資源簡介

專題03 發現與明確問題
【學習目標】
使學生能夠理解問題發現與明確在技術與工程中的重要性。
培養學生通過觀察日常生活、收集分析信息、技術研究與試驗等方式主動發現問題的能力。
教導學生如何明確問題的具體內容，評估問題的價值，并識別解決問題時可能遇到的各種限制。
【思維導圖】
【知識梳理】
從技術角度看，人類進步與發展的歷程就是不斷感受問題、發現問題、明確問題、分析問題和解決問題和提出問題的重要性。
知識點一：技術與設計的關系
1.發現問題
問題的來源：
人類生存必然遇到的問題。
例：為了解決人們如何進食的問題，中國人設計出了筷子，西方人則設計出了刀叉。
由別人給出問題，設計者必須針對問題尋求解決方案。
例：
城市交通擁堵
解決方案：設計者提出了一個智能交通系統，該系統通過實時數據分析來優化交通信號燈的配時，減少交通擁堵。
問題：水資源短缺
解決方案：設計者開發了一種高效的水回收和凈化系統，用于收集雨水和再利用家庭廢水，以減少對新鮮水資源的需求。
問題：能源消耗過高
解決方案：設計者設計了一種新型節能建筑，該建筑采用太陽能板、綠色屋頂和高效隔熱材料，顯著降低了能源消耗。
問題：醫療資源分配不均
解決方案：設計者創建了一個基于云計算的遠程醫療服務平臺，使偏遠地區的患者能夠通過視頻會議獲得專業醫生的診斷和治療建議。
問題：食品安全問題
解決方案：設計者開發了一款智能手機應用程序，消費者可以通過掃描食品包裝上的二維碼來獲取食品的來源、生產過程和安全檢測報告。
問題：教育不平等
解決方案：設計者推出了一個在線學習平臺，提供免費或低成本的高質量教育資源，使所有學生都能夠接受到優質的教育。
問題：環境污染
解決方案：設計者發明了一種新型環保材料，用于替代傳統的塑料包裝，這種材料可以在自然環境中快速降解，減少對環境的污染。
問題：農業生產效率低
解決方案：設計者研發了一種智能農業機器人，可以自動完成播種、施肥、澆水和收割等任務，提高農業生產效率。
問題：網絡安全風險
解決方案：設計者開發了一套先進的網絡安全防護系統，能夠實時監測和防御各種網絡攻擊，保護用戶的數據安全。
問題：老年人生活不便
解決方案：設計者設計了一款智能助行器，集成了導航、健康監測和緊急呼叫等功能，幫助老年人更安全、便捷地進行日常活動。
基于一定目的，由設計者自己主動地發現問題并試圖解決。
例：
問題： 城市自行車共享系統效率低
解決方案： 設計者發現城市自行車共享系統在高峰時段無法滿足需求，他設計了一個基于AI的動態調度系統，確保在需要時提供足夠的自行車。
問題： 家庭能源消耗大
解決方案： 設計者關注到家庭能源消耗過大，于是發明了一種智能家居系統，可以監控和管理家中各種設備的能源使用，以優化和減少整體能耗。
問題： 公共場所自動體外除顫設備(AED)短缺
解決方案： 設計者發現在公共場所很難快速找到AED設備，他設計了一個帶有導航系統的AED，可以快速引導人們找到最近的設備。
2、發現問題的途徑與方法
觀察日常生活（有意識觀察、無意注意）
收集和分析信息（文獻法，問卷調查法，詢問法）
技術研究與技術試驗
【技術試驗】臺燈的技術試驗
試驗目的：理解技術試驗是發現問題的重要途徑和方法，并鞏固技術試驗方法的應用。
問題分析：邊遠山區的初中學生對便攜式臺燈的主要需求是學習和夜晚趕路照明。通過技術試驗可以發現市場上選購的臺燈存在的問題，并對其進行改進。
技術準備：遮光罩、光譜儀、多用電表、鋼卷尺、光照度計。材料：臺燈、A3紙、鉛筆、橡皮、量角器、圓規。
試驗過程：
照度測試
（1）測試要求
