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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 一 节 工程设计概述
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.了解工程设计的定义。
2.知道工程设计在产品开发中的重要性。
3.理解工程设计过程。
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:
知道工程设计在产品开发中的重要性。
理解工程设计过程。
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 一 节 工程设计概述。
一、工程设计的定义
工程设计是为满足目标需求而创造某种系统、部件或方法的活动。在这个活动中需要对项目所需的技术、经济、资源、环境等条件进行综合分析、论证，编制工程设计文件。
工程设计是一个不断优化的决策活动，在这个活动过程中，需要使用数学等基础科学及工程科学来优化转换组合资源以实现特定目标（图2-1）（参见教材P24）。工程设计要依靠很多工程技术，如测量技术、决策工具、数据采样处理等。
二、工程设计的重要性
工程设计重要性在于：保证工程项目能够按照预定的进度、质量、成本达到项目的功能需求。
在中学阶段学习工程设计的知识，主要围绕单一产品设计对象展开，通过学习设计人员应该掌握的方法、技术和手段等项目管理范式，培养创造力，形成系统思维和工程思维。
爱因斯坦说过：“想象力比知识更加重要，因为知识是有限的，而想象力是无限的。” 设计的过程是创新的过程，设计被广泛地认为是产品开发最重要的步骤之一。不仅如此，即使制造、生产、销售等环节做得再好，但产品设计得不好，最终产品优势也无法呈现。
绝大多数消费者不会关心产品的所有具体技术规格或制造过程，他们首先关注的是产品的设计和外观。对于有特点和优势的产品设计，客户往往愿意付出更多的购买费用。工程设计目的就是让产品在市场上更具竞争力，通过用户认可而获得更多的投资回报。工程设计为了迎合现存需求、减少成本或者追求利益，往往会采用新型方法。
但工程项目固有的难度和挑战，使得工程设计不仅要有创新和技术手段支撑，还要能预测产品的未来发展趋势或可能出现的情况变化，使产品的负面效应控制在一定可控范围之内。所以，我们需要有一套科学系统的方法用于建立产品的工程设计过程。
问题驱动
爷爷奶奶住所的冰箱坏了，你想给节俭一生的爷爷奶奶选择一款适合他们使用的冰箱。到商场之后发现比较有代表性的是以下三款。你可能会购买哪一款，原因是什么？
表2-1 三款冰箱的对比分析
名称 容量 能效 制冷方式 控温方式 变频/定频 箱门结构 是否支持全屋互联 价格
冰箱1 116 L 二级 直冷 机械控温 定频 双门 否 780元
冰箱2 223 L 一级 风冷 电脑控温 变频 三门 否 1 999元
冰箱3 408 L 二级 风冷 电脑控温 变频 十字对开门 是 3 289元
任务驱动
请通过多种渠道查询资料，寻找下述著名工程项目失败的原因，并分析它们的共同点。
表2-2 著名工程项目的失败案例
工程事件简述 工程事件
世界卫生组织透露：这次事故共造成34万人先后被遣散或迁移，保守估计苏联共花费了180亿美元、约50万军民参与处理此事件（图2-2）（参见教材P25）。 图2-2 1986年切尔诺贝利核电站事故
本次事故是由于航天飞机右侧固态火箭推进器O形密封圈失效，并导致一连串的连锁反应。升空73秒后航天飞机爆炸，机组人员无一幸存（图2-3）（参见教材P26）。 图2-3 1986年挑战者号航天飞机爆炸
这次事故共造成113人丧生，其起因缘于飞机起飞时左侧引擎着火。此后，协和式飞机的适航证书被撤销，所有协和式飞机在事故发生后15个月内不得升空，最终协和式飞机彻底退出航空业（图2-4）（参见教材P26）。 图2-4 2000年协和式飞机坠毁
