Trang 128
Sau khi học xong bài này, em sẽ:
Vận dụng được kiến thức về thiết kế kĩ thuật để thiết kế một sản phẩm đơn giản.
Hình 22.1
I - GIỚI THIỆU
Nước ngọt là tài nguyên thiên nhiên quý giá đối với con người. Theo thời gian, nước ngọt ngày càng cạn kiệt và bị ô nhiễm. Dự báo, trong tương lai, nhiều vùng trên trái đất sẽ thiếu nước ngọt cho sinh hoạt và sản xuất. Để có nước ngọt, nhiều nơi trong cả nước đã phải sử dụng nước ao, hồ hoặc nước giếng khoan. Tuy nhiên, các loại nguồn nước đó chưa phải là nước sạch, chưa được phép sử dụng trực tiếp để phục vụ sinh hoạt. Việc biến các nguồn nước khác nhau thành nước sạch để sử dụng trong sinh hoạt trở thành một vấn đề rất được quan tâm trong cuộc sống.
II – NHIỆM VỤ
Vận dụng những kiến thức đã học về thiết kế kĩ thuật, hãy thiết kế một sản phẩm đơn giản đề giúp lọc được nước suối, nước giếng khoan, nước sống hồ thành nước sinh hoạt.
III – TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN
Nội dung tiến trình:
1. Nghiên cứu, tìm hiểu về các loại nguồn nước, các phương pháp, thiết bị lọc nước đã có trên thị trường, các chỉ số giới hạn cho phép của nước sinh hoạt.
2. Đề xuất các tiêu chí của sản phẩm lọc nước đơn giản từ nước ao, hồ, giếng khoan thành nước sinh hoạt như kích thước, vật liệu. công suất lọc, tiêu chuẩn chất lượng, ...
Trang 129
3. Đề xuất, đánh giá và lựa chọn giải pháp lọc nước; hoàn thiện giải pháp cho sản phẩm lọc nước.
4. Tạo sản phẩm mẫu dựa trên giải pháp sản phẩm lọc nước đã lựa chọn.
5. Thử nghiệm sản phẩm lọc nước mẫu, đánh giá mức độ đáp ứng các tiêu chí đặt ra ban đầu của sản phẩm.
6. Hoàn thiện sản phẩm.
7. Báo cáo và giới thiệu về sản phẩm thiết kế.
IV – ĐÁNH GIÁ
1. Nội dung đánh giá
Quá trình thực hiện dự án
- Kế hoạch và tiến độ thực hiện dự án;
- Sự hài hoà giữa nhiệm vụ cá nhân và quá trình hợp tác;
- Tính chủ động, sáng tạo của mỗi thành viên;
- Sự tiến bộ của học sinh trong quá trình thực hiện dự án.
Sản phẩm thiết kế:
- Mức độ đáp ứng yêu cầu của nhiệm vụ;
− Tính mới và tính sáng tạo của giải pháp;
- Độ bền và sự chắc chắn của sản phẩm;
- Tính kinh tế của sản phẩm;
- Tính thẩm mĩ của sản phẩm thiết kế.
2. Hình thức và công cụ đánh giá
- Học sinh tự đánh giá.
- Các nhóm đánh giá chéo.
- Giáo viên và chuyên gia đánh giá.
- Đánh giá qua bảng Rubric, binh luận, lấy ý kiến khán giả trực tiếp hoặc sử dụng các phần mềm công nghệ.
V – THÔNG TIN BỔ TRỢ
1. Chia nhóm và phát hiện vấn đề
- Các nhóm xác định nhiệm vụ, chọn nhóm trưởng, thư kí và lập kế hoạch làm việc.
- Trả lời các câu hỏi sau:
+ Vấn đề cần giải quyết là gì?
+ Để giải quyết vấn đề này, sản phẩm có chức năng gì?
