資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術(shù)》選擇性必修3
工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
第四章 工程決策與管理
第 一 節(jié) 設(shè)計(jì)方案評(píng)估和決策
教學(xué)設(shè)計(jì)
教學(xué)背景
什么是工程？工程是人類運(yùn)用技術(shù)手段，遵從科學(xué)規(guī)律，有組織、有計(jì)劃地打造具有特定功能物件的實(shí)踐活動(dòng)。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(dòng)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(jī)械工程制造出各種機(jī)械，將人類從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來；計(jì)算機(jī)及軟件工程增強(qiáng)了人類應(yīng)對(duì)繁雜、深?yuàn)W腦力勞動(dòng)的能力；通信及網(wǎng)絡(luò)工程讓我們可以隔空交流，即時(shí)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(yùn)系統(tǒng)，縮短了旅行時(shí)距，將偌大個(gè)地球變成了“地球村”；生物工程、人工智能工程、機(jī)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(bào)告指出，要實(shí)施科教興國戰(zhàn)略，強(qiáng)化現(xiàn)代化建設(shè)人才支撐。工程設(shè)計(jì)是實(shí)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(duì)、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(shí)與技能目標(biāo):
1了解對(duì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估方法。
2.學(xué)習(xí)和應(yīng)用工程決策模型的基本要素和類型。
3.初步學(xué)會(huì)運(yùn)用決策矩陣、層次分析法、決策樹等進(jìn)行評(píng)價(jià)和決策。
教學(xué)內(nèi)容分析:
簡單來講，工程決策就是回答什么是工程實(shí)施的目的和怎樣完成工程的問題。它是人們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，采用一定的科學(xué)理論，通過一定的程序和方法，對(duì)若干備選方案進(jìn)行研究論證，從中選出最為滿意方案的過程。
工程管理是指通過一定的組織形式，用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)、理論和方法對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目生命周期內(nèi)的所有工作，進(jìn)行計(jì)劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)和控制，以達(dá)到保證工程質(zhì)量、縮短工期、提高投資效益的目的。
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(jī)器人的知識(shí)，
通過典型工程案例分析，同學(xué)們了解工程發(fā)展的簡要?dú)v史和工程分類。結(jié)合著名工程師的工程實(shí)踐案例，進(jìn)一步了解工程師工作的特點(diǎn)和職業(yè)要求。
通過典型工程設(shè)計(jì)的分析，同學(xué)們理解工程設(shè)計(jì)的一般過程，并利用“無碳小車”的工程項(xiàng)目制作讓學(xué)生親身體驗(yàn)設(shè)計(jì)過程。學(xué)會(huì)編制簡易的工程設(shè)計(jì)任務(wù)書。
將通過實(shí)例，同學(xué)們介紹現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中常用的3D建模方法，并讓同學(xué)們獲得一次制作實(shí)物模型的體驗(yàn)。
同學(xué)介紹工程設(shè)計(jì)過程中評(píng)價(jià)和決策的重要性，讓大家初步學(xué)會(huì)運(yùn)用決策矩陣、層次分析法、決策樹等工具和方法進(jìn)行時(shí)間管理、質(zhì)量管理和成本評(píng)估等。
教學(xué)重難點(diǎn):
了解對(duì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估方法。
學(xué)習(xí)和應(yīng)用工程決策模型的基本要素和類型。
初步學(xué)會(huì)運(yùn)用決策矩陣、層次分析法、決策樹等進(jìn)行評(píng)價(jià)和決策。
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(diǎn)；“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(jì)的各個(gè)要素；“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”將知識(shí)要點(diǎn)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(dòng)”讓同學(xué)們手腦并用，通過親身體驗(yàn)來理解、掌握與章節(jié)有關(guān)的知識(shí)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(shí)。
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第四章 工程決策與管理第 一 節(jié) 設(shè)計(jì)方案評(píng)估和決策。
