资源简介

5.2 像工程师那样实践
本节导航·目标清单 考点精讲·内容全解 温馨提示·易错辨析实战演练·即时检测 巩固拓展·能力提升
本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
· 了解工程设计的过程，知道工程实践的一般步骤 · 以制作办公椅为例，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，经历完整的工程实践过程 · 理解工程实践需要不断迭代改进 · 了解都江堰工程的原理和价值 · 以办公椅设计为案例，梳理工程实践六步骤 · 通过三球运动模型制作，亲历工程实践全过程 · 用流程图记忆工程实践的一般过程 · 对比简单工程与复杂工程，理解工程设计的价值 · 阅读都江堰材料，体会古代工程设计智慧
考点精讲·内容全解
考点01 工程设计的过程
1. 工程设计的概念
为了更好地生活、学习、工作，工程师们设计了很多工程产品，如汽车、自行车、文具盒、投影仪等。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。在建铁路、公路或地铁时，需要开凿隧道，盾构机能实现全自动开挖隧道。现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行量体裁衣式的设计制造，可靠性要求极高。盾构机被誉为世界工程机械之王，是名副其实的大国重器，是衡量一个国家装备制造业水平和能力的重大装备之一。盾构机是工程师们相互配合、共同协作设计和制造出来的。
2. 工程实践的一般过程
工程实践的一般过程包括六个步骤：明确问题、设计方案、实施方案、检验产品、改进完善、发布成果。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。
考点02 以制作办公椅为例理解工程设计
1. 明确问题
明确问题是工程实践的第一步。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450~550mm，靠背倾斜角度调节范围0°~30°，座椅材料采用舒适、透气的网布材料，能承受的最大载荷150kg。明确问题阶段需要明确设计的目标和要求，包括功能需求、性能需求、使用环境要求等，并与客户或相关方进行深入沟通，充分理解他们的期望和限制条件。
2. 设计方案
设计方案分为概念设计和具体设计两个阶段。概念设计：根据问题，通过相互交流和讨论，运用头脑风暴，产生多种设计概念和方案，对这些概念进行初步评估和筛选，确定几个有潜力的方向。对选定的概念进行细化和完善，形成具体的设计方案，包括整体结构、主要部件、工作原理等方面的设计，绘制设计草图。具体设计：基于概念设计，进一步深化方案，确定各个零部件的具体尺寸、形状、材料等细节，绘制详细的工程图纸和技术文档。办公椅的主要部件包括坚固的底盘结构、钢制的气压棒、精致的座椅脚、滑轮等。
办公椅设计草图 办公椅详细设计图
3. 实施方案
实施方案是根据设计图，运用各种技术，进行一系列工作，制作原型。研发团队根据设计方案中确定的材料和尺寸，制作出办公椅的原型实物。原型是工程设计中的重要环节，它将设计图纸转化为可以触摸和测试的实物产品。
办公椅原型制作
4. 检验产品
检验产品是在工作环境下对实物进行测试，看是否满足限制条件。研发团队对办公椅原型进行测试，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。检验产品阶段是发现问题的关键环节，测试结果将直接影响后续的改进方向。
5. 改进完善
改进完善是针对测试发现的问题，对设计进行进一步的调整和优化，解决出现的问题和不足之处，再次制作原型并重新进行测试。针对承重能力不足的问题，综合考虑生产成本和实际需求，研发团队选择更换使用耐受力更强的材料，达到设计承重的标准。改进完善是一个迭代的过程，可能需要多次反复，直到产品完全满足设计要求。
6. 发布成果
发布成果是测试完成后，与生产部门协作，为大规模生产做好准备工作，如制定生产工艺、整理和编写详细的设计报告、使用手册等。研发团队与供应商合作，选取合适的材料和制造工艺，并制订生产计划。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。发布成果标志着工程实践从设计研发进入实际应用阶段。
考点03 工程的简单与复杂及工程设计价值
1. 工程可以很简单，也可以很复杂
工程可以很简单，也可以很复杂。例如，拉链由链牙、拉头、限位码或锁紧件等组成，这一简单结构巧妙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。无论是简单的拉链还是复杂的笔记本电脑，都需要经过工程设计的过程才能从概念变为产品。
笔记本电脑——复杂工程
2. 好的工程设计的价值
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。工程设计不仅要解决当前的问题，还要考虑长远的使用效果和可能出现的新情况。
考点04 我们的工程实践——制作三球运动演示模型
1. 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、地球小模型、月球小模型、LED灯、刻度尺等，工具包括锯子、砂纸等。验收标准按照科学原理、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。
