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第4.1课《如何进行设计与制作的活动背景及方案》教学设计
课题 如何进行设计与制作的活动背景及方案 单元 第四单元 学科 综合实践活动 年级 八年级
核心素养目标 价值体认：通过参与设计与制作活动，深刻理解设计与生活、社会的关系，认识到科技制作的价值所在。责任担当：在设计与制作的过程中把握发现与明确问题的方法，设计并制作交替式自动上水控制器，是对社会水资源短缺问题的一种积极回应。问题解决：发现身边值得探究的问题，确定交替式自动上水控制器的设计与制作这个选题，制定设计方案。创意物化：综合了解设计与制作的基本步骤，根据实际情况，有针对性地展开设计，助力人们解决生活难题，提升生活品质。
教学重点 发现身边值得探究的问题，确定交替式自动上水控制器的设计与制作这个选题，制定设计方案。
教学难点 综合了解设计与制作的基本步骤，根据实际情况，有针对性地展开设计，助力人们解决生活难题，提升生活品质。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第4.1课 《如何进行设计与制作的活动背景及方案》板书课题。主题目标价值体认：通过动手操作，加深创造、创新的积极价值体验。责任担当：增强探究意识，养成勤于动手的好习惯。问题解决：将问题转化为有价值的产品与项目，学会运用设计思维和方法去解决问题。创意物化：通过设计制作、改进作品，提高创意实现能力。2、新知导入：同学们在洗澡的时候可能有过这样的经历，打开热水器后，总是要先出一段冷水，再出热水，这样不仅浪费水，在寒冬天气，还可能会着凉。针对这一 “痛点”，国内一家热水器厂商通过加装内置的“冷水回收水泵”和“恒温热力池”设计出即开即热、全程零冷水、零波动的热水器，完美解决冷等待、水温波动等洗澡“痛点”。进一步改进的型号还实现了信息云端化管理，用户通过手机APP可随时随地对家里的热水器进行“无限”预约，回家洗澡即开即热。此外，针对部分用户存在边洗澡边听歌的习惯，这款热水器还拥有白学习和音乐播放等功能，增添了使用的“爽点”。这是不是很神奇呢？有些同学可能会问：我怎么没有想到？我也能做到吗？其实这并不像大家想象的那样困难。只要同学们注意观察生活、善于归因分析、掌握设计方法、增强实践能力，激发想象力和创造力，你也可以用自己的聪明才智制作出富有创意的作品。3、播放视频。 学习新知引入。观看教学视频。 初步了解本课学习内容。将学生的注意吸引到课堂。
讲授新课 新知讲解：板书课题。一、劳动案例案例：交替式自动上水控制器的设计与制作小组成员：李仲廷、李仲元指导教师：罗广鹏、黄久忠、徐敏超学校：广州市第四中学二、活动背景【发现与明确问题】广州市第四中学的李仲廷和李仲元是兄弟，他们的叔叔住在城中村。他俩通过寒假的观察、访谈发现，由于村子没有完善的规划，随着居住人口的增加，供水、供电等问题越来越紧张。在用水高峰期，水压不足，地势高的地方甚至一楼都没水。村民的解决办法是用一种普通的水泵控制器--当水位降到一定低位的时候自动启动，到达设定高水位就自动停止。但问题是，往往在用水高峰期，水位才降到启动抽水的低水位，而当时水管里又抽不到水，水泵在不停地空转;平时水箱水位比低水位高一点的时候，控制器又不运作。再加上村里白天经常停电，让水泵频繁地启动停止，不仅浪费电，还容易烧毁电泵，针对这一情况，需要设计一种能够解决以上问题的自动供水控制器。为此，兄弟俩决定设计自动供水控制器来解决如下问题:(1)针对自来水管网供水状态不稳定的情况，分时段、分水位自动控制，交替切换上水方式，以最适合实地情况的方式进行工作。(2)在管网压力小的用水高峰期，不启动水泵，避免水泵空转浪费电能，或因过载烧毁电机。(3)设置上下四段水位传感器，在白天非用水高峰时段，优先抽水补足下两段(中低)水位，保障基本需求用水量。之后利用管网自然压力上水，补充上两段(中高)用水需求宽裕量水位，达到减少抽水次数、节约电能、保证供水不中断的目的。(4)深夜时段，利用充足的时间，以管网自然压力上水，通过设置时间条件，使水泵不运转，避免噪声扰民。【活动指引一：如何发现值得发明创新的问题】从技术角度看，人类进步与发展的过程就是不断发现问题，不断进行设计，从而解决问题的过程。能不能发现并明确问题，找到一个好的切入点，对我们的创新来说很重要。例如“自拍神器”的出现让我们自己可以用手机随时拍照上传到朋友圈，再也不用担心胳膊不够长、手机容易掉落的难题。再如，初中生正处在身心发育的关键时期，然而很多同学的坐姿很不端正。为此，一家技术公司发明了一种姿势提醒器。这一纽扣大小的装置可以别在衣服上，它会分析使用者颈部和背部的位置，并在姿势不正确时发出震动。通过对上述现象的分析，我们发现每一个发明创造都是针对某一“痛点”，即对我们的生产或生活造成不便的问题进行改进--用普通的水泵控制器无法解决城中村供水压力不足的问题，甚至将问题变得更复杂。兄弟俩在叔叔家生活的过程中发现了这个问题，并加以改进。那么在实践中如何发现问题呢？一是注意观察生活，如浙江一位中学生发现家人手剥玉米很费劲、效率低，于是发明了简易玉米脱粒机。二是要注意搜集和分析信息，包括查找文献、调查访谈等方式。例如互联网电视就是源于企业市场调查得知消费者的“痛点”--电视机功能单一，人与电视机无法交互联系。