Dự án STEM: Thiết kế và chế tạo mô hình kết cấu chịu lực bằng máy CNC và Laser (Công nghệ 11 - Vật lí 11)

1. Giới thiệu tổng quan và Ý nghĩa sư phạm

Trong Chương trình GDPT 2018, môn Công nghệ 11 (định hướng Công nghệ Cơ khí và Thiết kế kĩ thuật) và môn Vật lí 11 (chủ đề Lực và Cân bằng lực, Biến dạng của vật rắn) đóng vai trò then chốt trong việc hình thành tư duy kỹ thuật và định hướng nghề nghiệp tương lai cho học sinh.

Dự án STEM "Thiết kế và chế tạo mô hình kết cấu chịu lực bằng máy CNC và máy cắt Laser" giúp học sinh chuyển từ các bài toán cơ học tĩnh trên trang giấy sang quy trình kỹ thuật hiện đại: từ lên ý tưởng, dựng bản vẽ 2D/3D trên phần mềm CAD, phân tích ứng suất, đến trực tiếp vận hành máy CNC mini và máy khắc cắt Laser để tạo phôi và gia công chính xác các thanh giàn cầu mô hình.

Dự án khai thác hiệu quả các thiết bị trong danh mục khung theo Thông tư 86/2026/TT-BGDĐT (mã thpt-18: Máy CNC để bàn và mã thpt-17: Máy cắt khắc laser để bàn, thcs-14), tạo ra trải nghiệm "Học qua chế tác" (Makerspace) thực thụ trong nhà trường.

2. Mục tiêu dạy học và Yêu cầu cần đạt

• Năng lực Vật lí:
• Vận dụng các định luật Newton, điều kiện cân bằng lực và nguyên lý phân bổ ứng suất trên hệ thanh giàn (truss structure).
• Xác định được điểm yếu và điểm chịu tải cực đại của kết cấu hình tam giác so với kết cấu hình vuông/chữ nhật.
• Năng lực Công nghệ & Tin học:
• Đọc và tạo lập bản vẽ kỹ thuật chi tiết của các thanh liên kết trên phần mềm đồ họa vector/CAD (như AutoCAD, Inkscape hoặc Fusion 360).
• Hiểu quy trình gia công điều khiển số (Computer Numerical Control - CNC): chuyển đổi từ bản vẽ thiết kế (CAD) sang mã lệnh gia công (G-code/CAM).
• Nắm vững và thực hành quy tắc an toàn lao động khi vận hành máy cắt Laser và máy phay CNC mini để bàn.
• Phẩm chất và Kỹ năng:
• Rèn luyện tính tỉ mỉ, độ chính xác cao trong kỹ thuật và tinh thần hợp tác nhóm.

3. Thiết bị, Dụng cụ và Vật liệu

• Thiết bị công nghệ (chuẩn Thông tư 86):
• Máy CNC mini để bàn tích hợp Laser 2 trong 1 (hỗ trợ đầu phay phôi gỗ và đầu khắc cắt laser bán dẫn).
• Máy cưa lọng STEM mini an toàn học đường (hỗ trợ cắt tỉa nhanh các chi tiết thô).
• Máy tính học sinh cài sẵn phần mềm CAD 2D/3D và phần mềm điều khiển CAM.
• Dụng cụ và vật liệu chế tạo:
• Thước kẹp điện tử, thước góc, kính bảo hộ chống tia laser.
• Gỗ balsa hoặc ván ép basswood mỏng 2mm – 3mm, keo dán gỗ chuyên dụng.
• Bộ giá đỡ thử tải và các quả nặng chuẩn (từ 1kg đến 10kg) để kiểm tra tải trọng phá hủy.

4. Tiến trình tổ chức dạy học (5 bước theo Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH)

Hoạt động 1: Xác định thử thách kỹ thuật (15 phút)

Giáo viên giới thiệu các mô hình cầu giàn nổi tiếng (Warren truss, Pratt truss) và đặt ra thử thách kỹ thuật:

• Nhiệm vụ: Thiết kế và chế tạo một mô hình cầu giàn vượt nhịp 40cm, trọng lượng mô hình không quá 150g, nhưng phải chịu được tải trọng uốn tối thiểu 5kg tại điểm giữa cầu.
• Thống nhất các tiêu chí đánh giá: Tỷ số chịu tải / trọng lượng bản thân (Load-to-weight ratio), độ võng tối thiểu và tính thẩm mỹ.

Hoạt động 2: Nghiên cứu cấu trúc và Thiết kế số CAD (20 phút)

• Các nhóm học sinh tính toán lý thuyết sự phân bổ lực nén và lực kéo trên từng thanh giàn.
• Sử dụng phần mềm CAD để dựng mô hình 2D các thanh liên kết và mộng ghép chính xác đến 0.1mm.
• Xuất tệp thiết kế định dạng chuẩn (DXF/SVG) sang phần mềm nạp mã gia công CAM.

Hoạt động 3: Thẩm định bản vẽ và Kế hoạch gia công (15 phút)

Mỗi nhóm trình bày giải pháp kết cấu (ví dụ lựa chọn mẫu giàn tam giác lặp lại để phân tán lực). Giáo viên kiểm tra thông số an toàn gia công (tốc độ dao phay, công suất laser và tiêu cự chùm tia) trước khi cho phép gia công thật.

Hoạt động 4: Gia công chế tác trên máy CNC/Laser và Lắp ráp (30 phút)

• Đeo kính bảo hộ, gá đặt phôi gỗ chắc chắn lên bàn máy gia công.
• Vận hành máy CNC hoặc máy cắt laser cắt các thanh giàn và chốt liên kết theo đúng mã G-code đã nạp.
• Dùng keo chuyên dụng và dưỡng gá lắp ráp hoàn chỉnh khung cầu 3D.
• Dùng máy cưa lọng an toàn xử lý các mép dư thừa.

Hoạt động 5: Thử tải thực nghiệm, Phân tích phá hủy và Báo cáo (10 phút)

Đặt cầu lên giá đỡ hai đầu nhịp, từ từ treo các quả nặng tăng dần tại điểm giữa nhịp. Đo độ võng và ghi nhận tải trọng tại thời điểm kết cấu bị phá hủy. Các nhóm đối chiếu điểm gãy thực tế với tính toán lý thuyết ban đầu, phân tích nguyên nhân và đề xuất phương án cải tiến gia cường.