. Đinh Quang Ninh chủ nhiệm tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là thiết kế, chế tạo và lắp ráp 06 bàn thực hành trang bị điện hoàn chỉnh. Các bàn thực hành này được trang bị các thiết bị công nghiệp thực tế, tạo điều kiện thuận lợi cho giảng viên hướng dẫn và giúp sinh viên kết nối trực tiếp lý thuyết với thực tiễn. Việc hiện đại hóa cơ sở vật chất giáo dục thông qua các thiết bị thực hành điện công nghiệp không chỉ giúp sinh viên dễ dàng nhận diện, lắp đặt và đo lường thông số mạch điện, mà còn góp phần đổi mới phương pháp giảng dạy. Đây được xem là một bước tiến chiến lược trong việc nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường lao động. Dự án này phục vụ trực tiếp cho sinh viên các chuyên ngành Điện tự động hóa, Kỹ thuật điện và Tự động hóa hệ thống điện, những ngành đòi hỏi kỹ năng thực hành vững chắc.
1.1. Tầm quan trọng của việc hiện đại hóa cơ sở vật chất giáo dục
Trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0, việc hiện đại hóa cơ sở vật chất giáo dục đóng vai trò nền tảng để nâng cao năng lực cạnh tranh của nguồn nhân lực. Các chương trình đào tạo kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện, đòi hỏi sự cân bằng giữa lý thuyết và thực hành. Tuy nhiên, nhiều cơ sở đào tạo vẫn đang đối mặt với tình trạng trang thiết bị phòng thí nghiệm cũ, lạc hậu, không còn phù hợp với công nghệ hiện tại trong các nhà máy và doanh nghiệp. Điều này tạo ra một khoảng cách lớn giữa kiến thức được học và yêu cầu thực tế, làm giảm khả năng thích ứng của sinh viên sau khi tốt nghiệp. Đầu tư vào các mô hình học cụ ngành điện hiện đại không chỉ là nâng cấp phần cứng, mà còn là đầu tư vào phương pháp giảng dạy, tạo ra môi trường học tập trực quan, sinh động và hiệu quả. Việc này giúp sinh viên không chỉ nắm vững nguyên lý mà còn thành thạo các kỹ năng thao tác, xử lý sự cố, đáp ứng chuẩn đầu ra của chương trình và yêu cầu của nhà tuyển dụng.
1.2. Mục tiêu chính của dự án tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Theo báo cáo tổng kết đề tài, mục tiêu của dự án được xác định rõ ràng và cụ thể. Thứ nhất, thiết kế và lắp đặt thành công 06 bàn thực hành trang bị điện tích hợp đầy đủ các thiết bị cần thiết. Thứ hai, tạo điều kiện để sinh viên có thể ứng dụng ngay kiến thức lý thuyết vào các bài thực hành, giúp họ dễ dàng cảm nhận hình dạng, vị trí và thao tác trên các thiết bị thực. Thứ ba, góp phần hiện đại hóa phương tiện và phương pháp dạy học, giảm tải cho hệ thống thực hành cũ và tăng thời lượng thực hành cho sinh viên. Sản phẩm cuối cùng của dự án là 06 bàn thực hành hoàn chỉnh, sẵn sàng đưa vào phục vụ công tác giảng dạy. Đây là một dự án cung cấp thiết bị giáo dục mang tính ứng dụng cao, trực tiếp cải thiện môi trường học tập và rèn luyện kỹ năng nghề cho sinh viên, đặc biệt trong việc đào tạo kỹ sư điện Thái Nguyên.