企业将硬件、软件和内容进行整合，将互联网视频经由硬件引入客厅，在网络视频领域形成了差异化的产品。三是来自技术研究和技术创新。如汽车的碰撞试验，在试验中不断完善汽车的安全设计。发现问题的六个方法1.头脑风暴法头脑风暴法是一个广泛应用于团队讨论和创新过程中的技巧。通过集体讨论和自由发散的思维方式，可以激发出大量的创意和解决问题的思路。在这个过程中，不同的成员可以提出各种看法和观点，从而扩大问题的视角。2.五个为什么法五个为什么法是一种通过连续提问来深入了解问题本质的方法。当我们面对一个问题时，可以反复问自己为什么，直到找到问题的根本原因。这种方法有助于揭示隐藏的问题和潜在的因果关系。3.鱼骨图法鱼骨图法，也被称为因果图或者石川图，是一种以问题为中心，通过分析各种可能的原因和影响，来发现问题的方法。它的形状像一条鱼的骨骼，将问题放在鱼头的位置，然后画出与之相关的多个因素。4.SWOT分析法SWOT分析法是一种评估组织内外环境的方法，有助于发现机会和威胁，以及优势和劣势。通过分析组织的优势、劣势、机会和威胁，我们可以更好地了解当前的状况，并找到需要解决的问题。5.追根溯源法追根溯源法是一种深入调查问题背后原因的方法。它要求我们逐步追溯问题的起源，了解所有相关因素和事件，以找到问题的真正根本原因。6.倒推法倒推法是一种从已知结果逆向思考，找出导致结果的原因的方法。当我们面对一个问题时，如果无法直接找到解决方案，可以尝试从问题的结果开始，逐步倒推找出问题的原因。【牛刀小试①】手机已经成为我们必不可少的通信工具和社交工具。随着手机功能越来越多，屏幕越来越大，使用越来越频繁，手机电量不足成为一个普遍的“痛点”。在没有外接电源给手机充电的时候，我们该怎样为手机充电呢 请你注意观察生活中人们的“痛点”，发现与明确需要解决的问题。完成下列表格:痛点发现与明确问题1.手机户外电量不足。设计一种太阳能薄膜充电装置，可以在户外借助阳光为手机充电。2.出国旅行时，由于各国插座标准不同，导致充电器插头无法插入插座。设计一款万能转接插头，适合北美、欧洲及亚洲的标准插头。3.家中厨房收纳空间不足，烹饪工具杂乱无章。设计一款多功能折叠或模块化厨房收纳系统，能根据实际需求灵活调整储物空间。4.家庭垃圾分类不准确，影响回收效率。设计智能垃圾分类指导与回收系统，提高居民垃圾分类准确率，促进资源循环利用。三、活动方案制定设计方案在发现与明确问题后，兄弟俩着手制订解决问题的初步方案。首先通过查找资料、调查访谈、实地测量等方式搜集信息，然后对信息进行归纳与分析，找到影响设计的主要因素，提出各种创新设计思路，然后进行分析、选择，形成设计方案。(一)搜集信息搜集信息的方法有很多种。对一项设计而言，用户体验更为重要，在通过调查访谈、专家咨询、查阅资料、网络搜索的方式搜集信息时我们要注意这一点。1.调查访谈趁着假期，兄弟俩实地调查了两个星期。应用掌握的知识，在叔叔的帮助下调查和记录供水设备、设施的基本情况。水箱水箱在楼顶，进水口在水箱顶，出水管带一个水阀，出水口比楼面高1.2m，比箱底高0.1m。水箱内壁尺寸1.5 mx2.5 mx2.1 m,溢水孔高度2 m。现有水泵控制器工作过程低水位自动启动，到高水位自动停止，水位从高位降回低位再开始循环。为了防止没水空转和频繁启动烧坏水泵，他们一般会人工拉掉电源。水位感应电极最低启动水位为1m，水容积为3.75m ;最高停止水位高1.5 m，水容积为5.6m 供水一楼是市政自来水管网接入的总水管(外直径25 mm)和总水表，水表后是一个总水阀，然后是电动水泵。水泵把自来水加压，送到五楼水箱。2.实地测量了解供水设备、设施的基本情况后，兄弟俩对不同时段的用水及供水情况进行了实地测量，以下是测量结果。项目用水量（冬季）自来水管网上水压力与流量可用管网压力上水时间水泵状态与抽水流量可用抽水时间7:00--8:30小高峰1 m 水压偏低，3、4楼热水器不启动 流量小，水泵效率低,不宜抽水 8:30-11:300.3m 0.3 立方米/时，4楼热水器不启动3小时1.7立方米/时3小时11:30-13:30小高峰1 m 水压低，3、4楼燃气热水器不启动 流量小，水泵效率低，不宜抽水 13:3017:000.3 m 0.3 立方米/时,4楼煤气热水器不启动3.5小时1.7立方米/时3.5小时17:00-24:00最高峰3.5m 全楼无水，热水器不启动 无流量，水泵空转易损,不宜抽水 00:00-7:000.2m 0.5立方米/时，4楼热水器不启动7小时噪声扰民，不宜抽水 项目统计全天用水量6.3m ，水表读数5.8m 4楼管网压力全天不能启动热水器共13.5小时,可用上水量5.45 m 共6.5小时，可用抽水量11.05 m 说明因测量工具及非静态用水影响，取一周的平均值水压参考标准=正常启动燃气热水器的水压 水泵空转或抽水流量过小会导致水泵过热损坏,不宜抽水(二)设计分析与方案构思通过对设计要求和搜集到的信息对比分析，要解决供水问题，需要考虑供水时间、供水量、解决问题的成本、使用方便、维修简单、噪声控制、节能等问题。1.设计分析设计分析需解决的问题可选方法分析最终方案蓄水量不足 1.换更大的水箱成本高且仍然无法解决水箱抽不满水的问题选择方法22.提高上限水位简单易行设计分析水压及供电不稳定，水泵工作时间与水压大小不匹配1.