Tài liệu Tư duy sáng tạo

1 TƯ DUY SÁNG TẠO Trong khi các nhà khoa học và toán học hướng đến giải thích những gì đã tồn tại để khám phá ra những kiến thức mới bằng cách nhìn vào những điều chưa biết, thì công việc của các kĩ sư là tạo ra những thứ chưa từng tồn tại trước đây để cải thiện thế giới xung quanh con người được tốt hơn. Tâm trí của họ hướng theo các bước của một qui trình thiết kế kĩ thuật: hiểu nhu cầu/ vấn đề cần giải quyết, động não các thiết kế giải pháp khác nhau, lựa chọn thiết kế tốt nhất, lập kế hoạch thực hiện, chế tạo và thử nghiệm các nguyên mẫu và cải thiện cho đến khi đạt được tiêu chuẩn thỏa đáng. Quá trình này diễn ra theo chu trình và có thể bắt đầu hoặc quay trở lại ở bất kì bước nào. 1. Định nghĩa thuật ngữ - Kĩ thuật (Engineering): Việc ứng dụng kiến thức khoa học và toán học để giải quyết vấn đề nhằm cải thiện thế giới của chúng ta. - Thiết kế (Design): Nghệ thuật của việc sáng tạo ra thứ gì đó chưa tồn tại. - Thiết kế kĩ thuật (engineering design): Việc ra các quyết định hợp lí (tối ưu) cho một vấn đề kĩ thuật và các công việc tiếp theo là xác minh nhận định này, chứ không phải là giá trị của các hệ thống vật thể kĩ thuật tạo ra. - Quy trình thiết kế kĩ thuật (engineering design process): Một tập hợp các bước để hướng dẫn con người phát triển những giải pháp, sản phẩm hoặc hệ thống mới. Quy trình này là một chu trình, có thể bắt đầu hoặc quay trở lại ở bất cứ bước nào. - Công nghệ (Technology): bao gồm tập hợp phần cứng (máy móc, công cụ, hệ thống) cùng với các kĩ năng và tổ chức (qui trình, phương pháp) của con người để vận hành và duy trì nó theo những qui tắc (Rules) nhất định. - Phân biệt giữa kĩ thuật và công nghệ: Kĩ thuật Công nghệ Kĩ thuật về cơ bản là một ứng dụng kiến thức toán và khoa học nhằm làm ra một giải pháp, sản phẩm (công cụ, máy móc) hoặc hệ thống mới. Công nghệ là ứng dụng các kiến thức khoa học và kĩ thuật để: - Tạo ra hoặc sản xuất các cấu trúc phức tạp được sử dụng cho đời sống như tivi, máy bay, tủ lạnh... - Điều khiển và thích ứng với môi trường như sử dụng điều hòa, quạt phun sương... - Để xử lí (biến đổi, truyền tải, lưu trữ) các tài nguyên thiên nhiên như bảo quản thực phẩm, nấu cơm... Tóm lại, khi đặt trong bối cảnh thực tế, một phần của kĩ thuật là công nghệ. 2. Các thói quen kĩ thuật của tâm trí (engineering habits of mind) Bảng dưới đây liệt kê và mô tả những thói quen kĩ thuật của tâm trí để định hướng thiết kế nội dung học tập: Thói quen Định hướng nội dung 2 Tư duy hệ thống (systems thinking) Thấy được toàn bộ hệ thống và các bộ phận riêng lẻ, cách chúng kết nối, tạo hình mẫu, nhận dạng các phụ thuộc lẫn nhau, tổng hợp. Phát hiện vấn đề (prolem-finding) Làm rõ nhu cầu, kiểm tra các giải pháp hiện có, điều tra ngữ cảnh, xác minh. Tưởng tượng (visualising) Có khả năng di chuyển từ trừu tượng sang cụ thể, thao tác với vật liệu, diễn thử tinh thần của không gian vật lý và các giải pháp thiết kế thực tế. Cải thiện (Improving) Không ngừng nỗ lực để làm mọi thứ tốt hơn bằng cách thử nghiệm, thiết kế, phác thảo, phỏng đoán, ước chừng, thử nghiệm suy nghĩ, tạo mẫu. Giải quyết vấn đề sáng tạo (creative prolem- solving) Áp dụng các hành động kĩ thuật từ các cách làm cũ, ý tưởng mới và giải pháp mới khác nhau giữa mọi người, và lắng nghe sự phê bình đúng đắn của đồng đội. Khả năng thích ứng (Adaptability) Kiểm tra, phân tích, sửa chữa, suy nghĩ lại, thay đổi cả về mặt thể chất (vật