VJE Tạp chí Giáo dục, Số đặc biệt Kì tháng 5/2019, tr 263-267 THIẾT KẾ BÀI TỐN PHÂN TÍCH KẾT CẤU KĨ THUẬT DÙNG TRONG DẠY HỌC NHẰM PHÁT TRIỂN TƯ DUY KĨ THUẬT CHO SINH VIÊN Nguyễn Thị Thanh Huyền - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Ngày nhận bài: 27/4/2019; ngày chỉnh sửa: 03/5/2019; ngày duyệt đăng: 16/5/2019 Abstract: In teaching process, cognitive problems help learners master knowledge, practice skills and especially develop thinking, improve cognitive competency and problem-solving competency In technical teaching, cognitive problems often used are technical problems Problems of technical structural analysis is a kind of technical problem that plays a role in developing technical thinking for learners However, the technical structural analysis problem is often not available but built by teachers This article refers to the design of technical structural analysis problems to use in teaching automobile and internal combustion engine subjects Keywords: Technical problems, technical structure, technical analysis, design, technical thinking Mở đầu Trong q trình dạy học, tốn nhận thức đóng vai trị quan trọng việc giúp người học nắm vững kiến thức, rèn luyện kĩ đặc biệt phát triển tư duy, phát triển lực nhận thức, lực giải vấn đề Trong dạy học kĩ thuật, toán nhận thức thường sử dụng toán kĩ thuật Bài tốn kĩ thuật có vai trị quan trọng việc phát triển tư kĩ thuật cho người học Trong q trình giải tốn kĩ thuật, người học phải huy động triệt để thao tác phân tích tổng hợp, hình thức phán đốn suy luận Vì vậy, nói, nhờ giải toán kĩ thuật mà tư kĩ thuật người học phát triển Bài tốn kĩ thuật có nhiều loại khác nhau, viết đề cập tới việc thiết kế tốn phân tích kết cấu kĩ thuật để sử dụng trình dạy học nội dung động đốt ô tô Nội dung nghiên cứu 2.1 Thiết kế tốn phân tích kết cấu kĩ thuật 2.1.1 Khái niệm tốn phân tích kết cấu kĩ thuật Hiện chưa có thống khái niệm tốn kĩ thuật Tuy nhiên, qua phân tích quan điểm, quan niệm khác nhà tâm lí học tư kĩ thuật, nhà sư phạm GD-ĐT kĩ thuật,… hiểu: Bài tốn kĩ thuật toán, vấn đề hay tình thuộc lĩnh vực kĩ thuật, địi hỏi giải phương pháp khoa học, dựa vận dụng tổng hợp kiến thức, kĩ kĩ xảo Bài tốn kĩ thuật có nhiều loại khác tùy theo cách phân chia theo dấu hiệu đặc trưng Dựa vào lĩnh vực hoạt động kĩ thuật, tốn kĩ thuật chia loại như: tốn thiết kế kĩ thuật, tốn cơng nghệ, tốn phân tích kĩ thuật Có thể mơ tả loại tốn kĩ thuật sơ đồ hình (trang bên) Bài tốn phân tích kĩ thuật loại toán kĩ thuật đặt yêu cầu lí giải đặc điểm kết cấu tượng, diễn biến đối tượng kĩ thuật mà q trình giải tốn người ta phải sử dụng phân tích kĩ thuật Như vậy, chia tốn phân tích kĩ thuật thành hai loại là: tốn phân tích kết cấu kĩ thuật tốn phân tích q trình kĩ thuật Trong đó, tốn phân tích kết cấu kĩ thuật loại tốn kĩ thuật đặt u cầu lí giải đặc điểm kết cấu đối tượng kĩ thuật mà q trình giải tốn người ta phải sử dụng phân tích kĩ thuật [1], [2] 2.1.2 Quy trình thiết kế tốn phân tích kết cấu kĩ thuật Bài tốn phân tích kết cấu kĩ thuật tốn đề u cầu phân tích hình dạng, kích thước, trọng lượng, vật liệu chế tạo, mối liên kết lắp ghép,… đối tượng kĩ thuật Đối tượng kĩ thuật cấu, hệ thống thiết bị thuộc cấu, hệ thống chí chi tiết cụ thể Q trình thiết kế tốn phân tích kết cấu kĩ thuật thường bao gồm bước hình (trang bên): - Bước Lựa chọn đối tượng kĩ thuật, soạn thảo sơ toán: Khi xác định đối tượng kĩ thuật để thiết kế toán nên lựa chọn cấu, hệ thống, thiết bị, cụm chi tiết chi tiết mà có đặc điểm đặc biệt, khác thường hình dạng, kích thước, trọng lượng, vật liệu chế tạo, mối liên kết, Sự đặc biệt thường dẫn tới câu hỏi chúng lại có hình dạng, kích thước, trọng lượng đó; chúng lại làm vật liệu đó; chúng lại liên kết với vậy… Trên sở đó, soạn thảo sơ nội dung toán dạng câu hỏi, câu đề nghị 263 Email: huyenntt_spkt@hnue.edu.vn VJE Tạp chí Giáo dục, Số đặc biệt Kì tháng 5/2019, tr 263-267 Bài toán kĩ thuật Bài toán thiết kế kĩ thuật Bài tốn cơng nghệ Bài tốn nhận dạng kĩ thuật Bài toán chẩn đoán kĩ thuật Bài tốn xử lí cố kĩ thuật Bài tốn phân tích kĩ thuật Bài tốn phân tích kết cấu kĩ thuật Bài tốn điểu khiển Bài tốn phân tích q trình kĩ thuật Hình Phân loại tốn kĩ thuật dựa theo lĩnh vực hoạt động kĩ thuật Bước 1: Lựa chọn đối tượng kĩ thuật, soạn thảo sơ toán Bước 2: Xác định lời giải toán Xác định nhiệm vụ đối tượng kĩ thuật Xác định điều kiện làm việc đối tượng kĩ thuật Xác định yêu cầu đối tượng kĩ thuật Giải thích cấu tạo đối tượng kĩ thuật Bước 3: Hoàn thiện, biên soạn nội dung tốn hồn chỉnh Hình Quy trình thiết kế tốn phân tích kết cấu kĩ thuật Ví dụ: Tại cấu tạo thân pittơng động lại có dạng van, kht bớt kim loại hai đầu bệ chốt lại xẻ rãnh dọc thân? Vì mối ghép chốt pittông với bệ chốt lại lắp chặt, có độ dơi? - Bước Xác định lời giải toán: Để toán đảm bảo tính vừa sức, khả thi tính hấp dẫn cần xác định lời giải tốn, sau vào trình độ người học điều kiện để giải toán mà điều chỉnh nội dung toán cho phù hợp Khi giải tốn phân tích kết cấu kĩ thuật thường phải thực công việc sau: + Xác định nhiệm vụ đối tượng kĩ thuật: Nhiệm vụ bước phân tích nhiệm vụ đối tượng kĩ thuật, xem xét nhiệm vụ mà đối tượng cần thực hệ thống kĩ thuật Thông thường, nhiệm vụ đối tượng quy định đặc điểm cấu tạo đối tượng Việc xác định nhiệm vụ đối tượng kĩ thuật tạo sở cho q trình giải tốn + Xác định điều kiện làm việc đối tượng kĩ thuật: Nội dung bước xét xem trình đối tượng kĩ thuật làm việc, chi tiết thực nhiệm vụ, chúng phải làm việc điều kiện 264 VJE