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 四 節(jié) 概念化設計
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(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：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(wǎng)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(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用，正在改變、引領著我們的現(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)代化建設人才支撐。工程設計是實現(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)略科學家、一流科技領軍人才和創(chuàng)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.理解工程設計過程中要考量的各種要素。
2.學會編制簡單的工程設計任務書。
3.初步掌握面向X的設計（DFX）方法。
教學內(nèi)容分析:
工程設計作為工程活動中最關鍵的內(nèi)容，其任務是構(gòu)想、優(yōu)化被打造物件的功能、形態(tài)、細節(jié)形狀或其他參數(shù)，并用圖紙、文件、表格等有效形式準確無誤地將這些內(nèi)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(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(zhì)量功能配置工具將用戶需求轉(zhuǎn)換為關鍵的工程特征。在掌握工程設計過程中，形成系統(tǒng)思維和工程思維。
學情分析:
生活在科技迅猛發(fā)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(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(xiàn)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(zhì)量管理和成本評估等。
教學重難點:
理解工程設計過程中要考量的各種要素。
學會編制簡單的工程設計任務書。
初步掌握面向X的設計（DFX）方法。
教學策略:
本節(jié)課教學“學習目標”幫助我們明確章節(jié)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(qū)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(jié)有關的知識內(nèi)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(chǎn)品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節(jié)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 四 節(jié) 概念化設計。
利用質(zhì)量功能配置（QFD），可以總體概括出從客戶需求出發(fā)，到明確工程對象的工程特性的整個過程。這些設計步驟是工程實施中的總工程師需要負責的任務內(nèi)容，總工程師需要將工程呈現(xiàn)的各個方面通過工程設計任務書分配給各部門工程師進行具體設計和詳細設計。本節(jié)主要闡述如何通過設計過程中各種要素的考量，制定出工程設計任務書。
一、工程設計過程中要考量的各種要素
1．工程項目質(zhì)量。
工程項目質(zhì)量的特征是由工程項目本身的單一性、資源成本的高投入、建設周期的長久性等幾個特點決定。其突出表現(xiàn)在以下這幾個方面。
（1）安全性。工程的安全性是指工程項目能承受正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種荷載，在偶然事件中保持其必需的整體穩(wěn)定性。例如，施工單位為獲得更多利潤而偷工減料，導致工程項目倒塌，屬于安全性的問題。
（2）可靠性。工程的可靠性是指在設計的使用年限內(nèi)，在正常設計、正常施工、正常使用和維護的條件下，完成預設功能的能力。例如，在建筑項目中，結(jié)構(gòu)的可靠性越高，其建筑的可靠性能就越強，工程越不容易被破壞。