更换直径更大的供水管道成本高且需要水务部门配合，无法在短时间内解决问题选择方法32.换装更大功率的抽水泵无法解决停水时无水可抽的问题3.通过定时器及电磁阀,在适合抽水的时机蓄水成本低，节能，保护水泵电机水泵夜间噪声大1.加装隔音设施成本高选择方法3、42.换装静音水泵效果好，成本高3.在管网压力充足时自动上水减少水泵功耗，节能4.非休息时段抽水避免噪声扰民自动控制方式利用单片机将程序固化在芯片中，完全自动化自动化程度更高，但是在供水供电情况有变化时更改设置不方便选择方法1水位检测模块+不锈钢传关+电磁阀方案感探针+电脑编程时控开技术成熟，灵活设置2.形成方案通过分析实际调查的数据和查阅资料，请教水电工师傅和老师，权衡各种可选方案的利弊，得出解决问题的方案。问题方案供水量不足：水箱在1.5 m的水泵停止水位之上，这还有50cm的高度才到溢水孔。提高水箱的蓄水量，把最高的上水位提高40cm，把水箱的蓄水量提高到7.1m ，大于每天的用水需求量。即设定在管网压力适合抽水的前提下，当水箱蓄水量不足5.6m 的时候，切换成自动打开水泵抽水的方式，补足5.6m 的基本蓄水量。然后又切换到自然上水方式，把蓄水量提高到7.1m 时水泵才自动停止。水压不稳定、供电不稳定、水泵工作时间与水压大小不匹配。自动控制自然上水方式和水泵抽水方式的时机、时间、水位和蓄水量，避免水泵频繁启动和空转增加能耗和损坏，保证用水和减少人工操作，减轻水泵工作负担。利用适合抽水的8:30-11:30和13:30-17:00两个时段共6.5小时，以水泵抽水方式补足自然上水不够的蓄水量。水泵夜间噪声问题。尽量在非高峰期和凌晨到早上这段时间，利用自来水管网压力(自然上水)补充蓄水量，减少水泵抽水的时间和次数，减少水泵能耗和噪声。自动控制方式。从制作难度、使用和维修的方便性考虑，单片机随时更改设置不太方便，最终确定采用电子市场上成熟的水位检测模块+不锈钢传感探针+电脑编程时控开关+电磁阀方案。【活动指引二：如何选择最优的方案】通过对搜集到的信息进行比较，根据设计要求，找出设计需要解决的主要问题，并分析可能的解决方法。在有多种解决方案的情况下，要综合考虑成本、材料、时间、工具等因素。如成本不能太高；材料尽可能利用旧物改造；方案耗时不宜太长等。这需要我们提出尽可能多的设想，权衡利弊，在给定条件下选择相对最优的解决方案。选择最优方案遵循原则1.目标导向原则：始终以实现既定目标为核心，选择能够最直接、最高效地达成目标的方案。确保所选方案与我们所需达成的目标相一致。2.可行性原则：评估每个方案的可行性，包括技术可行性、经济可行性、社会可行性等方面。确保所选方案在现有资源和技术条件下能够顺利实施。3.风险可控原则：评估每个方案可能面临的风险和不确定性，并制定相应的风险管理措施。选择风险相对较低、可控性较强的方案，以降低决策失败的可能性。4.持续改进原则：认识到决策是一个不断学习和改进的过程。在实施所选方案的过程中，及时收集反馈和总结经验教训，不断优化和完善决策方案，以提高未来的决策质量和效率。【牛刀小试②】请你依据上一个“牛刀小试”中你发现与明确的问题，通过查阅资料、实验测量等方式了解解决问题的相关信息。问题可选方案分析最终方案1.设计一款万能转接插头，适合北美、欧洲及亚洲的标准插头。1.该插头电极应是多样化、可转动的，根据需要使用。结构复杂，使用方便。选择方案12.也可以设计集中各种形状的电极结合在一个插头上。结构简单、体积较大、携带不便。2.设计一款多功能折叠或模块化厨房收纳系统，能根据实际需求灵活调整储物空间。1.利用磁吸技术和模块化设计,打造一面可自由组合的收纳墙。可根据厨房空间大小和收纳需求，自由添加、移除或调整模块位置。 高度灵活性，安装简便，承重限制，不适合存放过重的物品。选择方案22.采用折叠式设计，收纳柜分为多层，每层可根据需要展开或折叠。 节省空间，满足多种物品存储。3.设计智能垃圾分类指导与回收系统，提高居民垃圾分类准确率，促进资源循环利用。1.利用AI图像识别技术，在垃圾桶上方安装高清摄像头和智能分析模块。 高度智能化，技术成本。 选择方案22.扫码查询与积分奖励系统，为每个垃圾袋或特定容器配备唯一二维码。通过扫描二维码，输入或选择垃圾类型，提供投放指导并记录投放行为。 低成本高效，用户参与度高四、知识拓展：1、小小工程师：火箭设计显身手——案例学习航天发展史简介2022年4月16日9时56分，在太空遨游半年的神舟十三号飞船在东风着陆场平安降落，太空“出差”的3名航天员翟志刚、王亚平、叶光富安全顺利出舱，重回地球的怀抱。我国的航天事业是如何取得今天这样辉煌的成就的呢？人类历史上第一位真正飞天实践者，中国明朝有一个官吏叫万户。他在一把座椅的背后装上了 47枚当时最大的火箭，他把自己捆绑在椅子的前面，两只手各拿一只大风筝，但是火箭发射爆炸，他献出了生命。国际天文学联合会将月球上的一座环形山以这位古代的中国人命名。新中国第一个上天的人是航天英雄杨利伟，2003年10月15日，坐着由长征二号F运载火箭搭载的神舟五号飞船上天，圆了中华民族千年的飞天梦。中国航天发展的四大里程碑（1）第一个想到利用火箭飞天的人——明朝的万户（2）东方红一号——中国第一颗人造卫星（3） 载人航天；2003 年10 月15 日，中国神舟五号载人飞船升空。