Tạp chí Giáo dục, Số đặc biệt Kì tháng 5/2019, tr 263-267 nhiệt độ, áp suất, lực mô men tác dụng; điều kiện tĩnh hay chuyển động, có phải chịu ma sát, mài mịn khơng,… Sự phân tích giúp cho việc giải thích đặc điểm cấu tạo đối tượng kĩ thuật + Xác định yêu cầu đối tượng kĩ thuật: Kết hợp phân tích nhiệm vụ, điều kiện làm việc đối tượng kĩ thuật giúp xác định yêu cầu đối tượng kĩ thuật để làm việc điều kiện nhằm hoàn thành nhiệm vụ Chính điều kiện làm việc đối tượng kĩ thuật khó khăn, khắc nghiệt cấu tạo chúng có điểm đặc biệt để đáp ứng yêu cầu đặt + Giải thích cấu tạo đối tượng kĩ thuật: Vận dụng phép suy luận logic, với tiền đề vai trò, nhiệm vụ, điều kiện làm việc đối tượng kĩ thuật, với lập luận logic theo yêu cầu đối tượng kĩ thuật rút kết luận cấu tạo đối tượng kĩ thuật Đó lời giải tốn xác định sơ ban đầu bước - Bước Hồn thiện, biên soạn nội dung tốn hồn chỉnh: Nội dung bước bao gồm số công việc sau: + Trên sở cấu trúc tốn đề ra, tiến hành phân tích làm rõ thành phần: vấn đề - kiện - u cầu để xây dựng thành tốn hồn chỉnh + Xem xét tính vừa sức, tính khả thi, tính hiệu tốn để có chỉnh sửa cho phù hợp + Rà sốt tồn nội dung toán nội dung lời giải soạn thảo sơ để chỉnh sửa, bổ sung thấy cần thiết Nếu nội dung tốn có điều chỉnh so với dự thảo ban đầu phải chỉnh sửa lời giải cho phù hợp + Hoàn thiện tồn nội dung tốn lời giải để có tốn hồn chỉnh Kết thúc quy trình thiết kế tốn 2.2 Ví dụ thiết kế tốn phân tích kết cấu kĩ thuật hệ thống lái ô tô Trong thực tiễn giảng dạy động đốt tơ, có nhiều vấn đề cần lí giải cấu tạo cấu, hệ thống, phận, thiết bị chi tiết Các vấn đề sở để thiết kế thành toán phân tích kĩ thuật Tuy nhiên, để vấn đề thực trở thành tốn giáo viên phải có gia cơng sư phạm, thiết kế tốn Khó khăn việc thiết kế tốn phân tích kĩ thuật khơng phải nội dung tên tốn mà lời giải tốn Dưới trình bày ví dụ quy trình thiết kế tốn phân tích kết cấu kĩ thuật hệ thống lái ô tô Từ thực tiễn, có người đặt câu hỏi: Vì người lái xe ô tô bỏ tay khỏi vô lăng, xe chạy thẳng; sau quay vịng, có cảm giác vơ lăng tự quay vị trí xe chạy thẳng? Để giải đáp câu hỏi cách có sở khoa học, cần nghiên cứu vấn đề liên quan tới cấu tạo hệ thống lái bố trí bánh xe dẫn hướng Nghiên cứu cấu tạo ô tô cho thấy yêu cầu hệ thống lái phải đảm bảo cho xe chạy thẳng ổn định Nghĩa hệ thống lái phải tạo cho xe ln có xu hướng chạy thẳng Trong điều kiện đường bình thường, xe chạy thẳng người lái xe có bỏ tay khỏi vơ lăng xe chạy thẳng; cịn người lái có xoay vơ lăng để xe chuyển hướng bỏ tay xe lại tự động trở trạng thái chạy thẳng Hiện tượng vấn đề người học hệ thống lái, thiết kế thành tốn phân tích kết cấu kĩ thuật Vận dụng quy trình thiết kế tốn phân tích kết cấu kĩ thuật trình bày hình 2, tiến trình thiết kế