II. Giải pháp cho thiết bị thực hành điện công nghiệp đang lạc hậu
Thực trạng tại Xưởng điện - Trung tâm Thực nghiệm của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã chỉ ra nhiều bất cập nghiêm trọng. Các thiết bị thực hành điện công nghiệp hiện có không đồng bộ, hoạt động thiếu chính xác và đã trở nên lạc hậu so với công nghệ thực tế tại các doanh nghiệp. Báo cáo đề tài nhấn mạnh, "Nội dung bài thực hành nghèo nàn" và "sinh viên còn thiếu các kiến thức kĩ năng nghề thực tế". Tình trạng này gây ra hệ quả là chất lượng các buổi thực hành, thực tập bị suy giảm đáng kể, trong khi số lượng sinh viên lại ngày càng tăng, dẫn đến quá tải. Các bài thực hành chỉ mang tính chất mô hình, khác xa so với môi trường làm việc chuyên nghiệp. Để giải quyết triệt để những thách thức này, giải pháp “Xây dựng lắp ráp bàn thực hành Trang bị điện” đã được đề xuất và triển khai. Sáng kiến này không chỉ thay thế các thiết bị cũ mà còn tích hợp nhiều bài toán thực tế vào một mô hình học cụ ngành điện duy nhất, mang lại tính trực quan và hiệu quả cao trong quá trình giảng dạy.
2.1. Thực trạng trang thiết bị phòng thí nghiệm tại Xưởng điện
Trước khi dự án được triển khai, các trang thiết bị phòng thí nghiệm tại Xưởng điện chủ yếu là các thiết bị rời rạc, cũ kỹ. Việc này gây ra nhiều khó khăn trong giảng dạy và học tập. Sinh viên phải tốn nhiều thời gian để kết nối các module riêng lẻ, làm giảm thời gian tập trung vào nội dung chính của bài thực hành. Hơn nữa, sự thiếu đồng bộ giữa các thiết bị dẫn đến việc các thông số đo lường không còn chính xác, ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm và nhận thức của người học. Sự lạc hậu của công nghệ trên các thiết bị cũ cũng không phản ánh đúng môi trường sản xuất công nghiệp hiện đại, nơi các hệ thống tự động hóa và điều khiển tích hợp đang ngày càng phổ biến. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp bách phải có sự đổi mới toàn diện, bắt đầu từ việc thay thế các thiết bị không còn phù hợp.
2.2. Hạn chế của mô hình học cụ ngành điện rời rạc thiếu đồng bộ
Mô hình học tập sử dụng các mô hình học cụ ngành điện rời rạc bộc lộ nhiều hạn chế. Thứ nhất, nó làm mất đi tính liên tục về mặt nhận thức của sinh viên, vì họ phải lắp ghép thủ công nhiều thành phần trước khi có thể vận hành một hệ thống hoàn chỉnh. Thứ hai, nó làm tăng nguy cơ sai sót trong quá trình đấu nối, có thể gây hư hỏng thiết bị hoặc mất an toàn. Thứ ba, việc chuẩn bị và dọn dẹp các thiết bị rời rạc chiếm một khoảng thời gian đáng kể trong mỗi buổi thực hành, làm giảm hiệu suất sử dụng thời gian học tập. Các bàn thực hành tích hợp ra đời để khắc phục những nhược điểm này, đảm bảo một môi trường thực hành an toàn, hiệu quả và gần gũi hơn với các tủ điện điều khiển công nghiệp thực tế.
III. Phương pháp thiết kế bàn thí nghiệm PLC và biến tần hiện đại
Để xây dựng một hệ thống thực hành hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp thiết kế theo hướng tích hợp và module hóa. Cốt lõi của hệ thống là các bàn thí nghiệm PLC và biến tần, cho phép thực hiện các bài toán từ cơ bản đến nâng cao. Các thiết bị được lựa chọn đều là khí cụ điện công nghiệp phổ biến, bao gồm Aptomat, Contactor, Rơ le nhiệt, Rơ le thời gian, và đặc biệt là bộ điều khiển PLC LOGO. Cấu trúc của mỗi bàn thực hành được chia thành ba phần rõ rệt: mạch lực, mạch điều khiển và bộ điều khiển PLC. Cách tiếp cận này đảm bảo tính logic, dễ hiểu và an toàn cho người sử dụng. Toàn bộ hệ thống được thiết kế để có thể thực hiện đa dạng các bài tập, từ khởi động động cơ, đảo chiều, đổi nối sao-tam giác cho đến các ứng dụng tự động hóa phức tạp sử dụng PLC. Việc lựa chọn các thiết bị dạy nghề tự động hóa tiêu chuẩn giúp sinh viên làm quen trực tiếp với những gì họ sẽ gặp trong môi trường làm việc sau này.
3.1. Lựa chọn các khí cụ và thiết bị dạy nghề tự động hóa cốt lõi
Việc lựa chọn thiết bị là yếu tố quyết định đến chất lượng và tính ứng dụng của bàn thực hành. Dựa trên phân tích các bài thực hành cốt lõi trong học phần Trang bị điện, nhóm tác giả đã lựa chọn một danh mục thiết bị toàn diện. Các khí cụ điện chính bao gồm: Aptomat 3 pha (20A), Contactor (22A), Rơ le nhiệt (22A) của hãng LS, cầu chì ống, nút ấn, đèn báo, và công tắc xoay. Đặc biệt, bộ điều khiển PLC LOGO 230RCE được tích hợp làm trung tâm điều khiển cho các bài toán tự động. Việc sử dụng các thiết bị dạy nghề tự động hóa phổ biến này không chỉ đảm bảo độ tin cậy mà còn giúp sinh viên dễ dàng tìm kiếm tài liệu và áp dụng kiến thức vào thực tế. Mỗi thiết bị được gắn trên bảng điều khiển một cách khoa học, có nhãn ghi chú rõ ràng, giúp sinh viên thao tác nhanh chóng và chính xác.
3.2. Cấu trúc tích hợp mạch lực và mạch điều khiển trên bàn thực hành
Một trong những ưu điểm nổi bật của thiết kế là sự tích hợp thông minh giữa mạch lực và mạch điều khiển trên cùng một mặt phẳng. Mạch lực, bao gồm Aptomat, Contactor và Rơ le nhiệt, được bố trí để kết nối trực tiếp với động cơ 3 pha công suất 0.8kW. Mạch điều khiển sử dụng các thiết bị như nút ấn, rơ le trung gian, rơ le thời gian được đấu nối sẵn ra các cầu đấu. Sinh viên chỉ cần sử dụng dây cắm để kết nối các điểm trên cầu đấu theo sơ đồ mạch điện, mô phỏng quá trình đi dây trong tủ điện thực tế. Cấu trúc này vừa đảm bảo an toàn (do không can thiệp trực tiếp vào mạch điện áp cao), vừa tiết kiệm thời gian, cho phép sinh viên tập trung vào logic điều khiển. Đây là một phương pháp hiệu quả để xây dựng hệ thống thực hành khí nén điện và các hệ thống điều khiển khác trong tương lai.
IV. Quy trình lắp ráp bàn thực hành trang bị điện chuyên nghiệp
Quá trình hiện thực hóa từ thiết kế đến sản phẩm hoàn chỉnh đòi hỏi một quy trình lắp ráp chuyên nghiệp và tỉ mỉ. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành lắp ráp 06 bàn thực hành trang bị điện theo các bước chuẩn hóa, đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng cao. Quá trình này bắt đầu từ việc gia công cơ khí khung bàn, mặtパネル, sau đó tiến hành lắp đặt các thiết bị lên bảng điều khiển theo sơ đồ thiết kế. Giai đoạn đi dây và đấu nối các thiết bị bên trong được thực hiện cẩn thận, tuân thủ các tiêu chuẩn về an toàn điện. Tất cả các đầu dây được đánh số, các tiếp điểm của thiết bị được đưa ra cầu đấu một cách khoa học. Sau khi hoàn thiện phần cứng, mỗi bàn thực hành đều được kiểm tra kỹ lưỡng về khả năng vận hành, độ an toàn và tính chính xác của các mạch điện. Quy trình nghiệm thu bàn giao thiết bị thực hành được thực hiện nghiêm ngặt trước khi đưa vào sử dụng chính thức, đảm bảo sản phẩm cuối cùng đáp ứng đầy đủ các mục tiêu đề ra của đề tài.
