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 二 节 需求分析和目标定义
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.分析工程设计过程的性能需求。
2.建立树状目标图明确性能需求。
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:
分析工程设计过程的性能需求。
建立树状目标图明确性能需求。
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 二 节 需求分析和目标定义。
工程设计的第一步是需求分析。工程师必须通过需求分析来定位产品的市场，并调整产品的设计。在漫长的历史进程中，人们产生了多种多样的不同需求，工程师的职能就是运用科学知识来满足人类需求。
一、问题的描述——需求目标定义
在通常情况下，工程师被告知设计目标，但诉求表现常常不精确。出现的问题大多诸如“电机坏了”“操作效果不能达到预设的高度”等。因而，工程师在处理工程项目的第一个任务便是确定真正的问题，确定目标的范围和程度。
讨论
在学校教学楼改建方案征询意见会上，校领导向工程师反映：“教学楼两侧洗手间，由于学生经常忘关水龙头，导致水资源的大量浪费，应该如何做才能避免学生忘关水龙头的坏习惯？”
这时工程师的头脑中会闪现以下问题：是否只有学生会忘关水龙头？是否所有没关水龙头的情况都是因为忘记？是否有办法改变学生的习惯？是否使用完水龙头一定要存在“关”的人工操作步骤？……
试分析，对于这个问题，工程师应该将问题归结为什么原因，才能更准确表达校领导的需求？
可见，作为工程师，必须明确客户的需求，避免出现因需求的不准确表述而导致工程设计出现不准确的理解，最终无法提供解决问题的方案。
在实践中，需求公司与设计机构签订开发项目合同，需求公司要尽量简要、清晰地描述项目的要求，而且不应在描述中限制性提出解决方案。这时，需求公司需要提供一个文本形式的需求文档，便于设计机构了解。而设计机构在基本了解后，需要写出更为详细的目标定义文档，让需求公司看懂并确认是否符合需求。这两份工程文档在工程设计初期有着至关重要的作用，但受众和作用截然不同。设计机构的工程师的工作职责是让第一份文档能更准确、更快速地转换成第二份文档。
为了更好地实现这种转换，我们可以通过以下步骤实现。
1．搜集信息。
很多时候，客户向工程师提出的问题根据只停留于表面现象，工程师需要通过分析，对整个市场有一个全面系统的研究，这其中包括趋势、竞争力、容量、利益、机遇、客户需求、客户感想等。在产品多元化的今天，工程师的设计更多是优化设计，在确认自己的解决方案前，了解其他人的解决方案也很重要。
在这个阶段，不要急着提供解决方案，而应该广泛进行调研，搜集信息以便提供更好的方法。主要的调研方法有直接调研和间接调研（图2-8）（参见教材P30）。
直接调研的对象不仅包括终端消费者，还要把所有接触到该产品的人都纳入调研范围，并在集体讨论、单独访问、电话采访、问卷调查等形式中选择合适的调研方式进行调研。
间接调研则主要是指调查者不直接与被调查者接触，而是通过中介向被调查者进行调查的方法。常见方法包括专利查新、报纸传媒、第三方分析报告、政府分析报告和文献查询等方式或渠道。
活动
请你针对“如何避免校园里的水资源浪费”问题设计一份针对全校师生的调查问卷。
2．需求信息处理。
在收集不同信息资源后，要注意信息资源的处理和归类。该步骤对于信息筛选和处理的策划很重要，可以帮助完成目标需求文档的制定和确立。首先，大致了解相关信息资源，给每份资源明确其关键词。明确关键词后，归档形成一个信息清单，变成有层次的信息资源库。
在信息搜集和处理过程中，要特别注意以下信息的采用。
（1）产品信息。 查询同类产品专利在工程设计，特别是创新性工程设计中的重要作用。
专利是确保专利权人拥有新想法和新发明的独占权。通过专利查新形成查新报告，既可以避免出现重复劳动的情况，也可以在查新过程中更多启迪工程师的设计思路。
通常，我们可以通过国家知识产权局网站进行专利查新。
（2）行业信息。在设计初期，对产品对象所属的行业规范标准的收集至关重要。通过行业标准的查对，可以加快工程设计的进度，明确处理的方式方法，同时也能得到广泛使用的行业指标。
需要说明的是，不同的销售地域其行业指标在要求的详细程度和规范执行程度上都有所区别，这需要在需求初期就得以明确。
