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 二 節 需求分析和目標定義
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.分析工程設計過程的性能需求。
2.建立樹狀目標圖明確性能需求。
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:
分析工程設計過程的性能需求。
建立樹狀目標圖明確性能需求。
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 二 節 需求分析和目標定義。
工程設計的第一步是需求分析。工程師必須通過需求分析來定位產品的市場，并調整產品的設計。在漫長的歷史進程中，人們產生了多種多樣的不同需求，工程師的職能就是運用科學知識來滿足人類需求。
一、問題的描述——需求目標定義
在通常情況下，工程師被告知設計目標，但訴求表現常常不精確。出現的問題大多諸如“電機壞了”“操作效果不能達到預設的高度”等。因而，工程師在處理工程項目的第一個任務便是確定真正的問題，確定目標的范圍和程度。
討論
在學校教學樓改建方案征詢意見會上，校領導向工程師反映：“教學樓兩側洗手間，由于學生經常忘關水龍頭，導致水資源的大量浪費，應該如何做才能避免學生忘關水龍頭的壞習慣？”
這時工程師的頭腦中會閃現以下問題：是否只有學生會忘關水龍頭？是否所有沒關水龍頭的情況都是因為忘記？是否有辦法改變學生的習慣？是否使用完水龍頭一定要存在“關”的人工操作步驟？……
試分析，對于這個問題，工程師應該將問題歸結為什么原因，才能更準確表達校領導的需求？
可見，作為工程師，必須明確客戶的需求，避免出現因需求的不準確表述而導致工程設計出現不準確的理解，最終無法提供解決問題的方案。
在實踐中，需求公司與設計機構簽訂開發項目合同，需求公司要盡量簡要、清晰地描述項目的要求，而且不應在描述中限制性提出解決方案。這時，需求公司需要提供一個文本形式的需求文檔，便于設計機構了解。而設計機構在基本了解后，需要寫出更為詳細的目標定義文檔，讓需求公司看懂并確認是否符合需求。這兩份工程文檔在工程設計初期有著至關重要的作用，但受眾和作用截然不同。設計機構的工程師的工作職責是讓第一份文檔能更準確、更快速地轉換成第二份文檔。
為了更好地實現這種轉換，我們可以通過以下步驟實現。
1．搜集信息。
很多時候，客戶向工程師提出的問題根據只停留于表面現象，工程師需要通過分析，對整個市場有一個全面系統的研究，這其中包括趨勢、競爭力、容量、利益、機遇、客戶需求、客戶感想等。在產品多元化的今天，工程師的設計更多是優化設計，在確認自己的解決方案前，了解其他人的解決方案也很重要。
在這個階段，不要急著提供解決方案，而應該廣泛進行調研，搜集信息以便提供更好的方法。主要的調研方法有直接調研和間接調研（圖2-8）（參見教材P30）。
直接調研的對象不僅包括終端消費者，還要把所有接觸到該產品的人都納入調研范圍，并在集體討論、單獨訪問、電話采訪、問卷調查等形式中選擇合適的調研方式進行調研。
間接調研則主要是指調查者不直接與被調查者接觸，而是通過中介向被調查者進行調查的方法。常見方法包括專利查新、報紙傳媒、第三方分析報告、政府分析報告和文獻查詢等方式或渠道。
活動
請你針對“如何避免校園里的水資源浪費”問題設計一份針對全校師生的調查問卷。
2．需求信息處理。
在收集不同信息資源后，要注意信息資源的處理和歸類。該步驟對于信息篩選和處理的策劃很重要，可以幫助完成目標需求文檔的制定和確立。首先，大致了解相關信息資源，給每份資源明確其關鍵詞。明確關鍵詞后，歸檔形成一個信息清單，變成有層次的信息資源庫。
在信息搜集和處理過程中，要特別注意以下信息的采用。
（1）產品信息。 查詢同類產品專利在工程設計，特別是創新性工程設計中的重要作用。
專利是確保專利權人擁有新想法和新發明的獨占權。通過專利查新形成查新報告，既可以避免出現重復勞動的情況，也可以在查新過程中更多啟迪工程師的設計思路。
通常，我們可以通過國家知識產權局網站進行專利查新。
（2）行業信息。在設計初期，對產品對象所屬的行業規范標準的收集至關重要。通過行業標準的查對，可以加快工程設計的進度，明確處理的方式方法，同時也能得到廣泛使用的行業指標。
需要說明的是，不同的銷售地域其行業指標在要求的詳細程度和規范執行程度上都有所區別，這需要在需求初期就得以明確。
