2.1工程設(shè)計(jì)概述教學(xué)設(shè)計(jì)-高中通用技術(shù)粵科版選擇性必修3工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

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)一般過程第一節(jié)工程設(shè)計(jì)概述教學(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(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.了解工程設(shè)計(jì)的定義。2.知道工程設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)中的重要性。3.理解工程設(shè)計(jì)過程。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。通過典型工程案例分析，理解工程設(shè)計(jì)的過程。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(jiǎn)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):知道工程設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)中的重要性。理解工程設(shè)計(jì)過程。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(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)一般過程第一節(jié)工程設(shè)計(jì)概述。一、工程設(shè)計(jì)的定義工程設(shè)計(jì)是為滿足目標(biāo)需求而創(chuàng)造某種系統(tǒng)、部件或方法的活動(dòng)。在這個(gè)活動(dòng)中需要對(duì)項(xiàng)目所需的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等條件進(jìn)行綜合分析、論證，編制工程設(shè)計(jì)文件。工程設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷優(yōu)化的決策活動(dòng)，在這個(gè)活動(dòng)過程中，需要使用數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)及工程科學(xué)來優(yōu)化轉(zhuǎn)換組合資源以實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)（圖21）（參見教材P24）。工程設(shè)計(jì)要依靠很多工程技術(shù)，如測(cè)量技術(shù)、決策工具、數(shù)據(jù)采樣處理等。二、工程設(shè)計(jì)的重要性工程設(shè)計(jì)重要性在于：保證工程項(xiàng)目能夠按照預(yù)定的進(jìn)度、質(zhì)量、成本達(dá)到項(xiàng)目的功能需求。在中學(xué)階段學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的知識(shí)，主要圍繞單一產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)象展開，通過學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該掌握的方法、技術(shù)和手段等項(xiàng)目管理范式，培養(yǎng)創(chuàng)造力，形成系統(tǒng)思維和工程思維。愛因斯坦說過：“想象力比知識(shí)更加重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象力是無限的。”設(shè)計(jì)的過程是創(chuàng)新的過程，設(shè)計(jì)被廣泛地認(rèn)為是產(chǎn)品開發(fā)最重要的步驟之一。不僅如此，即使制造、生產(chǎn)、銷售等環(huán)節(jié)做得再好，但產(chǎn)品設(shè)計(jì)得不好，最終產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)也無法呈現(xiàn)。絕大多數(shù)消費(fèi)者不會(huì)關(guān)心產(chǎn)品的所有具體技術(shù)規(guī)格或制造過程，他們首先關(guān)注的是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和外觀。對(duì)于有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，客戶往往愿意付出更多的購買費(fèi)用。工程設(shè)計(jì)目的就是讓產(chǎn)品在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力，通過用戶認(rèn)可而獲得更多的投資回報(bào)。工程設(shè)計(jì)為了迎合現(xiàn)存需求、減少成本或者追求利益，往往會(huì)采用新型方法。但工程項(xiàng)目固有的難度和挑戰(zhàn)，使得工程設(shè)計(jì)不僅要有創(chuàng)新和技術(shù)手段支撐，還要能預(yù)測(cè)產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢(shì)或可能出現(xiàn)的情況變化，使產(chǎn)品的負(fù)面效應(yīng)控制在一定可控范圍之內(nèi)。所以，我們需要有一套科學(xué)系統(tǒng)的方法用于建立產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)過程。問題驅(qū)動(dòng)爺爺奶奶住所的冰箱壞了，你想給節(jié)儉一生的爺爺奶奶選擇一款適合他們使用的冰箱。到商場(chǎng)之后發(fā)現(xiàn)比較有代表性的是以下三款。你可能會(huì)購買哪一款，原因是什么？表21三款冰箱的對(duì)比分析名稱容量能效制冷方式控溫方式變頻/定頻箱門結(jié)構(gòu)是否支持全屋互聯(lián)價(jià)格冰箱1116L二級(jí)直冷機(jī)械控溫定頻雙門否780元冰箱2223L一級(jí)風(fēng)冷電腦控溫變頻三門否1999元冰箱3408L二級(jí)風(fēng)冷電腦控溫變頻十字對(duì)開門是3289元任務(wù)驅(qū)動(dòng)請(qǐng)通過多種渠道查詢資料，尋找下述著名工程項(xiàng)目失敗的原因，并分析它們的共同點(diǎn)。表22著名工程項(xiàng)目的失敗案例工程事件簡(jiǎn)述工程事件世界衛(wèi)生組織透露：這次事故共造成34萬人先后被遣散或遷移，保守估計(jì)蘇聯(lián)共花費(fèi)了180億美元、約50萬軍民參與處理此事件（圖22）（參見教材P25）。圖221986年切爾諾貝利核電站事故本次事故是由于航天飛機(jī)右側(cè)固態(tài)火箭推進(jìn)器O形密封圈失效，并導(dǎo)致一連串的連鎖反應(yīng)。升空73秒后航天飛機(jī)爆炸，機(jī)組人員無一幸存（圖23）（參見教材P26）。