toán bao gồm bước sau đây: * Bước 1: Lựa chọn đối tượng kĩ thuật, soạn thảo sơ toán Đối tượng kĩ thuật để thiết kế tốn hệ thống lái tơ với đặc điểm đặc biệt, khác thường nguyên lí làm việc xe ln có xu hướng chạy thẳng Sự đặc biệt dẫn tới câu hỏi xe lại có xu hướng vậy, có đặc biệt kết cấu hệ thống lái? Trên sở đó, soạn thảo sơ nội dung toán dạng câu hỏi: Tại ô tô có xu hướng chạy thẳng? * Bước 2: Xác định lời giải toán Việc xác định lời giải nhằm đảm bảo tốn có lời giải, đủ điều kiện để sử dụng dạy học Đồng thời, giúp cho việc đặt tên toán chuẩn xác tạo thuận lợi trình hướng dẫn người học giải tốn Như quy trình nêu, việc giải tốn phân tích kết cấu kĩ thuật tiến hành theo trình tự cơng việc sau: - Xác định nhiệm vụ đối tượng kĩ thuật: Nhiệm vụ bước phân tích nhiệm vụ, vai trò đối tượng kĩ thuật, xem xét nhiệm vụ mà đối tượng cần thực hệ thống kĩ thuật Nhiệm vụ hệ thống lái đảm bảo cho tơ chạy thẳng ổn định chuyển hướng chuyển động theo điều khiển người lái - Xác định điều kiện làm việc đối tượng kĩ thuật: Điều kiện làm việc hệ thống lái phụ thuộc lớn vào điều kiện đường giao thơng Mặt đường gồ ghề khiến việc điều khiển hướng chuyển động xe gặp khó khăn, lực điều khiển phải lớn khiến lái xe bị tổn hao nhiều sức lực Mặt khác, lực từ mặt đường tác dụng ngược lên vô lăng khiến vơ lăng bị rung xóc nhiều làm cho lái xe mau bị mỏi 265 VJE Tạp chí Giáo dục, Số đặc biệt Kì tháng 5/2019, tr 263-267 - Xác định yêu cầu đối tượng kĩ thuật: Việc điều khiển hướng chuyển động ô tô thuận lợi bánh xe dẫn hướng có tính ổn định tốt Tính ổn góc đặt trụ đứng bánh dẫn hướng lệch so với lí thuyết chút Theo cấu tạo hệ thống lái có góc đặt trụ đứng bánh dẫn hướng hình 3: Hình Góc đặt trụ đứng bánh xe dẫn hướng định bánh xe dẫn hướng khả giữ vị trí trung tâm (vị trí xe chạy thẳng) chuyển động thẳng tự quay lại vị trí trung tâm bánh xe bị lệch khỏi vị trí Trừ số trường hợp đặc biệt, cịn lại tơ chuyển động tỉ lệ thời lượng xe chạy thẳng cao Do tính ổn định bánh xe dẫn hướng giúp cho việc điều khiển xe nhẹ nhàng, tiện lợi giúp cho tính an tồn chuyển động xe nâng cao Vậy hệ thống lái phải có cấu tạo để đảm bảo cho bánh xe dẫn hướng có tính ổn định cao - Giải thích cấu tạo đối tượng kĩ thuật: Tính ổn định tốt bánh xe dẫn hướng giúp cho bánh xe tự quay vị trí trung tâm xe quay vòng xong, làm giảm dao động bánh xe dẫn hướng, giảm tải trọng tác dụng lên vô lăng… Nghiên cứu cấu tạo hệ thống lái việc bố trí bánh xe dẫn hướng cho thấy khả ổn định bánh xe dẫn hướng phụ thuộc vào tính đàn hồi ngang lốp, góc đặt trụ đứng khớp chuyển hướng (còn gọi chốt khớp chuyển hướng) góc đặt bánh xe dẫn hướng Về lí thuyết, góc đặt trụ đứng khớp chuyển hướng vng góc với mặt đường, góc đặt bánh xe dẫn hướng song song với mặt phẳng