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5.2 像工程师那样实践
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本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
· 了解工程设计的含义，知道工程产品来源于工程师的设计与制造 · 掌握工程实践的一般过程：明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果 · 学会运用评价量表对工程产品进行测试与评价 · 体会工程师的思维方法，像工程师那样进行工程实践 · 以办公椅研发为例，理解工程设计各环节的具体内容 · 通过三球运动演示模型的制作，体验工程实践的完整流程 · 关注工程实践中不断迭代改进的核心思想 · 学会权衡成本、需求、材料等因素，选择最优方案
教材精研·内容全解
考点01 工程与工程设计
1. 工程与工程师
我们每天都在使用各种工程产品，如自行车、文具盒、投影仪等，这些都是工程师为了让人们更好地生活、学习而设计并制造出来的。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。例如，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。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，反映了一个国家装备制造业的水平。
2. 工程设计的过程
工程设计的过程包含一系列环节。以一把办公椅的研发流程为例，工程师需要经历明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等环节，才能将一个概念模糊的需求转变为最终的工程产品。每一个环节都不可或缺，前一个环节的输出是后一个环节的输入，各环节之间紧密衔接、相互支撑。
3. 工程的简单与复杂及好设计的意义
工程可以很简单，也可以很复杂。例如，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；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。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。
考点02 工程实践的一般过程
1. 明确问题
工程问题往往来源于人们的实际需求。例如，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。这种需求被称为工程问题。工程师了解到这些需求后，经过调研，确定具体的设计要求，如高度调节范围450～550 mm、倾斜角度调节范围0°～30°、座椅材料舒适透气、能承受最大荷载150 kg等。明确问题是工程实践的第一步，只有把问题弄清楚，才能有针对性地开展后续设计。
2. 设计方案
设计方案一般分为概念设计和具体设计两个阶段。概念设计是研发团队进行多次设计分析、方案构思后，形成初步的设计思路，并绘制设计草图，草图显示了产品的整体结构。具体设计则是基于概念设计进行的详细设计，如产品各部分的具体材料、尺寸等。例如办公椅的详细设计图标注了座椅高度调节范围、靠背前后弧度调节范围、万向轮、金属支架、塑料扶手、软沙发垫等各部件的材料与尺寸。设计方案阶段需要充分发挥创造力，提出多种可行的方案。
3. 实施计划与检验作品
实施计划是根据设计图，工程师们运用各种技术，进行一系列工作，制作出原型。例如办公椅的原型包括坚固的底盘结构、钢制的气压棒、增加的滑轮、精致的座椅脚等主要部件。检验作品是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。检验作品的目的是发现产品存在的问题，为后续改进提供依据。
4. 改进完善与发布成果
改进完善是针对测试发现的问题，为达到设计标准，综合考虑生产成本和实际需求，选择最优方案进行改进，并重新进行测试。例如办公椅承重能力不足，研发团队最终选择更换使用耐受力更强的材料，并重新测试。发布成果是根据原型测试和改进的结果，准备进行生产制造。工程师与供应商合作，选取合适的材料和制造工艺，制订生产计划；完成生产制造后，与经销商合作，进行一系列的展示、推广、销售活动。
考点03 工程实践实例——三球运动演示模型
1. 明确问题：任务、限制条件与验收标准
工程实践的任务是设计制作三球运动演示模型，能够演示日食和月食的成因。限制条件包括材料（木板、地球模型、月球模型、LED灯、刻度尺等）和工具（锯子、砂纸等）。验收标准从科学原理、可靠程度、制作工艺、演示效果四个维度进行评价，每个维度分为★、★★、★★★三个等级。例如科学原理维度，★★★标准要求三球位置、比例均合理；演示效果维度，★★★标准要求可以完美演示日食和月食，光源全程无遮挡。明确问题阶段需要把任务要求、限制条件和验收标准都弄清楚。
2. 设计方案：分析问题与材料选择
设计方案阶段首先要分析问题：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？模型的动力如何提供？什么样的装置可以模拟阳光？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？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。在分析问题的基础上，选择合适的材料和工具，设计方案并绘制草图。
3. 实施计划、检验作品与改进发布
实施计划是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。检验作品是依照评价量表对模型进行测试并打分，将结果记录在表中，评价维度包括科学原理、可靠程度、制作工艺、演示效果。注意操作规范，避免不规范的操作。改进完善是根据测试结果，与组员讨论现在的三球运动演示模型还可以如何改进，并在原设计草图中标注。发布成果是通过绘制画报、呈现实物或产品发布会的形式发布制作成果。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。
考点04 工程实践的思想方法
1. 工程师的思维方法