（3）經(jīng)濟性。工程的經(jīng)濟性是指工程從設計到整個產(chǎn)品使用生命周期內(nèi)的成本和消耗費用，以及衍生的經(jīng)濟效益。
（4）耐久性。工程的耐久性反映的是工程的壽命，也就是生命周期。
（5）協(xié)調(diào)性。工程與周圍生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)，才能促使可持續(xù)發(fā)展。為營造“青山綠水”環(huán)境，企業(yè)要將“綠色設計”和“環(huán)保工程”納入到工程設計的環(huán)節(jié)中，以符合各項法律指標要求，推動綠色發(fā)展，促進人與自然和諧共生。
知識窗
產(chǎn)品生命期周期（product life，PL），是指產(chǎn)品的市場壽命。一種產(chǎn)品進入市場后，它的銷售量和利潤都會隨時間推移而改變，呈現(xiàn)一個由少到多， 再由多到少的過程。就如同人的生命周期一樣，由誕生、成長到成熟，最終走向衰亡，這就是產(chǎn)品的生命周期現(xiàn)象。所謂產(chǎn)品生命周期，是指產(chǎn)品從進入市場開始，直到最終退出市場為止所經(jīng)歷的市場生命過程。產(chǎn)品只有經(jīng)過研究開發(fā)、試銷，然后進入市場，它的市場生命周期才算開始。產(chǎn)品退出市場，則標志著生命周期的結(jié)束（圖2-17）（參見教材P45）。
生命周期曲線的特點：在產(chǎn)品開發(fā)期間該產(chǎn)品銷售額為零，公司投資不斷增加；在引進期，銷售緩慢；在初期通常利潤偏低或為負數(shù)；在成長期銷售快速增長，利潤也顯著增加；在成熟期利潤在達到頂點后逐漸走下坡路；在衰退期間產(chǎn)品銷售量顯著衰退，利潤也大幅度滑落（圖2-18）（參見教材P45）。
2．進行質(zhì)量控制。
工程質(zhì)量控制是指為達到工程特性反映出來的質(zhì)量要求所采取的作業(yè)技術和活動。
在工程作業(yè)流程中，質(zhì)量控制是為了通過監(jiān)控質(zhì)量形成過程，監(jiān)控與工程作業(yè)同步，以消除質(zhì)量環(huán)上所有階段引起不合格或不滿意效果的因素。
大家最熟悉的質(zhì)量控制方式就是質(zhì)量檢驗。質(zhì)量檢驗從屬于質(zhì)量控制，是質(zhì)量控制的重要活動。在生產(chǎn)過程的節(jié)點加入質(zhì)量檢驗，可降低次品率和減少反復工作。
3．制造能力與維護。
制造能力又稱為生產(chǎn)能力，它是反映企業(yè)所擁有的加工能力的一個技術指標，也可以反映出企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模。在既定的組織技術條件下，它可以反映出企業(yè)所能生產(chǎn)的最大產(chǎn)品數(shù)或所能處理的原材料數(shù)量。 維護是指在工程項目竣工后，交付使用過程中對工程對象所進行的定期監(jiān)測、維修、保護等系列工作。
4．工效學。
工效學是研究人類適應自身工作環(huán)境所出現(xiàn)的問題的學科。工程設計人員必須把人類使用者的影響放在產(chǎn)品設計的第一位。
5．法律法規(guī)和社會問題。
工程設計要遵循法律法規(guī)要求，及時跟進社會問題和熱點需求，順應客觀要素的要求，減少對工程設計生產(chǎn)和獲利部分的影響。例如，設計廉價盜版貨物從最初提出就應該被否決。
二、概念方案設計
在前面幾節(jié)學習內(nèi)容中，已經(jīng)完成對“無碳小車”的性能需求分析、工程特性獲取、功能結(jié)構(gòu)分析及設計任務制定。接下來，我們進入具體設計的階段。
首先，必須依照要求設計概念方案（圖2-19）（參見教材P46）。在該方案中小車由車架、輪軸、車輪組成。此外，動力由橡皮筋提供。橡皮筋一端固定在牽引車車架的前板，另一端固定在牽引車后輪軸。操作者轉(zhuǎn)動后軸將橡皮筋繞起蓄能，當操作者釋放后輪軸，橡皮筋將帶動后軸旋轉(zhuǎn)，車輪與地面的摩擦將推動小車前進。
根據(jù)上述分析，利用小車各部分分類的組成，分成下面的子功能進行發(fā)散思維設計（表2-7）（參見教材P46、47）。
立即行動
分小組討論，針對上面各部分子功能的組合，按照要求設計一個概念方案。
三、編制工程設計任務書
工程設計任務書是整個設計過程的總結(jié)性文稿，也是施行具體設計和詳細細節(jié)設計的一個指南。根據(jù)不同工程領域要求，它有不同內(nèi)容要求，一般包括以下幾個部分。
（1）項目總述、項目環(huán)境情況。
（2）設計理念、市場定位、項目產(chǎn)品整體構(gòu)成。
（3）產(chǎn)品設置、配套設備。
