Quy trình thiết kế kỹ thuật trong dự án STEM: 5 hoạt động, ví dụ làm cối xay gió nâng vật

Dự án STEM là gì và quy trình thiết kế kỹ thuật 8 bước, 5 hoạt động theo hướng dẫn của Bộ GD&ĐT, minh họa bằng dự án cối xay gió nâng vật với phiếu thử nghiệm công bằng.

Dự án STEM là gì? Đó là một chuỗi hoạt động trong đó học sinh giải quyết một vấn đề thực tế bằng cách làm ra sản phẩm, đi theo quy trình thiết kế kỹ thuật: xác định vấn đề, tìm hiểu kiến thức, nghĩ giải pháp, làm mẫu, thử nghiệm và cải tiến. Đây cũng là cách các trường phổ thông ở Việt Nam tổ chức bài học STEM theo hướng dẫn của Bộ Giáo dục và Đào tạo.

Bài viết giải thích quy trình này cho phụ huynh và giáo viên, và đi qua từng bước với một dự án dễ làm ở nhà: cối xay gió nâng vật bằng chai nhựa, que xiên và bìa cứng.

1. Quy trình thiết kế kỹ thuật và bài học STEM

Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH (14/8/2020) mô tả bài học STEM được xây dựng theo quy trình thiết kế kĩ thuật gồm 8 bước, và thường tổ chức thành 5 hoạt động chính trên lớp.

Quy trình là một vòng lặp: sau khi điều chỉnh, nhóm quay lại làm mẫu thứ hai và thử lại. Sản phẩm tốt thường là phiên bản thứ hai hoặc thứ ba.

2. Dự án mẫu: cối xay gió nâng vật

Hoạt động 1: xác định vấn đề

Đặt vấn đề cho trẻ: "Làm một cối xay gió dùng sức gió nâng được 10 kẹp giấy lên cao 30 cm." Tiêu chí cụ thể giúp trẻ biết khi nào là thành công:

• dùng gió của quạt bàn ở số nhỏ nhất, đặt cách 50 cm;
• nâng 10 kẹp giấy lên cao 30 cm;
• cối xay đứng vững, không đổ khi chạy;
• chỉ dùng vật liệu: chai nhựa, que xiên, ống hút, bìa cứng, chỉ, cốc giấy, băng keo.

Hoạt động 2: kiến thức nền và đề xuất giải pháp

• Khoa học: gió là không khí chuyển động, có năng lượng. Cánh nghiêng đón gió thì bị đẩy và quay.
• Kỹ thuật: trục quay quấn chỉ biến chuyển động quay thành chuyển động kéo lên; ống hút làm ổ trục để que xiên quay trơn.
• Toán: đo độ cao, đo thời gian, tính trung bình nhiều lần thử.

Mỗi bạn trong nhóm vẽ một phương án cánh: số cánh, hình dạng, góc nghiêng.

Hoạt động 3: lựa chọn giải pháp

Nhóm so các bản vẽ và chọn một phương án để làm trước. Điều quan trọng là trẻ nói được lý do: "Chọn 4 cánh vì dễ dán cân", "Chọn cánh to vì đón nhiều gió".

Hoạt động 4: chế tạo, thử nghiệm, đánh giá

1. Đổ một ít cát vào chai cho vững.
2. Dùi một lỗ ngang gần cổ chai, luồn ống hút làm ổ trục, rồi luồn que xiên qua ống hút.
3. Cắt cánh bằng bìa cứng, dán vào nắp chai, gắn nắp vào một đầu que xiên.
4. Buộc sợi chỉ vào đầu kia của que, đầu chỉ còn lại buộc cốc giấy.
5. Bật quạt, đo thời gian cốc được kéo lên 30 cm. Thử 3 lần, ghi vào phiếu.

Thử nghiệm công bằng: muốn biết số cánh ảnh hưởng thế nào, chỉ đổi số cánh, giữ nguyên mọi thứ khác (quạt, khoảng cách, góc cánh, số kẹp giấy). Đổi hai thứ một lúc thì không biết kết quả thay đổi do đâu. Đây là bài học quan trọng nhất về tư duy khoa học trong dự án.

Hoạt động 5: chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh

• Mỗi nhóm trình bày: thiết kế, số liệu, điều làm tốt, điều chưa tốt.
• Các nhóm đặt câu hỏi cho nhau: "Vì sao nhiều cánh hơn mà không nhanh hơn?", "Cánh hình gì đón gió tốt nhất?".
• Nhóm sửa thiết kế và làm phiên bản thứ hai.

3. Mở rộng cho học sinh lớn

Học sinh THCS có thể gắn thêm mạch điện tử để đo thay vì bấm đồng hồ: dùng cảm biến đếm vòng quay để đo tốc độ quay của cánh, hoặc dùng mạch ESP32 để ghi lại số liệu. Bài đo tốc độ động cơ bằng encoder với ESP32 trên pyworld.vn giải thích cách đếm vòng quay; nguyên lý tương tự áp dụng được cho trục cối xay gió.

4. Gợi ý cho phụ huynh và giáo viên

• Thời lượng: 3–4 tiết ở lớp, hoặc 2 buổi cuối tuần ở nhà.
• Nhóm 3–4 trẻ: người đo thời gian, người ghi chép, người lắp ráp, người trình bày; đổi vai ở lần thử sau.
• Không làm hộ: khi cánh không quay, hỏi "Gió đang đẩy vào đâu?", "Trục có bị kẹt không?".
• An toàn: người lớn dùi lỗ chai và cắt que xiên; dùng quạt bàn có lồng bảo vệ, không để tay gần cánh quạt.
• Dự án khác cùng quy trình: cầu giấy chịu tải, thuyền giấy chở được nhiều đồng xu, chong chóng giấy, đèn trung thu tự làm.

5. Xem thêm

Các bài khác trong loạt phát triển tư duy cho trẻ bằng STEM và lập trình: giáo dục STEM là gì, tư duy logic, phản biện và thiết kế, dự án STEM cho trẻ mầm non theo chủ đề. Với các dự án có mạch điện, xem các bài trong chủ đề Động cơ và robot của Góc kỹ thuật.