资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修3
工程设计基础
第二章 工程设计一般过程
第 三 节 获取工程特性
教学设计
教学背景
什么是工程？工程是人类运用技术手段，遵从科学规律，有组织、有计划地打造具有特定功能物件的实践活动。物件中的“物”包括非生命体、生命体；物件中的“件”包括软件、硬件。
工程活动与我们的日常生活息息相关：建筑工程建造出舒适的房屋，让人类不再风餐露宿；机械工程制造出各种机械，将人类从繁重的体力劳动中解放出来；计算机及软件工程增强了人类应对繁杂、深奥脑力劳动的能力；通信及网络工程让我们可以隔空交流，即时互通语音、文字、图像信息，缩短了人们之间的心灵距离；交通工程、航空工程为人类创造出高速铁路、高速公路及空运系统，缩短了旅行时距，将偌大个地球变成了“地球村”；生物工程、人工智能工程、机器人工程……一系列新兴工程的成熟与推广应用，正在改变、引领着我们的现在和未来。
党的二十大报告指出，要实施科教兴国战略，强化现代化建设人才支撑。工程设计是实现中国式现代化的重要支柱，我们需要培养造就更多大师、战略科学家、一流科技领军人才和创新团队、青年科技人才、卓越工程师、大国工匠、高技能人才。
教学目标：
知识与技能目标:
1.了解设计对象工程特性的指向。
2.运用标杆分析法和逆向工程法获得设计对象工程特性。
3.运用质量功能配置获得关键工程特性。
教学内容分析:
工程设计作为工程活动中最关键的内容，其任务是构想、优化被打造物件的功能、形态、细节形状或其他参数，并用图纸、文件、表格等有效形式准确无误地将这些内容逐项表达清楚，用以指导实施打造物件的施工活动。学习工程技术，就是要掌握将设想变成物件的本领，用实用、先进的方法创造具有实际用途的物件，改善人类生存、工作环境，造福人类的现在和未来。
通过典型工程案例分析，理解工程设计的过程。初步学会运用标杆分析法和逆向工程法，获得设计对象的工程特征，学会运用质量功能配置工具将用户需求转换为关键的工程特征。在掌握工程设计过程中，形成系统思维和工程思维。
学情分析:
生活在科技迅猛发展的21世纪，同学们有必要了解一些机器人的知识，
通过典型工程案例分析，同学们了解工程发展的简要历史和工程分类。结合著名工程师的工程实践案例，进一步了解工程师工作的特点和职业要求。
通过典型工程设计的分析，同学们理解工程设计的一般过程，并利用“无碳小车”的工程项目制作让学生亲身体验设计过程。学会编制简易的工程设计任务书。
将通过实例，同学们介绍现代工程设计中常用的3D建模方法，并让同学们获得一次制作实物模型的体验。
同学介绍工程设计过程中评价和决策的重要性，让大家初步学会运用决策矩阵、层次分析法、决策树等工具和方法进行时间管理、质量管理和成本评估等。
教学重难点:
了解设计对象工程特性的指向。
运用标杆分析法和逆向工程法获得设计对象工程特性。
运用质量功能配置获得关键工程特性。
教学策略:
本节课教学“学习目标”帮助我们明确章节应该掌握的要点；“案例”通过引入典型工程或事件，让同学们初步认知工程设计的各个要素；“任务驱动”将知识要点分解为各种小任务，引导同学有的放矢地学习；“立即行动”让同学们手脑并用，通过亲身体验来理解、掌握与章节有关的知识内容；“探究”为同学们深入探究问题提供了线索；“练习”能帮助同学们检测和回顾应该掌握的知识。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修3第二章 工程设计一般过程第 三 节 获取工程特性。
上一节主要从客户的层面明确了工程设计项目的性能需求。本节将继续引用“无碳小车”工程制作案例，说明如何取得设计对象的工程特性。
