Nhân dịp ngày Nhà giáo Việt Nam, Ban biên tập Website vnschool.net giới thiệu một bài nghiên cứu mới của PGS.TS Ngô Văn Quyết về việc dạy-học môn kỹ thuật cơ sở (Chi tiết máy) ở bậc đại học trong kỷ nguyên CNTT để bạn đọc tham khảo và trao đổi.

Được biết rằng nội dung khoa học của bài nghiên cứu này là đơn đặt hàng của Hội Cơ học Việt Nam nhân Hội thảo toàn quốc «HAI MƯƠI NĂM OLYMPIC CƠ HỌC VIỆT NAM». Chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến trao đổi, nhiều bài nghiên cứu về vấn đề này nhằm góp phần nâng cao không ngừng chất lượng giáo dục-đào tạo hiện nay trong hệ thống nhà trường của chúng ta trong bối cảnh thực hiện «5 không» của ngành Giáo dục.

I. SỰ BẤT CẬP TRONG CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC CHI TIẾT MÁY HIỆN NAY

Những ưu điểm và vai trò của sách giáo khoa về Chi tiết máy (SGKCTM) và sách hướng dẫn thiết kế Chi tiết máy đã được phân tích trong tài liệu [3]. Tuy nhiên, việc nghiên cứu SGKCTM của một số trường đại học danh tiêng trên thế giới, như MIT; Leed; Connecticut… (Mỹ); Cambridge; Plymouth… (Anh) và v…v..[15] trong giai đoạn gần đây, cho phép chúng tôi tạm rút ra những bất cập trong chương trình, nội dung và phương pháp dạy-học môn học Chi tiết máy của Việt nam như sau.

1. Sự bất cập về một số nội dung hiện có trong các sách về Chi tiết máy ở Việt nam Sự bất cập này thể hiện ở những điểm sau:

Nhiều nội dung mới chưa được đề cập tới như: Lý thuyết đồng dạng trong việc tính toán độ bền mỏi; lý thuyết lan truyền vết nứt, tích lũy phá hủy khi chi tiết máy làm việc; tính toán độ bền chi tiết máy theo xác suất phá hủy;

- Nhiều nội dung trong sách vẫn được bố trí, sắp xếp theo cách truyền thống cách đây vài chục năm về trước, chủ yếu dựa theo cấu trúc các sách về chi tiết máy của Liên-Xô cũ;

- Phần lớn nội dung trình bày trong các sách về chi tiết máy thiên về phương pháp tính toán, áp dụng các công thức, các bảng biểu, các tiêu chuẩn thiết kế. Những vấn đề về nguyên tắc thiết kế, nguyên tắc cấu tạo các chi tiết máy nhằm đảm bảo độ bền cao, giá thành hạ, gọn nhẹ… ít được đem ra giảng dạy. Những vấn đề về tự động hóa tính toán và tính toán tối ưu trong thiết kế chi tiết máy còn xa vời với người học!

2. Sự bất cập của phương pháp dạy và học theo các sách giáo khoa về Chi tiết máy hiện có ở Việt nam;

Sự bất cập này thể hiện ở những điểm sau:

- Vẫn duy trì phương pháp “phấn trắng-bảng đen, thầy đọc trò ghi”;

- Thiếu các phương tiện kỹ thuật dạy học hiện đại;

- ít hoặc không sử dụng những tiến bộ của CNTT hoặc có thể có quan điểm ngược lại: đề cao quá mức công nghệ số hóa các môn học nên xem thường phương pháp truyền thống;

3. Sự bất cập về nội dung và phương pháp làm đồ án môn học Chi tiết máy hiện nay

Sự bất cập này thể hiện ở những điểm sau:

- Đầu đề các đồ án môn học mới chỉ bó hẹp trong việc thiết kế Hộp giảm tốc với những bộ truyền cơ khí quen thuộc;

- Sử dụng những tiêu chuẩn cơ khí cũ của nước ngoài cách đây 50 năm;

- Việc thiết kế môn học còn mang tính hàn lâm, cách xa thực tế kỹ thuật, không tham gia giải quyết những yêu cầu kỹ thuật thực tế sản xuất.