（4）深空探测-嫦娥奔月；2007年10月24日，随着嫦娥一号成功奔月，嫦娥工程顺利完成了一期工程。此后，神舟九号与天宫一号相继发射，并成功对接。2016年9月15日22时04分09秒，天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心发射成功。火箭的结构现代运载火箭可以分为结构系统(又称箭体结构)、动力系统 (又称推进系统)和控制系统，这三大系统称为运载火箭的主系统。结构系统是运载火箭的基体,维持火箭外形，安装、连接火箭各系统内的所有仪器、设备，承受火箭在地面运输、发射操作和在飞行过程中箭上的各种载荷。动力系统是产生推力，推动运载火箭飞行的装置，由燃料部分和发动机部分组成。控制系统用来控制运载火箭沿预定轨道正常飞行。火箭发射的原理火箭之所以能发射，是因为在火箭发动机中，燃料与氧化剂混合燃烧，向火箭的后方以极大的速度喷射出高温高压气体，产生向前的反作用力，并以此作为火箭飞行的推动力，推动火箭向前飞行。材料准备矿泉水瓶：1个，建议选择容量适中、瓶身较硬的矿泉水瓶，以确保火箭的稳定性。彩纸或卡纸：用于制作火箭头和其他装饰，颜色可根据个人喜好选择。胶水或双面胶：用于粘贴火箭的各个部分。剪刀：用于剪裁彩纸或卡纸。铅笔或细木棒（可选）：用于固定火箭头或作为支撑结构。制作步骤1.制作火箭头用绿色的卡纸卷成一个圆锥形，作为火箭的头部。可以用双面胶或胶水固定形状。如果想要更精致一些，可以用红色的卡纸或彩纸包裹火箭头，增加色彩和层次感。2.准备矿泉水瓶将矿泉水瓶清洗干净，去除标签和残留物。可以在瓶身上进行一些装饰，如贴上彩色贴纸或画上图案，让火箭更加美观。3.固定火箭头将制作好的火箭头用胶水或双面胶固定在矿泉水瓶的底部。注意要保持火箭头的稳定性，避免在发射过程中脱落。4.制作支撑结构（可选）如果想要让火箭在发射时更加稳定，可以制作一些支撑结构。例如，用绿色的卡纸折出四个三角形的纸张，作为火箭尾端的支撑架。将这些支撑架用胶水或双面胶固定在矿泉水瓶的适当位置。5.完成装饰根据个人喜好，可以在火箭上进行更多的装饰，如贴上星星、月亮等图案，增加火箭的趣味性和观赏性。发射方式需要注意的是，上述制作的小火箭并不能像真正的火箭那样通过燃烧燃料产生推力进行发射。但是，我们可以通过一些简单的方法模拟发射过程，例如：水火箭发射：如果条件允许，可以制作一个更复杂的“水火箭”。这需要在矿泉水瓶中装入一定量的水，并通过打气筒等工具向瓶内充气，当气压达到一定程度时释放瓶子，模拟火箭发射的过程。这种方法需要一定的安全知识和操作技能，建议在成人监护下进行。 学习劳动案例。进行探究问题的发现与明确。学习活动指引。完成牛刀小试。学习制定设计方案。学习活动指引。完成牛刀小试。进行课外知识拓展。 初步学习和认识课堂劳动案例，为本课研究内容打下基础。引导学生思考并提出问题，为后面的研究打下基础。培养学生的观察能力，在实践中发现和解决问题。引导学生观察生活中人们的痛点，发现与明确需要解决的问题。引导学生学习如何进行信息的收集与整理，完成设计方案。培养学生整合信息的能力，找出问题，分析可行的解决方法。培养学生解决问题的能力。拓宽学生知识面。
课堂小结 今天，通过本课程的学习，深刻认识到科学设计以及制作的重要性，掌握制定设计方案的方法。不仅能提高同学们的创新思维和动手能力，还激发了对科学的浓厚兴趣。老师相信在未来的学习和工作中，同学们会更加关注身边事物，创新性地提出想法，为生活、工作、祖国的科技事业添砖加瓦。 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 查阅资料，发现身边的问题，提出可行性、有创新的设计理念，并制定相关方案。谈一谈你对本课内容的收获。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
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第一课时
如何进行设计与制作的活动背景及方案
（粤教版综合实践）八年级
全
01
主题目标
内容总览
02
新知导入
03
教学目标
05
活动方案
06
知识拓展
07
课堂总结及作业
劳动案例
04
08
活动背景
主题目标
价值体认：通过动手操作，加深创造、创新的积极价值体验。
责任担当：增强探究意识，养成勤于动手的好习惯。
问题解决：将问题转化为有价值的产品与项目，学会运用设计思维和方法去解决问题。
创意物化：通过设计制作、改进作品，提高创意实现能力。
新知导入
同学们在洗澡的时候可能有过这样的经历，打开热水器后，总是要先出一段冷水，再出热水，这样不仅浪费水，在寒冬天气，还可能会着凉。针对这一 “痛点”，国内一家热水器厂商通过加装内置的“冷水回收水泵”和“恒温热力池”设计出即开即热、全程零冷水、零波动的热水器，完美解决冷等待、水温波动等洗澡“痛点”。进一步改进的型号还实现了信息云端化管理，用户通过手机APP可随时随地对家里的热水器进行“无限”预约，回家洗澡即开即热。此外，针对部分用户存在边洗澡边听歌的习惯，这款热水器还拥有白学习和音乐播放等功能，增添了使用的“爽点”。
新知导入
