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
第三章 工程設計建模
第 三 節 工程設計體驗
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.體驗綜合的工程設計過程。
2.進一步熟悉計算機三維建模方法。
3.體驗實物模型的制作過程。
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。
工程師們如何進行工程設計？他們應具備哪些基本知識和技能？工程師之間如何進行思想交流并做到準確無誤的相互理解？現代工程師在進行結構設計或思想表達時采用什么計算機軟件？使用這些軟件難不難？
本章將通過簡單實例來回答以上問題。
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:
體驗綜合的工程設計過程。
進一步熟悉計算機三維建模方法。
體驗實物模型的制作過程。
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第三章 工程設計建模第 三 節 工程設計體驗。
一、任務要求
設計并制作一輛如圖3-14所示的小車。該小車車身長110mm、寬60mm、高30mm，車輪直徑30mm。讓小車從圖3-15所示的斜坡上滑落而下，以滑行距離盡可能大、車身橫向偏擺角度盡可能小為佳。斜坡由木板制作，高260mm，傾角25°。
二、材料選擇
1．主要零部件材料選擇。
在工程設計中，選擇材料需要考慮多方面的因素。常見的因素有以下幾點。
（1）材料的物理、化學性能。包括材料的強度、剛度、密度、耐化學腐蝕性、導電性、環境友好性等。
（2）加工制作的方法。原材料須經過加工制作成零部件后，才能投入使用。選擇材料時應確保具有對所選材料進行加工的技術手段，避免出現無法加工制作的設計方案。
（3）材料成本及供給的安全性。在滿足設計要求的前提下，選用價格低廉的材料可以節約工程成本。材料貨源充足、容易獲取的材料有利于工程項目實施，就地取材是非常不錯的選擇。如果選用的材料或零件被競爭對手控制，則容易被對手切斷貨源供應，影響工程活動的安全。
選擇材料時，可先根據設計對象的工作境況，列舉滿足設計性能要求的材料清單。然后，兼顧工藝性、價格、供應鏈安全性等因素進一步篩選。
知識窗
鈑金是一種針對薄板的加工方法，通過折彎、裁剪等手段，將薄板加工成所需的形狀。在本例中，車架是采用硬卡紙折疊的方法加以制作的，如果材料換成金屬薄板，這種制作加工方法就稱為鈑金。臺式計算機機箱就是典型的鈑金零件。
對于上述小車，擬采用鈑金零件的設計方法來設計車身，建議選用1mm厚的硬卡紙板，通過切割、裁剪、折疊、膠粘合的方式來制作車身和車輪。另外，選用直徑為6mm的塑料圓棒或木棒來制作輪軸。
采用激光切割機切割硬紙板來制作車身是一種高效的數字化制作方法，不具備激光切割機的情況下，可以用刻紙刀或剪刀。請同學們根據自身現有條件制定一套適合自己的用材和制作方案。
立即行動
搜集信息，制表列舉你所在地區，能獲得制作本模型的材料和加工方法。
2．了解標準件。
尺寸、結構型均已標準化且被大規模專業化生產的零部件稱為標準件，如螺釘、螺母、軸承、擋圈等。
工程實踐中，大量使用標準件，是提高可靠性、縮短工程周期、降低成本的常用方式。
立即行動
準備直徑2.5mm、長度6mm的盤頭帶墊圈自攻螺釘和6mm的軸用擋圈等標準件，以備后續設計和模型制作使用。
三、總體方案設計與三維建模
小車總體結構構思圖如圖3-16所示。
手繪能快捷地記錄、表達設計師的創意，啟發和完善設計靈感，是設計師常用的“視覺語言”，也是進行方案設計的有效工具。它能為結構細化和計算機三維建模帶來方便。
