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
第三章 工程设计建模
第 三 节 工程设计体验
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.体验综合的工程设计过程。
2.进一步熟悉计算机三维建模方法。
3.体验实物模型的制作过程。
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。
工程师们如何进行工程设计？他们应具备哪些基本知识和技能？工程师之间如何进行思想交流并做到准确无误的相互理解？现代工程师在进行结构设计或思想表达时采用什么计算机软件？使用这些软件难不难？
本章将通过简单实例来回答以上问题。
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:
体验综合的工程设计过程。
进一步熟悉计算机三维建模方法。
体验实物模型的制作过程。
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第三章 工程设计建模第 三 节 工程设计体验。
一、任务要求
设计并制作一辆如图3-14所示的小车。该小车车身长110mm、宽60mm、高30mm，车轮直径30mm。让小车从图3-15所示的斜坡上滑落而下，以滑行距离尽可能大、车身横向偏摆角度尽可能小为佳。斜坡由木板制作，高260mm，倾角25°。
二、材料选择
1．主要零部件材料选择。
在工程设计中，选择材料需要考虑多方面的因素。常见的因素有以下几点。
（1）材料的物理、化学性能。包括材料的强度、刚度、密度、耐化学腐蚀性、导电性、环境友好性等。
（2）加工制作的方法。原材料须经过加工制作成零部件后，才能投入使用。选择材料时应确保具有对所选材料进行加工的技术手段，避免出现无法加工制作的设计方案。
（3）材料成本及供给的安全性。在满足设计要求的前提下，选用价格低廉的材料可以节约工程成本。材料货源充足、容易获取的材料有利于工程项目实施，就地取材是非常不错的选择。如果选用的材料或零件被竞争对手控制，则容易被对手切断货源供应，影响工程活动的安全。
选择材料时，可先根据设计对象的工作境况，列举满足设计性能要求的材料清单。然后，兼顾工艺性、价格、供应链安全性等因素进一步筛选。
知识窗
钣金是一种针对薄板的加工方法，通过折弯、裁剪等手段，将薄板加工成所需的形状。在本例中，车架是采用硬卡纸折叠的方法加以制作的，如果材料换成金属薄板，这种制作加工方法就称为钣金。台式计算机机箱就是典型的钣金零件。
对于上述小车，拟采用钣金零件的设计方法来设计车身，建议选用1mm厚的硬卡纸板，通过切割、裁剪、折叠、胶粘合的方式来制作车身和车轮。另外，选用直径为6mm的塑料圆棒或木棒来制作轮轴。
采用激光切割机切割硬纸板来制作车身是一种高效的数字化制作方法，不具备激光切割机的情况下，可以用刻纸刀或剪刀。请同学们根据自身现有条件制定一套适合自己的用材和制作方案。
立即行动
搜集信息，制表列举你所在地区，能获得制作本模型的材料和加工方法。
2．了解标准件。
尺寸、结构型均已标准化且被大规模专业化生产的零部件称为标准件，如螺钉、螺母、轴承、挡圈等。
工程实践中，大量使用标准件，是提高可靠性、缩短工程周期、降低成本的常用方式。
立即行动
准备直径2.5mm、长度6mm的盘头带垫圈自攻螺钉和6mm的轴用挡圈等标准件，以备后续设计和模型制作使用。
三、总体方案设计与三维建模
小车总体结构构思图如图3-16所示。
手绘能快捷地记录、表达设计师的创意，启发和完善设计灵感，是设计师常用的“视觉语言”，也是进行方案设计的有效工具。它能为结构细化和计算机三维建模带来方便。