这是不是很神奇呢？有些同学可能会问：我怎么没有想到？我也能做到吗？其实这并不像大家想象的那样困难。只要同学们注意观察生活、善于归因分析、掌握设计方法、增强实践能力，激发想象力和创造力，你也可以用自己的聪明才智制作出富有创意的作品。
新知导入
教学目标
01
02
通过参与设计与制作活动，深刻理解设计与生活、社会的关系，认识到科技制作的价值所在。
03
发现身边值得探究的问题，确定交替式自动上水控制器的设计与制作这个选题，制定设计方案。
价值体认
责任担当
在设计与制作的过程中把握发现与明确问题的方法，设计并制作交替式自动上水控制器，是对社会水资源短缺问题的一种积极回应。
问题解决
04
综合了解设计与制作的基本步骤，根据实际情况，有针对性地展开设计，助力人们解决生活难题，提升生活品质。
创意物化
新知讲解
劳动案例
案例：交替式自动上水控制器的设计与制作
小组成员：李仲廷、李仲元
指导教师：罗广鹏、黄久忠、徐敏超
学校：广州市第四中学
探究新知
活动背景
发现与明确问题
广州市第四中学的李仲廷和李仲元是兄弟，他们的叔叔住在城中村。他俩通过寒假的观察、访谈发现，由于村子没有完善的规划，随着居住人口的增加，供水、供电等问题越来越紧张。在用水高峰期，水压不足，地势高的地方甚至一楼都没水。
探究新知
活动背景
村民的解决办法是用一种普通的水泵控制器--当水位降到一定低位的时候自动启动，到达设定高水位就自动停止。但问题是，往往在用水高峰期，水位才降到启动抽水的低水位，而当时水管里又抽不到水，水泵在不停地空转;平时水箱水位比低水位高一点的时候，控制器又不运作。再加上村里白天经常停电，让水泵频繁地启动停止，不仅浪费电，还容易烧毁电泵，针对这一情况，需要设计一种能够解决以上问题的自动供水控制器。
探究新知
活动背景
为此，兄弟俩决定设计自动供水控制器来解决如下问题:
(1)针对自来水管网供水状态不稳定的情况，分时段、分水位自动控制，交替切换上水方式，以最适合实地情况的方式进行工作。
(2)在管网压力小的用水高峰期，不启动水泵，避免水泵空转浪费电能，或因过载烧毁电机。
探究新知
活动背景
(3)设置上下四段水位传感器，在白天非用水高峰时段，优先抽水补足下两段(中低)水位，保障基本需求用水量。之后利用管网自然压力上水，补充上两段(中高)用水需求宽裕量水位，达到减少抽水次数、节约电能、保证供水不中断的目的。
(4)深夜时段，利用充足的时间，以管网自然压力上水，通过设置时间条件，使水泵不运转，避免噪声扰民。
探究新知
活动指引一：如何发现值得发明创新的问题
从技术角度看，人类进步与发展的过程就是不断发现问题，不断进行设计，从而解决问题的过程。能不能发现并明确问题，找到一个好的切入点，对我们的创新来说很重要。例如“自拍神器”的出现让我们自己可以用手机随时拍照上传到朋友圈，再也不用担心胳膊不够长、手机容易掉落的难题。再如，初中生正处在身心发育的关键时期，然而很多同学的坐姿很不端正。为此，一家技术公司发明了一种姿势提醒器。这一纽扣大小的装置可以别在衣服上，它会分析使用者颈部和背部的位置，并在姿势不正确时发出震动。
探究新知
活动指引一：如何发现值得发明创新的问题
通过对上述现象的分析，我们发现每一个发明创造都是针对某一“痛点”，即对我们的生产或生活造成不便的问题进行改进--用普通的水泵控制器无法解决城中村供水压力不足的问题，甚至将问题变得更复杂。兄弟俩在叔叔家生活的过程中发现了这个问题，并加以改进。
探究新知
活动指引一：如何发现值得发明创新的问题
那么在实践中如何发现问题呢？一是注意观察生活，如浙江一位中学生发现家人手剥玉米很费劲、效率低，于是发明了简易玉米脱粒机。二是要注意搜集和分析信息，包括查找文献、调查访谈等方式。例如互联网电视就是源于企业市场调查得知消费者的“痛点”--电视机功能单一，人与电视机无法交互联系。企业将硬件、软件和内容进行整合，将互联网视频经由硬件引入客厅，在网络视频领域形成了差异化的产品。三是来自技术研究和技术创新。如汽车的碰撞试验，在试验中不断完善汽车的安全设计。
探究新知
活动指引一：如何发现值得发明创新的问题
1.头脑风暴法
头脑风暴法是一个广泛应用于团队讨论和创新过程中的技巧。通过集体讨论和自由发散的思维方式，可以激发出大量的创意和解决问题的思路。在这个过程中，不同的成员可以提出各种看法和观点，从而扩大问题的视角。
发现问题的六个方法
探究新知
活动指引一：如何发现值得发明创新的问题
2.五个为什么法
五个为什么法是一种通过连续提问来深入了解问题本质的方法。当我们面对一个问题时，可以反复问自己为什么，直到找到问题的根本原因。这种方法有助于揭示隐藏的问题和潜在的因果关系。
探究新知
活动指引一：如何发现值得发明创新的问题
3.鱼骨图法
鱼骨图法，也被称为因果图或者石川图，是一种以问题为中心，通过分析各种可能的原因和影响，来发现问题的方法。它的形状像一条鱼的骨骼，将问题放在鱼头的位置，然后画出与之相关的多个因素。
探究新知
活动指引一：如何发现值得发明创新的问题
4.SWOT分析法
SWOT分析法是一种评估组织内外环境的方法，有助于发现机会和威胁，以及优势和劣势。通过分析组织的优势、劣势、机会和威胁，我们可以更好地了解当前的状况，并找到需要解决的问题。
探究新知
活动指引一：如何发现值得发明创新的问题
5.追根溯源法
追根溯源法是一种深入调查问题背后原因的方法。它要求我们逐步追溯问题的起源，了解所有相关因素和事件，以找到问题的真正根本原因。
