QUY TRÌNH THỰC HIỆN MỘT DỰ ÁN KHOA HỌC KĨ THUẬT
Phụ lục 2
QUY TRÌNH THỰC HIỆN MỘT DỰ ÁN KHOA HỌC KĨ THUẬT
- Quy trình thực hiện dự án khoa học (Science fair project)
Dưới đây là quy trình thực hiện dự án khoa học đã được sơ đồ hóa
Hình 1: Quy trình thực hiện dự án khoa học
Qui trình này gồm các giai đoạn sau:
- Đặt câu hỏi (Ask Question ):
Hoạt động nghiên cứu khoa học thực sự chỉ và luôn bắt đầu bằng việc đặt một câu hỏi về một điều gì đó người nghiên cứu quan sát được. Các câu hỏi thường sử dụng các dạng: Như thế nào (How), Cái gì (What), Khi nào (When), Ai (Who), Điều gì (Which), Tại sao (Why), hay Ở đâu (Where).
Để trả lời được câu hỏi, cần phải tiến hành các thí nghiệm để có thể đo lường được với những kết quả cụ thể.
Việc đặt câu hỏi nghiên cứu phụ thuộc vào sự am hiểu của người nghiên cứu tới chủ đề quan tâm, vào tư duy phản biện, sự say mê nghiên cứu khoa học của người nghiên cứu. Câu hỏi thường xuất hiện trong quá trình học tập, vận dụng kiến thức vào thực tiễn, tham khảo thông tin khoa học từ các nguồn khác nhau quan sát các hiện tượng, quá trình sảy ra trong tự nhiên, xã hội hay ở các thí nghiệm hoặc khi phân tích, xử lí số liệu thu được từ các hiện tượng, quá trình này.
Một số câu hỏi thường được đặt ra trước tiên để dẫn dắt tới câu hỏi thí nghiên cứu, ví dụ như: từ lý thuyết này có thể dẫn tới những hệ quả nào; có thể xem xét đối tượng từ những góc độ nào; từ lý thuyết này có thể ứng dụng trong thực tế như thế nào; vấn đề gì còn tồn tại trong cuộc sống chưa được giải quyết; những gì con người đang quan tâm giải quyết nhiều nhất; có cách nào khác tốt hơn không; có thể cải tiến sản phẩm này như thế nào; tương lai, điều gì sẽ sảy ra……
Ví dụ: Tại sao bầu trời màu xanh; ngôi sao là gì và tại sao nó chuyển động vào ban đêm; Âm thanh là gì; Tại sao lá màu xanh; Tại sao quả bóng lại bị nổ khi bị thổi căng; tại sao Miền Bắc Việt Nam mùa hè lại nóng, mùa đông thì lạnh; làm thế nào để phát hiện rau; hoa quả nhiễm chất bảo vệ thực vật bằng mắt thường; nguyên nhân dẫn tới xe máy, ô tô bốc cháy trong thời gian vừa qua là gì…
- Nguyên cứu tổng quan (Do Background Research):
Nội dung phần này cần tìm kiếm và xem xét những kiến thức cơ ban liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu, các công trình nghiên cứu và nhũng kết quả có liên quan đã công bố, thông qua việc tìm hiểu thông tin tại thư viện, trên internet… Qua đó, sẽ tránh được những sai lầm biết được hướng nghiên cứu có thực sực cần và khả thi không.
Để làm được việc này, phương pháp được sử dụng chủ yếu là nghiên cứu tài liệu liên quan tới đề tài/dự án. Đó là những thông tin khoa học về cơ sở lý thuyết; các thành tựu lý thuyết đã đạt được; kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các ấn phẩm; các số liệu thống kê; chủ trương chính sách liên quan… Trên cơ sở đó, hình thành danh mục tham khảo; đánh giá những thành tựu cũng như những tồn tại của các công trình có liên quan; xem xét mức độ ý nghĩa và khả thi của câu hỏi nghiên cứu đã đặt ra.
- Xây dựng giả thiết (Construct Hypothesis):
Giả thuyết được xem như câu trả lời dự kiến cho câu hỏi nghiên cứu và thường được phát biêu bằng câu có mệnh đề “nếu…thì…”. Đồng thời giả thuyết cũng cần được xây dựng dựa trên những cơ sở lý thuyết và căn cứ khoa học và phát biểu sao cho dễ dàng cho việc đánh giá và kiểm chứng.