（3）市場信息。尋找相關產品的產業信息，得到對應的市場份額、目標市場、人數和市場潛力等相關文檔，明確產品所屬市場的法律法規、可能出現的社會問題等客觀影響因素，實現全面估算。其次，還需要明確產品的生命周期和市場占有率。
二、明確性能需求——建立樹狀目標圖
“需求”是客戶的一種模糊的愿望。客戶在闡述表象問題時，一般都會以意愿的方式提出。例如，如何讓車子跑得更快？而“性能需求”需要工程師解構客戶“需求”，并闡明其技術內涵。
案例
客戶向工程師提出的需求是“一個能快速加熱水的壺”。 很多人都會直接聯想到“電熱水壺”。
但工程師則要對其進行解構，獲得更加中性的產品性能需求：
（1） 能夠容納一定量的水。
（2） 能夠加熱一定量的水。
（3） 加熱迅速。
（4） 節能。
（5） 方便移動。
（6） 倒水時把手安全。
（7） 倒水時不會飛濺。
（8） 外形美觀。
（9） 水煮沸后自動斷電或有警示。
在明確性能要求環節，我們通過以下步驟完成。
1．列出要求并劃分其重要性。
為了能夠劃分出性能需求的重要性，工程師一般用 1～10 來進行標記：10 表示最重要，1 表示最次要。另外，還要區分出產品性能為本質與否。本質性能需求，用字母 D（demands）來標示；非本質性能需求，用字母 W（wishes）來標示。
案例
例如，上述加熱容器的性能需求等級如表2-3所示。
表2-3 性能需求等級
D or W 性能需求 重要性級別
D 容納 2L水的加熱 10
D 加熱過程在 5min內完成 9
D 功率不高于 2 000W 8
D 方便移動 8
D 倒水時把手安全 7
D 倒水時流速適中，不會飛濺 8
W 外形美觀 5
D 斷電后有提示 9
W 自動斷電 7
W 生產成本低 4
2．構建目標樹。
構建目標樹的目的是通過組織客戶要求，幫助工程師搞清楚設計目標。
通過目標樹的方式，可以清晰、準確地展示產品的設計目標，反應產品性能需求，同時幫助工程師在設計初期消除其與客戶之間的理解誤差。
建立樹狀目標圖的步驟。
（1）將要求羅列出來。
（2）按照安全性、可靠性、經濟性3個維度性能需求項目降序排列 。
案例
建立上述加熱容器的樹狀目標圖。
步驟 1：準備設計目標列表。
①容納2L水的加熱；②斷電后有提示；③加熱過程在5min內完成；④功率不高于2 000W；⑤方便移動；⑥倒水時流速適中，不會飛濺；⑦倒水時把手安全；⑧自動斷電；⑨外形美觀；⑩生產成本低。
步驟 2：排列目標順序（表2-4）。
表2-4 排列目標順序
安全性 可靠性 經濟性
斷電后有提示 容納2L水的加熱 功率不高于2 000W
倒水時流速適中，不會飛濺 加熱過程在5min內完成 生產成本低
倒水時把手安全 方便移動
自動斷電 外形美觀
步驟3：建立樹狀目標圖（圖2-9）（參見教材P33）。
3．構成樹狀，標識出等級和組間關系。
立即行動
“無碳小車”工程項目——性能需求分析
設計一輛“無碳小車”，小車規格控制在100mm×60mm×30mm的范圍內，驅動其行走的能量只由3個原長50mm的橡皮筋提供（圖2-10）（參見教材P34）。
判定小車從傾斜度為45 °的斜坡上滑下后，在水平面上行駛距離更遠，且偏離中間黑線距離更小者獲勝（圖2-11）（參見教材P34）。
測試場地規格：
小車出發平臺距離水平面25cm，斜坡傾斜角為45°，行駛面寬30cm，中間區域有一條寬為3mm的黑線。夾板厚度為5mm。
測試流程：
①開始測試時，將小車放置在出發平臺上，小車車頭最前端與出發平臺水平邊緣對齊。
②選手上好橡皮筋后，在垂直平臺方向上壓住小車，并設為始發狀態。
③計分員提示開始后，選手在垂直平臺方向上松開小車（不可給予推力），自由釋放小車讓其自動滑下。
④設小車行駛距離為L，行駛后車頭中心點與中間黑線距離為P，則最后得分計算為最終得分=L / P。
請你利用工程設計思想，采用所學的工程項目性能需求分析方法，對以上項目進行分析，完成樹狀目標圖。
課后作業
習 題
1．用戶寫給工程設計部門的需求文檔和工程設計部門給用戶的目標定義文檔有何不同？它們在受眾和功能上有何差別？
2．在原來“無碳小車”設計的基本條件上，要求小車在兩條高為5mm、寬為60mm的木條軌道中行進測試（圖2-12）。試利用需求分析方法，畫出其樹狀目標圖。
板書設計
第二章 工程設計一般過程
第 二 節 需求分析和目標定義
一、問題的描述——需求目標定義
二、明確性能需求——建立樹狀目標圖
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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