任何一個(gè)工程項(xiàng)目都要經(jīng)過全面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析、建造、使用等一系列的工程實(shí)踐活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程項(xiàng)目為最終成果。初步設(shè)計(jì)就是這個(gè)最終成果的初始階段，它相當(dāng)于一幅草圖。通常，在沒有最終定稿之前的設(shè)計(jì)都統(tǒng)稱為初步設(shè)計(jì)。
一、對(duì)設(shè)計(jì)方案的初步評(píng)估
在第三章，學(xué)習(xí)了利用三維設(shè)計(jì)軟件建立三維模型，并輸入?yún)?shù)進(jìn)行模擬測試（圖4-1）（參見教材P75）。方案評(píng)估是在方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步設(shè)計(jì)。本章以“無碳小車”為例，我們將進(jìn)一步學(xué)習(xí)如何對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估。
知識(shí)窗
如何快速淘汰掉較差的設(shè)計(jì)方案？
設(shè)計(jì)方案評(píng)估的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)里的成員的評(píng)價(jià)思路比較難以統(tǒng)一。所以，能否基于有限的數(shù)據(jù)和知識(shí)，選擇同一種思路去進(jìn)行評(píng)價(jià)和衡量，是實(shí)現(xiàn)高效評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。對(duì)于設(shè)計(jì)思路的初步篩選，可以使用以下方法來完成。
1．利用一定的約束條件，要求工程設(shè)計(jì)方案中必須由規(guī)定欄目內(nèi)容來反映設(shè)計(jì)思路。如果工程設(shè)計(jì)方案并不能直接滿足工程項(xiàng)目的工程特性指標(biāo)，或者無法準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)思路，則可以直接被淘汰。
2．設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員可以根據(jù)常識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)淘汰掉一些設(shè)計(jì)方案。例如，技術(shù)不成熟的、沒有可行性的工程設(shè)計(jì)方案都應(yīng)被淘汰。
3．考慮用一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思路所使用的方法來評(píng)估，評(píng)估方法是由工程項(xiàng)目特性作為標(biāo)準(zhǔn)而定。目的就是為了快速減少設(shè)計(jì)方案的數(shù)量，加快評(píng)估的效率。
在構(gòu)成圖中根據(jù)不同部分的功能選擇，可以建立不同的草圖設(shè)計(jì)，將草圖設(shè)計(jì)的方案匯總，可以從中找到較好的設(shè)計(jì)思路。
例如在“無碳小車”的工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，有以下兩組反映設(shè)計(jì)思路的草圖方案，如圖4-2（參見教材P76）所示。
通過工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)判定：方案B草圖在整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、克服流體阻力等方面都優(yōu)于方案A，進(jìn)而可以淘汰掉方案A。
二、工程決策模型的要素和類型
工程決策模型是為管理工程項(xiàng)目方案決策而建立的模型，也是為輔助工程方案的評(píng)價(jià)決策而研制的數(shù)學(xué)模型。隨著運(yùn)籌學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、模糊模型等有效的決策分析方法。
案例
工程決策模型中的基本要素在期末考試成績中的應(yīng)用。
假設(shè)某班同學(xué)期末考試成績?nèi)绫?-1所示
表4-1 某班同學(xué)期末考試成績
科目 語文 數(shù)學(xué) 物理 化學(xué) 工程技術(shù)
學(xué)時(shí)數(shù) 72 72 36 36 18
A同學(xué)成績/分 90 72 88 76 73
B同學(xué)成績/分 62 73 92 90 97
C同學(xué)成績/分 74 75 81 86 83
（1）平均分。
平時(shí)對(duì)每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)是用平均分來完成的。
A同學(xué)各科平均分=（90+72+88+76+73）／5 =79.8分
B同學(xué)各科平均分=（62+73+92+90+97）／5 =82.8分
C同學(xué)各科平均分=（74+75+81+86+83）／5 =79.8分
按照常識(shí)，會(huì)認(rèn)為C同學(xué)和A同學(xué)的學(xué)習(xí)能力相等，B同學(xué)更優(yōu)。
（2）各科加權(quán)平均分。
實(shí)際上，在比較學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果時(shí)，還要把時(shí)間因素算上。加上總課時(shí)占比的加權(quán)數(shù)后，可以看到，代表學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果的各種加權(quán)平均分各不相同。
總學(xué)時(shí)：72+72+36+36+18=234，各學(xué)科的總學(xué)時(shí)比例情況如表4-2所示。
表4-2 各學(xué)科的總學(xué)時(shí)比例情況
科目 語文 數(shù)學(xué) 物理 化學(xué) 工程技術(shù)
占總學(xué)時(shí)比例 72／234 =0.308 72／234 =0.308 36／234 =0.154 36／234 =0.154 18／234 =0.077