Một giả thuyết được kiểm chứng là đúng thì giả thuyết được thừa nhận và trở thành một luận điểm khoa học bổ sung cho nhận thức của con người và được sử dụng trong các công trình nghiên cứu tiếp theo. Một giả thuyết bị bác bỏ cũng có thể được coi như một kết quả nghiên cứu vì nó đã khẳng định được rằng; trong khoa học, không có điều như giả thuyết đã nêu ra. Trong bài, sự ra đời và cái chết của các ý tưởng, Genle viết: “Khi một giả thuyết phải lùi bước trước cuộc tấn công của những ý tưởng mới có nghĩa giả thuyết đã chết một cách vẻ vang”.
Sau đây ví dụ về những giả thuyết:”phải chăng, sự khác nhau về nhiệt độ giữa mùa hè và mùa đông ở miền Bắc Việt Nam là do khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất thay đổi”; hay “sự khác nhau về nhiệt độ giữa mùa hè và mùa đông ở miền Bắc là do sự quay của Trái Đất quanh trục nghiêng của nó”; “xe máy, ô tô cháy là do săng không chuẩn” hay ” xe máy, ô tô cháy là do chập hệ thống điện”…
- Kiểm chứng (giả thuyết) bằng thực nghiệm (Test with an Experiment):
Để kiểm chứng một giả thuyết là đúng hay sai, cần phải sử dụng thực nghiệm. Một thực nghiệm sẽ được thiết kế và thực hiện để làm việc đó. Điều quan trọng là thực nghiệm phải tiến hành một cách đúng đắn nhất, nghĩa là, cần đảm bảo thực nghiệm được tiến hành với sự thay đổi của một yếu tố trong khi các yếu tố khác được giữ nguyên. Cũng cần tiến hành thực nghiệm một vài lần hoặc theo những cách thức khác nhau để đảm bảo kết quả thu được là ổn định và chính xác nhất (không phải là ngẫu nhiên).
Trong một thực nghiệm kiểm chứng, thường có 3 yếu tố biến đổi (gọi là biến) cần được xem xét trong tiến trình thực hiện. Trong đó, biến do người nghiên cứu chủ động biến đổi được gọi là biến độc lập (independent variable), biến thay đổi do sự biến đổi của biến độc lập gây ra và được nhà khoa học đo đạc ghi lại sự thay đổi đó gọi là biến phụ thuộc (dependent variable), biến cần giữ ở trạng thái ổn định trong quá trình thực nghiệm được gọi là biến kiểm soát (controlled variable).
Để đảm bảo thành công và cho kết quả chính xác,thực nghiệm cần được thiết kế trước theo một tiến trình và hướng đến việc kiểm chứng hay bác bỏ giả thuyết. Cần tiến hành đo đạc cẩn thận sự thay đổi của các biến và ghi chép đầy đủ để thuận lợi cho việc phân tích và kết luận.
Trong nhiều trường hợp, không thể kiểm chứng trực tiếp giả thuyết được mà phải suy ra các hệ quả từ giả thuyết bằng con đường suy luận diễn dịch lôgic.
- Phân tích kết quả và kết luận (Analyze Results Draw Conclusion):
Sau khi hoàn thành thí nghiệm, các dữ liệu thu được sẽ được phân tích và tổng hợp để khẳng định tính đúng, sai của giả thuyết. Giả thuyết có thể sai, khi đó, cần xây dựng giả thuyết mới và tiếp tục kiểm chứng giả thuyết mới bằng thực nghiệm. Ngay cả khi giả thuyết đúng, người nghiên cứu có thể sử dụng cách khác để kiểm chứng lại nhằm tăng độ tin cậy của kết luận.
Kết quả có thể được phân tích trên cả hai phương diện, định tính và định lượng. Xử lý thông tin định lượng là việc sắp xếp các số liệu thu được để làm bộc lộ ra các mối liên hệ và xu thế của sự vật với nhiều định dạng khác nhau như con số rời rạc, bảng số liệu, biểu đồ, đồ thị. Trong nhiều trường hợp, cần dựa trên các số liệu thu được để tính toán ra các đại lượng khác, suy ra mối quan hệ khác nhằm hỗ trợ việc kiểm chứng giả thuyết. Xử lý định tính là dựa trên số liệu rời rạc, khái quát hóa và đưa ra những kết luận khái quát về mối liên hệ bản chất giữa các sự kiện.
Khi phân tích kết quả cũng cần xem xét tới các yếu tố sai số có thể có trong thí nghiệm như các sai số ngẫu nhiên, sai số kỹ thuật hay sai số hệ thống.
- Báo cáo kết quả (Report Results):
Để kết thúc dự án khoa học, kết quả nghiên cứu cần được trình bày, thảo luận, công bố hay tham gia dự thi.
Bản báo cáo kết quả của nghiên cứu có thể trình bày theo cấu trúc như sau: Tên đề tài/dự án; tóm tắt đề tài/dự án nghiên cứu; mục lục; câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học; báo cáo tổng quan; danh mục các vật tư, thiết bị; trình tự thí nghiệm; phân tích dữ liệu và thảo luận; kết luận; hướng phát triển của đề tài/ dự án; lời cảm ơn; tài liệu tham khảo.