其具体三维建模如下。
1．车身结构设计和建模。
（1）详细的车身形状和主要尺寸如图3-17所示。
（2）车身三维建模。采用钣金设计模块能方便地进行车身三维建模，具体步骤如下。
①在三维设计软件中激活钣金命令模块，如图3-18所示。
②创建钣金基底法兰特征，特征厚度1mm、长108mm、宽60mm，形成车身底板，如图3-19所示。
③用边线法兰特征，按图3-20的尺寸创建车身侧板。
④用边线法 特征创建前后搭接头，如图3-21所示。
⑤用边线法兰特征创建后侧板。
⑥用边线法兰特征创建前侧板，完成后形状如图3-22所示。
⑦车轴支撑孔设计。
轴孔直径应略大于轴的直径，图中取孔径为φ6mm（读者可以根据现有材料，调整此尺寸）。在车身侧面，按图3-22所示的尺寸位置绘制两个圆形草图，创建拉伸切除特征生成贯通车身的车轴支撑孔。
建模完成后，将其命名为“车身.sldprt”后保存。
2．车轮轴零件建模。
按手绘图3-23所示的尺寸创建车轮轴的三维模型，如图3-24所示，将文件保存为：轮轴.sldprt。在此基础上，还可以生成图3-25所示的轮轴零件图。
3．创建车轮零件模型。
按前文图3-13所示的尺寸创建车轮三维模型，保存为：车轮.sldprt。读者可根据自己的喜好，自行决定图中椭圆开孔的数量和尺寸。
4．创建三维虚拟装配模型。
零件模型创建完成后，就可以创建图3-26所示的小车虚拟样机和图3-27所示的虚拟小车爆炸图。具体操作方法如下。
按键盘的Ctrl+N键，在弹出菜单中选择装配体，如图3-28所示，点击“确定”创建出一个新的装配空间，如图3-29所示。在车身、轮轴、车轮模型文件均打开的状态下，屏幕左侧可见这些零件的名称。
点击屏幕顶部菜单中的“窗口（W）”→纵向平铺，系统将弹出图3-30所示的画面。
用鼠标选中画面中的车身特征管理器窗体中，上方的“车身”文字，按住鼠标左键将车身零件拖放到装配空间中。然后，再将车轮和轮轴也拖放到装配空间中，如图3-31所示。
点击装配体窗口右上角的最大化图标按钮，将装配体窗口最大化。按键盘空格键，在弹出菜单中双击“*等轴测”，屏幕显示如图3-32所示。
用鼠标选中图框左侧的“（固定）车身”，单击鼠标右键，在弹出菜单中点击“浮动（P）”。
此时，将鼠标箭头指向车身模型，按住鼠标左键并滑动鼠标，车身图形会跟随鼠标移动。可以想象：装配空间犹如一间空置的房间，房内放入了车身、车轮和轮轴3个部件。车身是竖立放置在房间中的。
进行虚拟装配的第一步是要将车身水平摆放。操作方法如下。
（1）车身的装配。
①鼠标左键点击车身底板，指针附近会弹出一个菜单；移动鼠标箭头到菜单中的“回形针”图标，单击，屏幕左侧会出现标签为“配合”的菜单组。菜单中蓝色激活区会有“面<1>@车身”的字样，如图3-33所示。
②用鼠标点击装配空间左上角的“+”号，将装配体清单展开，选中清单中的“上视基准”，指针附近会弹出图3-34所示的图标，车身底板也将自动旋转到与上视基准重合的位置。如果车身的开口朝下，请单击图3-34中的倒数第三个“反转配合对齐”图标，让车身翻转180°。确认车身开口朝上后，单击勾选图标按钮，完成车身的水平安装，如图3-35所示。
③用鼠标左键选中车身，按住左键拖动车身，车身将会前后左右移动。
④在车身的后侧面与装配空间的“前视基准”之间添加“重合”的装配约束，用“反转配合对齐”图标按钮，让车头朝 Z 坐标轴的正方向。
⑤在车身左侧面与“右视基准”之间添加“重合”的装配约束。
完成以上装配后，车身有了与3个基准平面重合的约束，完全固定在装配空间，不能图3-32 装配空间等轴测视角移动了。
（2）车轮轴与车身的装配。
