資源簡(jiǎn)介

(共44張PPT)
5.2像工程師那樣實(shí)踐
課程引入
在建造公路、鐵路和地鐵時(shí)，需要開挖隧道。盾構(gòu)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)開挖隧道，被譽(yù)為“世界工程機(jī)械之王”，是名副其實(shí)的大國(guó)重器，反映了一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)的水平。盾構(gòu)機(jī)的各個(gè)部件都是經(jīng)過工程師們相互配合、共同協(xié)作設(shè)計(jì)和制造出來的。那么，工程師是如何進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的？我們?nèi)绾螌W(xué)會(huì)像工程師那樣實(shí)踐？
下面以一把辦公椅的研發(fā)流程為例，讓我們一起走進(jìn)工程設(shè)計(jì)。
工程設(shè)計(jì)的過程
工程師們將概念模糊的問題轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨群?jiǎn)練的解決方案，這就是工程設(shè)計(jì)的過程。
明確問題
辦公室員工在工作時(shí)發(fā)現(xiàn)所坐的椅子不夠舒適，影響工作效率與身體健康，就會(huì)產(chǎn)生需求：希望可以調(diào)節(jié)椅子高度和靠背角度，使它坐起來更舒適。這種需求被稱為工程問題。工程師了解到這些需求后，開始研發(fā)一款新的辦公椅。研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過調(diào)研，確定了以下設(shè)計(jì)要求：
高度調(diào)節(jié)范圍：450~550 mm。
傾斜角度調(diào)節(jié)范圍：0°~30°。
座椅材料：舒適、透氣的網(wǎng)布材料。
能承受的最大荷載：150 kg。
制作一把辦公椅
明確問題
辦公室員工在工作時(shí)發(fā)現(xiàn)所坐的椅子不夠舒適，影響工作效率與身體健康，就會(huì)產(chǎn)生需求：希望可以調(diào)節(jié)椅子高度和靠背角度，使它坐起來更舒適。這種需求被稱為工程問題。工程師了解到這些需求后，開始研發(fā)一款新的辦公椅。
制作一把辦公椅
確定以下設(shè)計(jì)要求：
高度調(diào)節(jié)范圍：450~550 mm。
傾斜角度調(diào)節(jié)范圍：0°~30°。
座椅材料：舒適、透氣的網(wǎng)布材料。
能承受的最大荷載：150 kg。
制作一把辦公椅|設(shè)計(jì)方案
概念設(shè)計(jì)
概念設(shè)計(jì)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行多次設(shè)計(jì)分析、方案構(gòu)思后，有了初步的概念設(shè)計(jì)，并繪制了設(shè)計(jì)草圖，草圖顯示了椅子的整體結(jié)構(gòu)。
制作一把辦公椅
具體設(shè)計(jì)
基于概念設(shè)計(jì)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，如椅子的各部分材料和具體尺寸等。
制作一把辦公椅
具體設(shè)計(jì)
基于概念設(shè)計(jì)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，如椅子的各部分材料和具體尺寸等。
制作一把辦公椅|實(shí)施計(jì)劃
實(shí)施計(jì)劃
根據(jù)設(shè)計(jì)圖，工程師們運(yùn)用各種技術(shù)，進(jìn)行一系列工作，制作了原型。
制作一把辦公椅|檢驗(yàn)作品
檢驗(yàn)作品
研發(fā)團(tuán)隊(duì)在工作環(huán)境下對(duì)原型實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，包括高度調(diào)節(jié)、傾斜角度調(diào)節(jié)、承重能力和舒適性等方面。測(cè)試結(jié)果表明，原型在其他方面表現(xiàn)良好，但承重能力有所不足。
制作一把辦公椅|改進(jìn)完善
改進(jìn)完善
針對(duì)測(cè)試發(fā)現(xiàn)的問題，為達(dá)到設(shè)計(jì)承重的標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮生產(chǎn)成本和實(shí)際需求，研發(fā)團(tuán)隊(duì)最終選擇更換使用耐受力更強(qiáng)的材料，并重新進(jìn)行了測(cè)試。
制作一把辦公椅|發(fā)布成果
發(fā)布成果