A同學(xué)各科加權(quán)平均分=0.308×90+0.308×72+0.154×88+0.154×76+0.077×73=80.773分
B同學(xué)各科加權(quán)平均分=0.308×62+0.308×73+0.154×92+0.154×90+0.077×97=77.077分
C同學(xué)各科加權(quán)平均分=0.308×74+0.308×75+0.154×81+0.154×86+0.077×83=78.001分
從加權(quán)平均分的結(jié)果看：A同學(xué)的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果最佳，C同學(xué)次之，B同學(xué)最差。
可見，評(píng)價(jià)的維度不同，引入數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)不同，結(jié)果也有所不同。
立即行動(dòng)
利用適合的決策模型對(duì)“無碳小車”進(jìn)行評(píng)價(jià)。
在“無碳小車”的設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)的子功能構(gòu)成圖，不同的設(shè)計(jì)部門制定了
如下不同的方案：
1．根據(jù)實(shí)際方案效果，建立決策矩陣如表4-3所示。
表4-3 方案效果
評(píng)價(jià)項(xiàng)目 運(yùn)動(dòng)距離 中線偏移情況 運(yùn)動(dòng)時(shí)間 車架堅(jiān)固 車體美觀
權(quán)重參數(shù) 8 10 6 4 2
方案A評(píng)分 80 92 95 90 95
方案B評(píng)分 72 83 78 70 75
方案C評(píng)分 95 90 82 90 85
方案D評(píng)分 65 73 82 70 70
2．根據(jù)不同的評(píng)價(jià)目標(biāo)，選擇適合的決策模型。
（1）如果選擇某方面特別突出的方案，應(yīng)選擇＿＿＿＿＿ 法。
各方案的綜合評(píng)價(jià)值為 ＿＿＿＿＿。
（2）根據(jù)題目要求的計(jì)分方法，如特別強(qiáng)調(diào)“中線偏移情況”這個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)，應(yīng)該采用的決策模型是＿＿＿＿＿ 法。
三、層次分析法與決策樹
1．層次分析法。
層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法。它可以把一個(gè)復(fù)雜問題表示為有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過人們的判斷決策方案的優(yōu)劣進(jìn)行排序。
層次分析法是一種解決多目標(biāo)的復(fù)雜問題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法，能比較有效地應(yīng)用在那些難以用定量方法解決問題的決策對(duì)象上。
層次分析法會(huì)根據(jù)問題的性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo)，將問題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)而變成最底層的方案措施相對(duì)總目標(biāo)的重要性權(quán)值的相對(duì)排序。
一般構(gòu)建層析分析法的步驟由建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷比較矩陣、層次排序3個(gè)部分構(gòu)成。由于層次分析法涉及復(fù)雜運(yùn)算，故推薦采用 Yaahp 軟件進(jìn)行決策分析計(jì)算。其步驟主要包括以下幾點(diǎn)。
（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。將決策的目標(biāo)、考慮的因素和決策對(duì)象按它們之間的邏輯關(guān)系分為最高層、中間層和最低層，繪出層次結(jié)構(gòu)圖。
其中，最高層又稱目標(biāo)層，表示決策的目的和要解決的問題；中間層又稱因素層或準(zhǔn)則層，表示考慮的因素、決策的準(zhǔn)則；最底層又稱方案層，表示決策時(shí)的所有可供選擇的方案。
案例
運(yùn)用層次分析法分析交通問題。
某鬧市區(qū)一商場附近交通擁擠。為了改善該街區(qū)的交通環(huán)境，由3種方案可供選擇：修天橋或高架橋、修地道、讓附近商場居住樓拆遷拓寬路面。請(qǐng)問哪種方案最佳？
問題分析：針對(duì)這一實(shí)際問題，首先要擬定下面5個(gè)判斷依據(jù)：通車能力，方便市民，改造費(fèi)用，安全性，市容美觀。
根據(jù)層次分析法，構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)如圖4-3（參見教材P79）所示。
（2）構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣是表示本層所有因素針對(duì)上一層的某一個(gè)因素相對(duì)重要性比較。
需要注意：不要把所有因素都放在一起比較，而是要對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行兩兩比較。選取相對(duì)尺度時(shí)應(yīng)考慮減少因?yàn)樾再|(zhì)不同而形成比較的困難，進(jìn)而提高準(zhǔn)確度。為了確保模型的有效性，一般比較的因素不要超過7個(gè)。
可以按照下面量化方法，建立各準(zhǔn)則層的比較矩陣（表4-4）。
表4-4 量化方法
標(biāo)度 含義
1 1 表示兩個(gè)因素相比，具有同樣重要性
3 3 表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素稍微重要
5 5 表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素明顯重要
7 7 表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素強(qiáng)烈重要