有部分人认为，设计是靠经验来创造的，是“与生俱来”的天赋，因而无法传授，甚至有人认为通过团队讨论得不出高质量的设计。这也许在艺术设计方面可能会表现得更加突出，但作为多人合作的系统化工程设计，更要遵循科学的设计方法和设计手段。
一、明确设计对象功能结构
通过“技术与设计2”模块关于“系统与设计”内容的学习，我们可以将设计对象当作一个“黑箱”，那么对象的整体功能就决定了输入和输出之间的关系。
在上一节课讲到，“需求”呈现的是客户的一种“希望”，阐述客户期望产品达到的性能。
本节讲述的“工程特性”呈现的是工程师的一种初步方案，用来实现具体功能。
要得到产品功能结构图，我们首先要将设计对象功能进行细化，这个过程叫“功能分解”。通过分解，最终的成果是得到一个功能结构图。
功能结构图包括以下几个部分：
（1）边界。
（2）整体功能表述。
（3）功能树。
（4）在产品系统中的各种信息流。
下面，结合“无碳小车”工程案例（图2-13）（参见教材P36），谈谈如何建立功能结构图。
（1）绘制出“无碳小车”工程项目的整体功能图。
（2）绘制出“无碳小车”工程项目的功能树。
（3）得到“无碳小车”工程项目的功能结构。
立即行动
胶囊咖啡机是一种新型咖啡机，它的最大的特点是不使用咖啡豆或咖啡粉进行冲泡，而只能使用专门的咖啡胶囊（图2-14）（参见教材P37）。
它的优点是：
（1）相比半自动咖啡机和全自动咖啡机，其操作过程大大简化，只需提供水和咖啡胶囊，就可以冲出一杯相当不错的咖啡，而且品质非常稳定。
（2）咖啡胶囊采用真空包装，胶囊保存较长时间后
冲泡依然像新鲜现磨咖啡，香味十足。而普通的咖啡豆在包装袋开封之后，存放仅几个星期后味道会明显变淡。
请根据你对咖啡机的了解，画出胶囊咖啡机的功能结构图。
二、获取设计对象的工程特性
我们通过设计对象的树状目标图的描述，得到了客户对设计对象性能需求的一种模糊描述；通过功能结构图，得到了实现性能目标的机制，但这些都不能具体表达设计要达到所需的参数、设计变量及约束等限制。因此，获得设计对象的工程特性成为工程设计过程中的重要环节。
工程特性主要由标准和参数构成。例如，在前文案例中提及的“加热容器”设计过程中，其中一个设计目标是“加热过程在5min内完成”，转化成工程特性的标准是“完成加热时长”，参数是“≤5min”，这包括数值和单位两部分。这个工程特性，成为加热容器设计过程中的一个限制。
自觉遵守设计标准是对工程师的职业要求。这里所说的标准是指：为在一定的范围获得最佳秩序，对活动或其结果规定共同的和重复使用的规则、导则或特性的文件。例如：制作书本，如果没有书本尺寸的标准，那么书本的尺寸就可能会有无数种，以致我们的书包不知该做成多大才合适，我们的书架可能会杂乱无章；如果不将螺钉的直径、长度、螺距等参数做出统一的尺寸系列，那么就可能出现很多不通用的螺钉，而一个螺钉孔要找一个相配的螺钉将十分困难，有了书本尺寸标准和螺钉参数标准以后，工程师按标准规定的参数进行设计，生产出的产品就不会五花八门了。标准的产生是经相关方协商一致制定，经一个公认批准，以科学、技术和实践经验的综合成果为基础的。制定标准目的是为了促进最佳社会效益。
标准化就是让大家按照标准来做事，也可以简单地理解为：工程活动中，要求相关人员在工作过程中遵守标准。标准化的核心是统一，简化。所产生的效益是节省社会成本、给设计者和使用者带来方便。按标准发布机关的不同，可以分为国家标准、行业标准和企业标准。标准文件的名称通过以大写字母开头，后面是一组编号和文字说明。中国的国家标准以GB开头，国际标准则以ISO开头。工程技术领域制定标准的好处是：统一、简化、高效，避免重复劳动，提高社会整体效益。
对于任意设计对象，可以从下面这些“标准”主题中寻求工程项目的工程特性，确保每个性能需求都能准确地获得其制约条件（表2-5）。