根據(jù)原型測(cè)試和改進(jìn)的結(jié)果，研發(fā)團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備進(jìn)行生產(chǎn)制造。他們與供應(yīng)商合作，選取合適的材料和制造工藝，并制訂了生產(chǎn)計(jì)劃。完成生產(chǎn)制造后，他們與辦公家具經(jīng)銷商合作，進(jìn)行一系列的展示、推廣、銷售活動(dòng)。
工程實(shí)踐的一般過程
工程實(shí)踐
明確問題
設(shè)計(jì)方案
實(shí)施計(jì)劃
檢驗(yàn)作品
改進(jìn)完善
發(fā)布成果
工程可以很簡(jiǎn)單，也可以很復(fù)雜。
工程的復(fù)雜程度
拉鏈由兩排互鎖的齒和一個(gè)滑塊組成，這一簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)巧妙地實(shí)現(xiàn)了連接或分離兩排齒的功能
工程的復(fù)雜程度
筆記本電腦由許多部件組成，涉及電子學(xué)、微處理器和計(jì)算機(jī)軟件等多方面知識(shí)，這一復(fù)雜設(shè)備能夠執(zhí)行多項(xiàng)功能
工程可以很簡(jiǎn)單，也可以很復(fù)雜。
工程的復(fù)雜程度
筆記本電腦由許多部件組成，涉及電子學(xué)、微處理器和計(jì)算機(jī)軟件等多方面知識(shí)，這一復(fù)雜設(shè)備能夠執(zhí)行多項(xiàng)功能
工程可以很簡(jiǎn)單，也可以很復(fù)雜。
一個(gè)好的工程設(shè)計(jì)能夠預(yù)估現(xiàn)實(shí)需求和未來可能出現(xiàn)的問題，減少資源浪費(fèi)、降低施工成本、保證工程安全穩(wěn)定和延長(zhǎng)工程使用壽命。因此，在進(jìn)行任何工程建設(shè)之前，必須首先進(jìn)行仔細(xì)的論證和細(xì)致的規(guī)劃，以確保工程質(zhì)量和效益的最大化。
什么是好的工程
科學(xué)閱讀
都江堰
戰(zhàn)國(guó)后期，李冰在岷江上主持修建了都江堰。都江堰是中國(guó)古代水利工程的杰出典范，被譽(yù)為水利工程奇跡。
科學(xué)閱讀｜都江堰工程示意圖
都江堰由渠首和灌溉網(wǎng)兩大系統(tǒng)構(gòu)成。渠首建于岷江之中，分為魚嘴、飛沙堰、寶瓶口三個(gè)主體工程。魚嘴將岷江分為內(nèi)江和外江，內(nèi)江用于灌溉，外江用于分洪。內(nèi)江窄而深，外江寬而淺。枯水期，江水六成流入內(nèi)江，四成從外江流走；豐水期，江水四成流入內(nèi)江，六成從外江流走。寶瓶口是在內(nèi)江下游人工開鑿出的出水山口，引水入渠，灌溉農(nóng)田。
科學(xué)閱讀
都江堰是我國(guó)古代勞動(dòng)人民的智慧結(jié)晶。2200多年來，都江堰一直在防洪、灌溉、水運(yùn)等多方面發(fā)揮作用，這在世界水利建設(shè)史上是獨(dú)一無二的。
科學(xué)閱讀
我們的工程實(shí)踐
讓我們根據(jù)工程實(shí)踐的一般過程，選擇合適的材料，制作太陽、地球和月球的三球運(yùn)動(dòng)演示模型
明確問題
任務(wù)：設(shè)計(jì)制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型，能夠演示日食和月食的成因。
限制條件：材料包括木板、地球模型、月球模型、LED燈、刻度尺等，工具包括鋸子、砂紙等。
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型
評(píng)價(jià)維度 ★ ★★ ★★★
科學(xué)原理 三球位置、比例均不合理 三球位置或比例基本合理 三球位置、比例均合理
可靠程度 模型難以正常轉(zhuǎn)動(dòng) 模型轉(zhuǎn)動(dòng)流暢，偶爾打滑、卡頓，但不影響使用 模型轉(zhuǎn)動(dòng)流暢，無打滑、卡頓現(xiàn)象
制作工藝 模型外形較粗糙 模型外形較為美觀 模型整體美觀、精致
演示效果 無法演示日食和月食 基本可以演示日食和月食，光源有時(shí)會(huì)被遮擋 可以完美演示日食和月食，光源全程無遮擋
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜設(shè)計(jì)方案
三球運(yùn)動(dòng)演示模型具體可以分為兩大模塊，分別是模擬運(yùn)動(dòng)的機(jī)械模塊、模擬陽光的發(fā)光模塊。
分析問題。
（1）太陽、地球和月球三者應(yīng)該如何放置？
尺寸大小應(yīng)該如何選擇？