2. 设计方案
三球运动演示模型具体分为两大模块：模拟运动的机械模块和模拟阳光的发光模块。设计方案如下：（1）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。（2）模型的动力利用手动、皮带轮和皮带配合完成。（3）机械装置中太阳下面的大皮带轮直径是带动月球转动的小皮带轮的12倍，可以保证地球绕太阳运动1圈时，月球绕地球运动12圈。用大功率LED灯可以模拟阳光。
3. 实施方案
材料选择：木板，太阳、地球、月球小模型，直径不相同的轴和轴套（大铁轴配大皮带轮，小铁轴配小皮带轮），大小不同的两个皮带轮及皮带（两个皮带轮直径的比是12:1），一些螺丝、螺母等固定件。工具选择：锯子、钻孔工具等。实施步骤：（1）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。（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，较宽的木条的中间钻一个孔。（3）按照设计图，用螺丝把底座安装好。（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。（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模型，较短木条的另一端固定月球模型，调整轴的高度，使月球中心与地球中心相平。（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。注意：使用锯子和钻孔机注意安全。
制作步骤示意图
4. 检验产品
检验产品时，演示要求在遮光室内进行。用手连续推动右侧的轴，地球绕太阳公转，月球绕地球旋转，当地球运行到太阳与月球之间时，则形成月食；当月球运行到太阳与地球之间时，则形成日食。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（三球位置、比例是否合理）、可靠程度（模型转动是否流畅）、制作工艺（模型外形是否美观）、演示效果（能否演示日食和月食）四个方面。
5. 改进完善与发布成果
改进完善：手动转动可以改成电动机、电池和齿轮自动转动，运行更平稳。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，以保证工程的顺利进行。
考点05 课外延伸——都江堰
1. 都江堰工程概述
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。都江堰工程原理包括鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道和宝瓶口进水口三大部分。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。
2. 都江堰工程原理
首先是修筑宝瓶口引水工程，将岷江水流分为两道，使岷江水流向东边的成都平原，同时减少西边的江水的流量，使西边的江水不再泛滥，同时也能解除东边成都平原的干旱，灌溉那里的良田。宝瓶口虽然起到了分流和灌溉的作用，但因江东地势较高，江水难以流入宝瓶口，为了使岷江水能够顺利东流且保持一定的流量，又在岷江中修筑分水堰鱼嘴，迫使大量江水流入宝瓶口。鱼嘴将江水一分为二：西边称为外江，它沿岷江河道顺流而下；东边称为内江，它流入宝瓶口。由于内江窄而深，外江宽而浅，这样枯水季节水位较低，则60%的江水流入河床低的内江，保证了成都平原的生产生活用水；而当洪水来临，由于水位较高，于是大部分江水从江面较宽的外江排走，这种自动分配内外江水量的设计就是所谓的四六分水。为了进一步控制流入宝瓶口的水量，起到分洪和减灾的作用，李冰又在鱼嘴分水堤的尾部，靠着宝瓶口的地方，修建了分洪用的平水槽和飞沙堰溢洪道，以保证内江无灾害。溢洪道前修有弯道，江水形成环流，江水超过堰顶时洪水中夹带的泥石便流入到外江，这样便不会淤塞内江和宝瓶口水道。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，这在世界上是独一无二的。
外江与内江
温馨提示·易错辨析
【温馨提示】 1. 工程实践的一般过程是六个步骤：明确问题、设计方案、实施方案、检验产品、改进完善、发布成果，不要遗漏或颠倒顺序。 2. 设计方案包括概念设计和具体设计两个阶段，概念设计是产生多种方案并筛选，具体设计是确定细节并绘制工程图纸。 3. 改进完善是一个迭代过程，不是一次就能完成的。测试发现问题后需要重新制作原型并再次测试，直到满足验收标准。 4. 工程实践中的头脑风暴是指畅所欲言地提出创造性想法，形成共识后再评估各种方案的局限性，做出权衡与取舍。 5. 检验产品和改进完善是两个不同的步骤。检验产品是测试是否满足限制条件，改进完善是针对测试发现的问题进行优化。 6. 好的工程设计能够预估现实需求和未来可能出现的问题，不仅解决当前问题，还要考虑长远使用效果。
实战演练·即时检测
【实战演练】
1. 工程实践的一般过程，正确的顺序是（ ）
A. 设计方案→明确问题→实施方案→检验产品→改进完善→发布成果
B. 明确问题→设计方案→实施方案→检验产品→改进完善→发布成果
C. 明确问题→实施方案→设计方案→改进完善→检验产品→发布成果
D. 设计方案→实施方案→明确问题→检验产品→发布成果→改进完善
2. 下列关于工程设计的说法，不正确的是（ ）