（4）工程性能指標。
（5）其他要求。
工程設計任務書在編制過程中要把握以下原則。
（1）定向性。在工程設計任務書中，應該要指明項目目標客戶群、市場定位、設計風格等。對于工程項目的確定，可以避免在具體設計過程中重復工作，以免浪費人力時間、延誤工期。
（2）指標量化。工程設計任務書通過對工程項目所處市場環(huán)境、政策法規(guī)、行業(yè)規(guī)范、市場定位的研究，進而明確制定工程項目的各項特性指標。
（3）操作彈性。設計任務書在后續(xù)的具體設計工作中應起到指導作用，但在明確項目方向后，必須在產(chǎn)品的具體材料使用、功能搭配、外形色彩等方面給予工程師一定的自由發(fā)揮空間，進而達到在專業(yè)基礎上的創(chuàng)新，具有項目的獨特性。
（4）前瞻性。工程設計任務書對于未來市場的走向可能引起的產(chǎn)品空間及功能調(diào)整需要預先考慮，以達到便于制造、便于維護、便于管理等要求。一份優(yōu)秀的工程設計任務書，既可使設計者明確總體概念，又能給具體施行設計的工程人員留有充分的操作空間。
案例
智能化課室改建工程設計任務書
1．項目概況
本項目定位于某學校高中部綜合實驗樓3樓的通用技術實驗室改造，是學校信息化改造工程的一個組成部分。項目南臨文明路，北臨校園操場，左右兩側(cè)分別為學校的物理實驗室和實驗準備室。
實驗室建筑面積為110m 2 ，共劃分為4個板塊，分別為實驗器件準備區(qū)、實驗操作區(qū)、教學區(qū)和精密加工區(qū)，各區(qū)均可容納40個學生同時使用。
2．智能化工程設計范圍及主要技術要求
本項目課室的智能化工程擬設由智能化集成系統(tǒng)、信息化教學系統(tǒng)、信息化安全系統(tǒng)、智能化電器系統(tǒng)四部分組成。各系統(tǒng)的功能及主要技術要求如下。
（1）智能化集成系統(tǒng)。
智能化集成系統(tǒng)應具有對整個課室設備信息的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集、設備控制和綜合處理能力，能實現(xiàn)對各智能化系統(tǒng)進行綜合管理。它還要求系統(tǒng)可靠、易于維護并具有一定的可擴展性。
（2）信息化教學系統(tǒng)。
信息化教學系統(tǒng)包括用于教學的一體機教學黑板子系統(tǒng)、教學自動錄播子系統(tǒng)、教學信息網(wǎng)絡子系統(tǒng)、廣播會議子系統(tǒng)等。它由各類教學過程中的信息予以接收、交換、傳輸、存儲和顯示的綜合處理信息設備組成。
（3）信息化安全系統(tǒng)。
信息化安全系統(tǒng)是利用信息化手段，確保課室在使用及空置過程中的安全隱患得到良好的監(jiān)控和排查。包括人臉識別電子鎖子系統(tǒng)、遠程監(jiān)控子系統(tǒng)、煙霧報警子系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成。
（4）智能化電器系統(tǒng)。
智能化電器系統(tǒng)是指利用手機APP等平臺，通過遠程遙控、定時開關、場景開關等方式，實現(xiàn)對課室內(nèi)各種電器的智能化使用。它包括燈光控制子系統(tǒng)、電子窗簾控制子系統(tǒng)、插座控制子系統(tǒng)等。
3．各階段設計成果
（1）方案設計階段。
根據(jù)某學校提供的設計要求，本著經(jīng)濟實用的原則，構(gòu)建各系統(tǒng)（子系統(tǒng)）間聯(lián)系的實現(xiàn)方案。要理清各系統(tǒng)間的相互關系，包括每個系統(tǒng)的技術接口或界面，優(yōu)化實現(xiàn)工程的合理布局及投資的經(jīng)濟性，提出機房、弱電井的要求。結(jié)合各系統(tǒng)的設計方案，提出設備系統(tǒng)選型建議，完成投資估算。
應向?qū)W校代表提供系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖、平面布置圖、風格意向圖及設計說明等文件（匯報前提供3份，匯報后提供3份）。
（2）施工圖設計階段。
根據(jù)某學校的意見進行施工圖設計及編制工程量清單和預算。
其中，圖紙部分應包括圖紙目錄、主要設備及材料表、設計總說明、平面圖、系統(tǒng)圖、原理圖、關鍵設備的安裝圖、裝配圖和基礎圖等。
4．設計時間
（1）方案設計提交時間：從合同簽訂之日起，共12日。
（2）施工圖提交時間：從認可設計方案之日起，共20日。
四、面向X的設計
針對工程設計項目大中型系統(tǒng)的設計對象，有很多團隊，包括非工程師團隊也會參與到產(chǎn)品開發(fā)中。為了讓產(chǎn)品能在市場中具有強大的競爭力，達到開發(fā)生產(chǎn)時間短、安全可靠、生產(chǎn)成本低等效果，可利用系統(tǒng)理論思維，采用“并行工程”方法，實現(xiàn)高效的目標優(yōu)勢。