II. SỰ CẤP THIẾT PHẢI ĐỔI MỚI NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP DẠY-HỌC MÔN CHI TIẾT MÁY

Bước sang thế kỷ 21- thế kỷ của công nghệ thông tin, thế kỷ của kỹ thuật số - việc tính toán thiết kế Chi tiết máy theo cách truyền thống được trình bày trong các tài liệu viện dẫn trên bộc lộ nhiều điều bất cập. Trong hệ thống các trường đại học kỹ thuật và các trường cao đẳng kỹ thuật ở Việt nam chúng ta, nếu tiếp tục sử dụng những tài liệu đó để dạy-học môn Chi tiết máy thì những điều bất cập đó càng trở nên sâu sắc [9,10]. Đó là do những nguyên nhân sau:

Thứ nhất, do sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ cơ khí, nhiều tiêu chuẩn cơ khí cũ từ những năm 60 của thế kỷ 20 [8] đã không còn được áp dụng nữa, nhiều tiêu chuẩn quốc gia và nhiều tiêu chuẩn quốc tế về cơ khí hoàn toàn mới đã xuất hiện, người thiết kế phải tuân thủ và phải áp dụng tốt nhất vào quá trình thiết kế chi tiết máy và máy [9]. Nếu vẫn sử dụng những tiêu chuẩn cơ khí cũ của nước ngoài cách đây hơn 50 năm để giảng dậy và hướng dẫn các sinh viên tính toán, thiết kế đã được đưa vào trong tài liệu cũ, cho dù mới tái bản [8] thì thật tai hại!

Thứ hai, việc tự động hoá tính toán với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm toán học buộc các sinh viên phải thay đổi phương pháp tính toán thiết kế truyền thống, không thể tính toán thủ công mãi được![9] bởi vì xu thế tự động hoá là một trong những xu thế tất yếu của mọi quá trình công nghệ. Hơn nữa, quá trình thiết kế chi tiết máy và máy là quá trình gần đúng dần, chỉ có tự động hoá tính toán mới có thể thực hiện được việc thiết kế tối ưu [9,10] vì người thiết kế phải giải bài toán tối ưu với nhiều hàm mục tiêu mà việc tính toán thủ công khó thực hiện được nhất là khi số hàm mục tiêu tăng lên mà thời gian thiết kế thì eo hẹp.


Hình 1: Lựa chọn vật liệu tối ưu khi thiết kế chi tiết máy

Thứ ba, ngày nay đã xuất hiện rất nhiều phần mềm cơ khí vừa ở mức độ giảng dạy - học tập, vừa ở mức độ thiết kế công nghiệp trên bình diện idesign và đã được thương mại hoá theo luật sở hữu trí tuệ [7,9,10,11]. Muốn góp phần hội nhập một cách bình đẳng với các nước trong cộng đồng WTO, nhà thiết kế phải biết chia sẻ những sản phẩm của mình trên cơ sở sử dụng những phần mềm cơ khí đó, đồng thời phải biết kế thừa và hưởng thụ những sản phẩm do cộng đồng mang lại. Một điều cần nhấn mạnh rằng, tất cả những chi tiết máy có công dụng chung (mà đó là một trong số những đối tượng nghiên cứu của môn học Chi tiết máy!) đều được tiêu chuẩn hoá ở các quốc gia và ở cấp quốc tế (ISO) đều được tích hợp trong các phần mềm thiết kế cơ khí đó [9,10].


Hình 2: i DESIGN trên bình diện toàn cầu

Thứ tư, ngày nay quá trình tính toán thiết kế chi tiết máy và quá trình chế tạo chúng hầu như có thể tiến hành song song [11]. Quá trình thiết kế tự thích nghi cho phép nhà thiết kế thỏa sức sáng tạo về mặt kết cấu [11]. Điều này không thể thực hiện được khi tiến hành tính toán thiết kế thủ công.

Thứ năm, ngày nay chỉ tiêu về độ bền của chi tiết máy không những chỉ bó hẹp ở độ bền tĩnh và độ bền mỏi (mặc dù độ bền mỏi rất quan trọng cho mọi chi tiết máy [12]), mà còn có những chỉ tiêu bền mới như độ bền nứt rạn KIC,KIIC,KIIIC (còn gọi là độ dai phá huỷ);độ mở vết nứt dc [11,12]… mà trong các sách hướng dẫn tính toán thiết kế Chi tiết may trước đây chưa thể đề cập tới [8]. Điều này buộc nhà thiết kế phải tìm hiểu, nghiên cứu và kiểm bền theo những chỉ tiêu mới ấy [11,12].