4.1. Triển khai lắp đặt module thí nghiệm điện tử công suất
Mặc dù đề tài tập trung vào trang bị điện, cấu trúc module của bàn thực hành mở ra khả năng tích hợp các module thí nghiệm điện tử công suất trong tương lai. Hiện tại, các module chính được lắp đặt bao gồm khối nguồn, khối khí cụ điện đóng cắt, khối điều khiển và khối PLC. Việc lắp đặt được thực hiện theo từng module, giúp dễ dàng kiểm tra, sửa chữa và nâng cấp sau này. Ví dụ, bộ điều khiển PLC LOGO được thiết kế như một module riêng biệt, với 8 đầu vào được giả lập bằng nút ấn và 4 đầu ra được giả lập bằng rơ le trung gian. Cách tiếp cận này cho phép sinh viên thực hành riêng lẻ trên từng module trước khi kết nối chúng thành một hệ thống hoàn chỉnh, giúp củng cố kiến thức một cách tuần tự và logic. Quá trình lắp đặt được thực hiện bởi đội ngũ kỹ thuật có chuyên môn, đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm.
4.2. Hoàn thiện và chuyển giao công nghệ phòng lab cho khoa Điện TNUT
Sau khi lắp ráp và kiểm tra, bước cuối cùng là hoàn thiện tài liệu hướng dẫn và chuyển giao công nghệ phòng lab. Nhóm nghiên cứu đã biên soạn bộ tài liệu chi tiết, bao gồm sơ đồ nguyên lý, hướng dẫn vận hành, và các bài thực hành mẫu từ cơ bản đến nâng cao. Nội dung bao gồm các bài như khởi động động cơ, đảo chiều, điều khiển tuần tự và ứng dụng PLC trong chiếu sáng, tưới cây tự động. Quá trình nghiệm thu bàn giao thiết bị thực hành được tiến hành giữa nhóm thực hiện đề tài và đại diện Trung tâm Thực nghiệm. Sự thành công của việc chuyển giao đảm bảo rằng giảng viên và sinh viên tại phòng thực hành khoa Điện TNUT có thể khai thác tối đa hiệu quả của hệ thống bàn thực hành mới, góp phần trực tiếp vào việc nâng cao chất lượng dạy và học.
V. Đánh giá hiệu quả lắp ráp bàn thực hành điện tại ĐH KTCN TNUT
Hiệu quả của dự án lắp ráp bàn thực hành trang bị điện đã được chứng minh rõ rệt qua quá trình thực nghiệm. Theo báo cáo, các module thực hành đã được triển khai thí điểm trên 20 nhóm sinh viên, tương đương 300 sinh viên, tại Xưởng điện. Kết quả đánh giá cho thấy sự vượt trội của mô hình bàn thực hành tích hợp so với việc sử dụng các thiết bị rời rạc trước đây. Cụ thể, mức độ hoàn thành các bài thực hành của sinh viên đạt 100%, so với chỉ 80% khi dùng thiết bị cũ. Đặc biệt, mô hình mới giúp tiết kiệm 100% dây điện đấu nối bên ngoài, giảm thiểu lãng phí và thời gian chuẩn bị. Quan trọng nhất, mức độ thành thạo kỹ năng thực hành của sinh viên tăng từ 70% lên đến 95%. Những con số này khẳng định việc đầu tư vào hệ thống bàn thực hành mới là một quyết định đúng đắn, mang lại lợi ích thiết thực trong việc nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật tại trường.
5.1. So sánh kết quả đào tạo kỹ sư điện trước và sau dự án
Bảng so sánh kết quả trong báo cáo nghiên cứu là minh chứng thuyết phục nhất về hiệu quả của dự án. Trước đây, với thiết bị rời rạc, sinh viên gặp khó khăn trong việc hoàn thành toàn bộ nội dung, chỉ đạt 80%. Sau khi áp dụng bàn thực hành tích hợp, 100% sinh viên có thể hoàn thành đầy đủ yêu cầu. Việc loại bỏ công đoạn đấu nối dây phức tạp không chỉ tiết kiệm vật tư mà còn giúp sinh viên có thêm thời gian để tập trung vào phân tích mạch và rèn luyện kỹ năng. Kết quả là, chất lượng đào tạo kỹ sư điện Thái Nguyên được cải thiện đáng kể, thể hiện qua mức độ thành thạo kỹ năng nghề tăng vọt lên 95%. Mô hình mới đã đảm bảo "tính chất liên tục về mặt nhận thức", giúp người học hiểu sâu và thực hiện chính xác các thao tác.