圖231986年挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)爆炸這次事故共造成113人喪生，其起因緣于飛機(jī)起飛時(shí)左側(cè)引擎著火。此后，協(xié)和式飛機(jī)的適航證書被撤銷，所有協(xié)和式飛機(jī)在事故發(fā)生后15個(gè)月內(nèi)不得升空，最終協(xié)和式飛機(jī)徹底退出航空業(yè)（圖24）（參見教材P26）。圖242000年協(xié)和式飛機(jī)墜毀三、工程設(shè)計(jì)過程工程設(shè)計(jì)過程就是在限定的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、美觀性及道德規(guī)范和社會(huì)影響等制約因素的條件下，利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法學(xué)，表述設(shè)計(jì)問題，說明工程規(guī)范及生產(chǎn)方法并進(jìn)行規(guī)劃構(gòu)思。設(shè)計(jì)過程是一系列事件和一整套指導(dǎo)方針。這些事件和方針都是為了幫助設(shè)計(jì)者確定設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，讓設(shè)想的產(chǎn)品視覺化，最終物化到現(xiàn)實(shí)中來（圖25）（參見教材P26）。設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)能力由設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)技巧兩部分構(gòu)成。所謂設(shè)計(jì)理念，就是指能否通過系統(tǒng)的過程、方法和解決問題的能力來指導(dǎo)實(shí)踐，是工程思維的呈現(xiàn)。工程設(shè)計(jì)過程的學(xué)習(xí)，就是一種科學(xué)的工程思維學(xué)習(xí)的過程。隨著科技的進(jìn)步，工程設(shè)計(jì)的理念在不斷完善和創(chuàng)新，隨著不同的高新科技和思維方法被引用到工程設(shè)計(jì)過程中，工程設(shè)計(jì)更趨于效率化和系統(tǒng)化。到目前為止，完整的工程設(shè)計(jì)過程都包含以下步驟，下面以高速列車車體設(shè)計(jì)過程為例，說明每個(gè)步驟具體完成的事項(xiàng)和作用。1．需求分析和目標(biāo)定義。工程設(shè)計(jì)過程的需求分析既包括客戶需求分析，也包括市場(chǎng)需求分析?？蛻粜枨蟀蛻粢?、對(duì)現(xiàn)設(shè)計(jì)的修改意見、產(chǎn)品革新要求等3種。例如，高速列車的車體設(shè)計(jì)和制造過程中需要達(dá)到的目標(biāo)有：車體材料實(shí)現(xiàn)輕量化，車體具有足夠的強(qiáng)度和剛度，有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，保證乘客良好的乘坐舒適性等。2．獲取工程特性指標(biāo)。在通過客戶需求分析和市場(chǎng)需求分析后，設(shè)計(jì)者要定義最終產(chǎn)品概括性描述的目標(biāo)，并創(chuàng)立目標(biāo)樹。這對(duì)目標(biāo)的概括性描述非常重要，它可以避免設(shè)計(jì)的混亂甚至設(shè)計(jì)的最終結(jié)果變化過大。這屬于建立產(chǎn)品理念階段，要建立功能結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)規(guī)格。例如，高速列車是多系統(tǒng)、多部件的集成，單在功能結(jié)構(gòu)上就要設(shè)計(jì)兩大方面：機(jī)械方面有車體、轉(zhuǎn)向架、機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)及車輛之間的連接裝置等；電氣方面有牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等（圖26）（參見教材P27）。3.概念設(shè)計(jì)。方案理念是各部分功能的創(chuàng)新想法產(chǎn)生，到概念化呈現(xiàn)，最后進(jìn)行可行性評(píng)估的過程，設(shè)計(jì)者必須在需求分析和功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力，把不同的方案呈現(xiàn)出來，要能滿足最基本的任務(wù)要求。例如，高速列車高速運(yùn)行條件下的地面效應(yīng)、隧道效應(yīng)、表面氣動(dòng)源分析，明確要將車體輕量化，這是高速列車車體設(shè)計(jì)的產(chǎn)品理念。4.具體設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)產(chǎn)品逐步成型的過程，將產(chǎn)品各組成部分清晰定義，再通過細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)明確尺寸和偏差，最后把它以圖紙、圖表、圖片、文件、電子文檔等組成的設(shè)計(jì)方案的形式呈現(xiàn)。例如高速列車的車頭設(shè)計(jì)涉及空氣動(dòng)力學(xué)等，利用頭型的縱斷面及水平斷面控制相互關(guān)聯(lián)，通過長(zhǎng)細(xì)比、橫截面積和截面面積變化達(dá)到減少空氣阻力的效果，這就是高速列車具體設(shè)計(jì)中的重要一項(xiàng)。5.試驗(yàn)評(píng)估。工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)成形的產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，以檢查是否符合項(xiàng)目目標(biāo)、工程特性指標(biāo)等要求。例如高速列車制作過程一般都要經(jīng)過模擬試驗(yàn)、建模推演、原型測(cè)試3個(gè)過程，使概念設(shè)定落到實(shí)處。6.發(fā)布實(shí)施。在完成了試驗(yàn)評(píng)估后，可以將成型方案的設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、工程施工圖、供應(yīng)商明細(xì)表及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容以及文本、圖表、照片等方式發(fā)布出來以推進(jìn)接下來的工程施工、量產(chǎn)、驗(yàn)收等工作的推進(jìn)。課后作業(yè)習(xí)題1．闡述“工程設(shè)計(jì)一般過程”與“技術(shù)與設(shè)計(jì)1”模塊學(xué)習(xí)的“技術(shù)設(shè)計(jì)的一般過程”有哪些相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。2．根據(jù)你對(duì)“工程設(shè)計(jì)一般過程”的學(xué)習(xí)，說明下面飲料瓶的設(shè)計(jì)場(chǎng)景（圖27）（參見教材P28）屬于工程設(shè)計(jì)過程的哪一步驟？板書設(shè)計(jì)第二章工程設(shè)計(jì)一般過程第