以燈具出光口的幾何中心的垂直投影點為圓心，位于眼睛的正前方，在燈具的投射范圍內，半徑為500 mm的三分之一圓的扇形內，每隔30°在半徑上進行照度測量，測試間距為100 mm，包括圓心，如圖3—5所示。照度的測量儀器應符合JJG 245—2005 《光照度計》的要求
測試數據
測試結論
照度分布均勻性：從測試數據可以看出，在不同的半徑上（100mm, 200mm, 300mm, 400mm, 500mm），照度值呈現出一定的規律性。每個半徑上的照度值從OA到OE逐漸增加，這表明光源在設計上可能存在一定的方向性或非對稱性。這種分布對于邊遠山區的學生在使用臺燈時可能不是最優的，因為它可能導致照明不均勻，影響閱讀和學習的舒適度。
照度值的變化：隨著距離的增加，照度值并沒有顯著下降，這指示了臺燈具有良好的光源強度和較寬的有效照射范圍。這對于需要在較大區域內進行活動的用戶來說是一個重要的優點。
適用性分析：考慮到邊遠山區學生的需求，包括學習和夜晚趕路照明，當前的照度分布可能需要進一步優化。例如，提高中心區域的照度以增強閱讀體驗，同時確保邊緣區域的照度足以安全導航。
其他項目測試數據
色溫測試
眩光(UGR)測試
頻閃測試
試驗總結：
被測試便攜式臺燈的照度、色溫、頻閃和眩光等光學性能有差異。
討論：
通過便攜式臺燈的技術試驗，從臺燈的控制方式、結構和材料的選擇等方面分析它們的優缺點。
控制方式：
優點：如果臺燈具備觸摸式或智能控制（如遠程控制、聲控等），可以提供更方便的使用體驗，特別是在夜間或手部不便時。
缺點：復雜的控制方式可能需要更多的電子組件和電路設計，這可能會增加成本和維護難度，并可能降低產品的可靠性。
結構：
優點：緊湊的結構設計使得臺燈便于攜帶和使用，尤其適合空間有限的環境。
缺點：過于緊湊的結構可能會限制散熱效果，影響臺燈的性能和壽命。
材料選擇：
優點：使用輕質且耐用的材料（如鋁合金或高強度塑料）可以減少整體重量，便于學生攜帶。
缺點：輕質材料可能犧牲了一定的穩定性和耐久性，長期使用后可能會出現磨損或損壞。
請根據測試結果列出為邊遠山區的初中學生設計的便攜式臺燈的主要光學性能指標。
主要光學性能指標包括：
照度值：確保在不同半徑上（至少到500mm）的照度足夠，以支持閱讀和寫作活動。
照度均勻性：照度分布應盡可能均勻，以避免局部過亮或過暗的區域，提高視覺舒適度。
色溫：理想的色溫應在3200K到3500K之間，提供類似自然光的照明，減少眼睛疲勞。
眩光控制：UGR值應控制在20以下，減少眩光對視覺的干擾。
頻閃：頻閃應盡可能低，最好接近于零，以避免引起視覺不適或干擾。
知識點二：明確問題
明確問題內容與解決問題受到的限制：問題是否明確、問題是否有價值、解決問題收到的限制。
問題是否明確
問題是否有價值：
主觀分析：先進性、普遍性、重要性、可行性、效能性。
科學性：所提出的問題是否遵循了基本的科學原理。
例：“能否制造一個不需要任何能源的機械裝置帶動車輛運行”就是一個不科學的問題。）
先進性：迄今為止，該問題是否已得到充分解決。
例：如何提高生產效率。這個問題在過去幾十年里已經得到了一定程度的解決，通過引入自動化設備、優化生產流程和采用先進的管理方法等手段，生產效率有了顯著的提高。然而，隨著科技的不斷發展，新的技術和方法不斷涌現，使得這個問題仍然具有先進性，需要我們繼續探索和研究。
普遍性：在你調查的范圍里，該問題是否具有普遍意義。在更廣的范圍內，這個問題是否有意義？
例：“在城市環境中，如何減少交通擁堵？”
在你調查的范圍里，該問題是否具有普遍意義？
