Giáo án Bài 20. Nguyên tắc thiết kế kĩ thuật

HS nhận ra những điểm chưa hợp lí của một sản phẩm thực tế và thấy cần phân biệt các nguyên tắc thiết kế.

GV đưa mô hình hộp đựng học cụ ra lớp, mở nắp, tháo nắp và chỉ ra nhiều loại vít, mép sắc, nắp khó thay. HS quan sát và trả lời câu hỏi: “Hộp này có những điểm nào có thể cải tiến để dễ dùng, dễ sửa và an toàn hơn? Vì sao em cho là như vậy?”

Mỗi HS ghi được ít nhất ba điểm cần cải tiến, ví dụ: có nhiều loại vít khác nhau (phức tạp không cần thiết); nắp khó tháo để thay khi hỏng (khó bảo trì); mép sắc có thể gây xước tay (chưa an toàn). Từ đó HS nêu được nhiệm vụ: phân biệt đơn giản hóa, thiết kế bảo trì và hiệu quả vật liệu.

HS nêu được khái niệm đơn giản hóa và thiết kế bảo trì, phân biệt được hai khái niệm này qua ví dụ hộp học cụ.

HS hoạt động nhóm 4 người theo kĩ thuật khăn trải bàn: mỗi HS đọc một phần nội dung trong sách về đơn giản hóa và thiết kế bảo trì, sau đó hoàn thành Phiếu học tập số 1 (bảng khái niệm – ý nghĩa – ví dụ trong hộp học cụ). Câu hỏi GV đặt ra: “Giảm loại vít có phải là đơn giản hóa không? Vì sao? Thay nắp tháo được thuộc nhóm nào?”

Bảng hoàn thành của nhóm gồm: Đơn giản hóa – giảm phức tạp không cần thiết nhưng giữ yêu cầu cốt lõi; ví dụ dùng cùng một cỡ vít thay cho ba cỡ vít nếu vẫn đủ chịu lực. Thiết kế bảo trì – tạo điều kiện kiểm tra, sửa chữa, thay thế phù hợp; ví dụ nắp tháo thay được theo hướng dẫn. HS rút ra: hai khái niệm khác nhau ở mục tiêu, một bên giảm phức tạp, một bên giúp sửa và thay dễ dàng; mọi thay đổi đều phải kiểm tra chức năng giữ đồ.

HS nêu được khái niệm hiệu quả vật liệu và vận dụng công thức tính phần trăm diện tích sử dụng của tấm vật liệu.

HS làm việc cặp đôi với Phiếu học tập số 2: đọc đề “Tấm 100 ×60 cm được cắt thành bốn miếng 30 ×20 cm, bỏ qua hao đường cắt. Phần trăm diện tích dùng là bao nhiêu?” và trả lời câu hỏi: “Kết quả 40% có cho biết tấm này cắt được đúng như sơ đồ không? Cần thêm thông tin gì?”

Lời giải: diện tích tấm là $100 \times 60 = 6000\ \text{cm}^2$; diện tích bốn miếng là $4 \times 30 \times 20 = 2400\ \text{cm}^2$; phần trăm diện tích dùng là $\dfrac{2400}{6000} \times 100\% = 40\%$. Kết luận: hiệu quả vật liệu theo mô hình là 40%, chưa tính đường cắt; cần sơ đồ cắt để xác nhận thực hiện được. HS rút ra: hiệu quả vật liệu là mức tận dụng vật liệu theo phạm vi và mục tiêu tính, không phải chỉ là con số.

HS nêu được bốn nguyên tắc tối ưu, hai nhóm bền vững và khung 6R; giải thích được vì sao phải xét các nguyên tắc trong điều kiện cụ thể.

