資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修3
工程設計基礎
第二章 工程設計一般過程
第 三 節 獲取工程特性
教學設計
教學背景
什么是工程？工程是人類運用技術手段，遵從科學規律，有組織、有計劃地打造具有特定功能物件的實踐活動。物件中的“物”包括非生命體、生命體；物件中的“件”包括軟件、硬件。
工程活動與我們的日常生活息息相關：建筑工程建造出舒適的房屋，讓人類不再風餐露宿；機械工程制造出各種機械，將人類從繁重的體力勞動中解放出來；計算機及軟件工程增強了人類應對繁雜、深奧腦力勞動的能力；通信及網絡工程讓我們可以隔空交流，即時互通語音、文字、圖像信息，縮短了人們之間的心靈距離；交通工程、航空工程為人類創造出高速鐵路、高速公路及空運系統，縮短了旅行時距，將偌大個地球變成了“地球村”；生物工程、人工智能工程、機器人工程……一系列新興工程的成熟與推廣應用，正在改變、引領著我們的現在和未來。
黨的二十大報告指出，要實施科教興國戰略，強化現代化建設人才支撐。工程設計是實現中國式現代化的重要支柱，我們需要培養造就更多大師、戰略科學家、一流科技領軍人才和創新團隊、青年科技人才、卓越工程師、大國工匠、高技能人才。
教學目標：
知識與技能目標:
1.了解設計對象工程特性的指向。
2.運用標桿分析法和逆向工程法獲得設計對象工程特性。
3.運用質量功能配置獲得關鍵工程特性。
教學內容分析:
工程設計作為工程活動中最關鍵的內容，其任務是構想、優化被打造物件的功能、形態、細節形狀或其他參數，并用圖紙、文件、表格等有效形式準確無誤地將這些內容逐項表達清楚，用以指導實施打造物件的施工活動。學習工程技術，就是要掌握將設想變成物件的本領，用實用、先進的方法創造具有實際用途的物件，改善人類生存、工作環境，造福人類的現在和未來。
通過典型工程案例分析，理解工程設計的過程。初步學會運用標桿分析法和逆向工程法，獲得設計對象的工程特征，學會運用質量功能配置工具將用戶需求轉換為關鍵的工程特征。在掌握工程設計過程中，形成系統思維和工程思維。
學情分析:
生活在科技迅猛發展的21世紀，同學們有必要了解一些機器人的知識，
通過典型工程案例分析，同學們了解工程發展的簡要歷史和工程分類。結合著名工程師的工程實踐案例，進一步了解工程師工作的特點和職業要求。
通過典型工程設計的分析，同學們理解工程設計的一般過程，并利用“無碳小車”的工程項目制作讓學生親身體驗設計過程。學會編制簡易的工程設計任務書。
將通過實例，同學們介紹現代工程設計中常用的3D建模方法，并讓同學們獲得一次制作實物模型的體驗。
同學介紹工程設計過程中評價和決策的重要性，讓大家初步學會運用決策矩陣、層次分析法、決策樹等工具和方法進行時間管理、質量管理和成本評估等。
教學重難點:
了解設計對象工程特性的指向。
運用標桿分析法和逆向工程法獲得設計對象工程特性。
運用質量功能配置獲得關鍵工程特性。
教學策略:
本節課教學“學習目標”幫助我們明確章節應該掌握的要點；“案例”通過引入典型工程或事件，讓同學們初步認知工程設計的各個要素；“任務驅動”將知識要點分解為各種小任務，引導同學有的放矢地學習；“立即行動”讓同學們手腦并用，通過親身體驗來理解、掌握與章節有關的知識內容；“探究”為同學們深入探究問題提供了線索；“練習”能幫助同學們檢測和回顧應該掌握的知識。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修3第二章 工程設計一般過程第 三 節 獲取工程特性。
上一節主要從客戶的層面明確了工程設計項目的性能需求。本節將繼續引用“無碳小車”工程制作案例，說明如何取得設計對象的工程特性。
