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普 通 高 中 教 科 書
《通用技術(shù)》選擇性必修3
工程設(shè)計基礎(chǔ)
第二章 工程設(shè)計一般過程
第 一 節(jié) 工程設(shè)計概述
教學(xué)設(shè)計
教學(xué)背景
什么是工程？工程是人類運用技術(shù)手段，遵從科學(xué)規(guī)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(guān)：建筑工程建造出舒適的房屋，讓人類不再風(fēng)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(yīng)對繁雜、深奧腦力勞動的能力；通信及網(wǎng)絡(luò)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(chuàng)造出高速鐵路、高速公路及空運系統(tǒng)，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(yīng)用，正在改變、引領(lǐng)著我們的現(xiàn)在和未來。
黨的二十大報告指出，要實施科教興國戰(zhàn)略，強化現(xiàn)代化建設(shè)人才支撐。工程設(shè)計是實現(xiàn)中國式現(xiàn)代化的重要支柱，我們需要培養(yǎng)造就更多大師、戰(zhàn)略科學(xué)家、一流科技領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團(tuán)隊、青年科技人才、卓越工程師、大國工匠、高技能人才。
教學(xué)目標(biāo)：
知識與技能目標(biāo):
1.了解工程設(shè)計的定義。
2.知道工程設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)中的重要性。
3.理解工程設(shè)計過程。
教學(xué)內(nèi)容分析:
工程設(shè)計作為工程活動中最關(guān)鍵的內(nèi)容，其任務(wù)是構(gòu)想、優(yōu)化被打造物件的功能、形態(tài)、細(xì)節(jié)形狀或其他參數(shù)，并用圖紙、文件、表格等有效形式準(zhǔn)確無誤地將這些內(nèi)容逐項表達(dá)清楚，用以指導(dǎo)實施打造物件的施工活動。學(xué)習(xí)工程技術(shù)，就是要掌握將設(shè)想變成物件的本領(lǐng)，用實用、先進(jìn)的方法創(chuàng)造具有實際用途的物件，改善人類生存、工作環(huán)境，造福人類的現(xiàn)在和未來。
通過典型工程案例分析，理解工程設(shè)計的過程。初步學(xué)會運用標(biāo)桿分析法和逆向工程法，獲得設(shè)計對象的工程特征，學(xué)會運用質(zhì)量功能配置工具將用戶需求轉(zhuǎn)換為關(guān)鍵的工程特征。在掌握工程設(shè)計過程中，形成系統(tǒng)思維和工程思維。
學(xué)情分析:
生活在科技迅猛發(fā)展的21世紀(jì)，同學(xué)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(xué)們了解工程發(fā)展的簡要歷史和工程分類。結(jié)合著名工程師的工程實踐案例，進(jìn)一步了解工程師工作的特點和職業(yè)要求。
通過典型工程設(shè)計的分析，同學(xué)們理解工程設(shè)計的一般過程，并利用“無碳小車”的工程項目制作讓學(xué)生親身體驗設(shè)計過程。學(xué)會編制簡易的工程設(shè)計任務(wù)書。
將通過實例，同學(xué)們介紹現(xiàn)代工程設(shè)計中常用的3D建模方法，并讓同學(xué)們獲得一次制作實物模型的體驗。
同學(xué)介紹工程設(shè)計過程中評價和決策的重要性，讓大家初步學(xué)會運用決策矩陣、層次分析法、決策樹等工具和方法進(jìn)行時間管理、質(zhì)量管理和成本評估等。
教學(xué)重難點:
知道工程設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)中的重要性。
