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(共44张PPT)
5.2像工程师那样实践
课程引入
在建造公路、铁路和地铁时，需要开挖隧道。盾构机能够实现全自动开挖隧道，被誉为“世界工程机械之王”，是名副其实的大国重器，反映了一个国家装备制造业的水平。盾构机的各个部件都是经过工程师们相互配合、共同协作设计和制造出来的。那么，工程师是如何进行工程设计的？我们如何学会像工程师那样实践？
下面以一把办公椅的研发流程为例，让我们一起走进工程设计。
工程设计的过程
工程师们将概念模糊的问题转变为高度简练的解决方案，这就是工程设计的过程。
明确问题
办公室员工在工作时发现所坐的椅子不够舒适，影响工作效率与身体健康，就会产生需求：希望可以调节椅子高度和靠背角度，使它坐起来更舒适。这种需求被称为工程问题。工程师了解到这些需求后，开始研发一款新的办公椅。研发团队经过调研，确定了以下设计要求：
高度调节范围：450~550 mm。
倾斜角度调节范围：0°~30°。
座椅材料：舒适、透气的网布材料。
能承受的最大荷载：150 kg。
制作一把办公椅
明确问题
办公室员工在工作时发现所坐的椅子不够舒适，影响工作效率与身体健康，就会产生需求：希望可以调节椅子高度和靠背角度，使它坐起来更舒适。这种需求被称为工程问题。工程师了解到这些需求后，开始研发一款新的办公椅。
制作一把办公椅
确定以下设计要求：
高度调节范围：450~550 mm。
倾斜角度调节范围：0°~30°。
座椅材料：舒适、透气的网布材料。
能承受的最大荷载：150 kg。
制作一把办公椅|设计方案
概念设计
概念设计。研发团队进行多次设计分析、方案构思后，有了初步的概念设计，并绘制了设计草图，草图显示了椅子的整体结构。
制作一把办公椅
具体设计
基于概念设计，研发团队进行了详细设计，如椅子的各部分材料和具体尺寸等。
制作一把办公椅
具体设计
基于概念设计，研发团队进行了详细设计，如椅子的各部分材料和具体尺寸等。
制作一把办公椅|实施计划
实施计划
根据设计图，工程师们运用各种技术，进行一系列工作，制作了原型。
制作一把办公椅|检验作品
检验作品
研发团队在工作环境下对原型实物进行测试，包括高度调节、倾斜角度调节、承重能力和舒适性等方面。测试结果表明，原型在其他方面表现良好，但承重能力有所不足。
制作一把办公椅|改进完善
改进完善
针对测试发现的问题，为达到设计承重的标准，综合考虑生产成本和实际需求，研发团队最终选择更换使用耐受力更强的材料，并重新进行了测试。
制作一把办公椅|发布成果
发布成果
根据原型测试和改进的结果，研发团队准备进行生产制造。他们与供应商合作，选取合适的材料和制造工艺，并制订了生产计划。完成生产制造后，他们与办公家具经销商合作，进行一系列的展示、推广、销售活动。
工程实践的一般过程
工程实践
明确问题
设计方案
实施计划
检验作品
改进完善
发布成果
工程可以很简单，也可以很复杂。
工程的复杂程度
拉链由两排互锁的齿和一个滑块组成，这一简单结构巧妙地实现了连接或分离两排齿的功能
工程的复杂程度
笔记本电脑由许多部件组成，涉及电子学、微处理器和计算机软件等多方面知识，这一复杂设备能够执行多项功能
工程可以很简单，也可以很复杂。
工程的复杂程度
笔记本电脑由许多部件组成，涉及电子学、微处理器和计算机软件等多方面知识，这一复杂设备能够执行多项功能
工程可以很简单，也可以很复杂。