用一個(gè)大功率LED燈，配一個(gè)圓形乳白色外罩代替太陽（大），用泡沫大球代替地球（中）和用泡沫小球代替月球（小），地球可繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，月球可繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)。
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜設(shè)計(jì)方案
（2）模型的動(dòng)力如何提供？
模型的動(dòng)力利用手動(dòng)、皮帶輪和皮帶配合完成。
（3）什么樣的裝置可以模擬陽光？
用大功率LED燈可以模擬陽光
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜設(shè)計(jì)方案
（4）機(jī)械裝置中常用齒輪或皮帶實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，地球繞太陽運(yùn)動(dòng)1圈時(shí)，月球繞地球運(yùn)動(dòng)12圈。如何保證上述運(yùn)動(dòng)關(guān)系？
可以保證地球繞太陽運(yùn)動(dòng)1圈時(shí)，月球繞地球運(yùn)動(dòng)12圈。
材料
工具
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜材料和工具的選擇
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜設(shè)計(jì)方案并繪制草圖
按照設(shè)計(jì)方案制作演示模型，記錄實(shí)施過程中遇到的困難以及解決的方法。
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜實(shí)施計(jì)劃
注意操作規(guī)范
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜實(shí)施步驟
按照草圖中的尺寸，用鋸子把木板鋸成長(zhǎng)度和寬度各不相同的長(zhǎng)木條。（注意：使用鋸子和鉆孔機(jī)注意安全）
2.用鉆孔機(jī)在較長(zhǎng)木條的左右兩端和中間偏右的位置鉆3個(gè)孔，在較短的木條的兩端各鉆一個(gè)孔，較寬的木條的中間偏右鉆一個(gè)孔。（注意：孔的大小和鉆的大小相同，較寬木條的中間孔和較長(zhǎng)木條中間偏右的孔徑相同，其余的孔徑相同）
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜實(shí)施步驟
3.按照下圖，用螺絲把底座安裝好。
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜實(shí)施步驟
4.將一個(gè)大皮帶輪用大鐵軸套固定在較寬木條中心的大鐵軸上，再把較長(zhǎng)木條中間偏右的孔插上，軸上端固定太陽模型。（注意：大皮帶輪上下都要用軸套固定，與上下木條之間要留有空隙）
5.較長(zhǎng)木條左側(cè)的孔中插入小鐵軸，軸的下面裝一個(gè)小皮帶輪，上面依次固定較短木條和地球（泡沫中球）模型，較短木條的另一端固定月球（泡沫小球）模型，調(diào)整軸的高度，使月球中心與地球中心相平。
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜實(shí)施步驟
6.在大、小皮帶輪上掛上松緊合適的皮帶，推動(dòng)右側(cè)的軸，使較長(zhǎng)木條帶動(dòng)地球繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)小皮帶輪帶動(dòng)月球繞地球旋轉(zhuǎn)。
評(píng)價(jià)維度 ★ ★★ ★★★
科學(xué)原理 三球位置、比例均不合理 三球位置或比例基本合理 三球位置、比例均合理
可靠程度 模型難以正常轉(zhuǎn)動(dòng) 模型轉(zhuǎn)動(dòng)流暢，偶爾打滑、卡頓，但不影響使用 模型轉(zhuǎn)動(dòng)流暢，無打滑、卡頓現(xiàn)象
制作工藝 模型外形較粗糙 模型外形較為美觀 模型整體美觀、精致
演示效果 無法演示日食和月食，光源有時(shí)會(huì)被遮擋 基本可以演示日食和月食，光源有時(shí)會(huì)被遮擋 可以完美演示日食和月食，光源全程無遮擋
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜工程驗(yàn)收
驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：
三球運(yùn)動(dòng)演示模型制作驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)
科學(xué)原理 可靠程度 制作工藝 演示效果
第一組
第二組
第三組
......