Hình 3: Tính toán sự lan truyền vết nứt theo luật Paris-
Một chỉ tiêu bền mới: độ bền nứt rạn

Thứ sáu, nhiều phương pháp tính toán mới đã xuất hiện như tính toán độ bền mỏi theo chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ [5], các phương pháp dự báo tuổi thọ của chi tiết máy theo phương trình lan truyền vết nứt trong Cơ học phá hủy tuyến tính và Cơ học phá hủy phi tuyến [2], hoặc tính toán độ bền mỏi theo xác suất phá huỷ [5]. Những phương pháp tính toán này cho tới nay còn khá mới mẻ chưa hề được trình bày trong các sách về Chi tiết máy, đặc biệt là trong các sách hướng dẫn đồ án môn học Chi tiết máy [8], ví dụ công thức dưới đây dùng để tính toán hệ số an toàn mỏi của trục khi chưa hề được trình bày trong bất kỳ các sách hướng dẫn thiết kế chi tiết máy xuất bản trước năm 2005:




Hình 4: Phương pháp tính toán độ bền Chi tiết, cấu kiện khi có vết nứt

Thứ bảy, nhờ kỹ thuật mô phỏng phát triển, nhà thiết kế có thể xem các quá trình động học, quá trình động lực học diễn ra trong cụm máy, trong cả máy. Nhà thiết kế có thể mô phỏng 2D hoặc 3D cho từng chi tiết hoặc có thể mô phỏng quá trình tháo, lắp các chi tiết máy, từ đó có thể đánh giá được sự hợp lý về mặt kết cấu của tưng chi tiết máy, từng cụm máy. Từ quá trình mô phỏng này sẽ tìm được một kết cấu có kích thước nhỏ gọn có thể chấp nhận được cho máy mà mình đang thiết kế.

Thứ tám, ngày nay do công nghệ Internet [7] và dịch vụ truyền thông phát triển, việc tính toán thiết kế Chi tiết máy trên mạng không ngừng đổi mới và phát triển, đặc biệt đối với các sinh viên Tây-Âu, công việc đó đã trở thành quen thuộc, song, đối với các sinh viên Việt nam thì còn rất xa lạ! Công nghệ truyền thông cho phép chia sẻ ý tưởng thiết kế và sản phẩm thiết kế một cách mau lẹ ở mọi lúc, ở mọi nơi. Công nghệ viễn ấn cho phép in ấn những thông tin được chia sẻ trên bình diện toàn cầu [4,7,11,12]! Rõ ràng rằng các sách giấy về Hướng dẫn tính toán thiết kế Chi tiết máy của thế kỷ trước đã không có được những nội dung và các khả năng vượt trội nêu trên!

Thứ chín, do CNTT được ứng dụng vào công nghệ cơ khí một cách vô cùng mau lẹ và hiệu quả, những sản phẩm cơ khí mới mà điển hình là những loại hộp giảm tốc làm việc theo những nguyên lý mới xuất hiện ngày càng nhiều (ví dụ ngay ở Việt nam ta đã nghiên cứu, chế tạo thành công hộp giảm tốc bánh răng-con lăn), ngay trong mỗi một quốc gia, cùng một chủng loại hộp giảm tốc nhưng rất nhiều hãng, nhiều công ty nghiên cứu thiết kế, chế tạo. Rất nhiều kiểu dáng, mẫu mã được tiếp thị trên internet, khách hàng có thể nhập liệu theo các yêu cầu kỹ thuật và sẽ có được những kết quả ngay tức khắc. Nếu muốn mua sản phẩm (ví dụ hộp giảm tốc, máy CNC...) đã có trong các danh mục kỹ thuật (catalogs) thì sau khi tiến hành các thủ tục thương mại điện tử theo luật pháp quốc tế, khách hàng sẽ nhận được sản phẩm một cách nhanh chóng [13,14].

Thứ mười, ngày nay việc giảng dạy, việc đào tạo các chuyên gia tính toán thiết kế chi tiết máy, thiết kế máy cơ khí trong các trường đại học kỹ thuật, đặc biệt các trường đại học đẳng cấp quốc tế, đã biến đổi về chất. Trên thế giới, trong từng trường đại học kỹ thuật, những trang website về tính toán, thiết kế chi tiết máy có công dụng chung đã được hoàn chỉnh, ví dụ MITcal (Michigan Instritut of Technology Calculation) [11], sinh viên có thể dùng những websites này để tập luyện kỹ năng tính toán, thiết kế. Nhưng điều quan trọng hơn là các trường này luôn luôn nằm trong liên hợp thống nhất viện-trường-xưởng-hội để giải quyết có hiệu quả nhiều vấn đề về thiết kế những máy cơ khí do cuộc sống thực đặt ra. Điều ấy có nghĩa là việc học kết hợp với hành là mục đích tự thân thống nhất của quá trình đào luyện chứ không phải là khẩu hiệu hô hào chung chung nữa!