針對設計中的各種因素（例如制造、裝配、環(huán)境、安全性等），圍繞某一因素為主進行的設計被稱為面向X的設計（DFX）。下面針對常見的面向制造的設計（DFM）、面向裝配的設計（DFA）、面向環(huán)境的設計（DFE）做簡要介紹。
1．面向制造的設計（DFM）。
面向制造的設計是以最小化的生產(chǎn)成本為基礎，促使產(chǎn)品推向市場的時間最短，并保持最佳的產(chǎn)品質(zhì)量。
為了達到上述目的，便要在設計階段盡早考慮與產(chǎn)品制造有關的要求，全面評價產(chǎn)品設計和工藝設計，提供反饋信息。
2．面向裝配的設計（DFA）。
面向裝配的設計研究輕松組成各種零部件使其成為最終產(chǎn)品。通過較少零部件的使用和輕松組裝方式的應用是有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的方法。
在現(xiàn)代化工程生產(chǎn)過程中，DFA使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化、統(tǒng)一化，零部件裝配宜于手工處理或自動處理，減少產(chǎn)品使用過程中的變化，其內(nèi)容涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、連接、功能、材料等。
案例
面向裝配的設計——確保零件裝配方向越少越好
裝配零件的方向越少，在裝配過程中對零件進行移動、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)等動作就能隨之減少，進而提高零件裝配的效率，使操作人員的工作過程更加有序。
同時，也能避免由于裝配過程中零件頻繁地移動、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)所造成的設備碰撞而導致的質(zhì)量問題（圖2-20）（參見教材P50）。
3．面向環(huán)境的設計（DFE）。
關注環(huán)境已經(jīng)成為全社會共同關注的重點，伴隨環(huán)境保護的全球?qū)嵤こ淘O計人員必須以關注工程過程中的材料、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)廢棄物等各個環(huán)節(jié)的環(huán)保屬性，考慮產(chǎn)品使用期滿后的拆解和降解等情況。上述約束條件都要求在設計的早期方案中給出明智的選擇。
學習評價
評價內(nèi)容 評價方式
自評 互評 師評
能夠自主搜集、分析相關數(shù)據(jù)
能結(jié)合具體技術發(fā)展案例，分析其對社會、文化、經(jīng)濟、環(huán)境等方面的影響
能參與技術的發(fā)展與應用合適的決策方法
能運用合適的分析方法，明確性能需求，明確制約條件，提出解決方案
通過多途徑搜集與工程設計相關的信息，制定多個概念設計方案
懂得對多個方案進行權衡
懂得用草圖表達概念設計的設想構(gòu)思
懂得編制符合規(guī)范的工程設計任務書
能運用工程思維將任務具體化，做出性能評估
說明：A—優(yōu)秀，B—良好，C—合格，D—待改進
通過本章的學習，你的核心素養(yǎng)得到了哪些發(fā)展？
課后作業(yè)
習 題
1．汽車在設計過程中，從材料選擇、結(jié)構(gòu)構(gòu)件等不同方面進行考量，實現(xiàn)在汽車發(fā)生縱向碰撞時，題圖中陰影部分的形變量足夠的大，盡可能吸收碰撞能量，而非陰影部分的形變量盡可能的小，是出于設計過程中重視（ ）因素而進行的設計。
A．安全性 B．可靠性 C．經(jīng)濟性 D．耐久性
2．下面在產(chǎn)品制造過程中，讓零部件從下到上、從大到小依次排列，這是在設計過程中遵循了（ ）的設計方法。
A．面向裝配 B．面向?qū)ο?C．面向制造 D．面向環(huán)境
板書設計
第二章 工程設計一般過程
第 四 節(jié) 概念化設計
一、工程設計過程中要考量的各種要素
1．工程項目質(zhì)量
2.進行質(zhì)量控制
3．制造能力與維護
工效學
二、概念方案設計
三、編制工程設計任務書
四、面向X的設計
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(fā)
副 主 編：李 榕 周衛(wèi)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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