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5.2 像工程师那样实践
本节导航·目标清单 教材精研·内容全解 避坑指南·易错辨析实战演练·随堂检测 巩固拓展·课后提升
01 本节导航·目标清单
目标导航
1. 了解工程设计的一般过程。
2. 尝试制作“三球运动演示模型”，并演示日食和月食的成因。
3. 提升实践操作技能，包括使用工具、设备、软件等进行实际工程作业的能力。
方法指导
工程实践的一般过程：明确问题 → 设计方案（概念设计、具体设计）→ 实施计划（制作原型）→ 检验作品（测试）→ 改进完善 → 发布成果。这一过程并非一蹴而就，需要不断发现问题、迭代改进，直至符合工程验收标准。
02 教材精研·内容全解
考点01 工程实践的一般过程
1. 明确问题
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。以一把办公椅的研发为例：办公室员工发现所坐椅子不够舒适，影响工作效率与身体健康，从而产生需求——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。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°；座椅材料为舒适、透气的网布材料；能承受的最大荷载为 150 kg。
办公椅
2. 设计方案
（1）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。（2）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。
设计草图 详细设计图
3. 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。原型由坚固的底盘结构、钢制的气压棒、增加的滑轮、精致的座椅脚等主要部件构成。
主要部件 制作的原型
4. 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。
测试产品
5. 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。
6. 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。
7. 工程实践的一般过程
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。工程实践的一般过程如图所示。
工程实践的一般过程
8. 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。
拉链 笔记本电脑及内部设计
考点02 好的工程设计与科学阅读：都江堰
1. 好的工程设计的重要性
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。
2. 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。它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，丰水期则四成流入内江、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。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。
都江堰全景 都江堰工程示意图 外江与内江
考点03 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、地球模型、月球模型、LED 灯、刻度尺等，工具包括锯子、砂纸等。验收标准要求三球位置与比例合理、模型转动流畅无打滑卡顿、整体美观精致，并能够完美演示日食和月食（光源全程无遮挡）。
2. 设计方案与制作
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、模拟阳光的发光模块。设计时需分析：太阳、地球和月球三者如何放置、尺寸大小如何选择；模型动力如何提供；什么装置可以模拟阳光；以及如何通过齿轮或皮带保证地球绕太阳 1 圈时月球绕地球运动 12 圈的运动关系。选择合适的材料（木板、不同直径的轴和轴套、大小不同的皮带轮及皮带、螺丝螺母等）与工具（锯子、钻孔工具等），绘制草图后按方案制作。
材料 工具
3. 检验、改进与发布
依照评价量表对模型进行测试并打分，记录实施过程中遇到的困难及解决方法。根据测试结果进一步改进（如将手动转动改为电动机、电池和齿轮自动转动，使运行更平稳），最后通过绘制画报、呈现实物或产品发布会的形式发布成果。工程实践的过程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。
不规范的操作
4. 三球运动演示模型制作验收标准（表5.2-1）
评价维度与等级对应如下：
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。
5. 三球运动演示模型测试记录表（表5.2-2）