①鼠标左键点击轮轴外圆，在弹出菜单中的“回形针”（配合）图标，点击车身前面轴孔的内圆面，点击弹出菜单的第四个图标按钮“同轴心”，完成车轴与车身前轴孔的同轴装配，如图3-36所示。此时，车轴还可以沿轴心线方向移动，必须进行轴向定位。
②点击轮轴的右端面，选择弹出菜单中的“装配”，按住鼠标中间的滚轮，拖动鼠标来改变观察视角，旋转滚轮可放大或缩小视图，直到能看到轮轴的左端面，再进行下一步操作。
③在屏幕左侧的菜单中点击“高级配合（D）”→“宽度（T）”，用鼠标点击轮轴的左端面，确认在“宽度选择”下面的被选框中能同时看到“面<1>@轮轴”和“面<2>@轮轴”两个被选中元素。
④鼠标点击“薄片选择”下的空白区，区域颜色将从白色变成蓝色。依次点击车身左、右两侧的外面，蓝色区域将出现“面<3>@车身”和“面<4>@车身”的元素。点击左上角“勾”图标按钮，完成轮轴的左右定位安装。
⑤按键盘的空格键，用鼠标左键双击弹出菜单中的“轴测图”，将获得如图3-37所示的画面。
（3）车轮装配。
①点击轮轴的台阶端面，如图3-38所示，在弹出菜单中选择“装配”，选择车轮的圆形端面，点击勾选图标，确认操作。再次按键盘的空格键，选“轴测图”，同时显示车轮和车轴。
②依次点击车轮的中心内圆环面和轮轴的圆柱面，在弹出菜单中选择“同轴心”，点击勾选图标，确认操作。
完成后的车轮装配如图3-39所示。
下面给轮轴安装挡圈和螺钉。
③如图3-40所示，点击屏幕顶层的选项菜单下拉箭头，选中插件。在弹出的菜单中勾选“SolidWorks Toolbox Browser”，如图3-41所示，然后点击确定。
④点击屏幕左侧装配体区域的轮轴，右击鼠标按钮，在弹出菜单中选中“孤立（K）”，图中的车身和车轮将隐藏显示，留下轮轴单独出现在屏幕中。
⑤点击框处的工具库图标，调出工具库。
⑥如图3-42所示，点击ToolBox前面的“+”号展开各国的标准清单，点击“Gb”前面的“+”号展开GB标准 件 的 分 类 清 单 ， 点 击 “ 垫 圈 和 挡圈”前面的“+”号，点击分类中的“挡圈”→“轴用弹性挡圈A型 GB/T894.1-1986”。
⑦按住鼠标左键，将上述挡圈拖到装配空间中，放置到轮轴中间的槽上，软件将自动生成同心和重合约束。松开鼠标按键后，在下拉菜单中将直径改选为6，如图3-43所示。同学们也可自行创建同心和重合的约束。
（4）加装螺钉。螺钉也是标准件。其调用方法与挡圈的调用方法相同。
① 点 击 工 具 库 ， 在 G B 标 准 件 的 分 类 清 单 中 ， 点 击“screws”前面的“+”号→“机械螺钉”→“十字盘头螺钉 GB/T 818-2000”，将螺钉拖到轴端的孔中，螺钉直径为2.5，长度为5，如图3-44所示。
②点击“退出孤立”，恢复显示所有零件，如图3-45所示。
立即行动
给小车添加1个轮轴、3个车轮、3个挡圈、3个螺钉，并添加相应的装配约束，完成小车装配。
四、实物模型制作
1．制作车身工程图。
（1）打开车身.sldprt文件，点击文件，从零件创建工程图，如图3-46所示。按提示选用默认方式创建一张工程图，按图3-47所示的步骤，点击“视
图调色板”，用鼠标将“（A）平板形式”视图拖放到工程图框中，获得车身的展开图。
（2）在图纸空白处，点击鼠标右键，在弹出的菜单中选中“属性”，调出图纸属性设置页面，将比例设置为1∶1，勾选“第三视角”，点击确定。
（3）打开图层管理器，新建“图层1”，将图层1的颜色设置为红色，线形设置为实线，关闭图纸中原有标注尺寸所在层的显示，获得图纸。
知识窗