表2-5 “标准”主题项目
主题 标准关键词实例
几何尺寸 尺寸、高度、宽度、长度、直径、空间、标准、序号、排列、连续
运动学 运动方式、运动方向、速度、加速度
力 力的方向、力的大小、频率、质量、载荷、变形、硬度、弹性、稳定性
能量 功率、损耗、摩擦、通风、压力、温度、加热、冷却、供给、储存、排量
材料 物理化学特性、辅助材料、规定材料（如食品、化工行业）
信号 输入和输出、形式、显示、控制件
安全 安全准则、防护系统、操作安全、操作者和环境安全
工效学 人机关系、操作种类、布局清晰、照明、美学
生产 工厂限制、最大可能尺寸、优选生产方式、生产方法、可实现的质量和公差
质量 控制测试概率、特殊的规章及标准的使用
装配 特殊规则、安装、位置选择、底座、间隙、运输方式、调度的性能和条件
操作 安静、耐用、特殊用途、市场领域
维护 保养维修间隙、检查、维修和零件更换、上漆、清洁
回收利用 再利用、原料再生、废物处理、储藏
成本 可允许的最高制造成本、工具成本、投资和折旧
案例
“无碳小车”工程特性的获取
通过回顾“无碳小车”工程设计项目的设计要求，根据设计说明，确定要实现的工程特性要求如下：
①在设计尺寸中，小车的大小不能超过100mm×60mm×30mm。
②只能利用橡皮筋作为动力。
③尽可能跑得直。
④尽可能跑得远。
根据上述要求，可以制定出“无碳小车”工程项目的工程特性表(表2-6）。
表2-6 “无碳小车”工程项目的工程特性
标准 参数 标准 参数
尺寸 00mm×60mm×30mm 单价 ＜20元
橡皮筋提供的扭矩 300gf·cm 质量 ＜1kg
获得重力势能高度 25cm 零部件 ＜25件
车身、车轮材料密度 560kg/m 抗冲击力 ＞120N
卡纸与场地之间的摩擦系数 0.3 制作时长 200min
三、标杆分析法与逆向工程法
根据客户的需求来设计工程项目的方法，需要很长的调研周期及准确的分析判断，确定其功能及工程特性。但很多情况下，市场上可能已经存在了自己或者竞争对手研发的同类项目产品。设计者可以通过对这些项目产品进行综合分析，进而得到其工程特性，并将其作为自己即将研发的项目产品的特性指标，缩短开发进程。
1．标杆分析法。
标杆分析（benchmarking），又称竞标赶超或战略竞标。
标杆分析法是将本企业各种活动与从事该活动的最佳者进行比较，从而提出行动方法，以弥补自身的不足。
菲利普·科特勒解释说：“一个普通的公司和世界级的公司相比，在质量、速度和成本绩效上的差距高达 10 倍之多。标杆学习是寻找在公司执行任务时如何比其他公司更出色的一门艺术。”
知识窗
标杆分析法源于施乐（Xerox）公司。第二次世界大战结束后，日本影印机企业加入了世界市场的瓜分，使美国施乐公司的市场占有率从80%降到13%。此后，施乐公司总裁亲自赴日本竞争对手公司学习，并买进日本的复印机进行研究，推动全面品质管理，使施乐公司的产品重新获得在复印机上的竞争优势。
一般情况下，实施标杆分析法的过程分为5个阶段 ：明确目标、内部分析、分析比较、提出构思与实施方案，具体步骤内容如下。
（1）明确目标。在工程设计过程中，要根据市场占有率、用户口碑、工程项目产品特点等，确定一个对手的设计对象作为该分析的目标对象。
（2）内部分析。根据对目标的研究，确认目标对象的关键要素，通过调查问卷得到调查提纲。
（3）分析比较。对调查得到的资料进行分类、整理，进一步深入调查，得到目标对象的工程特性参数。确定与调查对象之间的差距，并明确差距形成的原因和过程，选择出最佳实践方案。
（4）提出构想。在明确最佳方案的基础上，找出弥补自身和最佳方案之间差距的具体途径和改进方法，设计具体的实施方案，并进行经济效益分析。