III. HIỆU QỦA BƯỚC ĐẦU VIỆC ĐỔI MỚI DẬY VÀ HỌC MÔN CHI TIẾT MÁY Ở MỘT NHÀ TRƯỜNG

Từ năm học (1999-2000) tới nay nay, trong quá trình dậy-học môn học CTM, tại Đai học Kỹ thuật Lê Quý Đôn, đã có đổi mới như sau [4]:

3.1. Giảng dạy:

a. Về nội dung: Tập trung và mở rộng phần các chi tiết truyền động; giới thiệu cho người học truyền động bánh răng sóng, bánh răng Nôvicốp và phạm vi ứng dụng của chúng. Xây dung các mô đun tự động hóa tính toán tối ưu các bộ truyền cơ khí : chọn vật liệu tối ưu; tính độ bền mỏi,...Ví dụ như dự báo tuổi thọ theo lý thuyết lan truyền vết nứt được tính toán theo công thức sau mà các sách về Chi tiết máy chưa có dịp trình bày:



b. Về phương pháp: sử dụng liên tục PC với các bài giảng bằng Power Point; các phần mềm mô phỏng có liên quan kết hợp với việc tham quan học tập tại phòng thí nghiệm Cơ học Máy.

3.2. Học tập:

a/ Các học viên, các sinh viên đã sử dụng các mô đun chương trình trong môi trương Maple để tự động hóa tính toán chi tiết máy.

c/ Sử dụng phần mềm MDT để thiết kế : vẽ biểu đồ nội lực, tính ứng suất,tính toán hệ số an toàn mỏi; xác định kích thước cơ bản của chi tiết máy...


Hình 5: Phương pháp tính toán độ bền Chi tiết, cấu kiện khi có vết nứt

c/ Sử dụng AutoCAD trợ giúp thiết kế, lập bản vẽ, xuất bản vẽ...


Hình 6. Hộp giảm tốc vẽ từ AutoCAD 2002

3.3.. Tự đánh giá: Chất lượng dậy và học môn Chi tiết máy trong những năm qua tại nhà trường đã được nâng cao rõ rệt.

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4.1. Kết luận

1.Việc đôỉ mới nội dung, phương pháp giảng dậy phải được tiến hành song song, phải tuân theo quy tắc dậy học. Không thể có đổi mới phương pháp dậy học trên nền tảng những nội dung cũ , lạc hậu [2];

2.Đứng về mặt lý luận dậy học, việc ứng dụng PC, các phần mềm chuyên dụng, Internet, LAN,WAN..., chỉ nên xem xét chúng ở bình diện phương tiện kỹ thuật dậy học hiện đại [1]. Cái cốt lõi của quá trình sư phạm vẫn là truyền đạt những chân lý khoa học, những liều kiến thức của nhân loại được chứa đựng trong từng phần, từng chương mục của môn học., từng phần mềm cơ khí [9,10], từng Website [13,14...] trên Internet...

3.Những kết quả ban đầu được trình bày trên, chỉ nên xem là những bước khởi đầu trong tiến trình đổi mới nội dung và phương pháp giảng dậy, học tập môn chi tiết máy trong kỷ nguyên công nghệ thông tin. Những tiến bộ trong lĩnh vực này của các trường bạn ở trong nước cũng như trên thế giới sẽ được chúng tôi tiếp tục nghiên cứu, học tập, áp dụng nhằm không ngừng góp phần nâng cao chất lượng giáo dục-đào tạo nói chung và chất lượng dậy-học môn học Chi tiết máy nói riêng.

4.2. Kiến nghị

1/Tập trung vào phần tính toán độ bền mỏi vì các Chi tiết máy cơ khí chủ yếu bị phá hủy vì mỏi. Tập trung vào lý luận và phương pháp thiết kế Chi tiết máy nhằm đảm bảo các chỉ tiêu về khả năng làm việc, đặc biệt đảm bảo độ bền mỏi, Hình 7.