理解工程設(shè)計過程。
教學(xué)策略:
本節(jié)課教學(xué)“學(xué)習(xí)目標(biāo)”幫助我們明確章節(jié)應(yīng)該掌握的要點；“案例”通過引入典型工程或事件，讓同學(xué)們初步認(rèn)知工程設(shè)計的各個要素；“任務(wù)驅(qū)動”將知識要點分解為各種小任務(wù)，引導(dǎo)同學(xué)有的放矢地學(xué)習(xí)；“立即行動”讓同學(xué)們手腦并用，通過親身體驗來理解、掌握與章節(jié)有關(guān)的知識內(nèi)容；“探究”為同學(xué)們深入探究問題提供了線索；“練習(xí)”能幫助同學(xué)們檢測和回顧應(yīng)該掌握的知識。
教學(xué)準(zhǔn)備:
展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。
教學(xué)過程:
情景導(dǎo)入:
老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)《通用技術(shù)》選擇性必修3第二章 工程設(shè)計一般過程第 一 節(jié) 工程設(shè)計概述。
一、工程設(shè)計的定義
工程設(shè)計是為滿足目標(biāo)需求而創(chuàng)造某種系統(tǒng)、部件或方法的活動。在這個活動中需要對項目所需的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等條件進(jìn)行綜合分析、論證，編制工程設(shè)計文件。
工程設(shè)計是一個不斷優(yōu)化的決策活動，在這個活動過程中，需要使用數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)及工程科學(xué)來優(yōu)化轉(zhuǎn)換組合資源以實現(xiàn)特定目標(biāo)（圖2-1）（參見教材P24）。工程設(shè)計要依靠很多工程技術(shù)，如測量技術(shù)、決策工具、數(shù)據(jù)采樣處理等。
二、工程設(shè)計的重要性
工程設(shè)計重要性在于：保證工程項目能夠按照預(yù)定的進(jìn)度、質(zhì)量、成本達(dá)到項目的功能需求。
在中學(xué)階段學(xué)習(xí)工程設(shè)計的知識，主要圍繞單一產(chǎn)品設(shè)計對象展開，通過學(xué)習(xí)設(shè)計人員應(yīng)該掌握的方法、技術(shù)和手段等項目管理范式，培養(yǎng)創(chuàng)造力，形成系統(tǒng)思維和工程思維。
愛因斯坦說過：“想象力比知識更加重要，因為知識是有限的，而想象力是無限的。” 設(shè)計的過程是創(chuàng)新的過程，設(shè)計被廣泛地認(rèn)為是產(chǎn)品開發(fā)最重要的步驟之一。不僅如此，即使制造、生產(chǎn)、銷售等環(huán)節(jié)做得再好，但產(chǎn)品設(shè)計得不好，最終產(chǎn)品優(yōu)勢也無法呈現(xiàn)。
絕大多數(shù)消費者不會關(guān)心產(chǎn)品的所有具體技術(shù)規(guī)格或制造過程，他們首先關(guān)注的是產(chǎn)品的設(shè)計和外觀。對于有特點和優(yōu)勢的產(chǎn)品設(shè)計，客戶往往愿意付出更多的購買費用。工程設(shè)計目的就是讓產(chǎn)品在市場上更具競爭力，通過用戶認(rèn)可而獲得更多的投資回報。工程設(shè)計為了迎合現(xiàn)存需求、減少成本或者追求利益，往往會采用新型方法。
但工程項目固有的難度和挑戰(zhàn)，使得工程設(shè)計不僅要有創(chuàng)新和技術(shù)手段支撐，還要能預(yù)測產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢或可能出現(xiàn)的情況變化，使產(chǎn)品的負(fù)面效應(yīng)控制在一定可控范圍之內(nèi)。所以，我們需要有一套科學(xué)系統(tǒng)的方法用于建立產(chǎn)品的工程設(shè)計過程。