如果你的調查范圍是一個大城市，你可能會發現問題非常普遍，因為大多數大城市都會遭遇交通擁堵的問題。
如果你在一個人口稀少或交通系統高效的地區進行調查，這個問題可能就不那么普遍了。
在更廣的范圍內，這個問題是否有意義？
在全球化和城市化不斷加速的背景下，交通擁堵是許多城市共同面臨的挑戰，因此它在全球范圍內都具有重要意義。
對于正經歷快速城市化的地區，解決交通擁堵可能尤為緊迫，因為這直接影響到城市的可持續發展和居民的生活質量。
然而，在一些已經有效解決了交通擁堵問題的城市或者國家，如通過先進的公共交通系統、鼓勵可持續出行方式等措施，這個問題可能就不再那么緊迫。
重要性：在多個問題同時發生時，該問題是不是主要問題？
例：考慮一個制造企業的場景，其中可能同時存在多個問題，如生產效率低、產品質量問題、設備老化、員工滿意度低等。
在這多個問題中，我們要評估每個問題對組織目標的影響。例如：
如果產品質量問題導致大量的退貨和消費者不滿，那么它可能被視為一個主要問題，因為它直接影響到公司的品牌聲譽和財務狀況。
相比之下，雖然員工滿意度低可能影響長期的員工留存和企業文化，但如果這個問題目前沒有直接影響到運營效率或盈利能力，它可能不會被看作是主要問題。
解決問題的緊迫性也是判斷其重要性的一個因素。如果一個問題的解決可以迅速帶來顯著的正面影響，或者不解決將導致嚴重的后果，那么它應該被優先考慮。
同時，我們還需要考慮問題的連鎖效應。有些問題可能是其他問題的根源或關鍵影響因素。例如，設備老化可能導致生產效率低和產品質量問題。在這種情況下，更新設備可能是解決一系列問題的關鍵。
可行性：現有的技術條件能否解決這個問題。技術發展以后呢？
現有的技術條件能否解決這個問題？
例如，考慮一個問題：“如何通過現有技術減少全球溫室氣體排放？”
現狀分析：目前，我們擁有多種減少溫室氣體排放的技術，包括節能技術、可再生能源技術（如太陽能、風能）、碳捕捉和存儲技術等。這些技術已被證明在一定范圍內是有效的，但仍面臨成本、效率和實施規模的挑戰。
技術可行性：盡管存在上述挑戰，可以說在技術層面上，我們具備減少溫室氣體排放的基本能力。然而，全面實施這些技術需要考慮到經濟、政策和社會等多方面的支持。
技術發展以后呢？
未來展望：隨著技術的不斷進步，未來可能出現更高效、更經濟的減排技術。例如，下一代太陽能電池板可能更高效、更便宜，使得可再生能源成為更普遍的選擇。此外，新型材料或技術可能提高碳捕捉的效率和降低成本。
技術趨勢的影響：技術進步不僅可能提供新的解決方案，還可能改變現有解決方案的成本效益比，使之更具吸引力。因此，即使某些問題在當前技術條件下難以完全解決，未來的技術發展可能為其提供可行的解決方案。
效能性：解決該問題所需的投入是多少，投入與產出之比是否理想。
例：“如何通過技術升級提高一家制造工廠的生產效率？”
成本分析：解決這個問題可能需要的投入包括購買新的自動化機器和設備、對現有員工進行培訓以適應新技術、改進工廠布局以及可能的停工時間等。這些都需要大量的初期資金投入和時間投入。
資源需求：除了財務成本外，還需要考慮人力資源的需求。引入新技術可能需要專業的技術人員進行操作和維護，這可能涉及到額外的招聘或現有員工的再培訓。
投入與產出之比是否理想？
收益預測：提高生產效率可能帶來的收益包括更高的產量、更低的單位生產成本、提高產品質量和市場競爭力。這些長期收益可能會超過初期的投資成本。
成本效益分析：進行詳細的成本效益分析，比較不同解決方案的總成本（包括直接成本和間接成本）與其帶來的長期節省和收益。選擇那些具有最佳投入產出比的解決方案。
