
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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)第二章工程設(shè)計(jì)一般過(guò)程第二節(jié)需求分析和目標(biāo)定義教學(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(lái);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(yǔ)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(lái)。黨的二十大報(bào)告指出,要實(shí)施科教興國(guó)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(guó)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(guó)工匠、高技能人才。教學(xué)目標(biāo):知識(shí)與技能目標(biāo):1.分析工程設(shè)計(jì)過(guò)程的性能需求。2.建立樹狀目標(biāo)圖明確性能需求。教學(xué)內(nèi)容分析:工程設(shè)計(jì)作為工程活動(dòng)中最關(guān)鍵的內(nèi)容,其任務(wù)是構(gòu)想、優(yōu)化被打造物件的功能、形態(tài)、細(xì)節(jié)形狀或其他參數(shù),并用圖紙、文件、表格等有效形式準(zhǔn)確無(wú)誤地將這些內(nèi)容逐項(xiàng)表達(dá)清楚,用以指導(dǎo)實(shí)施打造物件的施工活動(dòng)。學(xué)習(xí)工程技術(shù),就是要掌握將設(shè)想變成物件的本領(lǐng),用實(shí)用、先進(jìn)的方法創(chuàng)造具有實(shí)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(lái)。通過(guò)典型工程案例分析,理解工程設(shè)計(jì)的過(guò)程。初步學(xué)會(huì)運(yùn)用標(biāo)桿分析法和逆向工程法,獲得設(shè)計(jì)對(duì)象的工程特征,學(xué)會(huì)運(yùn)用質(zhì)量功能配置工具將用戶需求轉(zhuǎn)換為關(guān)鍵的工程特征。在掌握工程設(shè)計(jì)過(guò)程中,形成系統(tǒng)思維和工程思維。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(guò)典型工程案例分析,同學(xué)們了解工程發(fā)展的簡(jiǎn)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(guò)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(guò)程,并利用“無(wú)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(guò)程。學(xué)會(huì)編制簡(jiǎn)易的工程設(shè)計(jì)任務(wù)書。將通過(guò)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(guò)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):分析工程設(shè)計(jì)過(guò)程的性能需求。建立樹狀目標(biāo)圖明確性能需求。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(guò)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(guò)親身體驗(yàn)來(lái)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(wèn)題提供了線索;“練習(xí)”能幫助同學(xué)們檢測(cè)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(guò)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第二章工程設(shè)計(jì)一般過(guò)程第二節(jié)需求分析和目標(biāo)定義。工程設(shè)計(jì)的第一步是需求分析。工程師必須通過(guò)需求分析來(lái)定位產(chǎn)品的市場(chǎng),并調(diào)整產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)程中,人們產(chǎn)生了多種多樣的不同需求,工程師的職能就是運(yùn)用科學(xué)知識(shí)來(lái)滿足人類需求。一、問(wèn)題的描述——需求目標(biāo)定義在通常情況下,工程師被告知設(shè)計(jì)目標(biāo),但訴求表現(xiàn)常常不精確。出現(xiàn)的問(wèn)題大多諸如“電機(jī)壞了”“操作效果不能達(dá)到預(yù)設(shè)的高度”等。因而,工程師在處理工程項(xiàng)目的第一個(gè)任務(wù)便是確定真正的問(wèn)題,確定目標(biāo)的范圍和程度。討論在學(xué)校教學(xué)樓改建方案征詢意見會(huì)上,校領(lǐng)導(dǎo)向工程師反映:“教學(xué)樓兩側(cè)洗手間,由于學(xué)生經(jīng)常忘關(guān)水龍頭,導(dǎo)致水資源的大量浪費(fèi),應(yīng)該如何做才能避免學(xué)生忘關(guān)水龍頭的壞習(xí)慣?”這時(shí)工程師的頭腦中會(huì)閃現(xiàn)以下問(wèn)題:是否只有學(xué)生會(huì)忘關(guān)水龍頭?