一个好的工程设计能够预估现实需求和未来可能出现的问题，减少资源浪费、降低施工成本、保证工程安全稳定和延长工程使用寿命。因此，在进行任何工程建设之前，必须首先进行仔细的论证和细致的规划，以确保工程质量和效益的最大化。
什么是好的工程
科学阅读
都江堰
战国后期，李冰在岷江上主持修建了都江堰。都江堰是中国古代水利工程的杰出典范，被誉为水利工程奇迹。
科学阅读｜都江堰工程示意图
都江堰由渠首和灌溉网两大系统构成。渠首建于岷江之中，分为鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三个主体工程。鱼嘴将岷江分为内江和外江，内江用于灌溉，外江用于分洪。内江窄而深，外江宽而浅。枯水期，江水六成流入内江，四成从外江流走；丰水期，江水四成流入内江，六成从外江流走。宝瓶口是在内江下游人工开凿出的出水山口，引水入渠，灌溉农田。
科学阅读
都江堰是我国古代劳动人民的智慧结晶。2200多年来，都江堰一直在防洪、灌溉、水运等多方面发挥作用，这在世界水利建设史上是独一无二的。
科学阅读
我们的工程实践
让我们根据工程实践的一般过程，选择合适的材料，制作太阳、地球和月球的三球运动演示模型
明确问题
任务：设计制作三球运动演示模型，能够演示日食和月食的成因。
限制条件：材料包括木板、地球模型、月球模型、LED灯、刻度尺等，工具包括锯子、砂纸等。
制作三球运动演示模型
评价维度 ★ ★★ ★★★
科学原理 三球位置、比例均不合理 三球位置或比例基本合理 三球位置、比例均合理
可靠程度 模型难以正常转动 模型转动流畅，偶尔打滑、卡顿，但不影响使用 模型转动流畅，无打滑、卡顿现象
制作工艺 模型外形较粗糙 模型外形较为美观 模型整体美观、精致
演示效果 无法演示日食和月食 基本可以演示日食和月食，光源有时会被遮挡 可以完美演示日食和月食，光源全程无遮挡
制作三球运动演示模型｜验收标准
制作三球运动演示模型｜设计方案
三球运动演示模型具体可以分为两大模块，分别是模拟运动的机械模块、模拟阳光的发光模块。
分析问题。
（1）太阳、地球和月球三者应该如何放置？
尺寸大小应该如何选择？
用一个大功率LED灯，配一个圆形乳白色外罩代替太阳（大），用泡沫大球代替地球（中）和用泡沫小球代替月球（小），地球可绕太阳转动，月球可绕地球转动。
制作三球运动演示模型｜设计方案
（2）模型的动力如何提供？
模型的动力利用手动、皮带轮和皮带配合完成。
（3）什么样的装置可以模拟阳光？
用大功率LED灯可以模拟阳光
制作三球运动演示模型｜设计方案
（4）机械装置中常用齿轮或皮带实现动力的传递，地球绕太阳运动1圈时，月球绕地球运动12圈。如何保证上述运动关系？
可以保证地球绕太阳运动1圈时，月球绕地球运动12圈。
材料
工具
制作三球运动演示模型｜材料和工具的选择
制作三球运动演示模型｜设计方案并绘制草图
按照设计方案制作演示模型，记录实施过程中遇到的困难以及解决的方法。
制作三球运动演示模型｜实施计划
注意操作规范
制作三球运动演示模型｜实施步骤
按照草图中的尺寸，用锯子把木板锯成长度和宽度各不相同的长木条。（注意：使用锯子和钻孔机注意安全）
2.用钻孔机在较长木条的左右两端和中间偏右的位置钻3个孔，在较短的木条的两端各钻一个孔，较宽的木条的中间偏右钻一个孔。（注意：孔的大小和钻的大小相同，较宽木条的中间孔和较长木条中间偏右的孔径相同，其余的孔径相同）
制作三球运动演示模型｜实施步骤
3.按照下图，用螺丝把底座安装好。