2. Nghiên cứu tổng quan
a) Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu tổng quan bao gồm các kiến thức, kĩ năng, công nghệ có liên quan tới vấn đề thiết kế các phương pháp sản phẩm lọc nước đã có trên thị trường; những vấn đề liên quan tới người dùng, ... Tham khảo Bảng 22.1.
Trang 130
Bảng 22.1.
| STT | Nội dung nghiên cứu | Ví dụ |
| 1 | Kiến thức | Nguyên lí, định luật nào được áp dụng để lọc nước? |
| Sản phẩm hoạt động liên quan đến hiện tượng gì? Vật liệu nào có thể lọc và làm sạch nước, chúng có tính chất gì? | ||
| Thế nào là nước bị ô nhiễm ? Các tiêu chuẩn của nước sinh hoạt là gì? | ||
| 2 | Các nghiên cứu khoa học liên quan đến vấn đề lọc nước | Đề tài khoa học nào về chất lọc nước, sản phẩm và phương pháp lọc nước đã được công bố? |
| Trang thông tin có độ tin cậy cao hay thấp? | ||
| Bài báo nào liên quan đến các sản phẩm lọc nước đã được công bố? | ||
| 3 | Các vật liệu, sản phẩm lọc nước có trên thị trường | Công ti sản xuất, chủng loại, giá cả như thế nào? |
| Điểm mạnh, điểm yếu, điểm thú vị của sản phẩm đó là gì? | ||
| Sản phẩm chưa đáp ứng được nhu cầu nào? | ||
| 4 | Nhu cầu và sở thích của người sử dụng | Sản phẩm cần có chức năng cụ thể là gì? |
| Sản phẩm cần đảm bảo những yêu cầu gì? |
b) Tiêu chuẩn chất lượng nước sinh hoạt
Bảng 22.2. Tiêu chuẩn chất lượng nước sinh hoạt
| STT | Tên chỉ tiêu | Giới hạn tối đa cho phép | Đơn vị tính | Phương pháp thử | |
| I | II | ||||
| 1 | Màu sắc | 15 | 15 | TCU | TCVN 6185–1996(ISO 7887–1985) hoặc SMEWW 2120. |
| 2 | Mùi, vị | Không có mùi, vị lạ | Không có mùi, vị lạ | - | Cảm quan, hoặc SMEWW 2150 B và 2160 B. |
| 3 | Độ đục | 5 | 5 | NTU | TCVN 6184–1996 (ISO 7027– 1990) hoặc SMEWW 2130 B. |
| 4 | Clo dư | Trong khoảng 0,3-0,5 | Trong khoảng 0,3-0,5 | mg/l | SMEWW 4500CI hoặc US EPA 300.1. |
| 5 | pH | Trong khoảng 6,0-8,5 | Trong khoảng 6,0-8,5 | - | TCVN 6492:1999 hoặc SMEWW 4500-H+. |
| 6 | Hàm lượng Amoni | 3 | 3 | mg/l | SMEWW 4500 – NH3 C hoặc SMEWW 4500-NH3 D. |
| 7 | Hàm lượng Sắt tổng số (  +  ) | 0,5 | 0,5 | mg/l | TCVN 6177–1996 (ISO 6332–1988) hoặc SMEWW 3500 – Fe. |
| 8 | Chỉ số Pecmanganat | 4 | 4 | mg/l | TCVN 6186:1996 hoặc ISO 8467:1993 (E). |
Trang 131
| STT | Tên chỉ tiêu | Giới hạn tối đa cho phép | Đơn vị tính | Phương pháp thử | |
| I | II | ||||
| 9 | Độ cứng tính theo  | 350 | - | mg/l | TCVN 6224–1996 hoặc SMEWW 2340 C. |
| 10 | Hàm lượng Clorua | 300 | - | mg/l | TCVN 6194–1996 (ISO 9297– 1989) hoặc SMEWW 4500 - CI D. |
| 11 | Hàm lượng Florua | 1,5 | - | mg/l | TCVN 6195–1996 (ISO10359–1– 1992) hoặc SMEWW 4500 – F-. |
| 12 | Hàm lượng Asen tổng số | 0,01 | 0,05 | mg/l | TCVN 6626:2000 hoặc SMEWW 3500 - As B. |
| 13 | Coliform tổng số | 50 | 150 | Vi khuẩn/ 100 ml | TCVN 6187 – 1,2:1996 (ISO 9308 – 1,2 – 1990) hoặc SMEWW 9222. |
| 14 | E. coli hoặc Coliform chịu nhiệt | 0 | 20 | Vi khuẩn/ 100 ml | TCVN 6187–1,2:1996 (ISO 9308–1,2 –1990) hoặc SMEWW 9222. |
c) Một số phương pháp lọc nước
- Phương pháp cơ học: dùng các thiết bị làm sạch nước như lưới chắn, bể lắng, bể lọc, khử muối bằng màng tiếp xúc trực tiếp.