lí) và tinh thần. 3. Quy trình thiết kế kĩ thuật: Một tiến trình cấu trúc nội dung bài học Mặc dù có nhiều biến thể và mức độ phức tạp khác nhau vốn có trong quá trình thiết kế, nhưng mô hình về quá trình thiết kế kĩ thuật của NASA (NASA Engineering design proces) có thể được xem là một cấu trúc điển hình và bao quát: Qui trình thiết kế kĩ thuật mô tả cách mà các kĩ sư sử dụng để giải quyết vấn đề, bắt đầu bằng đặt câu hỏi, hình dung các giải pháp, thiết kế kế hoạch, tạo và kiểm tra mô hình và sau đó thực hiện cải thiện. Có thể mô tả cụ thể: (1) Đặt câu hỏi (ASK): Học sinh xác định vấn đề, các đòi hỏi cần phải đáp ứng và các ràng buộc phải được xem xét. (2) Tưởng tượng (IMAGINE): Học sinh suy nghĩ về các giải pháp và ý tưởng nghiên cứu. Học cũng cần xác định những gì người khác đã làm. (3) Lập kế hoạch (PLAN): Học sinh chọn từ 2 đến 3 ý tưởng hay nhất từ danh sách liệt kê của họ và phác thảo các thiết kế có thể có, cuối cùng chọn một thiết kế duy nhất cho nguyên mẫu. (4) Sáng tạo (CREATE): Học sinh xây dựng một mô hình làm việc, hoặc nguyên mẫu phù hợp với các yêu cầu thiết kế, và các ràng buộc thiết kế. (5) Kiểm tra (TEST): Học sinh đánh giá các giải pháp thông qua thử nghiệm; họ thu thập và phân tích dữ liệu; họ tóm tắt điểm mạnh và điểm yếu của thiết kế của họ đã được tìm thấy trong quá trình thử nghiệm. 3 (6) Cải tiến (IMPROVE): Dựa vào kết quả kiểm tra của họ, học sinh thực hiện các cải tiến về thiết kế của họ. Họ cũng xác định những thay đổi họ sẽ thực hiện và biện minh cho các sửa đổi của họ. Quy trình thiết kế kĩ thuật là có sự lặp lại, mỗi lần đi qua qui trình giải quyết vấn đề đó, học sinh liên tục tìm cách xem liệu bạn có thể cải thiện hay không. Nếu tìm kiếm một phương pháp sư phạm hữu ích cho giáo dục kĩ thuật thì quy trình thiết kế kỹ thuật sẽ là một nguyên tắc sư phạm để tổ chức dạy học. 5. Một minh họa thiết kế bài học cụ thể (đây là kiểu bài chế tạo kĩ thuật) - Tên chủ đề: Sản xuất điện từ năng lượng gió - Đối tượng học sinh: lớp 5 - Mục tiêu chủ đề: Sau khi học xong chủ đề này, học sinh có khả năng: + Hiểu biết cơ bản về vai trò, lợi ích của các nguồn năng lượng tái tạo. + Giải thích được nguyên lí kĩ thuật về hoạt động của một tuabin gió. + Mô phỏng được cách các kĩ sư làm việc thiết kế sản xuất điện từ năng lượng gió. + Thử nghiệm, kiểm tra các vị trí và góc/hướng đặt tốt nhất tuabin gió. + Hợp tác, chia sẻ các vấn đề học tập trong lớp học. - Hình thức tổ chức: Học tập dựa vào dự án thiết kế kĩ thuật - Thời gian thực hiện: 3,5 giờ. Vấn đề kĩ thuật - Phát triển năng lực kĩ thuật: Tư duy hệ thống, phát hiện vấn đề. Trong lĩnh vực sản xuất nguồn “năng lượng điện xanh” cho cuộc sống, các kĩ sư phải nghiên cứu để tìm cách sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo của trái đất. Gió là một nguồn năng lượng tái tạo, nghĩa là nó có thể được sử dụng nhiều hơn một lần, đặc biệt không gây ô nhiễm môi trường như các nhiên liệu hóa thạch. Vậy làm thế nào mà các kĩ sư có thể khai thác gió để sản xuất điện năng? Để sản xuất điện từ năng lượng gió, các kĩ sư đã thiết kế ra một thiết bị máy móc được gọi là tuabin gió. Trông chúng giống như một chiếc cối xay gió vậy. Tuabin gió thường có một số bận phận chính gồm: trụ đỡ, cánh quạt và trục, hộp số, máy phát điện. Khi gió thổi, cánh quạt quay, thông qua hộp số trung gian làm quay một máy phát điện để tạo ra điện năng. Một tua bin cũng có phanh trong trường hợp gió thổi quá mạnh. Tưởng tượng giải pháp - Phát triển năng lực kĩ thuật: Tưởng tượng Bạn có cảm nhận thế nào về một cơn gió mạnh và ổn định? Bạn có thể làm gì với nó (thả diều, thuyền buồm, làm mát không khí trong nhà...)