除了以上主管分析外，還可以借助一些研究手段來評估問題是否有價值：信息收集、調查分析等。
信息收集：
例：到市場和網絡商城了解現有臺燈的形式、功能和銷售情況；通過書籍、網絡等途徑收集有關臺燈方面的資料。
調查：
例：到同學宿舍利用詢問法展開調查。
信息收集、調查工作結束后，進入數據統計和分析階段：采用柱狀圖、三維餅圖等圖表形式繪制出來資料的統計圖表。
解決問題受到的限制
設計對象的特點和問題解決的標準：不同的設計對象有不同的特點，如兒童玩具需要生動活潑、色彩鮮艷的外觀和絕對可靠的安全性能；而門鎖則在精細程度、可靠性、制作工藝等方面有其具體的標準。此外，設計對象還可能受到成本、環境等限制，例如建筑物或工程的設計往往有一定的預算限制。
設計者的技術能力與條件：問題解決或設計的完成還受限于問題解決者或設計者的主客觀條件。主觀條件包括是否具備解決問題所需的知識和技能，例如機械領域的技術人員可能無法解決農業或生物工程方面的技術問題；一名中學生由于知識和經驗的局限，對較復雜的產品在設計上難以駕馭?？陀^條件包括人力、物力、財力以及時間的消耗，以及材料、資料、儀器、設備和空間的支持，這些資源都是有限的。
2.明確設計要求及編寫設計計劃
臺燈設計計劃
時間進度計劃表
設計計劃書：
【題型精講】
例1 1
小明在準備設計一個下雨天能自動關閉窗戶的裝置，常態下窗戶是打開的，下雨時能感測到雨點，能自動關閉窗戶。小明在尋找相關資料時用到的方法不恰當的是（ ）
A．向專家咨詢 B．查閱圖書資料
C．問卷調查 D．買一個類似的裝置進行研究
【答案】C
【講解】在設計一個下雨天能自動關閉窗戶的裝置時，小明需要獲取關于感應雨點和自動控制窗戶的技術信息?？紤]到各種方法的適用性：
A．向專家咨詢 - 這是一個恰當的方法，因為專家可以提供專業的意見和建議，幫助小明了解當前技術的狀態和可能的解決方案。
B．查閱圖書資料 - 這也是一個有效的方法，通過查閱相關的書籍和學術論文，小明可以獲得詳細的技術背景知識和前人的研究成果。
C．問卷調查 - 這個方法在這種情況下不恰當。問卷調查通常用于收集大量人群的意見或數據，適用于市場研究、社會學研究等領域。對于技術設備的設計和功能實現，問卷調查無法提供具體的技術解決方案或操作細節。
D．買一個類似的裝置進行研究 - 這是一個非常實用的方法，通過購買并研究市場上已有的類似產品，小明可以直接了解其工作原理和構造，這對于自己的設計有很大的參考價值。
例12
在駕駛前對汽車的安全檢查必不可少，如輪胎、制動、水箱等。汽車的設計蘊涵這豐富的科學道理。下列說法錯誤的一項是（ ）
A、安全帶設計的比較寬可以減小壓強，增加安全系數
B、汽車外型設計為流線型考慮靠美觀和減少空氣阻力，節省燃料c、汽車的輪胎上有凹凸不平的花紋，目的是增大摩擦力
D、汽車的反光鏡是凹面鏡，便于擴大視野觀察
【答案】B
【講解】選項A正確。安全帶設計得比較寬可以減小壓強，增加帶寬即增加了作用面積
從而減小了壓強，這樣可以提高佩戴的舒適度和安全性。
選項B錯誤。汽車外型設計為流線型主要是為了減少空氣阻力，從而提高燃油效率和行駛速度，而不僅僅是為了美觀。雖然流線型設計確實也具有美觀的效果，但其主要科學道理在于減少空氣阻力，節省燃料。
選項C正確。汽車的輪胎上有凹凸不平的花紋是為了增大摩擦力，特別是在濕滑或不平坦的路面上，這種設計可以提高車輛的抓地能力和駕駛安全性。
選項D正確。汽車的反光鏡通常是凹面鏡，這樣的設計可以擴大視野，幫助司機更好地觀察車輛周圍的情況，提高行車安全。
【強化訓練】