- Phương pháp hoá học: dùng hoá chất để xử lí nước như dùng phản làm chất keo tụ, dùng với để kiềm hoá nước, dùng do hoặc muối để khử trùng, khử Flo bằng thảo dược, khử hoá chất bằng "siêu cát" (cắt được bọc bằng graphite oxide), khử thạch tin (Asen) bằng nhựa phủ cysteine.
- Phương pháp lí học: dùng tia tử ngoại hay sóng siêu âm để khử trùng nước; điện phân nước mặn để khử muối; khử khí CO, hoà tan bằng phương pháp làm thoáng, xử lí nước màng thẩm thấu ngược RO.
- Phương pháp sinh học: khử độc tố bằng vi khuẩn.
Hình 22.2. Một số giải pháp lọc nước đã có trên thị trường
Trang 132
d) Một số loại vật liệu được sử dụng để lọc nước
Bông, vải, than hoạt tính, nhựa trao đổi ion, cắt đen, cát vàng, cát thạch anh, sỏi lọc nước, cát mangan, hạt sử, đá khử sắt, đã nâng pH, màng lọc RO, ...
e) Một số thiết bị đo các thành phần trong nước
- Bút đo TDS.
- Bộ Test KID đo nhanh Chlorine.
- Bút đo độ dẫn điện.
- Bút đo pH ECO.
- Máy phân tích clo tự do và clo tổng.
3. Yêu cầu đối với sản phẩm thiết kế
Sản phẩm được thiết kế phải thực hiện được chức năng đề ra và đạt một số yêu cầu kĩ thuật sau:
– Loại bỏ được những thành phần nào của nguồn nước đầu vào để có nước sạch?
– Cần lọc được những tạp chất có kích thước nhỏ nhất là bao nhiêu?
– Cần sử dụng những vật liệu nào để lọc?
– Cần có mấy lớp vật liệu lọc?
– Sắp xếp các lớp lọc theo thứ tự nào cho hợp lí?
– Sản phẩm được lắp cố định hay có thể mang đi?
– Sản phẩm có dễ dàng bảo dưỡng và thay thế định kĩ các thành phần không?
Các nhóm đề xuất các tiêu chí cần đạt của sản phẩm, ý tưởng (tham khảo Bảng 22.3).
