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 四 节 概念化设计
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.理解工程设计过程中要考量的各种要素。
2.学会编制简单的工程设计任务书。
3.初步掌握面向X的设计（DFX）方法。
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:
理解工程设计过程中要考量的各种要素。
学会编制简单的工程设计任务书。
初步掌握面向X的设计（DFX）方法。
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 四 节 概念化设计。
利用质量功能配置（QFD），可以总体概括出从客户需求出发，到明确工程对象的工程特性的整个过程。这些设计步骤是工程实施中的总工程师需要负责的任务内容，总工程师需要将工程呈现的各个方面通过工程设计任务书分配给各部门工程师进行具体设计和详细设计。本节主要阐述如何通过设计过程中各种要素的考量，制定出工程设计任务书。
一、工程设计过程中要考量的各种要素
1．工程项目质量。
工程项目质量的特征是由工程项目本身的单一性、资源成本的高投入、建设周期的长久性等几个特点决定。其突出表现在以下这几个方面。
（1）安全性。工程的安全性是指工程项目能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载，在偶然事件中保持其必需的整体稳定性。例如，施工单位为获得更多利润而偷工减料，导致工程项目倒塌，属于安全性的问题。
（2）可靠性。工程的可靠性是指在设计的使用年限内，在正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件下，完成预设功能的能力。例如，在建筑项目中，结构的可靠性越高，其建筑的可靠性能就越强，工程越不容易被破坏。
（3）经济性。工程的经济性是指工程从设计到整个产品使用生命周期内的成本和消耗费用，以及衍生的经济效益。
（4）耐久性。工程的耐久性反映的是工程的寿命，也就是生命周期。
（5）协调性。工程与周围生态环境的协调，才能促使可持续发展。为营造“青山绿水”环境，企业要将“绿色设计”和“环保工程”纳入到工程设计的环节中，以符合各项法律指标要求，推动绿色发展，促进人与自然和谐共生。
知识窗
产品生命期周期（product life，PL），是指产品的市场寿命。一种产品进入市场后，它的销售量和利润都会随时间推移而改变，呈现一个由少到多， 再由多到少的过程。就如同人的生命周期一样，由诞生、成长到成熟，最终走向衰亡，这就是产品的生命周期现象。所谓产品生命周期，是指产品从进入市场开始，直到最终退出市场为止所经历的市场生命过程。产品只有经过研究开发、试销，然后进入市场，它的市场生命周期才算开始。产品退出市场，则标志着生命周期的结束（图2-17）（参见教材P45）。
生命周期曲线的特点：在产品开发期间该产品销售额为零，公司投资不断增加；在引进期，销售缓慢；在初期通常利润偏低或为负数；在成长期销售快速增长，利润也显著增加；在成熟期利润在达到顶点后逐渐走下坡路；在衰退期间产品销售量显著衰退，利润也大幅度滑落（图2-18）（参见教材P45）。
2．进行质量控制。
工程质量控制是指为达到工程特性反映出来的质量要求所采取的作业技术和活动。
在工程作业流程中，质量控制是为了通过监控质量形成过程，监控与工程作业同步，以消除质量环上所有阶段引起不合格或不满意效果的因素。
大家最熟悉的质量控制方式就是质量检验。质量检验从属于质量控制，是质量控制的重要活动。在生产过程的节点加入质量检验，可降低次品率和减少反复工作。
3．制造能力与维护。
制造能力又称为生产能力，它是反映企业所拥有的加工能力的一个技术指标，也可以反映出企业的生产规模。在既定的组织技术条件下，它可以反映出企业所能生产的最大产品数或所能处理的原材料数量。 维护是指在工程项目竣工后，交付使用过程中对工程对象所进行的定期监测、维修、保护等系列工作。
4．工效学。