9 9 表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素極端重要
2，4，6，8 2，4，6，8 上述兩相鄰判斷的中值
倒數(shù) 因素i與j比較的判斷aij ，則因素j與i比較的判斷aji =1/aij
案例
案例分析：運(yùn)用層次分析法分析交通問題。
根據(jù)準(zhǔn)則層的構(gòu)成：
（3）層次排序。利用Yaahp軟件，通過定性的比較數(shù)值輸入后，利用軟件自身的運(yùn)算功能，便可直接得到計(jì)算結(jié)果，方便作為決策依據(jù)。
知識(shí)窗
層次分析法是是美國運(yùn)籌學(xué)家、匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。此方法也是立足于單一因素。層次分析法的發(fā)明人認(rèn)為，傳統(tǒng)的崗位評(píng)價(jià)技術(shù)是主觀的、武斷的，不能對(duì)不同工作進(jìn)行比較。因此，他們認(rèn)為所有工作只有一個(gè)共同的因素——決策。
2．決策樹。
決策樹是一種運(yùn)用概率與圖論（圖論是指用圖形的形狀解釋復(fù)雜的數(shù)理原理）中的樹對(duì)決策中的不同方案進(jìn)行比較，從而獲得最優(yōu)方案的風(fēng)險(xiǎn)決策算法。
決策樹是一種樹形結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)屬性上的測試，每個(gè)分支代表一個(gè)測試輸出，每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)代表一種類別。它的組成如下：
（1）決策點(diǎn)（□），是對(duì)幾種可能方案的選擇，即最后選擇的最佳方案。如果決策屬于多級(jí)決策，則決策樹的中間可以有多個(gè)決策點(diǎn)，以決策樹根部的決策點(diǎn)為最終決策方案。
（2）狀態(tài)節(jié)點(diǎn)（○），代表備選方案的經(jīng)濟(jì)效果（期望值），通過各狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)效果的對(duì)比，按照一定的決策標(biāo)準(zhǔn)就可以選出最佳方案。由狀態(tài)節(jié)點(diǎn)引出的分支稱為概率枝，概率枝的數(shù)目表示可能出現(xiàn)的自然狀態(tài)數(shù)目每個(gè)分枝上要注明該狀態(tài)出現(xiàn)的概率。
（3）結(jié)果節(jié)點(diǎn)（△），將每個(gè)方案在各種自然狀態(tài)下取得的損益值標(biāo)注于的右端。
案例
為了適應(yīng)市場的需要，某地準(zhǔn)備擴(kuò)大電視機(jī)生產(chǎn)。市場預(yù)測表明：產(chǎn)品銷路
好的概率為0.7，銷路差的概率為0.3。備選方案有3個(gè)：第一個(gè)方案是建設(shè)大型工廠，需要投資600萬元，可使用10年。如銷路好，每年可贏利200萬元；如銷路不好，每年會(huì)虧損40萬元。第二個(gè)方案是建設(shè)小型工廠，需投資280萬元。如銷路好，每年可贏利80萬元；如銷路不好，每年也會(huì)贏利60萬元。第三個(gè)方案也是先建設(shè)小型工廠，但是如銷路好，3年后擴(kuò)建，擴(kuò)建需投資400萬元，可使用7年，擴(kuò)建后每年會(huì)贏利190萬元（圖4-4）（參見教材P82）。
各點(diǎn)期望：
狀態(tài)節(jié)點(diǎn)2：0.7×200×10+0.3×（-40）×10-600（投資）=680（萬元）
狀態(tài)節(jié)點(diǎn)5：1.0×190×7-400=930（萬元）
狀態(tài)節(jié)點(diǎn)6：1.0×80×7=560（萬元）
比較決策點(diǎn)4的情況可以看到，由于狀態(tài)節(jié)點(diǎn)5（930萬元）與狀態(tài)節(jié)點(diǎn)6
（560萬元）相比，狀態(tài)節(jié)點(diǎn)5的期望利潤值較大，因此應(yīng)采用擴(kuò)建的方案，而舍棄不擴(kuò)建的方案。把狀態(tài)節(jié)點(diǎn)5的930萬元移到狀態(tài)節(jié)點(diǎn)4來，可計(jì)算出狀態(tài)節(jié)點(diǎn)3的期望利潤值。
狀態(tài)節(jié)點(diǎn)3：0.7×80×3+0.7×930+0.3×60×（3+7）-280 = 719（萬元）
最后比較決策點(diǎn)1的情況。由于狀態(tài)節(jié)點(diǎn)3（719萬元）與狀態(tài)節(jié)點(diǎn)2（680萬元）相比，狀態(tài)節(jié)點(diǎn)3的期望利潤值較大，因此取狀態(tài)節(jié)點(diǎn)3而舍狀態(tài)節(jié)點(diǎn)2。這樣，相比之下，建設(shè)大型工廠的方案不是最優(yōu)方案，合理的策略應(yīng)采用前3年建小型工廠，如銷路好，后7年進(jìn)行擴(kuò)建的方案。
立即行動(dòng)
“無碳小車”項(xiàng)目的工程決策。
1．利用決策樹的分析策略，畫出下列4個(gè)“無碳小車”方案的“決策樹”。
決策樹應(yīng)該是：
2．討論“無碳小車”升級(jí)為“軌道無碳小車”后可以產(chǎn)生的方案，并利用層次分析法和決策樹法分別對(duì)其方案進(jìn)行決策評(píng)價(jià)（圖4-5）（參見教材P83）。
第四章 工程決策與管理
第 一 節(jié) 設(shè)計(jì)方案評(píng)估和決策
一、對(duì)設(shè)計(jì)方案的初步評(píng)估
二、工程決策模型的要素和類型
三、層次分析法與決策樹
1．層次分析法。
2．決策樹。
教學(xué)反思
通用技術(shù)
選擇性必修3
工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
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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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