? Khi học về vật lí, bạn biết rằng gió là một nguồn năng lượng đã được mọi người khai thác trong hàng nghìn năm với nhiều mục đích khác nhau. Năng lượng gió có rất nhiều ưu điểm, đặc biệt không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên sản xuất điện từ năng lượng gió cũng có những hạn chế, điều gì sẽ xảy ra nếu không có gió. Có thể bạn đã từng thấy một nhà máy sản xuất điện từ năng lượng gió, nhìn chúng giống như một trạng trại cối xay gió. Trong đó, các kĩ sư của nhà máy đã chuyển đổi năng lượng gió 4 thành điện năng cho con người sử dụng. Vì vậy, cũng có thể nguồn điện bạn sử dụng trong gia đình mình là được sản xuất từ gió. Các kĩ sư cần có những giải pháp gì để sản xuất điện từ năng lượng gió: - Làm việc ổn định trong các điều kiện thời tiết khác nhau. - Chọn vị trí, số lượng cánh, góc nghiêng cánh quạt tốt nhất cho một tuabin gió. Chúng ta sẽ trở thành các kĩ sư và thiết kế mô hình sản xuất điện từ năng lượng gió như thế nào? Lập kế hoạch - Phát triển năng lực kĩ thuật: Tư duy hệ thống Với động cơ phát điện 5v, bạn hãy lựa chọn các giải pháp kĩ thuật về: + Số lượng cánh quạt + Chiều dài cánh quạt + góc nghiêng cánh quạt Chế tạo nguyên mẫu - Phát triển năng lực kĩ thuật: giải quyết vấn đề sáng tạo 1. Bạn sẽ cần những gì Thiết bị và dụng cụ chế tạo tuabin gió: - Động cơ phát điện 5v. - Ống nước, cút nhựa nối để tạo giá đỡ - Dây thép, nút gỗ mềm, keo nến, kéo, tấm bìa cứng để tạo cánh quạt. - Quạt điện nhỏ để tạo gió, đồng hồ đo điện, dây điện, thước đo độ. Thiết bị và dụng cụ để thí nghiệm với phần mềm Coach 7 gồm: Cảm biến đo vận tốc gió BT15i, cảm biến điện áp ML17f. 2. Bạn sẽ làm thế nào Bước 1: Chế tạo cánh quạt - Làm cánh quạt bằng bìa cứng. - Dùng dây thép, keo nến để liên kết cánh quạt và nút gỗ mềm. Bước 2: Chế tạo giá đỡ tuabin gió - Chế tạo giá đỡ bằng các ống nhựa mềm theo ý tưởng tùy chọn. - Lắp động cơ phát điện vào giá đỡ. - Lắp cánh quạt vào động cơ phát điện. Bước 3: Kết nối đồng hồ đo điện và động cơ phát điện - Kết nối đồng hồ đo điện. - Đặt tuabin trước quạt điện tạo gió để chạy thử. Bước 4: Lắp cảm biến đo tốc độ gió và đo điện áp 5 - Kết nối cảm biến đo tốc độ gió và đo điện áp. - Khởi động phần mềm Coach và thu thập dữ liệu. Thử nghiệm và đánh giá - Phát triển năng lực kĩ thuật: cải thiện Bài tập 1: Hãy xác định góc nghiêng cánh quạt để tuabin hoạt động tốt nhất. Lần lượt thay đổi góc cánh gió từ 0 – 90 độ và nhận xét vào bảng dưới đây: Lần đo Góc nghiêng cánh quạt Nhận xét tốc độ cánh quạt (nhanh, chậm hoặc dừng) 1 00 2 150 3 300 4 450 5 600 6 750 7 900 Kết luận: Ở góc nghiêng nào cánh quạt quay nhanh nhất: ...................... Bài tập 2: Vẽ đồ thị thể hiện sự tương quan giữa vận tốc gió và điện áp. Bật quạt điện tạo gió và chờ đến khi tốc độ ổn định thì tiến hành đọc kết quả từ phần mềm Coach 7 (CH1- Cảm biến vận tốc; CH2- cảm biến tốc điện áp). Di chuyển tuabin gió lại gần hoặc xa quạt để đo số liệu khác nhau. Cải thiện - Phát triển năng lực kĩ thuật: khả năng thích ứng 1. Hoàn thiện sản phẩm và báo cáo kết quả. 2. Hãy tìm hiểu vị trí hoặc khu vực tốt nhất để xây dựng một nhà máy sản xuất điện từ năng lượng gió. Tại sao? (Gợi ý: gió có bị cản bởi núi, sự ổn định của gió, đặc điểm địa hình...).