工效学是研究人类适应自身工作环境所出现的问题的学科。工程设计人员必须把人类使用者的影响放在产品设计的第一位。
5．法律法规和社会问题。
工程设计要遵循法律法规要求，及时跟进社会问题和热点需求，顺应客观要素的要求，减少对工程设计生产和获利部分的影响。例如，设计廉价盗版货物从最初提出就应该被否决。
二、概念方案设计
在前面几节学习内容中，已经完成对“无碳小车”的性能需求分析、工程特性获取、功能结构分析及设计任务制定。接下来，我们进入具体设计的阶段。
首先，必须依照要求设计概念方案（图2-19）（参见教材P46）。在该方案中小车由车架、轮轴、车轮组成。此外，动力由橡皮筋提供。橡皮筋一端固定在牵引车车架的前板，另一端固定在牵引车后轮轴。操作者转动后轴将橡皮筋绕起蓄能，当操作者释放后轮轴，橡皮筋将带动后轴旋转，车轮与地面的摩擦将推动小车前进。
根据上述分析，利用小车各部分分类的组成，分成下面的子功能进行发散思维设计（表2-7）（参见教材P46、47）。
立即行动
分小组讨论，针对上面各部分子功能的组合，按照要求设计一个概念方案。
三、编制工程设计任务书
工程设计任务书是整个设计过程的总结性文稿，也是施行具体设计和详细细节设计的一个指南。根据不同工程领域要求，它有不同内容要求，一般包括以下几个部分。
（1）项目总述、项目环境情况。
（2）设计理念、市场定位、项目产品整体构成。
（3）产品设置、配套设备。
（4）工程性能指标。
（5）其他要求。
工程设计任务书在编制过程中要把握以下原则。
（1）定向性。在工程设计任务书中，应该要指明项目目标客户群、市场定位、设计风格等。对于工程项目的确定，可以避免在具体设计过程中重复工作，以免浪费人力时间、延误工期。
（2）指标量化。工程设计任务书通过对工程项目所处市场环境、政策法规、行业规范、市场定位的研究，进而明确制定工程项目的各项特性指标。
（3）操作弹性。设计任务书在后续的具体设计工作中应起到指导作用，但在明确项目方向后，必须在产品的具体材料使用、功能搭配、外形色彩等方面给予工程师一定的自由发挥空间，进而达到在专业基础上的创新，具有项目的独特性。
（4）前瞻性。工程设计任务书对于未来市场的走向可能引起的产品空间及功能调整需要预先考虑，以达到便于制造、便于维护、便于管理等要求。一份优秀的工程设计任务书，既可使设计者明确总体概念，又能给具体施行设计的工程人员留有充分的操作空间。
案例
智能化课室改建工程设计任务书
1．项目概况
本项目定位于某学校高中部综合实验楼3楼的通用技术实验室改造，是学校信息化改造工程的一个组成部分。项目南临文明路，北临校园操场，左右两侧分别为学校的物理实验室和实验准备室。
实验室建筑面积为110m 2 ，共划分为4个板块，分别为实验器件准备区、实验操作区、教学区和精密加工区，各区均可容纳40个学生同时使用。
2．智能化工程设计范围及主要技术要求
本项目课室的智能化工程拟设由智能化集成系统、信息化教学系统、信息化安全系统、智能化电器系统四部分组成。各系统的功能及主要技术要求如下。
（1）智能化集成系统。
智能化集成系统应具有对整个课室设备信息的数据通信、数据采集、设备控制和综合处理能力，能实现对各智能化系统进行综合管理。它还要求系统可靠、易于维护并具有一定的可扩展性。
（2）信息化教学系统。
信息化教学系统包括用于教学的一体机教学黑板子系统、教学自动录播子系统、教学信息网络子系统、广播会议子系统等。它由各类教学过程中的信息予以接收、交换、传输、存储和显示的综合处理信息设备组成。
（3）信息化安全系统。
信息化安全系统是利用信息化手段，确保课室在使用及空置过程中的安全隐患得到良好的监控和排查。包括人脸识别电子锁子系统、远程监控子系统、烟雾报警子系统等子系统构成。
（4）智能化电器系统。
智能化电器系统是指利用手机APP等平台，通过远程遥控、定时开关、场景开关等方式，实现对课室内各种电器的智能化使用。它包括灯光控制子系统、电子窗帘控制子系统、插座控制子系统等。
3．各阶段设计成果
（1）方案设计阶段。
根据某学校提供的设计要求，本着经济实用的原则，构建各系统（子系统）间联系的实现方案。要理清各系统间的相互关系，包括每个系统的技术接口或界面，优化实现工程的合理布局及投资的经济性，提出机房、弱电井的要求。结合各系统的设计方案，提出设备系统选型建议，完成投资估算。