有部分人認為，設計是靠經驗來創造的，是“與生俱來”的天賦，因而無法傳授，甚至有人認為通過團隊討論得不出高質量的設計。這也許在藝術設計方面可能會表現得更加突出，但作為多人合作的系統化工程設計，更要遵循科學的設計方法和設計手段。
一、明確設計對象功能結構
通過“技術與設計2”模塊關于“系統與設計”內容的學習，我們可以將設計對象當作一個“黑箱”，那么對象的整體功能就決定了輸入和輸出之間的關系。
在上一節課講到，“需求”呈現的是客戶的一種“希望”，闡述客戶期望產品達到的性能。
本節講述的“工程特性”呈現的是工程師的一種初步方案，用來實現具體功能。
要得到產品功能結構圖，我們首先要將設計對象功能進行細化，這個過程叫“功能分解”。通過分解，最終的成果是得到一個功能結構圖。
功能結構圖包括以下幾個部分：
（1）邊界。
（2）整體功能表述。
（3）功能樹。
（4）在產品系統中的各種信息流。
下面，結合“無碳小車”工程案例（圖2-13）（參見教材P36），談談如何建立功能結構圖。
（1）繪制出“無碳小車”工程項目的整體功能圖。
（2）繪制出“無碳小車”工程項目的功能樹。
（3）得到“無碳小車”工程項目的功能結構。
立即行動
膠囊咖啡機是一種新型咖啡機，它的最大的特點是不使用咖啡豆或咖啡粉進行沖泡，而只能使用專門的咖啡膠囊（圖2-14）（參見教材P37）。
它的優點是：
（1）相比半自動咖啡機和全自動咖啡機，其操作過程大大簡化，只需提供水和咖啡膠囊，就可以沖出一杯相當不錯的咖啡，而且品質非常穩定。
（2）咖啡膠囊采用真空包裝，膠囊保存較長時間后
沖泡依然像新鮮現磨咖啡，香味十足。而普通的咖啡豆在包裝袋開封之后，存放僅幾個星期后味道會明顯變淡。
請根據你對咖啡機的了解，畫出膠囊咖啡機的功能結構圖。
二、獲取設計對象的工程特性
我們通過設計對象的樹狀目標圖的描述，得到了客戶對設計對象性能需求的一種模糊描述；通過功能結構圖，得到了實現性能目標的機制，但這些都不能具體表達設計要達到所需的參數、設計變量及約束等限制。因此，獲得設計對象的工程特性成為工程設計過程中的重要環節。
工程特性主要由標準和參數構成。例如，在前文案例中提及的“加熱容器”設計過程中，其中一個設計目標是“加熱過程在5min內完成”，轉化成工程特性的標準是“完成加熱時長”，參數是“≤5min”，這包括數值和單位兩部分。這個工程特性，成為加熱容器設計過程中的一個限制。
自覺遵守設計標準是對工程師的職業要求。這里所說的標準是指：為在一定的范圍獲得最佳秩序，對活動或其結果規定共同的和重復使用的規則、導則或特性的文件。例如：制作書本，如果沒有書本尺寸的標準，那么書本的尺寸就可能會有無數種，以致我們的書包不知該做成多大才合適，我們的書架可能會雜亂無章；如果不將螺釘的直徑、長度、螺距等參數做出統一的尺寸系列，那么就可能出現很多不通用的螺釘，而一個螺釘孔要找一個相配的螺釘將十分困難，有了書本尺寸標準和螺釘參數標準以后，工程師按標準規定的參數進行設計，生產出的產品就不會五花八門了。標準的產生是經相關方協商一致制定，經一個公認批準，以科學、技術和實踐經驗的綜合成果為基礎的。制定標準目的是為了促進最佳社會效益。
標準化就是讓大家按照標準來做事，也可以簡單地理解為：工程活動中，要求相關人員在工作過程中遵守標準。標準化的核心是統一，簡化。所產生的效益是節省社會成本、給設計者和使用者帶來方便。按標準發布機關的不同，可以分為國家標準、行業標準和企業標準。標準文件的名稱通過以大寫字母開頭，后面是一組編號和文字說明。中國的國家標準以GB開頭，國際標準則以ISO開頭。工程技術領域制定標準的好處是：統一、簡化、高效，避免重復勞動，提高社會整體效益。
對于任意設計對象，可以從下面這些“標準”主題中尋求工程項目的工程特性，確保每個性能需求都能準確地獲得其制約條件（表2-5）。