6.倒推法
倒推法是一种从已知结果逆向思考，找出导致结果的原因的方法。当我们面对一个问题时，如果无法直接找到解决方案，可以尝试从问题的结果开始，逐步倒推找出问题的原因。
探究新知
活动背景
手机已经成为我们必不可少的通信工具和社交工具。随着手机功能越来越多，屏幕越来越大，使用越来越频繁，手机电量不足成为一个普遍的“痛点”。在没有外接电源给手机充电的时候，我们该怎样为手机充电呢
请你注意观察生活中人们的“痛点”，发现与明确需要解决的问题。完成下列表格:
牛刀小试①
探究新知
活动背景
痛点 发现与明确问题
1.手机户外电量不足。 设计一种太阳能薄膜充电装置，可以在户外借助阳光为手机充电。
2.出国旅行时，由于各国插座标准不同，导致充电器插头无法插入插座。 设计一款万能转接插头，适合北美、欧洲及亚洲的标准插头。
3.家中厨房收纳空间不足，烹饪工具杂乱无章。 设计一款多功能折叠或模块化厨房收纳系统，能根据实际需求灵活调整储物空间。
4.家庭垃圾分类不准确，影响回收效率。 设计智能垃圾分类指导与回收系统，提高居民垃圾分类准确率，促进资源循环利用。
探究新知
活动方案
在发现与明确问题后，兄弟俩着手制订解决问题的初步方案。首先通过查找资料、调查访谈、实地测量等方式搜集信息，然后对信息进行归纳与分析，找到影响设计的主要因素，提出各种创新设计思路，然后进行分析、选择，形成设计方案。
制定设计方案
探究新知
活动方案
(一)搜集信息
搜集信息的方法有很多种。对一项设计而言，用户体验更为重要，在通过调查访谈、专家咨询、查阅资料、网络搜索的方式搜集信息时我们要注意这一点。
1.调查访谈
趁着假期，兄弟俩实地调查了两个星期。应用掌握的知识，在叔叔的帮助下调查和记录供水设备、设施的基本情况。
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水箱 水箱在楼顶，进水口在水箱顶，出水管带一个水阀，出水口比楼面高1.2m，比箱底高0.1m。水箱内壁尺寸1.5 mx2.5 mx2.1 m,溢水孔高度2 m。
现有水泵控制器工作过程 低水位自动启动，到高水位自动停止，水位从高位降回低位再开始循环。为了防止没水空转和频繁启动烧坏水泵，他们一般会人工拉掉电源。
水位感应电极 最低启动水位为1m，水容积为3.75m ;最高停止水位高1.5 m，水容积为5.6m
供水 一楼是市政自来水管网接入的总水管(外直径25 mm)和总水表，水表后是一个总水阀，然后是电动水泵。水泵把自来水加压，送到五楼水箱。
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2.实地测量
了解供水设备、设施的基本情况后，兄弟俩对不同时段的用水及供水情况进行了实地测量，以下是测量结果。
项目 用水量 （冬季） 自来水管网上水压力与流量 可用管网压力上水时间 水泵状态与抽水流量 可用抽水时间
7:00--8:30小高峰 1 m 水压偏低，3、4楼热水器不启动 流量小，水泵效率低,不宜抽水
8:30-11:30 0.3m 0.3 立方米/时，4楼热水器不启动 3小时 1.7立方米/时 3小时
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项目 用水量 （冬季） 自来水管网上水压力与流量 可用管网压力上水时间 水泵状态与抽水流量 可用抽水时间
11:30-13:30小高峰 1 m 水压低，3、4楼燃气热水器不启动 流量小，水泵效率低，不宜抽水
13:3017:00 0.3 m 0.3 立方米/时,4楼燃气热水器不启动 3.5小时 1.7立方米/时 3.5小时
17:00-24:00最高峰 3.5m 全楼无水，热水器不启动 无流量，水泵空转易损,不宜抽水
00:00-7:00 0.2m 0.5立方米/时，4楼热水器不启动 7小时 噪声扰民，不宜抽水
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项目 用水量 （冬季） 自来水管网上水压力与流量 可用管网压力上水时间 水泵状态与抽水流量 可用抽水时间
项目统计 全天用水量6.3m ，水表读数5.8m 4楼管网压力全天不能启动热水器 共13.5小时,可用上水量5.45 m 共6.5小时，可用抽水量11.05 m
说明 因测量工具及非静态用水影响，取一周的平均值 水压参考标准=正常启动煤气热水器的水压 水泵空转或抽水流量过小会导致水泵过热损坏,不宜抽水
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(二)设计分析与方案构思
通过对设计要求和搜集到的信息对比分析，要解决供水问题，需要考虑供水时间、供水量、解决问题的成本、使用方便、维修简单、噪声控制、节能等问题。
1.设计分析
设计分析 需解决的问题 可选方法 分析 最终方案
蓄水量不足 1.换更大的水箱 成本高且仍然无法解决水箱抽不满水的问题 选择方法2
2.提高上限水位 简单易行
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设计分析 需解决的问题 可选方法 分析 最终方案