1.某市鑄管廠承接了一項供水的生產任務，為了保證產品的質量，維護本廠的信譽，提高產品的知名度，對所生產的水管進形檢測，利用注水加壓的方法檢測水管的強度，這種試驗方法屬于下列哪一種（ )
A.性能試驗
B.預測試驗
C.環境適應性試驗
D.破壞性試驗
2．1863年，美國鐵路巨頭斯托恩全部采用鐵制材料建造了鐵路橋，由于對新材料的過度信任，未經技術試驗就投入使用， 13年后火車經過大橋市鐵架發生斷裂，大橋垮塌，使100多名旅客喪生。阿什塔比拉河橋的垮塌說明了( )
A.技術的發展離不開設計
B.設計師技術活動的核心
C.技術試驗是技術研究不可缺少的基本方法和手段
D.人機關系是在技術設計中必須考慮的因素之一
3．在魯班發明鋸的過程中，他發現問題的方法是發現問題的途徑和方法中的( )
A.收集和分析信息 B.觀察日常生活 C.技術研究和試驗 D.以上都不是
4.空心水泥磚是目前較為流行的新型建筑材料，以下對這種材料的特點分析有誤的一項是（ )
A.空心磚做成的房子冬暖夏涼，可以保溫，能夠節約能源
B.做成空心，可以減少水泥與砂石用量，能夠節約資源
C.空心磚可以減小噪聲污染
D.空心承受壓力小，不適宜用于高層建筑
5.如圖所示的個人空氣凈化器可以隨身攜帶，可放置于書桌上使用，通過產生氣泡吸收空氣中的污染物凈化空氣，不管是居家還是旅途均可使用。在該產品的設計過程中，下列因素可以不需考慮的是 ( )
A．空氣凈化器的相關行業標準 B．適用的使用環境
C．產品的重量和體積 D．能否受到專利保護
6．小黃同學暑期參加社會實踐活動，看到建筑工地的工人頭戴安全帽在高溫下施工，熱得滿頭大汗。于是產生了在安全帽上加裝風扇的設想，小黃發現問題的途徑是（ ）
A．技術試驗 B．技術研究 C．收集信息 D．觀察日常生活
7.“北斗三號”全球衛星導航系統已有許多應用。如圖所示，智能手機已成為“北斗三號”衛星導航系統最主要的應用項目之一。目前，國內外主流芯片廠商均推出了兼容北斗的通導一體化芯片。2020 年第一季度，在中國市場中請入網的智能手機中，超過75%支持北斗定位。
（1）“國內外主流芯片廠商均推出了兼容北斗的通導一體化芯片?！焙芏鄧叶紩褂孟嗤囊苿与娫捈夹g規范來建設他們的電話信號收發設備。這主要體現出什么設計原則？______。
（2）設計一款新手機時，首先應該做的是_______。
①制造模型 ②制定設計方案 ③發現與明確問題 ④編制說明書
（3）評價一款新手機的設計時，我們既可以對設計過程進行評價。也可以對______進行評價。
（4）智能手機集通話、短信、上網、游戲、支付、照相、錄音、攝像。定位導航等功能于一體，給我們生活帶來很多便捷，但人們長時間連續使用手機，會造成眼睛和頸椎等部位的不適，這說明了____。
①技術具有價值性但不具有綜合性 ②技術應用不當可能給人類造成傷害
8.如何判斷一個問題是否有價值，具體可以從哪些方面著手？
參考答案
1．A
【詳解】
性能試驗是指對產品的性能進行測試，以驗證其是否滿足規定的性能要求。在這個案例中，鑄管廠通過注水加壓的方法檢測水管的強度，這屬于對產品性能的直接測試，因此選項A正確。
2．C
【詳解】
阿什塔比拉河橋的垮塌是由于未經技術試驗就投入使用新材料導致的。這個事件強調了技術試驗在技術研究中的重要性，它是確保技術安全和可靠性的基本方法和手段。因此，選項C正確。
3．B
【詳解】
魯班發明鋸的過程是通過觀察日常生活中的問題（如樹木的鋸齒狀斷面）來發現問題并尋求解決方案的。這種發現問題的途徑屬于觀察日常生活，因此選項B正確。
4．D
【詳解】