5.2. Phản hồi thực tế từ giảng viên và sinh viên khoa Điện TNUT
Sau quá trình triển khai thí điểm, hệ thống bàn thực hành mới đã nhận được những phản hồi tích cực từ cả giảng viên và sinh viên. Giảng viên đánh giá cao tính trực quan, an toàn và sự đa dạng của các bài thực hành có thể triển khai trên cùng một thiết bị. Việc hướng dẫn trở nên thuận lợi hơn, đồng thời có thể quản lý lớp học hiệu quả hơn. Về phía sinh viên, họ tỏ ra hứng thú hơn với các buổi thực hành vì được thao tác trên các thiết bị hiện đại, giao diện thân thiện và gần gũi với thực tế công nghiệp. Việc giảm bớt các thao tác phụ không cần thiết giúp họ tập trung vào tư duy kỹ thuật và giải quyết vấn đề. Những phản hồi này là cơ sở quan trọng để khẳng định sự thành công của dự án và là động lực để tiếp tục nhân rộng mô hình tại phòng thực hành khoa Điện TNUT.
VI. Tương lai của đào tạo kỹ thuật từ bàn thực hành điện tích hợp
Sự thành công của dự án “Xây dựng lắp ráp bàn thực hành trang bị điện” tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã mở ra một hướng đi mới và bền vững cho công tác đào tạo thực hành. Mô hình bàn thực hành tích hợp không chỉ giải quyết các vấn đề tồn tại của thiết bị cũ mà còn tạo ra một nền tảng linh hoạt, có khả năng mở rộng và nâng cấp trong tương lai. Khả năng tích hợp thêm các module mới như khí nén - điện, điều khiển biến tần hay các dòng PLC cao cấp hơn là hoàn toàn khả thi. Điều này đảm bảo rằng hệ thống đào tạo của nhà trường có thể bắt kịp với sự phát triển không ngừng của công nghệ. Việc tự chủ trong nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị dạy học, như nhóm tác giả đã thực hiện, cũng là một định hướng chiến lược. Nó không chỉ giúp tiết kiệm chi phí so với việc nhập khẩu mà còn nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học của đội ngũ giảng viên, tạo ra những sản phẩm phù hợp nhất với chương trình đào tạo.
6.1. Khả năng ứng dụng và nhân rộng mô hình bàn thực hành tích hợp
Với những hiệu quả đã được chứng minh, mô hình bàn thực hành tích hợp này có tiềm năng nhân rộng rất lớn. Nhóm nghiên cứu đã kiến nghị thay thế toàn bộ các thiết bị thực hành rời rạc tại Trung tâm Thực nghiệm bằng mô hình mới. Hơn nữa, thiết kế này có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các cơ sở giáo dục nghề nghiệp, các trường cao đẳng và đại học kỹ thuật khác trên cả nước. Việc chia sẻ kinh nghiệm và chuyển giao công nghệ phòng lab là một hướng đi cần được khuyến khích, góp phần tạo ra một mặt bằng chung về chất lượng đào tạo thực hành ngành điện. Các nhà cung cấp thiết bị dạy học cũng có thể tham khảo mô hình này để phát triển các sản phẩm thương mại, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường giáo dục.
6.2. Định hướng phát triển phòng thực hành khoa Điện TNUT hiện đại
Dự án này là bước khởi đầu quan trọng trong lộ trình xây dựng phòng thực hành khoa Điện TNUT đạt chuẩn hiện đại. Trong tương lai, định hướng phát triển cần tập trung vào việc đầu tư các hệ thống thực hành chuyên sâu hơn, gắn liền với các công nghệ của Công nghiệp 4.0 như IoT, hệ thống SCADA, và robot công nghiệp. Việc tiếp tục các đề tài nghiên cứu ứng dụng, khuyến khích giảng viên và sinh viên cùng tham gia chế tạo thiết bị thực hành điện công nghiệp sẽ tạo ra một hệ sinh thái học tập và nghiên cứu năng động. Mục tiêu cuối cùng là biến phòng thực hành không chỉ là nơi rèn luyện kỹ năng mà còn là một trung tâm nghiên cứu, sáng tạo và chuyển giao công nghệ, phục vụ đắc lực cho sự phát triển của nhà trường và xã hội.