水压及供电不稳定，水泵工作时间与水压大小不匹配 1.更换直径更大的供水管道 成本高且需要水务部门配合，无法在短时间内解决问题 选择方法3
2.换装更大功率的抽水泵 无法解决停水时无水可抽的问题
3.通过定时器及电磁阀,在适合抽水的时机蓄水 成本低，节能，保护水泵电机
水泵夜间噪声大 1.加装隔音设施 成本高 选择方法3、4
2.换装静音水泵 效果好，成本高
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设计分析 需解决的问题 可选方法 分析 最终方案
水泵夜间噪声大 3.在管网压力充足时自动上水 减少水泵功耗，节能 选择方法3、4
4.非休息时段抽水 避免噪声扰民
自动控制方式 利用单片机将程序固化在芯片中，完全自动化 自动化程度更高，但是在供水供电情况有变化时更改设置不方便 选择方法1
水位检测模块+不锈钢传关+电磁阀方案感探针+电脑编程时控开 技术成熟，灵活设置
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2.形成方案
通过分析实际调查的数据和查阅资料，请教水电工师傅和老师，权衡各种可选方案的利弊，得出解决问题的方案。
问题 方案
供水量不足：水箱在1.5 m的水泵停止水位之上，这还有50cm的高度才到溢水孔。 提高水箱的蓄水量，把最高的上水位提高40cm，把水箱的蓄水量提高到7.1m ，大于每天的用水需求量。即设定在管网压力适合抽水的前提下，当水箱蓄水量不足5.6m 的时候，切换成自动打开水泵抽水的方式，补足5.6m 的基本蓄水量。然后又切换到自然上水方式，把蓄水量提高到7.1m 时水泵才自动停止。
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问题 方案
水压不稳定、供电不稳定、水泵工作时间与水压大小不匹配。 自动控制自然上水方式和水泵抽水方式的时机、时间、水位和蓄水量，避免水泵频繁启动和空转增加能耗和损坏，保证用水和减少人工操作，减轻水泵工作负担。利用适合抽水的8:30-11:30和13:30-17:00两个时段共6.5小时，以水泵抽水方式补足自然上水不够的蓄水量。
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问题 方案
水泵夜间噪声问题。 尽量在非高峰期和凌晨到早上这段时间，利用自来水管网压力(自然上水)补充蓄水量，减少水泵抽水的时间和次数，减少水泵能耗和噪声。
自动控制方式。 从制作难度、使用和维修的方便性考虑，单片机随时更改设置不太方便，最终确定采用电子市场上成熟的水位检测模块+不锈钢传感探针+电脑编程时控开关+电磁阀方案。
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活动指引二：如何选择最优的方案
通过对搜集到的信息进行比较，根据设计要求，找出设计需要解决的主要问题，并分析可能的解决方法。在有多种解决方案的情况下，要综合考虑成本、材料、时间、工具等因素。如成本不能太高；材料尽可能利用旧物改造；方案耗时不宜太长等。这需要我们提出尽可能多的设想，权衡利弊，在给定条件下选择相对最优的解决方案。
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活动指引二：如何选择最优的方案
1.目标导向原则：始终以实现既定目标为核心，选择能够最直接、最高效地达成目标的方案。确保所选方案与我们所需达成的目标相一致。
2.可行性原则：评估每个方案的可行性，包括技术可行性、经济可行性、社会可行性等方面。确保所选方案在现有资源和技术条件下能够顺利实施。
选择最优方案遵循原则
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活动指引二：如何选择最优的方案
3.风险可控原则：评估每个方案可能面临的风险和不确定性，并制定相应的风险管理措施。选择风险相对较低、可控性较强的方案，以降低决策失败的可能性。
4.持续改进原则：认识到决策是一个不断学习和改进的过程。在实施所选方案的过程中，及时收集反馈和总结经验教训，不断优化和完善决策方案，以提高未来的决策质量和效率。
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请你依据上一个“牛刀小试”中你发现与明确的问题，通过查阅资料、实验测量等方式了解解决问题的相关信息。
牛刀小试②
问题 可选方案 分析 最终方案
1.设计一款万能转接插头，适合北美、欧洲及亚洲的标准插头。 1.该插头电极应是多样化、可转动的，根据需要使用。 结构复杂，使用方便。 选择方案1
2.也可以设计集中各种形状的电极结合在一个插头上。 结构简单、体积较大、携带不便。
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问题 可选方案 分析 最终方案
2.设计一款多功能折叠或模块化厨房收纳系统，能根据实际需求灵活调整储物空间。 1.利用磁吸技术和模块化设计,打造一面可自由组合的收纳墙。可根据厨房空间大小和收纳需求，自由添加、移除或调整模块位置。 高度灵活性，安装简便，承重限制，不适合存放过重的物品。 选择方案2