其具體三維建模如下。
1．車身結構設計和建模。
（1）詳細的車身形狀和主要尺寸如圖3-17所示。
（2）車身三維建模。采用鈑金設計模塊能方便地進行車身三維建模，具體步驟如下。
①在三維設計軟件中激活鈑金命令模塊，如圖3-18所示。
②創建鈑金基底法蘭特征，特征厚度1mm、長108mm、寬60mm，形成車身底板，如圖3-19所示。
③用邊線法蘭特征，按圖3-20的尺寸創建車身側板。
④用邊線法 特征創建前后搭接頭，如圖3-21所示。
⑤用邊線法蘭特征創建后側板。
⑥用邊線法蘭特征創建前側板，完成后形狀如圖3-22所示。
⑦車軸支撐孔設計。
軸孔直徑應略大于軸的直徑，圖中取孔徑為φ6mm（讀者可以根據現有材料，調整此尺寸）。在車身側面，按圖3-22所示的尺寸位置繪制兩個圓形草圖，創建拉伸切除特征生成貫通車身的車軸支撐孔。
建模完成后，將其命名為“車身.sldprt”后保存。
2．車輪軸零件建模。
按手繪圖3-23所示的尺寸創建車輪軸的三維模型，如圖3-24所示，將文件保存為：輪軸.sldprt。在此基礎上，還可以生成圖3-25所示的輪軸零件圖。
3．創建車輪零件模型。
按前文圖3-13所示的尺寸創建車輪三維模型，保存為：車輪.sldprt。讀者可根據自己的喜好，自行決定圖中橢圓開孔的數量和尺寸。
4．創建三維虛擬裝配模型。
零件模型創建完成后，就可以創建圖3-26所示的小車虛擬樣機和圖3-27所示的虛擬小車爆炸圖。具體操作方法如下。
按鍵盤的Ctrl+N鍵，在彈出菜單中選擇裝配體，如圖3-28所示，點擊“確定”創建出一個新的裝配空間，如圖3-29所示。在車身、輪軸、車輪模型文件均打開的狀態下，屏幕左側可見這些零件的名稱。
點擊屏幕頂部菜單中的“窗口（W）”→縱向平鋪，系統將彈出圖3-30所示的畫面。
用鼠標選中畫面中的車身特征管理器窗體中，上方的“車身”文字，按住鼠標左鍵將車身零件拖放到裝配空間中。然后，再將車輪和輪軸也拖放到裝配空間中，如圖3-31所示。
點擊裝配體窗口右上角的最大化圖標按鈕，將裝配體窗口最大化。按鍵盤空格鍵，在彈出菜單中雙擊“*等軸測”，屏幕顯示如圖3-32所示。
用鼠標選中圖框左側的“（固定）車身”，單擊鼠標右鍵，在彈出菜單中點擊“浮動（P）”。
此時，將鼠標箭頭指向車身模型，按住鼠標左鍵并滑動鼠標，車身圖形會跟隨鼠標移動?？梢韵胂螅貉b配空間猶如一間空置的房間，房內放入了車身、車輪和輪軸3個部件。車身是豎立放置在房間中的。
進行虛擬裝配的第一步是要將車身水平擺放。操作方法如下。
（1）車身的裝配。
①鼠標左鍵點擊車身底板，指針附近會彈出一個菜單；移動鼠標箭頭到菜單中的“回形針”圖標，單擊，屏幕左側會出現標簽為“配合”的菜單組。菜單中藍色激活區會有“面<1>@車身”的字樣，如圖3-33所示。
②用鼠標點擊裝配空間左上角的“+”號，將裝配體清單展開，選中清單中的“上視基準”，指針附近會彈出圖3-34所示的圖標，車身底板也將自動旋轉到與上視基準重合的位置。如果車身的開口朝下，請單擊圖3-34中的倒數第三個“反轉配合對齊”圖標，讓車身翻轉180°。確認車身開口朝上后，單擊勾選圖標按鈕，完成車身的水平安裝，如圖3-35所示。
③用鼠標左鍵選中車身，按住左鍵拖動車身，車身將會前后左右移動。
④在車身的后側面與裝配空間的“前視基準”之間添加“重合”的裝配約束，用“反轉配合對齊”圖標按鈕，讓車頭朝 Z 坐標軸的正方向。
⑤在車身左側面與“右視基準”之間添加“重合”的裝配約束。
完成以上裝配后，車身有了與3個基準平面重合的約束，完全固定在裝配空間，不能圖3-32 裝配空間等軸測視角移動了。
（2）車輪軸與車身的裝配。