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型｜檢驗(yàn)組品
檢驗(yàn)作品
依照評(píng)價(jià)量表對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試并打分，將結(jié)果記錄在表中。
制作三球運(yùn)動(dòng)演示模型
改進(jìn)完善
根據(jù)測(cè)試結(jié)果，現(xiàn)在的三球運(yùn)動(dòng)演示模型還可以如何改進(jìn)？與組員討論，并在原設(shè)計(jì)草圖中標(biāo)注。
發(fā)布成果
通過繪制畫報(bào)、呈現(xiàn)實(shí)物或產(chǎn)品發(fā)布會(huì)的形式發(fā)布三球運(yùn)動(dòng)演示模型制作成果。
工程實(shí)踐的過程并非一蹴而就，在工程設(shè)計(jì)時(shí)要不斷地發(fā)現(xiàn)問題、尋找原因并迭代改進(jìn)，直至符合工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。在一些重大工程的建造中，工程設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，要考慮各種因素、權(quán)衡工程的影響，以確保工程建造順利進(jìn)行。
工程實(shí)踐
小張家種著幾棵柚子樹，他發(fā)現(xiàn)高處的柚子摘不到，爬樹采摘又不安全，于是他想設(shè)計(jì)一款柚子采摘工具。小張?jiān)谠O(shè)計(jì)方案時(shí)，不需要做的是（ ）。
判斷是否有必要設(shè)計(jì)該采摘工具
分析用什么材料制作該采摘工具
用草圖呈現(xiàn)設(shè)計(jì)方案
根據(jù)要求，篩選出合理的設(shè)計(jì)方案
小試牛刀
A
如圖所示為一個(gè)裝液體洗滌劑的瓶子，其瓶口有一個(gè)帶有缺口的小圓筒從中間伸出，小圓筒與瓶子外口之間有一個(gè)與內(nèi)部相通的窄縫。瓶蓋內(nèi)部中間也有一個(gè)圓筒從中間伸出（如圖甲所示）。使用時(shí)，將洗滌劑倒入瓶蓋的圓筒中，然后再倒入洗衣機(jī)內(nèi)。瓶蓋蓋回時(shí)，其內(nèi)部的圓筒伸進(jìn)瓶口里面（如圖乙所示）。下列選項(xiàng)中，不屬于上述設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)的是（ ）
洗滌劑倒出后，不容易從瓶口流到瓶的外壁上
將洗滌劑倒入瓶蓋后，更容易控制洗滌劑的用量
瓶蓋套在瓶口上時(shí)，其內(nèi)部殘留的洗滌劑不會(huì)流到瓶的外壁上
瓶蓋旋在瓶口上后，洗滌劑能與空氣更好地隔絕，不容易變質(zhì)
小試牛刀
D
我們常常見到在一些草坪上鋪有石板的小路，對(duì)于如圖所示的石板小路鋪設(shè)方案，行人行走時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)什么問題？
小試牛刀
行人的步伐難以控制
如圖所示為我們常用的透明刻度尺。如果你是一個(gè)設(shè)計(jì)刻度尺的技術(shù)人員，那么選擇制造透明刻度尺的材料時(shí)，除了材料必須是透明的這一要求之外，你還會(huì)提出怎樣的要求？（寫出三點(diǎn)）
（1）材料不容易變形，扳彎后能夠很好地恢復(fù)原形;
（2）材料熱脹冷縮不明顯;
（3）材料強(qiáng)度要比較高。
小試牛刀
思維點(diǎn)撥

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