Bản báo cáo phải nêu bật được ý nghĩa, tính mới của đề tài/dự án cũng như thể hiện được phương pháp nghiên cứu mang tính khoa học, hợp lí, cách phân tích, xử lí số liệu là khoa học để từ đó khẳng định được kết luận rút ra là khách quan, chính xác và tin cậy.
- Qui trình thực hiện dự án kĩ thuật (Engineering Project)
Dưới đây là qui trình thực hiện dự án kĩ thuật đã được sơ đồ hóa.
Hình 2: Quy trình thực hiện dự án kỹ thuật
- Xác định vấn đề (Define the Problem):
Dự án kỹ thuật cũng luôn được bắt đầu bằng một câu hỏi về vấn đề mà người nghiên cứu quan sát được. Ví dụ như: Vấn đề ở đây là gì, Điều gì là cần thiết, Ai cần gì, Tại sao cần phải giải quyết, Có cách nào tốt hơn không, Cải tiến nó như thế nào… Trên cơ sở đó, đề xuất việc nghiên cứu tìm ra một qui trình, giải pháp kĩ thuật tối ưu hay chế tạo, cải tiến một sản phẩm kỹ thuật nào đó.
Ví dụ: Tại các công sở, một hệ thống chiếu sang thường được điều khiển đóng cắt bằng tay. Điều này cần nhân lực và phụ thuộc vào chính nhân lực ấy, nó sẽ tốn kinh phí, và việc đóng cắt có thể không chính xác do tính chủ quan của chính nhân lực. Nếu thiết kế và chế tạo được một hệ thống chiếu sáng tự động đóng cắt theo cường độ sáng của môi trường sẽ khắc phục được những nhược điểm trên cũng như tiết kiệm điện năng.
- Nghiên cứu tổng quan (Do Background Research):
Việc nghiên cứu tổng quan sẽ thừa hưởng kinh nghiệm của người khác, tránh được các sai lầm khi nghiên cứu. Có hai vấn đề chính cần tìm hiểu và nghiên cứu trong giai đoạn này là: ý kiến của người sử dụng (hay khách hàng) và các ưu nhược điểm của các qui trình, giải pháp kĩ thuật hay thiết bị, sản phẩm đã có.
Ví dụ: Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu tại thư viện, Internet có thể rút ra một số kết luận: Hệ thống chiếu sáng tự động đã được nghiên cứu, chế tạo và đưa vào sử dụng ở các nước tiên tiến. Đó là các hệ thống công nghiệp có độ tin cậy cao nhưng giá thành cũng rất cao và nhiều khi chưa phù hợp với điều kiện môi trường, khí hậu ở Việt Nam. Để thực hiện được thao tác đóng ngắt tự động theo ánh sáng môi trường, thiết bị thường có 4 khối cơ bản đó là: nhận thông tin, xử lý, giải điều chế, thiết bị đầu cuối với nhiều phương án lựa chọn khác nhau về linh kiện, mạch điện và công nghệ…
- Xác định yêu cầu (Specify Requirements):
Nội dung của giai đoạn này là đề xuất những yêu cầu, tiêu chí thiết kế cần phải đạt được. Một trong những cách xây dựng đề xuất tiêu chí là dựa vào sự phân tích các qui trình, giải pháp hay các sản phẩm đang có. Yêu cầu, tiêu chí cần được xác định và phát biểu rõ ràng.
Ví dụ: Hệ thống chiếu sáng tự động cần phải đảm bảo: Đóng, cắt đèn chiếu sáng chính xác với cường độ sáng được thiết lập; Hoạt động tốt trong điều kiện cường độ sáng cao, nhiệt độ, độ ẩm cao của khí hậu ở Việt Nam; Hoạt động ổn định trong khoảng thời gian dài; Công suất cự đại là 500W; Nhỏ gọn và có chi phí thấp.
- Đề xuất các giải pháp (Create Alternative Solutions):
Với yêu cầu và tiêu chí đã đặt ra, luôn luôn có nhiều giải pháp tốt để giải quyết. Nếu chỉ tập trung vào một giải pháp, rất có thể đã bỏ qua các giải pháp tốt hơn. Do vậy, trong giai đoạn này, người nghiên cứu tìm cách đề xuất số lượng tối đa các giải pháp có thể, bám sát với yêu cầu, tiêu chí đã nêu.