2/Những chi tiết máy đã được tiêu chuẩn hóa (chủ yếu ở phần các tiết máy ghép: bu lông, đai ốc, then, then hoa, độ dôi)...: chỉ giới thiệu phương pháp tính chọn và sử dụng các phần mềm có liên quan để tính chọn;

3/ Sử dụng rộng rãi Internet [13,14] và các phần mềm có liên quan (MDT, Inventor...) trong quá trình tính toán , thiết kế môn học[9,10]. Đổi mới nội dung thiết kế môn học CTM theo hướng tự động hóa tính toán và thiết kế tối ưu [11,12].

4/ Nên dịch một số sách giáo khoa về CTM của nước ngoài để tham khảo, dậy chọn lọc.Nên viết lại sách giáo khoa về Chi tiết máy.

5/ Loại bỏ hẳn tài liệu [8] vì cũ, lạc hậu về nội dung, về dữ liệu tra cưu và về Tiêu chuẩn thiết kế!


Hình 7. Tự động phân tích sự phá hủy mỏi khi chi tiết máy có vết nứt

6/ Định kỳ 2 năm một lần nên tổ chức các cuộc Hội thảo học tập nghiên cứu (Workshop Study on Teaching Method of discipline ) cho các môn học trong các trường đại học và cao đẳng trong cả nước./.

Tài liệu tham khảo:

[1].Ngô Văn Quyết: “Phương tiện kỹ thuật dậy học hiện đại trong nhà trương quân sự”, - Học viện Kỹ thuật Quân sự, 1985, 252 trang.
[2].Ngô văn Quyết:”Phương pháp giảng dậy Môn học”. - Học viện Kỹ thuật Quân sự, 1987, 120 trang.
[3] Ngô Văn Quyết: “Về sách giáo khoa và việc dạy-học Chi tiết máy trong các trường Đại học kỹ thuật”.-Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 6. Hànội,3-5/12/1997, trang 245-248.
[4].Ngô Văn Quyết: “Những giải pháp cụ thể góp phần đổi mới phương pháp dạy-học môn học Chi tiết máy ở bậc đại học”. Hội thảo khoa học toàn quốc về gỉâng dạy cơ học.- Hà nội, “Bộ giáo dục và đào tạo-Hội cơ học Việt nam”, Hà nội, 2002,142 trang, trang 100-107.
[5] Ngô Văn Quyết, Phạm Ngọc Phúc: “ứng dụng lý thuyết Xác suất thống kê trong tính toán độ bền mỏi Chi tiết máy” -Hànội, Nxb Quân đội nhân dân, 2001, 222 trg.
[6] Ngô Văn Quyết: “Sử dụng phần mềm dậy học góp phần nâng cao chất lượng giáo dục- đào tạo”. Tạp chí: “Đại học và giáo dục chuyên nghiệp”, Số 3-2000, trang 25-25
[7] Ngô Văn Quyết: “Khai thác, sử dụng Internet phục vụ giáo dục đào tạo”.-Tạp chí: Đại học và Giáo dục chuyên nghiệp-2000,N0 5,trang 15-18
[8] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm: “Thiết kế Chi tiết máy”.- Hà nội, Giáo dục,1979,2003 (Tb)
[9] An Hiệp, Trần Vĩnh Hưng: "Các phần mềm ứng dụng trong ngành cơ khí ", - Hànội, "Giao thông vận tải ", 2001, 460 trg.
[10] An Hiệp, Trần Vĩnh Hưng, Nguyễn Văn Thiệp: "Autodesk Inventor-phần mềm thiết kế công nghiệp ", -Hànội, " Khoa học và kỹ thuật", 2004, 384 trg.
[11] Ngô Văn Quyết: “Tự động hoá tính toán thiết kế Chi tiết máy”.-Hà nội, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2005, 280 trg, in lần thứ 2, 2006 , 294 trg..
[12] Ngô Văn Quyết: “Đồ án môn học Chi tiết máy”. Hải Phòng, Nxb Hải Phòng 2007, 290 trg.
[13] http://www.MIT cal.com
[14] http://www.machine componentsdesign.com .
[15] http://www.vnschool.net: Ngô Văn Quyết: “Nghiên cứu các trường đại học đẳng cấp quốc tế: những quan điểm và chỉ tiêu chất lượng xếp hạng”.Tháng 8/2007.

Ngo Van Quyet
LeQuyDon University of Technology
100, Hoang Quoc Viet Street; Cau Giay District; Hanoi City, Vietnam
quyetnv@lqdtu.edu.vn