表2-5 “標準”主題項目
主題 標準關鍵詞實例
幾何尺寸 尺寸、高度、寬度、長度、直徑、空間、標準、序號、排列、連續
運動學 運動方式、運動方向、速度、加速度
力 力的方向、力的大小、頻率、質量、載荷、變形、硬度、彈性、穩定性
能量 功率、損耗、摩擦、通風、壓力、溫度、加熱、冷卻、供給、儲存、排量
材料 物理化學特性、輔助材料、規定材料（如食品、化工行業）
信號 輸入和輸出、形式、顯示、控制件
安全 安全準則、防護系統、操作安全、操作者和環境安全
工效學 人機關系、操作種類、布局清晰、照明、美學
生產 工廠限制、最大可能尺寸、優選生產方式、生產方法、可實現的質量和公差
質量 控制測試概率、特殊的規章及標準的使用
裝配 特殊規則、安裝、位置選擇、底座、間隙、運輸方式、調度的性能和條件
操作 安靜、耐用、特殊用途、市場領域
維護 保養維修間隙、檢查、維修和零件更換、上漆、清潔
回收利用 再利用、原料再生、廢物處理、儲藏
成本 可允許的最高制造成本、工具成本、投資和折舊
案例
“無碳小車”工程特性的獲取
通過回顧“無碳小車”工程設計項目的設計要求，根據設計說明，確定要實現的工程特性要求如下：
①在設計尺寸中，小車的大小不能超過100mm×60mm×30mm。
②只能利用橡皮筋作為動力。
③盡可能跑得直。
④盡可能跑得遠。
根據上述要求，可以制定出“無碳小車”工程項目的工程特性表(表2-6）。
表2-6 “無碳小車”工程項目的工程特性
標準 參數 標準 參數
尺寸 00mm×60mm×30mm 單價 ＜20元
橡皮筋提供的扭矩 300gf·cm 質量 ＜1kg
獲得重力勢能高度 25cm 零部件 ＜25件
車身、車輪材料密度 560kg/m 抗沖擊力 ＞120N
卡紙與場地之間的摩擦系數 0.3 制作時長 200min
三、標桿分析法與逆向工程法
根據客戶的需求來設計工程項目的方法，需要很長的調研周期及準確的分析判斷，確定其功能及工程特性。但很多情況下，市場上可能已經存在了自己或者競爭對手研發的同類項目產品。設計者可以通過對這些項目產品進行綜合分析，進而得到其工程特性，并將其作為自己即將研發的項目產品的特性指標，縮短開發進程。
1．標桿分析法。
標桿分析（benchmarking），又稱競標趕超或戰略競標。
標桿分析法是將本企業各種活動與從事該活動的最佳者進行比較，從而提出行動方法，以彌補自身的不足。
菲利普·科特勒解釋說：“一個普通的公司和世界級的公司相比，在質量、速度和成本績效上的差距高達 10 倍之多。標桿學習是尋找在公司執行任務時如何比其他公司更出色的一門藝術。”
知識窗
標桿分析法源于施樂（Xerox）公司。第二次世界大戰結束后，日本影印機企業加入了世界市場的瓜分，使美國施樂公司的市場占有率從80%降到13%。此后，施樂公司總裁親自赴日本競爭對手公司學習，并買進日本的復印機進行研究，推動全面品質管理，使施樂公司的產品重新獲得在復印機上的競爭優勢。
一般情況下，實施標桿分析法的過程分為5個階段 ：明確目標、內部分析、分析比較、提出構思與實施方案，具體步驟內容如下。
（1）明確目標。在工程設計過程中，要根據市場占有率、用戶口碑、工程項目產品特點等，確定一個對手的設計對象作為該分析的目標對象。
（2）內部分析。根據對目標的研究，確認目標對象的關鍵要素，通過調查問卷得到調查提綱。
（3）分析比較。對調查得到的資料進行分類、整理，進一步深入調查，得到目標對象的工程特性參數。確定與調查對象之間的差距，并明確差距形成的原因和過程，選擇出最佳實踐方案。
（4）提出構想。在明確最佳方案的基礎上，找出彌補自身和最佳方案之間差距的具體途徑和改進方法，設計具體的實施方案，并進行經濟效益分析。