2.采用折叠式设计，收纳柜分为多层，每层可根据需要展开或折叠。 节省空间，满足多种物品存储。
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问题 可选方案 分析 最终方案
3.设计智能垃圾分类指导与回收系统，提高居民垃圾分类准确率，促进资源循环利用。 1.利用AI图像识别技术，在垃圾桶上方安装高清摄像头和智能分析模块。 高度智能化，技术成本。 选择方案2
2.扫码查询与积分奖励系统，为每个垃圾袋或特定容器配备唯一二维码。通过扫描二维码，输入或选择垃圾类型，提供投放指导并记录投放行为。 低成本高效，用户参与度高
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知识拓展
小小工程师：火箭设计显身手——案例学习
航天发展史简介
2022年4月16日9时56分，在太空遨游半年的神舟十三号飞船在东风着陆场平安降落，太空“出差”的3名航天员翟志刚、王亚平、叶光富安全顺利出舱，重回地球的怀抱。
知识拓展
我国的航天事业是如何取得今天这样辉煌的成就的呢？人类历史上第一位真正飞天实践者，中国明朝有一个官吏叫万户。他在一把座椅的背后装上了 47枚当时最大的火箭，他把自己捆绑在椅子的前面，两只手各拿一只大风筝，但是火箭发射爆炸，他献出了生命。
国际天文学联合会将月球上的一座环形山以这位古代的中国人命名。
新中国第一个上天的人是航天英雄杨利伟，2003年10月15日，坐着由长征二号F运载火箭搭载的神舟五号飞船上天，圆了中华民族千年的飞天梦。
知识拓展
中国航天发展的四大里程碑
（1）第一个想到利用火箭飞天的人——明朝的万户
（2）东方红一号——中国第一颗人造卫星
（3） 载人航天；2003 年10 月15 日，中国神舟五号载人飞船升空。
（4）深空探测-嫦娥奔月；2007年10月24日，随着嫦娥一号成功奔月，嫦娥工程顺利完成了一期工程。此后，神舟九号与天宫一号相继发射，并成功对接。2016年9月15日22时04分09秒，天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心发射成功。
知识拓展
火箭的结构
现代运载火箭可以分为结构系统(又称箭体结构)、动力系统 (又称推进系统)和控制系统，这三大系统称为运载火箭的主系统。
结构系统是运载火箭的基体,维持火箭外形，安装、连接火箭各系统内的所有仪器、设备，承受火箭在地面运输、发射操作和在飞行过程中箭上的各种载荷。
动力系统是产生推力，推动运载火箭飞行的装置，由燃料部分和发动机部分组成。
控制系统用来控制运载火箭沿预定轨道正常飞行。
知识拓展
火箭发射的原理
火箭之所以能发射，是因为在火箭发动机中，燃料与氧化剂混合燃烧，向火箭的后方以极大的速度喷射出高温高压气体，产生向前的反作用力，并以此作为火箭飞行的推动力，推动火箭向前飞行。
知识拓展
材料准备
矿泉水瓶：1个，建议选择容量适中、瓶身较硬的矿泉水瓶，以确保火箭的稳定性。
彩纸或卡纸：用于制作火箭头和其他装饰，颜色可根据个人喜好选择。
胶水或双面胶：用于粘贴火箭的各个部分。
剪刀：用于剪裁彩纸或卡纸。
铅笔或细木棒（可选）：用于固定火箭头或作为支撑结构。
知识拓展
制作步骤
1.制作火箭头
用绿色的卡纸卷成一个圆锥形，作为火箭的头部。可以用双面胶或胶水固定形状。如果想要更精致一些，可以用红色的卡纸或彩纸包裹火箭头，增加色彩和层次感。
2.准备矿泉水瓶
将矿泉水瓶清洗干净，去除标签和残留物。可以在瓶身上进行一些装饰，如贴上彩色贴纸或画上图案，让火箭更加美观。
知识拓展
3.固定火箭头
将制作好的火箭头用胶水或双面胶固定在矿泉水瓶的底部。注意要保持火箭头的稳定性，避免在发射过程中脱落。
4.制作支撑结构（可选）
如果想要让火箭在发射时更加稳定，可以制作一些支撑结构。例如，用绿色的卡纸折出四个三角形的纸张，作为火箭尾端的支撑架。将这些支撑架用胶水或双面胶固定在矿泉水瓶的适当位置。
知识拓展
5.完成装饰
根据个人喜好，可以在火箭上进行更多的装饰，如贴上星星、月亮等图案，增加火箭的趣味性和观赏性。
知识拓展
发射方式
需要注意的是，上述制作的小火箭并不能像真正的火箭那样通过燃烧燃料产生推力进行发射。但是，我们可以通过一些简单的方法模拟发射过程，例如：
水火箭发射：如果条件允许，可以制作一个更复杂的“水火箭”。这需要在矿泉水瓶中装入一定量的水，并通过打气筒等工具向瓶内充气，当气压达到一定程度时释放瓶子，模拟火箭发射的过程。这种方法需要一定的安全知识和操作技能，建议在成人监护下进行。
板书设计
如何进行设计与制作的活动背景及方案
学习劳动案例
设计活动背景
确定设计方案
进行相关知识拓展
课堂总结
今天，通过本课程的学习，深刻认识到科学设计以及制作的重要性，掌握制定设计方案的方法。不仅能提高同学们的创新思维和动手能力，还激发了对科学的浓厚兴趣。老师相信在未来的学习和工作中，同学们会更加关注身边事物，创新性地提出想法，为生活、工作、祖国的科技事业添砖加瓦。
课后作业
1.查阅资料，发现身边的问题，提出可行性、有创新的设计理念，并制定相关方案。
课后作业
2.谈一谈你对本课内容的收获。
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