应向学校代表提供系统功能结构图、平面布置图、风格意向图及设计说明等文件（汇报前提供3份，汇报后提供3份）。
（2）施工图设计阶段。
根据某学校的意见进行施工图设计及编制工程量清单和预算。
其中，图纸部分应包括图纸目录、主要设备及材料表、设计总说明、平面图、系统图、原理图、关键设备的安装图、装配图和基础图等。
4．设计时间
（1）方案设计提交时间：从合同签订之日起，共12日。
（2）施工图提交时间：从认可设计方案之日起，共20日。
四、面向X的设计
针对工程设计项目大中型系统的设计对象，有很多团队，包括非工程师团队也会参与到产品开发中。为了让产品能在市场中具有强大的竞争力，达到开发生产时间短、安全可靠、生产成本低等效果，可利用系统理论思维，采用“并行工程”方法，实现高效的目标优势。
针对设计中的各种因素（例如制造、装配、环境、安全性等），围绕某一因素为主进行的设计被称为面向X的设计（DFX）。下面针对常见的面向制造的设计（DFM）、面向装配的设计（DFA）、面向环境的设计（DFE）做简要介绍。
1．面向制造的设计（DFM）。
面向制造的设计是以最小化的生产成本为基础，促使产品推向市场的时间最短，并保持最佳的产品质量。
为了达到上述目的，便要在设计阶段尽早考虑与产品制造有关的要求，全面评价产品设计和工艺设计，提供反馈信息。
2．面向装配的设计（DFA）。
面向装配的设计研究轻松组成各种零部件使其成为最终产品。通过较少零部件的使用和轻松组装方式的应用是有效降低产品生产成本的方法。
在现代化工程生产过程中，DFA使产品结构模块化、统一化，零部件装配宜于手工处理或自动处理，减少产品使用过程中的变化，其内容涉及产品结构、连接、功能、材料等。
案例
面向装配的设计——确保零件装配方向越少越好
装配零件的方向越少，在装配过程中对零件进行移动、旋转和翻转等动作就能随之减少，进而提高零件装配的效率，使操作人员的工作过程更加有序。
同时，也能避免由于装配过程中零件频繁地移动、旋转和翻转所造成的设备碰撞而导致的质量问题（图2-20）（参见教材P50）。
3．面向环境的设计（DFE）。
关注环境已经成为全社会共同关注的重点，伴随环境保护的全球实施，工程设计人员必须以关注工程过程中的材料、生产过程、生产废弃物等各个环节的环保属性，考虑产品使用期满后的拆解和降解等情况。上述约束条件都要求在设计的早期方案中给出明智的选择。
学习评价
评价内容 评价方式
自评 互评 师评
能够自主搜集、分析相关数据
能结合具体技术发展案例，分析其对社会、文化、经济、环境等方面的影响
能参与技术的发展与应用合适的决策方法
能运用合适的分析方法，明确性能需求，明确制约条件，提出解决方案
通过多途径搜集与工程设计相关的信息，制定多个概念设计方案
懂得对多个方案进行权衡
懂得用草图表达概念设计的设想构思
懂得编制符合规范的工程设计任务书
能运用工程思维将任务具体化，做出性能评估
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？
课后作业
习 题
1．汽车在设计过程中，从材料选择、结构构件等不同方面进行考量，实现在汽车发生纵向碰撞时，题图中阴影部分的形变量足够的大，尽可能吸收碰撞能量，而非阴影部分的形变量尽可能的小，是出于设计过程中重视（ ）因素而进行的设计。
A．安全性 B．可靠性 C．经济性 D．耐久性
2．下面在产品制造过程中，让零部件从下到上、从大到小依次排列，这是在设计过程中遵循了（ ）的设计方法。
A．面向装配 B．面向对象 C．面向制造 D．面向环境
板书设计
第二章 工程设计一般过程
第 四 节 概念化设计
一、工程设计过程中要考量的各种要素
1．工程项目质量
2.进行质量控制
3．制造能力与维护
工效学
二、概念方案设计
三、编制工程设计任务书
四、面向X的设计
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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