空心水泥磚的特點包括保溫節能、節約資源和減小噪聲污染。然而，由于空心結構相對于實心結構在承受壓力方面的能力較弱，它通常不適宜用于需要較高承重能力的高層建筑。因此，選項D是錯誤的。
5．D
【詳解】
在設計個人空氣凈化器時，考慮的因素應主要圍繞產品的功能、安全性、便攜性以及用戶的使用體驗。以下是對各選項的分析：
A. 空氣凈化器的相關行業標準 - 這是必須考慮的因素。任何產品的設計都需要遵守相關的行業標準和法規，以確保產品的合法性、安全性和有效性。
B. 適用的使用環境 - 這也是一個重要的考慮因素。不同的使用環境可能需要不同的設計參數，例如在旅途中使用可能需要更輕便的設計，而在家庭環境中可能更注重凈化效果。
C. 產品的重量和體積 - 對于便攜式設備來說，這是一個關鍵因素。重量和體積直接影響到產品的便攜性和用戶的使用舒適度。
D. 能否受到專利保護 - 雖然這是一個重要的商業考慮因素，但它與產品設計的功能性、安全性和用戶體驗無直接關系。專利保護更多關乎產品的市場競爭力和知識產權保護，而不是設計過程中必須考慮的技術或功能因素。
6．D
【詳解】
小黃同學在參加社會實踐活動時，觀察到建筑工地的工人在高溫下施工，頭戴安全帽且熱得滿頭大汗。這一觀察來源于他的日常生活經驗，而非通過技術試驗、技術研究或收集信息的方式。因此，小黃發現問題的途徑是通過觀察日常生活。選項D正確。
7.技術規范原則（即通用性、標準性原則） ③ 設計結果（最終產品） ②
【詳解】
（1）“國內外主流芯片廠商均推出了兼容北斗的通導一體化芯片?！焙芏鄧叶紩褂孟嗤囊苿与娫捈夹g規范來建設他們的電話信號收發設備。這主要體現出技術規范原則，即通用性、標準性原則。
（2）設計一款新手機時，首先應該做的是發現與明確問題。
（3）評價一款新手機的設計時，我們既可以對設計過程進行評價。也可以對設計結果（最終產品）進行評價。
（4）智能手機集通話、短信、上網、游戲、支付、照相、錄音、攝像、定位導航等功能于一體，給我們生活帶來很多便捷，但人們長時間連續使用手機，會造成眼睛和頸椎等部位的不適，這說明了技術應用不當可能給人類造成傷害。
8.①問題是否遵循了基本的科學原理： ②迄今為止，該問題是否已得到充分解決： ③在你調查的范圍里，該問題是否具有普遍意義； ④多個問題同時發生時，該問題是不是主要問題； ⑤現有的技術條件能否解決這個問題；⑥解決該問題所需的投入是多少，投入產出比是否理想。
【詳解】
判斷一個問題是否有價值，可以從以下方面著手：
問題是否遵循了基本的科學原理： 檢查問題是否基于科學理論和已知的科學事實。一個有價值且可解的問題應當符合現有的科學認知框架。
迄今為止，該問題是否已得到充分解決： 分析問題在當前是否已有成熟的解決方案或已被廣泛研究。如果問題已經被解決，那么再次研究可能不會帶來新的價值。
在你調查的范圍里，該問題是否具有普遍意義： 考慮問題的普遍性，即這個問題是否在多個領域或情境中都有其重要性和影響。
多個問題同時發生時，該問題是不是主要問題： 當面對多個問題時，確定哪個問題是核心問題或主要障礙，因為解決主要問題可能會對其他問題產生連鎖反應，從而帶來更大的整體效益。
現有的技術條件能否解決這個問題： 評估當前的技術水平是否足以提供解決問題的方法或工具。如果現有技術無法解決，可能需要等待技術進步或尋找替代方案。
解決該問題所需的投入是多少，投入產出比是否理想： 計算解決問題所需的資源（包括時間、金錢和人力）與預期收益之間的比例。一個有價值的問題應該是資源投入合理且能夠帶來顯著收益的問題。

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