是否所有沒(méi)關(guān)水龍頭的情況都是因?yàn)橥??是否有辦法改變學(xué)生的習(xí)慣?是否使用完水龍頭一定要存在“關(guān)”的人工操作步驟?……試分析,對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,工程師應(yīng)該將問(wèn)題歸結(jié)為什么原因,才能更準(zhǔn)確表達(dá)校領(lǐng)導(dǎo)的需求?可見,作為工程師,必須明確客戶的需求,避免出現(xiàn)因需求的不準(zhǔn)確表述而導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)出現(xiàn)不準(zhǔn)確的理解,最終無(wú)法提供解決問(wèn)題的方案。在實(shí)踐中,需求公司與設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)簽訂開發(fā)項(xiàng)目合同,需求公司要盡量簡(jiǎn)要、清晰地描述項(xiàng)目的要求,而且不應(yīng)在描述中限制性提出解決方案。這時(shí),需求公司需要提供一個(gè)文本形式的需求文檔,便于設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)了解。而設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)在基本了解后,需要寫出更為詳細(xì)的目標(biāo)定義文檔,讓需求公司看懂并確認(rèn)是否符合需求。這兩份工程文檔在工程設(shè)計(jì)初期有著至關(guān)重要的作用,但受眾和作用截然不同。設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的工程師的工作職責(zé)是讓第一份文檔能更準(zhǔn)確、更快速地轉(zhuǎn)換成第二份文檔。為了更好地實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換,我們可以通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)。1.搜集信息。很多時(shí)候,客戶向工程師提出的問(wèn)題根據(jù)只停留于表面現(xiàn)象,工程師需要通過(guò)分析,對(duì)整個(gè)市場(chǎng)有一個(gè)全面系統(tǒng)的研究,這其中包括趨勢(shì)、競(jìng)爭(zhēng)力、容量、利益、機(jī)遇、客戶需求、客戶感想等。在產(chǎn)品多元化的今天,工程師的設(shè)計(jì)更多是優(yōu)化設(shè)計(jì),在確認(rèn)自己的解決方案前,了解其他人的解決方案也很重要。在這個(gè)階段,不要急著提供解決方案,而應(yīng)該廣泛進(jìn)行調(diào)研,搜集信息以便提供更好的方法。主要的調(diào)研方法有直接調(diào)研和間接調(diào)研(圖28)(參見教材P30)。直接調(diào)研的對(duì)象不僅包括終端消費(fèi)者,還要把所有接觸到該產(chǎn)品的人都納入調(diào)研范圍,并在集體討論、單獨(dú)訪問(wèn)、采訪、問(wèn)卷調(diào)查等形式中選擇合適的調(diào)研方式進(jìn)行調(diào)研。間接調(diào)研則主要是指調(diào)查者不直接與被調(diào)查者接觸,而是通過(guò)中介向被調(diào)查者進(jìn)行調(diào)查的方法。常見方法包括專利查新、報(bào)紙傳媒、第三方分析報(bào)告、政府分析報(bào)告和文獻(xiàn)查詢等方式或渠道?;顒?dòng)請(qǐng)你針對(duì)“如何避免校園里的水資源浪費(fèi)”問(wèn)題設(shè)計(jì)一份針對(duì)全校師生的調(diào)查問(wèn)卷。2.需求信息處理。在收集不同信息資源后,要注意信息資源的處理和歸類。該步驟對(duì)于信息篩選和處理的策劃很重要,可以幫助完成目標(biāo)需求文檔的制定和確立。首先,大致了解相關(guān)信息資源,給每份資源明確其關(guān)鍵詞。明確關(guān)鍵詞后,歸檔形成一個(gè)信息清單,變成有層次的信息資源庫(kù)。在信息搜集和處理過(guò)程中,要特別注意以下信息的采用。(1)產(chǎn)品信息。查詢同類產(chǎn)品專利在工程設(shè)計(jì),特別是創(chuàng)新性工程設(shè)計(jì)中的重要作用。專利是確保專利權(quán)人擁有新想法和新發(fā)明的獨(dú)占權(quán)。通過(guò)專利查新形成查新報(bào)告,既可以避免出現(xiàn)重復(fù)勞動(dòng)的情況,也可以在查新過(guò)程中更多啟迪工程師的設(shè)計(jì)思路。通常,我們可以通過(guò)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站進(jìn)行專利查新。(2)行業(yè)信息。在設(shè)計(jì)初期,對(duì)產(chǎn)品對(duì)象所屬的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的收集至關(guān)重要。通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的查對(duì),可以加快工程設(shè)計(jì)的進(jìn)度,明確處理的方式方法,同時(shí)也能得到廣泛使用的行業(yè)指標(biāo)。需要說(shuō)明的是,不同的銷售地域其行業(yè)指標(biāo)在要求的詳細(xì)程度和規(guī)范執(zhí)行程度上都有所區(qū)別,這需要在需求初期就得以明確。(3)市場(chǎng)信息。