dọc xe Tuy nhiên, ô tô thực, để đảm bảo tính ổn định bánh dẫn hướng, + Trụ đứng khơng đặt vng góc với mặt đường mà đặt có góc nghiêng mặt phẳng ngang β góc nghiêng mặt phẳng dọc γ + Bánh xe dẫn hướng không đặt song song với mặt phẳng dọc xe mà đặt nghiêng mặt phẳng dọc góc α, gọi góc dỗng góc δ, gọi góc chụm + Góc nghiêng mặt phẳng ngang β: Nhờ có góc β, quay vịng, bánh xe dẫn hướng trục quay quanh trụ đứng trụ đứng đặt nghiêng nên điểm tiếp xúc lốp với mặt đường phải dịch chuyển mặt phẳng vng góc với đường tâm trụ đứng Mặt phẳng rõ ràng nghiêng so với mặt đường góc β Điều dẫn tới hai khả năng: bánh xe bị lún xuống mặt đường, hai bánh xe trụ đứng bị nâng lên Nhờ trọng lượng xe tác dụng lên trục bánh xe nên bánh xe có xu hướng quay vị trí trung tâm nó, tương ứng với xe chuyển động thẳng Thơng thường, β= 6° ÷ 10° + Góc nghiêng mặt phẳng dọc γ: Trên hình ta thấy có góc γ nên tâm diện tích tiếp xúc lốp với mặt đường cách tâm trụ đứng chốt khớp chuyển hướng khoảng Cγ Khi xe quay vịng, phương chuyển động bánh xe khơng chứa giao điểm đường tâm chốt khớp chuyển hướng với mặt đường làm xuất lực ngang vùng tiếp xúc lốp xe với mặt đường 266 VJE Tạp chí Giáo dục, Số đặc biệt Kì tháng 5/2019, tr 263-267 Điểm đặt lực ngang nằm tâm diện tích tiếp xúc lốp xe với mặt đường Khi đó, điểm xuất phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe Tích phản lực ngang với khoảng cách Cγ mơmen quay, mơmen có khuynh hướng giúp cho bánh dẫn hướng trở vị trí trung tâm bánh xe lệch khỏi vị trí Góc γ thường vào khoảng 1° ÷ 3,5° + Góc dỗng bánh xe dẫn hướng α: Góc dỗng α có tác dụng sau: Ngăn ngừa khả nghiêng bánh xe vào biến dạng độ hở chi tiết trục bánh xe hệ thống treo trước tác dụng trọng lượng xe Tạo nên thành phần hướng trục trọng lượng để giữ bánh xe trục Nhờ có góc α (và góc β) khoảng cách tâm diện tích tiếp xúc lốp xe với mặt đường giao điểm đường tâm trụ đứng chốt khớp chuyển hướng với mặt đường giảm Như giảm phản lực tiếp tuyến trụ đứng nên giảm tải trọng tác dụng vào truyền động lái lực tác dụng lên vô lăng + Góc chụm bánh xe dẫn hướng δ: Nếu bánh dẫn hướng nghiêng với đường (do có góc dỗng) xe chuyển động, bánh xe có xu hướng lăn theo cung trịn có tâm giao điểm đường kéo dài đường tâm trục bánh xe với mặt đường Do đó, vùng tiếp xúc bánh xe với mặt đường lại xuất phản lực ngang làm lốp bị trượt, lực cản lăn bánh xe bị tăng lốp bị mài mòn nhanh Hai bánh dẫn hướng đặt có góc chụm δ khắc phục hạn chế nói góc dỗng gây Góc chụm xác định thơng số khoảng cách A B Theo nhiều kết nghiên cứu ứng suất vùng tiếp xúc lốp với mặt đường nhỏ δ = 0,15 ÷ 0,20 α * Bước 3: Hoàn thiện, biên soạn nội dung tốn hồn chỉnh Như vậy, với lời giải rút số nhận định sau: - Từ vấn đề xe có xu hướng chạy thẳng xây dựng