A. 工程设计是将概念模糊的问题转变为高度简练的解决方案的过程
B. 设计方案阶段需要通过头脑风暴产生多种设计概念和方案
C. 改进完善是一次性完成的，不需要反复迭代
D. 发布成果包括制定生产工艺、编写设计报告和使用手册等
3. 在三球运动演示模型的制作中，大皮带轮直径是小皮带轮的12倍，其目的是（ ）
A. 使模型转动更平稳
B. 保证地球绕太阳运动1圈时，月球绕地球运动12圈
C. 减小模型的体积
D. 使模型更加美观
4. 下列关于都江堰工程的说法，正确的是（ ）
A. 都江堰由渠首和灌溉网两大系统构成，渠首分为鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三个主体工程
B. 鱼嘴将岷江分为内江和外江，内江用于分洪，外江用于灌溉
C. 枯水期60%的江水从外江流走，丰水期60%的江水流入内江
D. 都江堰至今已有约1000年的历史
5. 关于工程的简单与复杂，下列说法正确的是（ ）
A. 拉链结构简单，不属于工程产品
B. 笔记本电脑结构复杂，属于工程产品
C. 工程越简单越没有价值
D. 只有大型工程才是真正的工程
6. 工程实践的一般过程包括______、______、______、______、______、______六个步骤。其中，针对测试发现的问题，对设计进行进一步的调整和优化的步骤是______。
答：________________________________
巩固拓展·能力提升
【巩固拓展】
1. 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。根据工程实践的步骤，第一步应该做的是（ ）
A. 绘制设计草图
B. 明确工程问题和限制条件
C. 制作原型
D. 测试产品
2. 下列关于工程实践的说法，不正确的是（ ）
A. 工程师需要通过相互交流和讨论，采用头脑风暴提出创造性想法
B. 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
C. 工程实践的过程一蹴而就，不需要反复改进
D. 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
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。请根据工程实践的步骤，完成以下内容：
工程问题：________________________________
限制条件：________________________________
验收标准：________________________________
答：________________________________
答：________________________________
答：________________________________
参考答案
【实战演练·即时检测】
1. B 解析：工程实践的一般过程为：明确问题→设计方案→实施方案→检验产品→改进完善→发布成果。明确问题是第一步，发布成果是最后一步，中间步骤有严格的顺序要求。
2. C 解析：改进完善是一个迭代过程，不是一次性完成的。针对测试发现的问题，需要对设计进行调整和优化，再次制作原型并重新进行测试，直到产品完全满足设计要求。
3. B 解析：在三球运动演示模型中，大皮带轮直径是小皮带轮的12倍，这样当大皮带轮（带动地球绕太阳转动）转1圈时，小皮带轮（带动月球绕地球转动）转12圈，从而保证地球绕太阳运动1圈时，月球绕地球运动12圈，符合实际天文现象。
4. A 解析：都江堰由渠首和灌溉网两大系统构成，渠首分为鱼嘴、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（选项B错误）。枯水期60%的江水流入内江，丰水期大部分江水从外江排走（选项C错误）。都江堰至今已有2200多年历史（选项D错误）。
5. B 解析：工程可以很简单，也可以很复杂。拉链虽然结构简单，但也是工程产品（选项A错误）。笔记本电脑结构复杂，涉及多方面知识，属于工程产品（选项B正确）。工程的价值不取决于简单还是复杂，而在于能否解决问题、满足需求（选项C、D错误）。
6. 明确问题；设计方案；实施方案；检验产品；改进完善；发布成果。改进完善。
【巩固拓展·能力提升】
1. B 解析：工程实践的第一步是明确问题，即明确设计的目标和要求，包括功能需求、性能需求、使用环境要求等。对于设计拐杖的任务，首先需要明确工程问题（轻便实用的拐杖帮助爷爷行走）和限制条件（质量、稳定性、调节、外观设计等），然后才能进行后续的设计方案、制作原型和测试等工作。
2. C 解析：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。选项C说法错误，工程实践需要反复改进。
3. 参考答案：
工程问题：设计一款轻便实用的拐杖来帮助爷爷行走。高度适合爷爷身高，方便使用或能调节高度。质量轻便。材质为木制或不锈钢材料。稳定性好、防滑。携带方便。
限制条件：质量轻便。稳定性：能长时间承载人体重量，不易倾倒。调节：轻松、便捷。外观设计：符合人体学原理，美观、简洁，握柄舒适，避免复杂结构、操作。
验收标准：质量轻便，实用，牢固、不易断裂，使用舒适等，在湿滑、不平整的路面不易倾倒，方便携带。

展开更多......

收起↑