尋找相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)信息,得到對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)份額、目標(biāo)市場(chǎng)、人數(shù)和市場(chǎng)潛力等相關(guān)文檔,明確產(chǎn)品所屬市場(chǎng)的法律法規(guī)、可能出現(xiàn)的社會(huì)問(wèn)題等客觀影響因素,實(shí)現(xiàn)全面估算。其次,還需要明確產(chǎn)品的生命周期和市場(chǎng)占有率。二、明確性能需求——建立樹狀目標(biāo)圖“需求”是客戶的一種模糊的愿望??蛻粼陉U述表象問(wèn)題時(shí),一般都會(huì)以意愿的方式提出。例如,如何讓車子跑得更快?而“性能需求”需要工程師解構(gòu)客戶“需求”,并闡明其技術(shù)內(nèi)涵。案例客戶向工程師提出的需求是“一個(gè)能快速加熱水的壺”。很多人都會(huì)直接聯(lián)想到“電熱水壺”。但工程師則要對(duì)其進(jìn)行解構(gòu),獲得更加中性的產(chǎn)品性能需求:(1)能夠容納一定量的水。(2)能夠加熱一定量的水。(3)加熱迅速。(4)節(jié)能。(5)方便移動(dòng)。(6)倒水時(shí)把手安全。(7)倒水時(shí)不會(huì)飛濺。(8)外形美觀。(9)水煮沸后自動(dòng)斷電或有警示。在明確性能要求環(huán)節(jié),我們通過(guò)以下步驟完成。1.列出要求并劃分其重要性。為了能夠劃分出性能需求的重要性,工程師一般用1~10來(lái)進(jìn)行標(biāo)記:10表示最重要,1表示最次要。另外,還要區(qū)分出產(chǎn)品性能為本質(zhì)與否。本質(zhì)性能需求,用字母D(demands)來(lái)標(biāo)示;非本質(zhì)性能需求,用字母W(wishes)來(lái)標(biāo)示。案例例如,上述加熱容器的性能需求等級(jí)如表23所示。表23性能需求等級(jí)DorW性能需求重要性級(jí)別D容納2L水的加熱10D加熱過(guò)程在5min內(nèi)完成9D功率不高于2000W8D方便移動(dòng)8D倒水時(shí)把手安全7D倒水時(shí)流速適中,不會(huì)飛濺8W外形美觀5D斷電后有提示9W自動(dòng)斷電7W生產(chǎn)成本低42.構(gòu)建目標(biāo)樹。構(gòu)建目標(biāo)樹的目的是通過(guò)組織客戶要求,幫助工程師搞清楚設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)目標(biāo)樹的方式,可以清晰、準(zhǔn)確地展示產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo),反應(yīng)產(chǎn)品性能需求,同時(shí)幫助工程師在設(shè)計(jì)初期消除其與客戶之間的理解誤差。建立樹狀目標(biāo)圖的步驟。(1)將要求羅列出來(lái)。(2)按照安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性3個(gè)維度性能需求項(xiàng)目降序排列。案例建立上述加熱容器的樹狀目標(biāo)圖。步驟1:準(zhǔn)備設(shè)計(jì)目標(biāo)列表。①容納2L水的加熱;②斷電后有提示;③加熱過(guò)程在5min內(nèi)完成;④功率不高于2000W;⑤方便移動(dòng);⑥倒水時(shí)流速適中,不會(huì)飛濺;⑦倒水時(shí)把手安全;⑧自動(dòng)斷電;⑨外形美觀;⑩生產(chǎn)成本低。步驟2:排列目標(biāo)順序(表24)。表24排列目標(biāo)順序安全性可靠性經(jīng)濟(jì)性斷電后有提示容納2L水的加熱功率不高于2000W倒水時(shí)流速適中,不會(huì)飛濺加熱過(guò)程在5min內(nèi)完成生產(chǎn)成本低倒水時(shí)把手安全方便移動(dòng)自動(dòng)斷電外形美觀步驟3:建立樹狀目標(biāo)圖(圖29)(參見教材P33)。3.構(gòu)成樹狀,標(biāo)識(shí)出等級(jí)和組間關(guān)系。立即行動(dòng)“無(wú)碳小車”工程項(xiàng)目——性能需求分析設(shè)計(jì)一輛“無(wú)碳小車”,小車規(guī)格控制在100mm×60mm×30mm的范圍內(nèi),驅(qū)動(dòng)其行走的能量只由3個(gè)原長(zhǎng)50mm的橡皮筋提供(圖210)(參見教材P34)。判定小車從傾斜度為45°的斜坡上滑下后,在水平面上行駛距離更遠(yuǎn),且偏離中間黑線距離更小者獲勝(圖211)(參見教材P34)。測(cè)試場(chǎng)地規(guī)格:小車出發(fā)平臺(tái)距離水平面25cm,斜坡傾斜角為45°,行駛面寬30cm,中間區(qū)域有一條寬為3mm的黑線。夾板厚度為5mm。測(cè)試流程:①開始測(cè)試時(shí),將小車放置在出發(fā)平臺(tái)上,小車車頭最前端與出發(fā)平臺(tái)水平邊緣對(duì)齊。②選手上好橡皮筋后,在垂直平臺(tái)方向上壓住小車,并設(shè)為始發(fā)狀態(tài)。③計(jì)分員提示開始后,選手在垂直平臺(tái)方向上松開小車(不可給予推力),自由釋放小車讓其自動(dòng)滑下。④設(shè)小車行駛距離為L(zhǎng),行駛后車頭中心點(diǎn)與中間黑線距離為P,則最后得分計(jì)算為最終得分=L/P。請(qǐng)你利用工程設(shè)計(jì)思想,采用所學(xué)的工程項(xiàng)目性能需求分析方法,對(duì)以上項(xiàng)目進(jìn)行分析,完成樹狀目標(biāo)圖。課后作業(yè)習(xí)題1.用戶寫給工程設(shè)計(jì)部門的需求文檔和工程設(shè)計(jì)部門給用戶的目標(biāo)定義文檔有何不同?它們?cè)谑鼙姾凸δ苌嫌泻尾顒e?2.在原來(lái)“無(wú)碳小車”設(shè)計(jì)的基本條件上,要求
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