Gạch nhựa lắp ghép: lịch sử, thiết kế núm và ống, và tư duy không gian

Gạch nhựa lắp ghép, mà nổi tiếng nhất là thương hiệu LEGO của Đan Mạch, là những viên gạch nhựa có núm tròn trên mặt và ống rỗng bên dưới, gắn chặt vào nhau mà vẫn tháo ra được. Thiết kế "núm và ống" được cấp bằng sáng chế năm 1958 đã biến một món đồ chơi thành một hệ thống xây dựng gần như vô hạn: chỉ sáu viên gạch 2 × 4 cùng màu đã có thể ghép theo hơn 915 triệu cách. Với nhiều thế hệ trẻ em và người lớn, đây là cách đầu tiên họ dựng một công trình ba chiều từ bản hướng dẫn hai chiều.

Bài này kể lịch sử của gạch lắp ghép, giải thích vì sao thiết kế núm và ống lại khéo, những công trình lớn, và gạch lắp ghép liên quan gì tới tư duy không gian.

Từ xưởng mộc nhỏ đến viên gạch nhựa

Gạch sản xuất năm 1958 vẫn lắp được với gạch sản xuất ngày nay. Sự tương thích kéo dài hơn sáu mươi năm này đòi hỏi độ chính xác chế tạo rất cao, sai số của khuôn được giữ ở mức vài micromet.

Vì sao núm và ống lại khéo

Gạch đời đầu chỉ có núm trên mặt và lòng rỗng bên dưới, gắn lỏng, công trình dễ đổ. Thiết kế năm 1958 thêm các ống tròn rỗng bên dưới. Khi lắp:

• Mỗi núm của viên dưới bị kẹp giữa thành gạch và các ống của viên trên, tại ba điểm tiếp xúc.
• Lực kẹp đủ để công trình đứng vững, nhưng đủ nhẹ để tay trẻ em tháo ra.
• Các viên có thể lắp lệch nhau nửa viên, một núm, ở bất kỳ vị trí nào trên lưới, tạo ra vô số cách ghép.

Mọi kích thước đều theo một lưới chuẩn: khoảng cách giữa hai núm là 8 mm, chiều cao một viên gạch (không tính núm) là 9,6 mm, và ba tấm mỏng chồng lên nhau bằng đúng một viên gạch. Nhờ lưới chuẩn, các chi tiết từ những bộ khác nhau đều khớp với nhau, giống như một hệ toạ độ ba chiều mà trẻ em cầm được trong tay.

Bao nhiêu cách ghép sáu viên gạch

Năm 2005, nhà toán học Đan Mạch Søren Eilers, cùng cộng sự, dùng máy tính đếm số cách ghép sáu viên gạch 2 × 4 cùng màu thành một khối liền: 915.103.765 cách. Con số trước đó được công bố là khoảng 102 triệu, vì cách đếm cũ chỉ tính những chồng gạch thẳng đứng, bỏ qua các cách ghép lệch, xoay.

Chỉ cần thêm vài viên, con số tăng bùng nổ: chỉ với bảy viên, số cách ghép đã lên tới khoảng 85 tỉ. Đây là ví dụ cụ thể về "bùng nổ tổ hợp": vài quy tắc đơn giản, vài mảnh, tạo ra không gian khả năng khổng lồ, đúng như khối Rubik hay pentomino.

Những công trình lớn

• Các nhóm người hâm mộ và các công viên chủ đề trên thế giới đã dựng những mô hình thành phố, toà nhà, phương tiện cỡ lớn từ hàng trăm nghìn tới hàng triệu viên gạch.
• Năm 2009, một ngôi nhà hai tầng cỡ thật làm gần như hoàn toàn từ gạch nhựa lắp ghép được dựng ở Anh cho một chương trình truyền hình, với khoảng ba triệu viên gạch.
• Các kỷ lục về tháp gạch cao nhất, mô hình dài nhất thay đổi liên tục; muốn biết con số mới nên tra nguồn kỷ lục chính thức.

Những công trình như vậy đòi hỏi kỹ năng không khác kỹ sư: chia công trình thành mô-đun, tính toán kết cấu để không sập dưới trọng lượng của chính nó, và lập bản vẽ trước.

Gạch lắp ghép và tư duy không gian

Đọc hướng dẫn: từ hai chiều sang ba chiều

Mỗi bộ gạch đi kèm một cuốn hướng dẫn không chữ, chỉ có hình trục đo từng bước. Người lắp phải đọc hình phẳng, xác định viên nào, đặt ở đâu, hướng nào, rồi dựng thành khối thật. Đây chính là kỹ năng đọc bản vẽ kỹ thuật ở mức đơn giản. Các nhà thiết kế hướng dẫn kiểm thử rất kỹ: mỗi bước chỉ thêm vài viên, góc nhìn được chọn để thấy rõ chỗ lắp, khung phóng to chỉ ra chi tiết khuất.

Nghiên cứu nói gì

Một số nghiên cứu cho thấy trẻ có kinh nghiệm chơi gạch lắp ghép nhiều hơn thường làm tốt hơn các bài thử xoay hình và dựng hình. Một nghiên cứu năm 2014 của Sharlene Nath và Dénes Szűcs ở Anh ghi nhận kỹ năng lắp gạch theo mẫu ở trẻ 7 tuổi liên quan tới kết quả toán. Như với khối gỗ, đây chủ yếu là mối liên hệ, và lợi ích lớn nhất có lẽ đến từ việc trẻ được tự dựng, tự thử, tự sửa.

Lắp theo mẫu và lắp tự do

• Lắp theo hướng dẫn rèn khả năng đọc hình, làm theo trình tự, chú ý chi tiết.
• Lắp tự do rèn khả năng hình dung trước một vật chưa có, lập kế hoạch, giải quyết vấn đề khi công trình bị đổ.

Cả hai đều có ích. Một gợi ý nhiều phụ huynh áp dụng: sau khi lắp xong theo hướng dẫn, tháo ra và dùng chính những viên đó để làm một thứ hoàn toàn khác.

Lưu ý an toàn và môi trường

• Gạch nhỏ có nguy cơ gây hóc với trẻ dưới ba tuổi; dùng gạch cỡ lớn dành cho trẻ nhỏ và để người lớn trông chừng.
• Giẫm phải gạch rơi trên sàn rất đau; nên có hộp hoặc thảm chơi riêng.
• Gạch nhựa rất bền, có thể dùng qua nhiều thế hệ; truyền lại, đổi, tặng gạch cũ giúp giảm rác nhựa.
• Có nhiều thương hiệu gạch lắp ghép tương thích; nên chọn sản phẩm có nhãn đạt tiêu chuẩn an toàn đồ chơi.

Góc nhìn hôm nay: bài luyện không gian với gạch lắp ghép

1. Lắp từ ảnh ba phía: một người lắp một mô hình nhỏ 10 – 15 viên, chụp ảnh nhìn từ trước, từ trên và từ bên. Người kia lắp lại chỉ dựa vào ba ảnh, đúng như dựng vật từ ba hình chiếu.
2. Lắp đối xứng: lắp một nửa con vật, nhờ trẻ lắp nửa kia như ảnh trong gương.
3. Chỉ dẫn bằng lời: hai người ngồi quay lưng, một người mô tả mô hình bằng lời, người kia lắp theo. So kết quả.
4. Thử thách kết cấu: dựng một cây cầu bắc qua khoảng trống 30 cm, xem chịu được bao nhiêu đồng xu.