①鼠標左鍵點擊輪軸外圓，在彈出菜單中的“回形針”（配合）圖標，點擊車身前面軸孔的內圓面，點擊彈出菜單的第四個圖標按鈕“同軸心”，完成車軸與車身前軸孔的同軸裝配，如圖3-36所示。此時，車軸還可以沿軸心線方向移動，必須進行軸向定位。
②點擊輪軸的右端面，選擇彈出菜單中的“裝配”，按住鼠標中間的滾輪，拖動鼠標來改變觀察視角，旋轉滾輪可放大或縮小視圖，直到能看到輪軸的左端面，再進行下一步操作。
③在屏幕左側的菜單中點擊“高級配合（D）”→“寬度（T）”，用鼠標點擊輪軸的左端面，確認在“寬度選擇”下面的被選框中能同時看到“面<1>@輪軸”和“面<2>@輪軸”兩個被選中元素。
④鼠標點擊“薄片選擇”下的空白區，區域顏色將從白色變成藍色。依次點擊車身左、右兩側的外面，藍色區域將出現“面<3>@車身”和“面<4>@車身”的元素。點擊左上角“勾”圖標按鈕，完成輪軸的左右定位安裝。
⑤按鍵盤的空格鍵，用鼠標左鍵雙擊彈出菜單中的“軸測圖”，將獲得如圖3-37所示的畫面。
（3）車輪裝配。
①點擊輪軸的臺階端面，如圖3-38所示，在彈出菜單中選擇“裝配”，選擇車輪的圓形端面，點擊勾選圖標，確認操作。再次按鍵盤的空格鍵，選“軸測圖”，同時顯示車輪和車軸。
②依次點擊車輪的中心內圓環面和輪軸的圓柱面，在彈出菜單中選擇“同軸心”，點擊勾選圖標，確認操作。
完成后的車輪裝配如圖3-39所示。
下面給輪軸安裝擋圈和螺釘。
③如圖3-40所示，點擊屏幕頂層的選項菜單下拉箭頭，選中插件。在彈出的菜單中勾選“SolidWorks Toolbox Browser”，如圖3-41所示，然后點擊確定。
④點擊屏幕左側裝配體區域的輪軸，右擊鼠標按鈕，在彈出菜單中選中“孤立（K）”，圖中的車身和車輪將隱藏顯示，留下輪軸單獨出現在屏幕中。
⑤點擊框處的工具庫圖標，調出工具庫。
⑥如圖3-42所示，點擊ToolBox前面的“+”號展開各國的標準清單，點擊“Gb”前面的“+”號展開GB標準 件 的 分 類 清 單 ， 點 擊 “ 墊 圈 和 擋圈”前面的“+”號，點擊分類中的“擋圈”→“軸用彈性擋圈A型 GB/T894.1-1986”。
⑦按住鼠標左鍵，將上述擋圈拖到裝配空間中，放置到輪軸中間的槽上，軟件將自動生成同心和重合約束。松開鼠標按鍵后，在下拉菜單中將直徑改選為6，如圖3-43所示。同學們也可自行創建同心和重合的約束。
（4）加裝螺釘。螺釘也是標準件。其調用方法與擋圈的調用方法相同。
① 點 擊 工 具 庫 ， 在 G B 標 準 件 的 分 類 清 單 中 ， 點 擊“screws”前面的“+”號→“機械螺釘”→“十字盤頭螺釘 GB/T 818-2000”，將螺釘拖到軸端的孔中，螺釘直徑為2.5，長度為5，如圖3-44所示。
②點擊“退出孤立”，恢復顯示所有零件，如圖3-45所示。
立即行動
給小車添加1個輪軸、3個車輪、3個擋圈、3個螺釘，并添加相應的裝配約束，完成小車裝配。
四、實物模型制作
1．制作車身工程圖。
（1）打開車身.sldprt文件，點擊文件，從零件創建工程圖，如圖3-46所示。按提示選用默認方式創建一張工程圖，按圖3-47所示的步驟，點擊“視
圖調色板”，用鼠標將“（A）平板形式”視圖拖放到工程圖框中，獲得車身的展開圖。
（2）在圖紙空白處，點擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選中“屬性”，調出圖紙屬性設置頁面，將比例設置為1∶1，勾選“第三視角”，點擊確定。
（3）打開圖層管理器，新建“圖層1”，將圖層1的顏色設置為紅色，線形設置為實線，關閉圖紙中原有標注尺寸所在層的顯示，獲得圖紙。
知識窗