制作三球运动演示模型｜实施步骤
4.将一个大皮带轮用大铁轴套固定在较宽木条中心的大铁轴上，再把较长木条中间偏右的孔插上，轴上端固定太阳模型。（注意：大皮带轮上下都要用轴套固定，与上下木条之间要留有空隙）
5.较长木条左侧的孔中插入小铁轴，轴的下面装一个小皮带轮，上面依次固定较短木条和地球（泡沫中球）模型，较短木条的另一端固定月球（泡沫小球）模型，调整轴的高度，使月球中心与地球中心相平。
制作三球运动演示模型｜实施步骤
6.在大、小皮带轮上挂上松紧合适的皮带，推动右侧的轴，使较长木条带动地球绕太阳转动，同时小皮带轮带动月球绕地球旋转。
评价维度 ★ ★★ ★★★
科学原理 三球位置、比例均不合理 三球位置或比例基本合理 三球位置、比例均合理
可靠程度 模型难以正常转动 模型转动流畅，偶尔打滑、卡顿，但不影响使用 模型转动流畅，无打滑、卡顿现象
制作工艺 模型外形较粗糙 模型外形较为美观 模型整体美观、精致
演示效果 无法演示日食和月食，光源有时会被遮挡 基本可以演示日食和月食，光源有时会被遮挡 可以完美演示日食和月食，光源全程无遮挡
制作三球运动演示模型｜工程验收
验收标准：
三球运动演示模型制作验收标准
科学原理 可靠程度 制作工艺 演示效果
第一组
第二组
第三组
......
制作三球运动演示模型｜检验组品
检验作品
依照评价量表对模型进行测试并打分，将结果记录在表中。
制作三球运动演示模型
改进完善
根据测试结果，现在的三球运动演示模型还可以如何改进？与组员讨论，并在原设计草图中标注。
发布成果
通过绘制画报、呈现实物或产品发布会的形式发布三球运动演示模型制作成果。
工程实践的过程并非一蹴而就，在工程设计时要不断地发现问题、寻找原因并迭代改进，直至符合工程验收标准。在一些重大工程的建造中，工程设计尤为关键，要考虑各种因素、权衡工程的影响，以确保工程建造顺利进行。
工程实践
小张家种着几棵柚子树，他发现高处的柚子摘不到，爬树采摘又不安全，于是他想设计一款柚子采摘工具。小张在设计方案时，不需要做的是（ ）。
判断是否有必要设计该采摘工具
分析用什么材料制作该采摘工具
用草图呈现设计方案
根据要求，筛选出合理的设计方案
小试牛刀
A
如图所示为一个装液体洗涤剂的瓶子，其瓶口有一个带有缺口的小圆筒从中间伸出，小圆筒与瓶子外口之间有一个与内部相通的窄缝。瓶盖内部中间也有一个圆筒从中间伸出（如图甲所示）。使用时，将洗涤剂倒入瓶盖的圆筒中，然后再倒入洗衣机内。瓶盖盖回时，其内部的圆筒伸进瓶口里面（如图乙所示）。下列选项中，不属于上述设计的优点的是（ ）
洗涤剂倒出后，不容易从瓶口流到瓶的外壁上
将洗涤剂倒入瓶盖后，更容易控制洗涤剂的用量
瓶盖套在瓶口上时，其内部残留的洗涤剂不会流到瓶的外壁上
瓶盖旋在瓶口上后，洗涤剂能与空气更好地隔绝，不容易变质
小试牛刀
D
我们常常见到在一些草坪上铺有石板的小路，对于如图所示的石板小路铺设方案，行人行走时可能会出现什么问题？
小试牛刀
行人的步伐难以控制
如图所示为我们常用的透明刻度尺。如果你是一个设计刻度尺的技术人员，那么选择制造透明刻度尺的材料时，除了材料必须是透明的这一要求之外，你还会提出怎样的要求？（写出三点）
（1）材料不容易变形，扳弯后能够很好地恢复原形;
（2）材料热胀冷缩不明显;
（3）材料强度要比较高。
小试牛刀
思维点拨

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