Bảng 22.3. Một số tiêu chí đánh giá sản phẩm lọc nước
| STT | Tiêu chí | Tính năng và thông số cụ thể |
| 1 | Khả thi, hoạt động tốt | Sản phẩm vận hành trơn tru, lọc được một số chất ô nhiễm trong nước như cặn, kim loại, rút, vi khuẩn, muối. |
| 2 | Đảm bảo công suất | Lọc được tối thiểu 5 – 10 lít/giờ. |
| 3 | An toàn | Thiết kế chắc chắn, không rỉ nước, .... |
| 4 | Thân thiện với môi trường | Ít vật liệu nhựa, phát thải CO, thấp, dễ phân huỷ, hài hoà với thiên nhiên. |
| 5 | Tính thẩm mĩ | Đẹp, gọn gàng, bắt mắt. |
| 6 | Dễ sử dụng, bảo dưỡng | Dễ bật / tắt, dễ tháo lắp và làm sạch. |
| 7 | Kinh tế | Chi phí hợp lí, vật liệu dễ kiếm. |
| 8 | Tuổi thọ cao | Thời gian thay thế các lớp lọc không quá ngắn. |
Trang 133
4. Đề xuất, đánh giá và lựa chọn giải pháp
Nhóm thực hiện phương pháp động não để đưa ra các giải pháp, sau đó dùng kĩ thuật PMI để đánh giá các ý tưởng và giải pháp, chọn ra giải pháp tối ưu nhất.
- Chọn được vật liệu để loại bỏ được các tạp chất trong nước.
- Chọn được phương án thiết kế sản phẩm lọc nước.
5. Trình bày và đánh giá ý tưởng
Nhóm trình bày ý tưởng trên bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp của sản phẩm lọc nước bao gồm các hình biểu diễn, kích thước, chú thích và bảng kê vật liệu, dụng cụ cần thiết. Có thể sử dụng các phần mềm vẽ kĩ thuật để dựng hình 3D và quan sát quá trình lắp ráp.
Các nhóm báo cáo giải pháp, lắng nghe góp ý và phản biện trước lớp.
6. Tiến hành xây dựng nguyên mẫu và thử nghiệm
- Nhóm lập kế hoạch thực hiện cụ thể: nội dung, thời gian, địa điểm, phương thức, người thực hiện.
- Nhóm làm mô hình hoặc sản phẩm mẫu, tiễn hành dùng thử.
- Ghi nhật kí: ghi lại các bước làm, những điều chỉnh, kết quả và giải thích; các thông số của yêu cầu cần đạt, giá trị các biến để tìm ra mối quan hệ với các biến khác (cần giữ nguyên các biễn khi kiểm tra sự phụ thuộc của một biến vào một biến khác).
- Mức độ đánh giá sản phẩm:
+ Đánh giá định tính: thông qua quan sát quá trình hoạt động, sự thay đổi trạng thái của sản phẩm.
+ Đánh giá định lượng: dùng các phương pháp thí nghiệm, đo các chỉ số của nước trước và sau khi qua sản phẩm lọc, ghi chép và phân tích số liệu, xử lí số liệu để xây dựng các sơ đồ, đồ thị, bảng biểu nhằm biểu thị mối quan hệ giữa các yếu tố thay đổi nếu cần (ví dụ: mối quan hệ giữa tốc độ lọc nước, chất lượng lọc nước với số lớp vật liệu lọc, độ dày của mỗi lớp vật liệu hay thứ tự của các lớp vật liệu. Cần cố định các yếu tố khi khảo sát một yếu tố nào đó). Trên cơ sở đó, đánh giá sản phẩm và rút ra các kết luận.
+ Điều chỉnh và cải tiến sản phẩm: Dựa vào Bảng 22.3 để điều chỉnh thiết kế sau mỗi kết quả thử nghiệm.
7. Báo cáo và trình diễn sản phẩm theo nhóm
Tuỳ vào quy mô của các lớp tham gia, thời gian thực hiện, số lượng sản phẩm để lựa chọn và phối hợp các hình thức báo cáo khác nhau:
- Viết báo cáo, làm hồ sơ chính thức cho sản phẩm theo các nội dung của quy trình thiết kế. Nên có poster, giấy giới thiệu sản phẩm đi kèm với sản phẩm.
- Báo cáo trước lớp: thuyết trình, giới thiệu sản phẩm.
- Triển lãm sản phẩm.
- Tổ chức ngày hội kĩ thuật.