HS hoạt động nhóm theo kĩ thuật sơ đồ tư duy: vẽ trung tâm “Nguyên tắc tối ưu và bền vững”, nhánh 1 là bốn nguyên tắc tối ưu, nhánh 2 là hai nhóm bền vững, nhánh 3 là khung 6R. GV đặt câu hỏi: “Có nguyên tắc nào được chọn riêng lẻ mà bỏ qua an toàn không? Vì sao không có giải pháp rẻ nhất bất kể an toàn?”

Sơ đồ tư duy gồm: bốn nguyên tắc tối ưu là lặp để cải tiến bằng bằng chứng; đơn giản hóa mà vẫn đáp ứng yêu cầu; chọn giải pháp tối ưu theo toàn bộ ràng buộc; tối thiểu tài chính khi so các giải pháp tương đương mức đáp ứng. Hai nhóm bền vững là tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ môi trường trong vòng đời. Khung 6R: Recycle, Reduce, Rethink, Repair, Reuse, Refuse. HS rút ra: không bỏ bảo vệ an toàn để giảm giá hay khối lượng; một vật liệu mang nhãn tái chế chưa đủ để kết luận sản phẩm bền vững.

HS củng cố khái niệm, nhận biết phát biểu đúng–sai và vận dụng công thức tính hiệu quả vật liệu.

HS làm bài tập tương tác trên NeoEdu hoặc phiếu in, gồm: (1) Chọn mô tả đúng về đơn giản hóa; (2) Ghép thuật ngữ với ý nghĩa; (3) Xét phát biểu “Bỏ nắp bảo vệ làm máy đơn giản hơn nên luôn là thiết kế tốt”; (4) Tính phần trăm diện tích cho tấm 100 ×60 cm và bốn miếng 30 ×20 cm. HS giơ thẻ trả lời để GV kiểm tra nhanh.

Đáp án: (1) C – Đơn giản hóa là giảm phức tạp không cần thiết nhưng giữ yêu cầu cốt lõi. (2) Đơn giản hóa – giảm phức tạp không cần thiết nhưng giữ yêu cầu cốt lõi; Thiết kế bảo trì – tạo điều kiện kiểm sửa thay thế phù hợp; Hiệu quả vật liệu – mức tận dụng vật liệu theo phạm vi và mục tiêu tính. (3) Sai, vì không được đổi đơn giản lấy rủi ro; chức năng an toàn là yêu cầu cốt lõi. (4) $\dfrac{4 \times 30 \times 20}{100 \times 60} \times 100\% = 40\%$, cần sơ đồ cắt để biết thực hiện được.

HS vận dụng đồng thời đơn giản hóa, thiết kế bảo trì, hiệu quả vật liệu và các nguyên tắc bền vững để đề xuất cải tiến cho một sản phẩm thực tế, có kiểm tra an toàn và chức năng.

Nhóm đóng vai nhóm thiết kế kĩ thuật, đề xuất ba cải tiến cho hộp học cụ theo đơn giản, bảo trì và an toàn; mỗi cải tiến phải ghi kèm lí do và cách kiểm tra chức năng giữ đồ. Câu hỏi GV đặt ra: “Cải tiến nào làm hộp dễ sửa hơn nhưng vẫn giữ được chức năng bảo vệ? Làm thế nào để kiểm tra điều đó?”

Nhật kí cải tiến gồm ba đề xuất mẫu: (1) Giảm loại vít, dùng cùng một cỡ vít vì vẫn đủ chịu lực; kiểm tra bằng cách đóng mở và giữ đồ 10 lần. (2) Nắp tháo thay được theo hướng dẫn; kiểm tra nắp không bị lỏng khi mang. (3) Bo mép và không tạo kẹp tay; kiểm tra bằng cách sờ tay và thử đóng mở. Mỗi đề xuất có lí do và không đánh đổi an toàn lấy chi phí. Tiêu chí chấm: mỗi nguyên tắc áp vào quyết định đúng 0,15 điểm; mỗi quyết định bền vững có lí do 0,15 điểm; giữ an toàn và giới hạn bằng chứng 0,1 điểm.