（5）實施方案。將方案付諸實施，并將實施情況不斷與最佳方案進行比較，檢測出偏差出現的原因，并采取有效的校正措施，努力達到標桿的最佳實踐水平，甚至超過標桿對象。
2．逆向工程法。
逆向工程（reverse engineering，RE），也稱反求工程、反向工程，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量。根據測量數據，通過三維幾何建模方法重構實物的 CAD 模型的過程，是一個從樣品生成產品數字化信息模型，并在此基礎上進行產品設計開發，獲得設計對象工程特性的過程。
逆向工程類似于反向推理，屬于逆向思維體系。逆向工程技術是測量技術、數據處理技術、圖形處理技術和加工技術相結合的一門結合性技術。
精度是衡量逆向對象性能的重要指標，是評價逆向設計產品質量的主要技術參數之一?？茖W合理地進行精度分配，對提高產品的裝配精度和力學性能至關重要。
逆向工程不是單純用來模仿同類產品，當同類產品已經出現，設計者需要發現子系統中的一些缺陷，提升設計水準，改善或提高設計規格。
逆向工程的具體步驟包括：數據采樣、數據分析、數據恢復及修補、原始部件的分解、模型信息處理及CAD模型的建立、部件裝配、產品功能模擬、再設計等。
案例
下面通過一個挖掘機玩具的設計來說明逆向設計方法。圖2-15（參見教材P41）中所示是一個挖掘機玩具。以此樣品為例，進行重新設計。嘗試在沒有任何設計圖紙和產品數據情況下，觀察圖2-15（參見教材P41）中實物模型，利用教材中提出的方法進行逆向設計。
在利用逆向設計后，可以增加遙控功能，使玩具獲得新的特性。
四、質量功能配置（QFD）
質量功能配置（quality function deployment，QFD），也稱質量功能展開。
QFD是一種在設計階段應用的系統方法，它采用一定的方法保證將來自顧客或市場的需求精確無誤地轉移到與產品壽命循環每個階段的有關技術和措施中去。
QFD起源于日本的三菱重工，由赤尾洋二和水野滋兩位日本教授于20世紀70年代作為一項質量管理系統提出，目的是為了設計、生產充分滿足顧客需求和價值的產品。QFD將成本降低了60%，生產時間縮短至1/3，并且提高了產品質量。美國71%的企業從20世紀90年代開始采用QFD。
一個典型的 QFD 流程如圖2-16（參見教材P42）所示
　　第一步：在對應位置寫上顧客對產品的需求
　　第二步：對需求的重要度做量化評價
第三步：以1～5分數權衡產品整體競爭力指數
第四步：提出改進指標，用1～9分數評價指標與客戶需求相關度，9為關系非常密切
第五步：確立競爭對手如何滿足客戶需求，并確立工程特性指標
第 六 步 ： 以“ # ”表示負面，“×”表示特別負面，“+”表示正面，“*”表示特別正面，表述工程特性指標與客戶需求關系
課后作業
習 題
1．說明標桿分析法與逆向工程法的區別。
2．畫出一個全自動洗衣機的功能結構圖。
3．利用質量功能配置工具，分析“無碳小車”工程設計的細節工程特性。
板書設計
第二章 工程設計一般過程
第 三 節 獲取工程特性
一、明確設計對象功能結構
二、獲取設計對象的工程特性
三、標桿分析法與逆向工程法
1．標桿分析法
2.逆向工程法
四、質量功能配置（QFD）
教學反思
通用技術
選擇性必修3
工程設計基礎
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：王華權
本冊副主編：周 嘉
編 寫 人 員：
周 熙 周 嘉 王華權 柯 力　林 敏 陸 超
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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