tốn phân tích kết cấu kĩ thuật đảm bảo tính vừa sức, tính khả thi tính hiệu - Với nội dung trình bày trên, xây dựng nội dung tên toán là: “Để giảm nhẹ cường độ lao động cho người lái xe giữ cho xe chuyển động thẳng (thông thường, thời gian xe chạy thẳng chủ yếu) ổn định, cấu tạo hệ thống lái tơ phải có điểm đặc biệt Trong điều kiện mặt đường bình thường, người lái không tác động vào vô lăng (vành tay lái) tơ ln ln chạy thẳng; sau quay vịng, bỏ tay khỏi vơ lăng xe lại tự chuyển trạng thái chạy thẳng Đó nhờ việc bố trí chốt khớp chuyển hướng bánh xe dẫn hướng có góc định Hãy giải thích vai trị góc việc giúp cho xe có xu hướng chạy thẳng” - Về nội dung lời giải tốn giải thích thêm ảnh hưởng biến dạng ngang lốp xe Khi lốp xe bị biến dạng ngang nhiều làm cho hướng chuyển động xe ổn định Đặc biệt xe trạng thái quay vịng Với tốn này, người học hứng thú tìm lời giải hứng thú nghe giáo viên giảng giải, qua hiểu sâu sắc hơn, logic cấu tạo hệ thống lái Đồng thời, người học dần hình thành phương pháp phân tích kĩ thuật để giải vấn đề, tình khác Kết luận Các tốn phân tích kĩ thuật thường kích thích mạnh tính tị mị, hứng thú, khơi dậy khát khao tìm hiểu, khám phá tri thức, khám phá giới cách chủ động tích cực người học Việc sử dụng tốn phân tích kĩ thuật dạy học giúp học thêm sinh động, thu hút ý người học, đưa người học từ vị trí thụ động lắng nghe, tiếp thu kiến thức sang chủ động khai thác, tìm tịi, lĩnh hội kiến thức Vì vậy, khẳng định rằng, dạy học kĩ thuật, sử dụng tốn kĩ thuật nói chung tốn phân tích kĩ thuật nói riêng biện pháp hiệu phát triển tư cho người học Bài tốn phân tích kết cấu kĩ thuật thường khơng có sẵn nên giáo viên phải hiểu quy trình thiết kế toán để xây dựng toán phù hợp, khả thi hiệu Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Thị Thanh Huyền (2018) Thiết kế sử dụng tốn phân tích kĩ thuật dạy học động đốt trong, ô tô cho sinh viên sư phạm kĩ thuật Luận án tiến sĩ Khoa học giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội [2] Nguyễn Trọng Khanh (2011) Phát triển lực tư kĩ thuật NXB Đại học Sư phạm [3] Nguyễn Hữu Cẩn - Dư Quốc Thịnh - Phạm Minh Thái - Nguyễn Văn Tài - Lê Thị Vàng (2008) Lí thuyết tô máy kéo NXB Khoa học Kĩ thuật [4] Ngơ Hắc Hùng (2008) Kết cấu tính tốn tô NXB Giao thông vận tải [5] Phạm Văn Khôi (Chủ biên) (2009) Từ điển Kĩ thuật công nghệ NXB Giáo dục Việt Nam [6] Nguyễn Khắc Trai - Nguyễn Trọng Hoan - Hồ Hữu Hải - Phạm Huy Hường - Nguyễn Văn Chương - Trịnh Minh Hoàng (2010) Kết cấu ô tô NXB Bách khoa [7] Hội đồng Quốc gia đạo biên soạn Từ điển Bách khoa Việt Nam (2003) Từ điển Bách khoa Việt Nam, NXB Từ điển Bách khoa [8] George M.Marakas (2006) Systems analysis & design: an active approach, 2nd ed, Boston : McGraw-Hill/Irwin 267