問題驅(qū)動
爺爺奶奶住所的冰箱壞了，你想給節(jié)儉一生的爺爺奶奶選擇一款適合他們使用的冰箱。到商場之后發(fā)現(xiàn)比較有代表性的是以下三款。你可能會購買哪一款，原因是什么？
表2-1 三款冰箱的對比分析
名稱 容量 能效 制冷方式 控溫方式 變頻/定頻 箱門結(jié)構(gòu) 是否支持全屋互聯(lián) 價格
冰箱1 116 L 二級 直冷 機械控溫 定頻 雙門 否 780元
冰箱2 223 L 一級 風(fēng)冷 電腦控溫 變頻 三門 否 1 999元
冰箱3 408 L 二級 風(fēng)冷 電腦控溫 變頻 十字對開門 是 3 289元
任務(wù)驅(qū)動
請通過多種渠道查詢資料，尋找下述著名工程項目失敗的原因，并分析它們的共同點。
表2-2 著名工程項目的失敗案例
工程事件簡述 工程事件
世界衛(wèi)生組織透露：這次事故共造成34萬人先后被遣散或遷移，保守估計蘇聯(lián)共花費了180億美元、約50萬軍民參與處理此事件（圖2-2）（參見教材P25）。 圖2-2 1986年切爾諾貝利核電站事故
本次事故是由于航天飛機右側(cè)固態(tài)火箭推進(jìn)器O形密封圈失效，并導(dǎo)致一連串的連鎖反應(yīng)。升空73秒后航天飛機爆炸，機組人員無一幸存（圖2-3）（參見教材P26）。 圖2-3 1986年挑戰(zhàn)者號航天飛機爆炸
這次事故共造成113人喪生，其起因緣于飛機起飛時左側(cè)引擎著火。此后，協(xié)和式飛機的適航證書被撤銷，所有協(xié)和式飛機在事故發(fā)生后15個月內(nèi)不得升空，最終協(xié)和式飛機徹底退出航空業(yè)（圖2-4）（參見教材P26）。 圖2-4 2000年協(xié)和式飛機墜毀
三、工程設(shè)計過程
工程設(shè)計過程就是在限定的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、美觀性及道德規(guī)范和社會影響等制約因素的條件下，利用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法學(xué)，表述設(shè)計問題，說明工程規(guī)范及生產(chǎn)方法并進(jìn)行規(guī)劃構(gòu)思。
設(shè)計過程是一系列事件和一整套指導(dǎo)方針。這些事件和方針都是為了幫助設(shè)計者確定設(shè)計的起點，讓設(shè)想的產(chǎn)品視覺化，最終物化到現(xiàn)實中來（圖2-5）（參見教材P26）。
設(shè)計者的設(shè)計能力由設(shè)計理念和設(shè)計技巧兩部分構(gòu)成。所謂設(shè)計理念，就是指能否通過系統(tǒng)的過程、方法和解決問題的能力來指導(dǎo)實踐，是工程思維的呈現(xiàn)。工程設(shè)計過程的學(xué)習(xí)，就是一種科學(xué)的工程思維學(xué)習(xí)的過程。
隨著科技的進(jìn)步，工程設(shè)計的理念在不斷完善和創(chuàng)新，隨著不同的高新科技和思維方法被引用到工程設(shè)計過程中，工程設(shè)計更趨于效率化和系統(tǒng)化。
到目前為止，完整的工程設(shè)計過程都包含以下步驟，下面以高速列車車體設(shè)計過程為例，說明每個步驟具體完成的事項和作用。
1．需求分析和目標(biāo)定義。
工程設(shè)計過程的需求分析既包括客戶需求分析，也包括市場需求分析。客戶需求包括客戶要求、對現(xiàn)設(shè)計的修改意見、產(chǎn)品革新要求等3種。例如，高速列車的車體設(shè)計和制造過程中需要達(dá)到的目標(biāo)有：車體材料實現(xiàn)輕量化，車體具有足夠的強度和剛度，有良好的空氣動力學(xué)性能，保證乘客良好的乘坐舒適性等。
2．獲取工程特性指標(biāo)。