計算機圖形文件有多種文件格式類型，如igs、stl、x_t、DXF、DWG等。igs多用于存儲三維曲面圖形數據，x_t多用于存儲三維實體模型數據，DXF、DWG多用于存儲平面圖形數據。激光切割機常用DXF，3D打印機常用stl。
2．制作車身和車輪實物模型。
（1）車身和車輪模型選用1mm硬卡紙作為制作材料?？刹捎眉す馇懈顧C切割。也可將工程圖按1∶1的比例，打印到A4紙上，放樣到硬卡紙上，用剪刀或雕刻刀切割。圖3-48所示紅線切割一半深度，紅線之間的卡紙剝除一半，便于折疊成形，折疊后用膠水粘接成型。
（2）制作輪軸與小車裝配：輪軸可以用車床制作，也可以用手工制作。請同學們根據所學自行完成輪軸的制作，并購買擋圈和螺釘等標準件，根據前面掌握的裝配關系完成小車裝配。
立即行動
在小車前后板上各繪制一條中心線，根據設計任務要求，將小車放置在斜坡上滑行多次，測量小車的滑行距離以及前后中心線與軌道中心線的偏移量，編制記錄表，并將相關數據記錄到表中。分析記錄數據，對小車進行調整直至達到最佳狀態。
探索
給小車加上無碳動力（重力、彈性變形力……）裝置，讓小車在平面上自行行駛。
五、工程設計中的仿真
1．工程設計中的仿真的定義。
工程設計中的仿真是指對模型施加外界作用來觀察模型表現，用以分析外界作用施加于設計對象所產生后果的研究方法。這種模型既可以是實物模型，也可以是計算機模型。
隨著計算機技術的發展，計算機仿真的應用日漸廣泛。
2．計算機仿真在工程設計中的價值。
計算機仿真是利用計算機模型、理論公式及經驗數據，用計算機模型替代真實模型，用算法和數據替代真實作用，對工程對象進行分析的方法。
這種方法，對于分析真實模型造價高的工程系統，具有經濟、快捷的優勢。在波音777飛機的研制過程中，工程師們用計算機仿真替代了傳統設計中實物樣機試驗的流程，開創了未經樣機試驗就成功研制出客機的先河，節省了大筆研制費用。
對于一些難以獲得真實環境的情景，如火星車性能評估，計算機仿真則是一種有效的研究手段。例如，將本案例中的小車及斜坡導入到計算機運動仿真軟件中，將重力加速度設置為1.64m/s 2 ，就可以獲得小車在月球上沿著斜面下滑的運動過程參數，并用視頻顯示下滑過程。
六、工程設計文件
1．工程設計文件的主要內容。
工程設計文件主要包括：設計任務書、設計標準及規范、工程施工圖、供應商明細表及驗收標準等。
工程文件的主要表現形式有：文字、表格、圖紙、照片等。隨著多媒體技術的普及，影視文件將會在工程領域中得到廣泛應用。
2．工程文件的作用。
工程文件的作用是指導工程活動的立項、施工、竣工驗收，以及工程項目壽命周期內的運營與維護和用來復制產品等。
工程文件也是傳承工程知識和經驗的載體，是提升工程技術水平的階梯。加強工程文件管理是規范工程活動、促進技術進步的有效手段。
學習評價
評價內容 評價方式
自評 互評 師評
能理解工程設計和設計師能力建設
能理解建模，知道如何創建實物模型、原型樣機、虛擬模型以及它們的作用
熟悉計算機三維建模軟件的使用，理解基于特征的三維模型的創建方法
掌握工程圖的種類，了解工程圖中的文字符號、公差標注的含義及其作用
掌握徒手繪圖技能
建立對工程文件作用的基本認識，樹立按照規程和標注從事工程活動的觀念
說明：A—優秀，B—良好，C—合格，D—待改進
通過本章的學習，你的核心素養得到了哪些發展？
第三章 工程設計建模
第 三 節 工程設計體驗
一、任務要求
二、材料選擇
三、總體方案設計與三維建模
四、實物模型制作
五、工程設計中的仿真
六、工程設計文件
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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