三、工程设计过程
工程设计过程就是在限定的经济性、安全性、可靠性、美观性及道德规范和社会影响等制约因素的条件下，利用现代设计理论和方法学，表述设计问题，说明工程规范及生产方法并进行规划构思。
设计过程是一系列事件和一整套指导方针。这些事件和方针都是为了帮助设计者确定设计的起点，让设想的产品视觉化，最终物化到现实中来（图2-5）（参见教材P26）。
设计者的设计能力由设计理念和设计技巧两部分构成。所谓设计理念，就是指能否通过系统的过程、方法和解决问题的能力来指导实践，是工程思维的呈现。工程设计过程的学习，就是一种科学的工程思维学习的过程。
随着科技的进步，工程设计的理念在不断完善和创新，随着不同的高新科技和思维方法被引用到工程设计过程中，工程设计更趋于效率化和系统化。
到目前为止，完整的工程设计过程都包含以下步骤，下面以高速列车车体设计过程为例，说明每个步骤具体完成的事项和作用。
1．需求分析和目标定义。
工程设计过程的需求分析既包括客户需求分析，也包括市场需求分析。客户需求包括客户要求、对现设计的修改意见、产品革新要求等3种。例如，高速列车的车体设计和制造过程中需要达到的目标有：车体材料实现轻量化，车体具有足够的强度和刚度，有良好的空气动力学性能，保证乘客良好的乘坐舒适性等。
2．获取工程特性指标。
在通过客户需求分析和市场需求分析后，设计者要定义最终产品概括性描述的目标，并创立目标树。这对目标的概括性描述非常重要，它可以避免设计的混乱甚至设计的最终结果变化过大。这属于建立产品理念阶段，要建立功能结构和设计规格。例如，高速列车是多系统、多部件的集成，单在功能结构上就要设计两大方面：机械方面有车体、转向架、机械制动系统及车辆之间的连接装置等；电气方面有牵引传动系统、列车网络控制系统等（图2-6）（参见教材P27）。
3. 概念设计。
方案理念是各部分功能的创新想法产生，到概念化呈现，最后进行可行性评估的过程，设计者必须在需求分析和功能结构的基础上，运用创新思维和创造能力，把不同的方案呈现出来，要能满足最基本的任务要求。例如，高速列车高速运行条件下的地面效应、隧道效应、表面气动源分析，明确要将车体轻量化，这是高速列车车体设计的产品理念。
4. 具体设计。
具体设计是设计产品逐步成型的过程，将产品各组成部分清晰定义，再通过细节设计明确尺寸和偏差，最后把它以图纸、图表、图片、文件、电子文档等组成的设计方案的形式呈现。例如高速列车的车头设计涉及空气动力学等，利用头型的纵断面及水平断面控制相互关联，通过长细比、横截面积和截面面积变化达到减少空气阻力的效果，这就是高速列车具体设计中的重要一项。
5. 试验评估。
工程实验室对成形的产品进行检验，以检查是否符合项目目标、工程特性指标等要求。例如高速列车制作过程一般都要经过模拟试验、建模推演、原型测试3个过程，使概念设定落到实处。
6. 发布实施。
在完成了试验评估后，可以将成型方案的设计任务书、设计标准及规范、工程施工图、供应商明细表及验收标准等内容以及文本、图表、照片等方式发布出来以推进接下来的工程施工、量产、验收等工作的推进。
课后作业
习 题
1．阐述“工程设计一般过程”与“技术与设计1”模块学习的“技术设计的一般过程”有哪些相同点和不同点。
2．根据你对“工程设计一般过程”的学习，说明下面饮料瓶的设计场景（图2-7）（参见教材P28）属于工程设计过程的哪一步骤？
板书设计
第二章 工程设计一般过程
第 一 节 工程设计概述
一、工程设计的定义
二、工程设计的重要性
三、工程设计的过程
1．需求分析和目标定义。
2．获取工程特性指标。
3.概念设计。
4.具体设计。
5.实验评估。
6. 发布实施。
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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