工程实践中，工程师需要明确问题，通过相互交流和讨论，采用头脑风暴，畅所欲言地提出自己创造性的想法，形成共识。当面对多种解决方案时，工程师需要评估各种方案的局限性，分析制约因素，做出权衡与取舍，从中选择最优的问题解决方案。工程实践不仅要考虑功能能否实现，还要综合考虑生产成本、材料来源、制造工艺、使用环境等诸多因素，在多个可行方案中找到最合适的平衡点。
2. 评价量表与迭代改进
评价量表是检验工程产品的重要工具，从多个维度对产品进行量化评价。例如三球运动演示模型的评价量表包含科学原理、可靠程度、制作工艺、演示效果四个维度，每个维度分为★、★★、★★★三个等级；水火箭的评价量表中功能性指标按飞行时间分为优秀、合格、待改进三个等级。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。
3. 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。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。都江堰是我国古代劳动人民的智慧结晶，2200多年来一直在防洪、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。
避坑指南·易错辨析
【温馨提示】 1. 工程实践的一般过程有严格的先后顺序：明确问题→设计方案→实施计划→检验作品→改进完善→发布成果。其中“检验作品”在“改进完善”之前，必须先测试发现问题，才能有针对性地改进，不能颠倒顺序。 2. “明确问题”是工程实践的第一步，不是“设计方案”。工程师首先要了解用户需求，通过调研确定设计要求，然后才能开始设计方案。把需求弄清楚比急于动手设计更重要。 3. 工程实践的过程并非一蹴而就，不是一次完成就结束的。工程设计需要不断地发现问题、寻找原因并迭代改进，直至符合工程验收标准，改进完善可能要经历多次循环。 4. 评价量表中“待改进”不等于“不合格”或“失败”，它表示产品在某一维度尚未达到理想水平，需要进一步优化完善，是工程改进的方向和依据。 5. 工程设计需要权衡各种因素，不是只考虑功能能否实现。还要综合考虑生产成本、材料来源、实际需求、制造工艺等制约因素，在多种方案中做出权衡与取舍，选择最优方案。
实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. （2025金华义乌期末）小义家楼顶种了很多绿植，夏季需频繁浇水，为此他想设计制作一款自动浇水装置。对他经历的环节排序合理的是（ ）
①上网收集相关自动浇水装置的制作方法 ②通过问卷，调查需求 ③绘制设计图 ④制作产品 ⑤分析检验结果，优化设计方案 ⑥对产品进行测试检验
A. ①②⑥④③⑤
B. ①②③⑥④⑤
C. ②①③④⑥⑤
D. ②①③⑥④⑤
答：__________
2. （2025宁波鄞州期末）我们每天都在使用各种工程产品。某同学在使用某款插座时，发现无法同时插入两个插头，如图所示。因此他打算设计一款新插座来解决这一问题，这属于工程实践的（ ）
A. 明确问题
B. 设计方案
C. 实施计划
D. 检验作品
答：__________
3. （2025衢州期末）制作日、地、月三球相对运动模型时，在确定标准环节，不需要考虑的因素是（ ）
A. 天体运行周期的比例
B. 天体间距离的比例
C. 模型材料的颜色
D. 模型的大小和质量
答：__________
4. （2025台州椒江期末）某学习小组在设计制作走马灯的活动中，下列做法错误的是（ ）
A. 选择叶轮材料时应考虑轻薄、易被推动的
B. 走马灯工作时，以轮轴为参照物，剪纸是静止的
C. 点燃的蜡烛应放在合适的位置才能让走马灯转动
D. 为了让走马灯顺利转动，除顶部叶轮外，应把其他部分做成密封的
答：__________
5. （2025台州黄岩期末）日常生活中，老年人容易发生从椅子上要站起来的瞬间猛地一头栽倒的事故。为解决这个问题，设计师对椅子的扶手前端和底腿前端进行改进，以下改进方案最合理的是（ ）
A. 扶手前端上翘便于手握，底腿前端加斜杆支撑防止前倾
B. 扶手前端下垂，底腿前端加斜杆支撑
C. 扶手前端上翘，底腿前端不加任何支撑
D. 扶手前端平直，底腿前端加水平支撑
答：__________
巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 请结合生活中的实例，说明科学、技术与工程之间的关系。
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2. 工程实践需要经历哪些步骤？结合你的工程实践经验进行说明。
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3. 某同学的爷爷年事已高，行动不便。该同学想要设计一款轻便实用的拐杖来帮助爷爷行走。请根据任务定义工程问题，分析限制条件，提出验收标准。
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参考答案
1. C 解析：首先要通过问卷调查了解用户需求（②），明确需求后上网收集相关制作方法借鉴经验（①），然后绘制设计图将思路可视化呈现（③），根据设计图制作产品（④），对产品进行测试检验（⑥），根据测试结果分析并优化设计方案（⑤）。合理排序为②①③④⑥⑤，故选C。
2. A 解析：该同学在日常使用插座的过程中发现了插座设计的不合理之处，因此打算设计更新型的插座解决这一问题，属于明确问题的过程，故选A。
3. C 解析：天体运行周期和天体间距离是日、地、月三球相对运动的重要特征，在确定标准环节需要考虑。模型的大小和质量会影响模型的稳定性、可操作性以及展示效果，也需要考虑。模型材料的颜色主要影响外观视觉效果，与三球相对运动的本质特征和规律并无直接关联，不需要考虑，故选C。
4. D 解析：选择轻薄的叶轮材料易于被热空气推动，A正确；走马灯工作时剪纸固定在轮轴上，以轮轴为参照物剪纸是静止的，B正确；蜡烛应放在合适位置使热空气有效上升推动叶轮，C正确；若除顶部叶轮外把其他部分做成密封的，空气无法形成有效对流，走马灯无法正常工作，D错误。故选D。
5. A 解析：老年人从椅子站起时容易前倾栽倒，底腿前端加斜杆支撑可在椅子向前倾斜时提供支撑，扶手前端上翘便于老年人起身时手握发力，A方案最合理。B扶手前端下垂不便于手握；C底腿无支撑不能防止前倾；D水平支撑不能有效防止前倾。故选A。

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