Ví dụ: Có nhiều phương án thiết kế hệ thống:
– Phương án chọn cảm biến: quang trở, photo diode, photo transistor…
– Phương án chọn mạch xử lý: mạch so sánh, trigger…
– Phương án về mạch động lực: Rơ le, Triac…
Một trong các ví dụ khác là giải pháp khắc phục tật khúc xạ (cận, viễn, lão thị) trong thực tế có nhiều như: đeo kính phù hợp (đeo cách mắt hay áp tròng), phẫu thuật giác mạc (khi công nghệ laser phát triển) và sau này có thể là thay đổi chiếu suất của các bộ phận cho ánh sáng truyền qua thuộc thấu kính mắt (như thủy dịch, thế thủy tinh, dịch thủy tinh ..v..v..)
- Lựa chọn giải pháp (Choose the Best Solution):
Trên cơ sở các giải pháp đã đề xuất ở bước d, cần xem xét và đánh giá một cách toàn diện về mức độ phù hợp với yêu cầu, tiêu chí đã đặt ra cho sản phẩm ở bước c. Trên cơ sở đó, lựa chọn giải pháp tốt nhất và phù hợp nhất với yêu cầu đặt ra. Việc lựa chọn giải pháp cũng cần căn cứ vào bối cảnh về điều kiện kinh tế, công nghệ, trang thiết bị và nhân lực thực hiện dự án kỹ thuật.
Ví dụ: Giải pháp của hệ thống được lựa chọn căn cứ vào điều kiện thực tế về không gian, địa hình, công suất chiếu sáng…của tòa nhà và mức độ đáp ứng yêu cầu và tiêu chí. Với một nơi có không gian thoáng, chịu ảnh hưởng trực tiếp của ánh sáng mặt trời; địa hình hẹp, tập trung, công suất chiếu sáng nhỏ. Do vậy giải pháp dùng cảm biến quang trở với mạch động lực dùng Triac là phù hợp hơn cả.
Giải pháp được lựa chọn để khắc phục tật khúc xạ tùy thuộc trước hết vào hiệu quả đem lại, song còn vào điều kiện kinh tế và sở thích của từng người. Có người chọn giải pháp đeo kính cách mắt, có người sử dụng kính áp tròng và cũng có người chọn giải pháp phẫu thuật giác mạc.
- Hoàn thiện giải pháp (Develop the Solution):
Mặc dù đã được chọn, giải pháp thực hiện cũng cần xem xét lại để cải tiến, hoàn thiện. Đây là một việc quan trọng và cần được xem xét thường xuyên. Ngay cả khi hoàn thiện và đưa tới khác hàng vẫn có thể nghĩ tới việc hoàn thiện nó trong những nghiên cứu tiếp theo. Trong bước này, cần tự đặt và trả lời các câu hỏi dạng như: ưu điểm lớn nhất của giải pháp là gì, hạn chế còn tồn tại của giải pháp là gì, có cách nào khắc phục hạn chế đó…
Ví dụ: Hệ thống sau khi được thiết kế cần được thử nghiệm, mô phỏng trên máy tính. Đo đạc các thông số đầu vào như cường độ sáng, thời gian trễ…Kiểm tra đầu ra như khả năng chịu tải, gây nhiễu…Từ đó, điều chỉnh tối ưu hóa các thông số của mạch.
- Xây dựng mẫu (Build a Prototype):
Mẫu sản phẩm được xem như là phiên bản “hoạt động” dựa trên giải pháp. Thường thì nó được chế tạo bởi các vật liệu không giống với sản phẩm cuối cùng, và lẽ đương nhiên, chưa cần quan tâm tới tính mỹ thuật của sản phẩm. Mẫu này sẽ được xem xét, đánh giá, kiểm tra có đáp ứng các yêu cầu, tiêu chí đã đặt ra cho sản phẩm hay chưa.
Ví dụ: Tiến hành lắp ráp mach, cho mạch hoạt động thử tại hiện trường. Tiến hành khảo sát đo đạc các thông số thực của mạch. Có những thay đổi, điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện thực tế.
- Đánh giá và hoàn thiện thiết kế (Test and Redesign):
Quá trình hoàn thiện thiết kế liên quan tới các hoạt động có tính lặp lại hướng tới việc có một sản phẩm tốt nhất. Một trong số đó là: Đánh giá giải pháp – tìm kiếm lỗi và thay đổi – Đánh giá giải pháp mới – tìm kiếm lỗi mới và thay đổi…., trước khi kết luận về bản thiết kế cuối cùng.
Ví dụ: Hệ thống được thử nghiệm và theo dõi trong một thời gian. Ghi nhận những lỗi phát sinh, nếu lỗi có thể khắc phục được thì có thể hoàn thiện mạch để sản xuất. Nếu lỗi phát sinh nhiều, khó hoặc không khắc phục thì phải thiết kế lại mạch.