（5）实施方案。将方案付诸实施，并将实施情况不断与最佳方案进行比较，检测出偏差出现的原因，并采取有效的校正措施，努力达到标杆的最佳实践水平，甚至超过标杆对象。
2．逆向工程法。
逆向工程（reverse engineering，RE），也称反求工程、反向工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量。根据测量数据，通过三维几何建模方法重构实物的 CAD 模型的过程，是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发，获得设计对象工程特性的过程。
逆向工程类似于反向推理，属于逆向思维体系。逆向工程技术是测量技术、数据处理技术、图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技术。
精度是衡量逆向对象性能的重要指标，是评价逆向设计产品质量的主要技术参数之一。科学合理地进行精度分配，对提高产品的装配精度和力学性能至关重要。
逆向工程不是单纯用来模仿同类产品，当同类产品已经出现，设计者需要发现子系统中的一些缺陷，提升设计水准，改善或提高设计规格。
逆向工程的具体步骤包括：数据采样、数据分析、数据恢复及修补、原始部件的分解、模型信息处理及CAD模型的建立、部件装配、产品功能模拟、再设计等。
案例
下面通过一个挖掘机玩具的设计来说明逆向设计方法。图2-15（参见教材P41）中所示是一个挖掘机玩具。以此样品为例，进行重新设计。尝试在没有任何设计图纸和产品数据情况下，观察图2-15（参见教材P41）中实物模型，利用教材中提出的方法进行逆向设计。
在利用逆向设计后，可以增加遥控功能，使玩具获得新的特性。
四、质量功能配置（QFD）
质量功能配置（quality function deployment，QFD），也称质量功能展开。
QFD是一种在设计阶段应用的系统方法，它采用一定的方法保证将来自顾客或市场的需求精确无误地转移到与产品寿命循环每个阶段的有关技术和措施中去。
QFD起源于日本的三菱重工，由赤尾洋二和水野滋两位日本教授于20世纪70年代作为一项质量管理系统提出，目的是为了设计、生产充分满足顾客需求和价值的产品。QFD将成本降低了60%，生产时间缩短至1/3，并且提高了产品质量。美国71%的企业从20世纪90年代开始采用QFD。
一个典型的 QFD 流程如图2-16（参见教材P42）所示
　　第一步：在对应位置写上顾客对产品的需求
　　第二步：对需求的重要度做量化评价
第三步：以1～5分数权衡产品整体竞争力指数
第四步：提出改进指标，用1～9分数评价指标与客户需求相关度，9为关系非常密切
第五步：确立竞争对手如何满足客户需求，并确立工程特性指标
第 六 步 ： 以“ # ”表示负面，“×”表示特别负面，“+”表示正面，“*”表示特别正面，表述工程特性指标与客户需求关系
课后作业
习 题
1．说明标杆分析法与逆向工程法的区别。
2．画出一个全自动洗衣机的功能结构图。
3．利用质量功能配置工具，分析“无碳小车”工程设计的细节工程特性。
板书设计
第二章 工程设计一般过程
第 三 节 获取工程特性
一、明确设计对象功能结构
二、获取设计对象的工程特性
三、标杆分析法与逆向工程法
1．标杆分析法
2.逆向工程法
四、质量功能配置（QFD）
教学反思
通用技术
选择性必修3
工程设计基础
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：王华权
本册副主编：周 嘉
编 写 人 员：
周 熙 周 嘉 王华权 柯 力　林 敏 陆 超
广东教育出版社
广东科技出版社

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