（3）市场信息。寻找相关产品的产业信息，得到对应的市场份额、目标市场、人数和市场潜力等相关文档，明确产品所属市场的法律法规、可能出现的社会问题等客观影响因素，实现全面估算。其次，还需要明确产品的生命周期和市场占有率。
二、明确性能需求——建立树状目标图
“需求”是客户的一种模糊的愿望。客户在阐述表象问题时，一般都会以意愿的方式提出。例如，如何让车子跑得更快？而“性能需求”需要工程师解构客户“需求”，并阐明其技术内涵。
案例
客户向工程师提出的需求是“一个能快速加热水的壶”。 很多人都会直接联想到“电热水壶”。
但工程师则要对其进行解构，获得更加中性的产品性能需求：
（1） 能够容纳一定量的水。
（2） 能够加热一定量的水。
（3） 加热迅速。
（4） 节能。
（5） 方便移动。
（6） 倒水时把手安全。
（7） 倒水时不会飞溅。
（8） 外形美观。
（9） 水煮沸后自动断电或有警示。
在明确性能要求环节，我们通过以下步骤完成。
1．列出要求并划分其重要性。
为了能够划分出性能需求的重要性，工程师一般用 1～10 来进行标记：10 表示最重要，1 表示最次要。另外，还要区分出产品性能为本质与否。本质性能需求，用字母 D（demands）来标示；非本质性能需求，用字母 W（wishes）来标示。
案例
例如，上述加热容器的性能需求等级如表2-3所示。
表2-3 性能需求等级
D or W 性能需求 重要性级别
D 容纳 2L水的加热 10
D 加热过程在 5min内完成 9
D 功率不高于 2 000W 8
D 方便移动 8
D 倒水时把手安全 7
D 倒水时流速适中，不会飞溅 8
W 外形美观 5
D 断电后有提示 9
W 自动断电 7
W 生产成本低 4
2．构建目标树。
构建目标树的目的是通过组织客户要求，帮助工程师搞清楚设计目标。
通过目标树的方式，可以清晰、准确地展示产品的设计目标，反应产品性能需求，同时帮助工程师在设计初期消除其与客户之间的理解误差。
建立树状目标图的步骤。
（1）将要求罗列出来。
（2）按照安全性、可靠性、经济性3个维度性能需求项目降序排列 。
案例
建立上述加热容器的树状目标图。
步骤 1：准备设计目标列表。
①容纳2L水的加热；②断电后有提示；③加热过程在5min内完成；④功率不高于2 000W；⑤方便移动；⑥倒水时流速适中，不会飞溅；⑦倒水时把手安全；⑧自动断电；⑨外形美观；⑩生产成本低。
步骤 2：排列目标顺序（表2-4）。
表2-4 排列目标顺序
安全性 可靠性 经济性
断电后有提示 容纳2L水的加热 功率不高于2 000W
倒水时流速适中，不会飞溅 加热过程在5min内完成 生产成本低
倒水时把手安全 方便移动
自动断电 外形美观
步骤3：建立树状目标图（图2-9）（参见教材P33）。
3．构成树状，标识出等级和组间关系。
立即行动
“无碳小车”工程项目——性能需求分析
设计一辆“无碳小车”，小车规格控制在100mm×60mm×30mm的范围内，驱动其行走的能量只由3个原长50mm的橡皮筋提供（图2-10）（参见教材P34）。
判定小车从倾斜度为45 °的斜坡上滑下后，在水平面上行驶距离更远，且偏离中间黑线距离更小者获胜（图2-11）（参见教材P34）。
测试场地规格：
小车出发平台距离水平面25cm，斜坡倾斜角为45°，行驶面宽30cm，中间区域有一条宽为3mm的黑线。夹板厚度为5mm。
测试流程：
①开始测试时，将小车放置在出发平台上，小车车头最前端与出发平台水平边缘对齐。
②选手上好橡皮筋后，在垂直平台方向上压住小车，并设为始发状态。
③计分员提示开始后，选手在垂直平台方向上松开小车（不可给予推力），自由释放小车让其自动滑下。
④设小车行驶距离为L，行驶后车头中心点与中间黑线距离为P，则最后得分计算为最终得分=L / P。
请你利用工程设计思想，采用所学的工程项目性能需求分析方法，对以上项目进行分析，完成树状目标图。
课后作业
习 题
1．用户写给工程设计部门的需求文档和工程设计部门给用户的目标定义文档有何不同？它们在受众和功能上有何差别？
2．在原来“无碳小车”设计的基本条件上，要求小车在两条高为5mm、宽为60mm的木条轨道中行进测试（图2-12）。试利用需求分析方法，画出其树状目标图。
板书设计
第二章 工程设计一般过程
第 二 节 需求分析和目标定义
一、问题的描述——需求目标定义
二、明确性能需求——建立树状目标图
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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