计算机图形文件有多种文件格式类型，如igs、stl、x_t、DXF、DWG等。igs多用于存储三维曲面图形数据，x_t多用于存储三维实体模型数据，DXF、DWG多用于存储平面图形数据。激光切割机常用DXF，3D打印机常用stl。
2．制作车身和车轮实物模型。
（1）车身和车轮模型选用1mm硬卡纸作为制作材料。可采用激光切割机切割。也可将工程图按1∶1的比例，打印到A4纸上，放样到硬卡纸上，用剪刀或雕刻刀切割。图3-48所示红线切割一半深度，红线之间的卡纸剥除一半，便于折叠成形，折叠后用胶水粘接成型。
（2）制作轮轴与小车装配：轮轴可以用车床制作，也可以用手工制作。请同学们根据所学自行完成轮轴的制作，并购买挡圈和螺钉等标准件，根据前面掌握的装配关系完成小车装配。
立即行动
在小车前后板上各绘制一条中心线，根据设计任务要求，将小车放置在斜坡上滑行多次，测量小车的滑行距离以及前后中心线与轨道中心线的偏移量，编制记录表，并将相关数据记录到表中。分析记录数据，对小车进行调整直至达到最佳状态。
探索
给小车加上无碳动力（重力、弹性变形力……）装置，让小车在平面上自行行驶。
五、工程设计中的仿真
1．工程设计中的仿真的定义。
工程设计中的仿真是指对模型施加外界作用来观察模型表现，用以分析外界作用施加于设计对象所产生后果的研究方法。这种模型既可以是实物模型，也可以是计算机模型。
随着计算机技术的发展，计算机仿真的应用日渐广泛。
2．计算机仿真在工程设计中的价值。
计算机仿真是利用计算机模型、理论公式及经验数据，用计算机模型替代真实模型，用算法和数据替代真实作用，对工程对象进行分析的方法。
这种方法，对于分析真实模型造价高的工程系统，具有经济、快捷的优势。在波音777飞机的研制过程中，工程师们用计算机仿真替代了传统设计中实物样机试验的流程，开创了未经样机试验就成功研制出客机的先河，节省了大笔研制费用。
对于一些难以获得真实环境的情景，如火星车性能评估，计算机仿真则是一种有效的研究手段。例如，将本案例中的小车及斜坡导入到计算机运动仿真软件中，将重力加速度设置为1.64m/s 2 ，就可以获得小车在月球上沿着斜面下滑的运动过程参数，并用视频显示下滑过程。
六、工程设计文件
1．工程设计文件的主要内容。
工程设计文件主要包括：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。
工程文件的主要表现形式有：文字、表格、图纸、照片等。随着多媒体技术的普及，影视文件将会在工程领域中得到广泛应用。
2．工程文件的作用。
工程文件的作用是指导工程活动的立项、施工、竣工验收，以及工程项目寿命周期内的运营与维护和用来复制产品等。
工程文件也是传承工程知识和经验的载体，是提升工程技术水平的阶梯。加强工程文件管理是规范工程活动、促进技术进步的有效手段。
学习评价
评价内容 评价方式
自评 互评 师评
能理解工程设计和设计师能力建设
能理解建模，知道如何创建实物模型、原型样机、虚拟模型以及它们的作用
熟悉计算机三维建模软件的使用，理解基于特征的三维模型的创建方法
掌握工程图的种类，了解工程图中的文字符号、公差标注的含义及其作用
掌握徒手绘图技能
建立对工程文件作用的基本认识，树立按照规程和标注从事工程活动的观念
说明：A—优秀，B—良好，C—合格，D—待改进
通过本章的学习，你的核心素养得到了哪些发展？
第三章 工程设计建模
第 三 节 工程设计体验
一、任务要求
二、材料选择
三、总体方案设计与三维建模
四、实物模型制作
五、工程设计中的仿真
六、工程设计文件
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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