记录表按“科学原理、可靠程度、制作工艺、演示效果”四个评价维度，分别由第一组、第二组、第三组……等各小组记录测试结果并打分。
03 避坑指南·易错辨析
易错警示 1. 工程实践的一般过程是循环的、迭代的，不是一次完成的；要在检验后发现不足时回到改进完善环节，反复优化直至符合验收标准。 2. 明确问题是工程实践的第一步，设计方案是在明确问题、确定需求之后进行的，不能颠倒顺序。 3. 检验作品在实施计划（制作原型）之后进行，是“做出来再测”，不是制作前或设计阶段就完成的。 4. 改进完善常常在检验作品之后针对发现的问题展开，可能需要多次迭代，并非可有可无的环节。 5. 发布成果是最后一步（生产制造、展示推广与销售），不属于方案设计阶段。 6. 面对多种解决方案时，工程师要评估局限性、分析制约因素、做出权衡与取舍，从中选择最优方案，而非随意选取。
04 实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 在工程设计中，确定设计方案后紧接着的步骤是（ ）
A. 需求分析
B. 详细设计
C. 采购与资源准备
D. 项目交付
2. （1）该小组找到了 A，B 两款小药瓶及 C，D 两种吸管，如图甲所示。为了提高自制温度计的精确度，则最好选择其中的_______进行组合搭配。
3
（2）如图乙所示，先把小药瓶浸没在不同温度的水中，在表中记录有关数据，再根据液柱高度变化量和温度变化量的关系，利用提供的刻度尺，在______和______之间进行温度标注。分析表中数据可知，______时的液柱高度为______。
实验次序 温度 液柱高度
1 0 50.0
2 2 51.0
3 50 75.0
4 100 100.0
4
（3）根据以下评价量表，请你对该温度计进行等级评价，并说明评价理由。
05 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。
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。
3
任务：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。根据任务定义工程问题，分析限制条件，提出验收标准。
参考答案
【实战演练】
第1题： B
解析：工程设计的第一步是需求分析，根据需求确定设计方案。在确定了整体的设计方案后，需要进一步深入细化各个部分的设计，包括具体的零部件规格、尺寸、材料、连接方式等，这就是详细设计阶段的工作。采购与资源准备通常在详细设计完成、明确了具体的材料和零部件需求之后进行。项目交付则是在整个设计、制造、测试等流程都完成之后的最终环节。
第2题： B，D
解析：温度计的玻璃泡容积越大，在温度变化相同时，其内部液体体积变化越大；温度计的玻璃管越细，在液体体积变化相同时，液面位置变化越大，有利于温度计做得更精密。故为了提高自制温度计的精确度，最好选择图甲中的 B 和 D 进行组合搭配。
第3题： 70.0
解析：该自制温度计单位刻度代表的温度为：比 0℃ 高出（75.0 50.0）mm 对应温度变化（50 0）℃，即每 1℃ 对应液柱升高 0.5 mm；比 0℃ 对应刻度高出的长度为（100.0 50.0）mm＝50.0 mm 时，对应温度比 0℃ 高出 100℃，故 100℃ 时液柱高度为 100.0 mm。由表中第 3 次实验，当温度为 50℃ 时，液柱高度为 75.0 mm，则 0℃ 对应 50.0 mm，每升高 1℃ 液柱升高 0.5 mm，所以温度为 40℃ 时液柱高度为 50.0＋40×0.5＝70.0 mm。
第4题： 合格
解析：由（2）知该自制温度计结构完整，刻度标识均匀，精确度满足要求，根据评价量表，评定为合格。
【巩固拓展】
第1题：
解析：科学、技术与工程相互依赖、相互促进：科学揭示自然界规律（如物质性质、能量转换原理），为技术与工程提供理论基础；技术是把科学知识转化为实际手段与方法（如把热胀冷缩原理转化为温度计的测温技术），工程则是运用科学与技术去建造满足人们需求的产品或设施（如建造都江堰水利工程）。例如，科学发现半导体的导电规律，技术由此制造出芯片，工程再用芯片造出智能手机，三者缺一不可。
第2题：
解析：工程实践一般经历：明确问题 → 设计方案（概念设计、具体设计）→ 实施计划（制作原型）→ 检验作品（测试）→ 改进完善 → 发布成果。结合制作三球运动演示模型的经验：先明确“演示日食月食”的任务与材料工具限制，再设计机械模块与发光模块并画草图，然后用木板、轴、皮带轮等制作原型，接着按评价量表测试转动流畅度与演示效果，针对卡顿问题改用电机驱动加以改进，最后以画报或实物发布会发布成果。
第3题：
解析：工程问题：爷爷年事已高、行动不便，需要一款轻便实用的拐杖辅助行走。限制条件：材质应轻便且坚固（如铝合金、碳纤维），重量适宜老人单手握持；底部需防滑、可折叠便于携带；手柄符合人体工学、防滑减震；长度可调以适应不同身高；成本适中。验收标准：★ 能基本支撑行走、重量偏重或调节不便；★★ 轻便、可折叠、行走支撑基本稳定；★★★ 重量轻、握感舒适、防滑稳定、长度可调且收放便捷，老人可独立安全使用。

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