在通過客戶需求分析和市場需求分析后，設(shè)計者要定義最終產(chǎn)品概括性描述的目標(biāo)，并創(chuàng)立目標(biāo)樹。這對目標(biāo)的概括性描述非常重要，它可以避免設(shè)計的混亂甚至設(shè)計的最終結(jié)果變化過大。這屬于建立產(chǎn)品理念階段，要建立功能結(jié)構(gòu)和設(shè)計規(guī)格。例如，高速列車是多系統(tǒng)、多部件的集成，單在功能結(jié)構(gòu)上就要設(shè)計兩大方面：機械方面有車體、轉(zhuǎn)向架、機械制動系統(tǒng)及車輛之間的連接裝置等；電氣方面有牽引傳動系統(tǒng)、列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等（圖2-6）（參見教材P27）。
3. 概念設(shè)計。
方案理念是各部分功能的創(chuàng)新想法產(chǎn)生，到概念化呈現(xiàn)，最后進(jìn)行可行性評估的過程，設(shè)計者必須在需求分析和功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運用創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力，把不同的方案呈現(xiàn)出來，要能滿足最基本的任務(wù)要求。例如，高速列車高速運行條件下的地面效應(yīng)、隧道效應(yīng)、表面氣動源分析，明確要將車體輕量化，這是高速列車車體設(shè)計的產(chǎn)品理念。
4. 具體設(shè)計。
具體設(shè)計是設(shè)計產(chǎn)品逐步成型的過程，將產(chǎn)品各組成部分清晰定義，再通過細(xì)節(jié)設(shè)計明確尺寸和偏差，最后把它以圖紙、圖表、圖片、文件、電子文檔等組成的設(shè)計方案的形式呈現(xiàn)。例如高速列車的車頭設(shè)計涉及空氣動力學(xué)等，利用頭型的縱斷面及水平斷面控制相互關(guān)聯(lián)，通過長細(xì)比、橫截面積和截面面積變化達(dá)到減少空氣阻力的效果，這就是高速列車具體設(shè)計中的重要一項。
5. 試驗評估。
工程實驗室對成形的產(chǎn)品進(jìn)行檢驗，以檢查是否符合項目目標(biāo)、工程特性指標(biāo)等要求。例如高速列車制作過程一般都要經(jīng)過模擬試驗、建模推演、原型測試3個過程，使概念設(shè)定落到實處。
6. 發(fā)布實施。
在完成了試驗評估后，可以將成型方案的設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、工程施工圖、供應(yīng)商明細(xì)表及驗收標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容以及文本、圖表、照片等方式發(fā)布出來以推進(jìn)接下來的工程施工、量產(chǎn)、驗收等工作的推進(jìn)。
課后作業(yè)
習(xí) 題
1．闡述“工程設(shè)計一般過程”與“技術(shù)與設(shè)計1”模塊學(xué)習(xí)的“技術(shù)設(shè)計的一般過程”有哪些相同點和不同點。
2．根據(jù)你對“工程設(shè)計一般過程”的學(xué)習(xí)，說明下面飲料瓶的設(shè)計場景（圖2-7）（參見教材P28）屬于工程設(shè)計過程的哪一步驟？
板書設(shè)計
第二章 工程設(shè)計一般過程
第 一 節(jié) 工程設(shè)計概述
一、工程設(shè)計的定義
二、工程設(shè)計的重要性
三、工程設(shè)計的過程
1．需求分析和目標(biāo)定義。
2．獲取工程特性指標(biāo)。
3.概念設(shè)計。
4.具體設(shè)計。
5.實驗評估。
6. 發(fā)布實施。
教學(xué)反思
通用技術(shù)
選擇性必修3
工程設(shè)計基礎(chǔ)
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發(fā)
副 主 編：李 榕 周衛(wèi)星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：王華權(quán)
本冊副主編：周 嘉
編 寫 人 員：
周 熙 周 嘉 王華權(quán) 柯 力　林 敏 陸 超
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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