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《5.2 像工程师那样实践——技术与工程实践》教学设计
课程名称 5.2 像工程师那样实践——技术与工程实践 课程类型 新授课
教学目标 1.科学观念：知道工程师将概念模糊的问题转变为高度简练的解决方案的过程就是工程设计的过程；知道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；知道工程设计可简单（如拉链）也可复杂（如盾构机），好的工程设计能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，工程建设之前必须进行仔细的论证和细致的规划；知道都江堰工程（鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口）的构成和“分水、排沙、引水”的科学原理。 2.科学思维：通过办公椅研发流程案例，理解“需求（工程问题）→设计要求→概念设计→具体设计→实施→检验→改进→发布”的工程思维链条；通过三球运动演示模型的制作，经历“明确问题—设计方案（含机械传动比1:12的设计）—实施计划—检验—改进—发布”的完整工程实践过程，体会“发现问题—寻找原因—迭代改进直至符合验收标准”的工程方法。 3.探究实践：能根据工程实践的一般流程，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（能够演示日食和月食的成因）；能依照评价量表（科学原理、可靠程度、制作工艺、演示效果四个维度）对模型进行测试和打分；能通过绘制画报、呈现实物或产品发布会等形式发布成果；能完成关于工程实践流程的练习。 4.态度责任：通过认识盾构机这一“世界工程机械之王”和都江堰这一世界水利工程奇迹，感受我国装备制造业水平和古代劳动人民的智慧，增强民族自豪感；在模型制作中养成安全操作规范、协作分工、实事求是检验的习惯。
教学重难点 （一）教学重点： 1.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。 2.各阶段的含义和要求（工程问题、设计要求、概念设计与具体设计、原型测试、迭代改进、成果发布）。 3.三球运动演示模型的制作（能演示日食和月食的成因）及评价量表的运用。 （二）教学难点： 理解“明确问题”阶段要把模糊需求转化为可设计的具体工程要求（如办公椅的高度调节范围、最大荷载等量化指标）；理解并设计机械传动关系（地球绕太阳1圈时月球绕地球12圈）；在实施—检验—改进的迭代中根据测试结果找出原因并优化设计；理解好的工程设计的特征（预估问题、降低成本、安全稳定、延长寿命）。
教学过程 【环节一】情景导入 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。提出问题：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？以一把办公椅的研发流程为例，走进工程设计。 【环节二】新知探究 一、工程设计的过程（以办公椅为例） （1）核心知识点： 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：办公室员工发现椅子不够舒适，影响工作效率与身体健康，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。工程师了解到需求后，开始研发一款新的办公椅。 设计要求：高度调节范围450~550mm；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150kg。 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，并绘制了显示椅子整体结构的设计草图。 具体设计：基于概念设计进行详细设计，如椅子的各部分材料和具体尺寸等。 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。 检验作品：在工作环境下对原型实物进行测试（高度调节、倾斜角度调节、承重能力、舒适性等）；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。 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。 发布成果：根据原型测试和改进的结果准备进行生产制造——与供应商合作，选取合适的材料和制造工艺，制订生产计划；完成后与经销商合作，进行展示、推广、销售活动。 （2）学生活动： 对照办公椅案例，说出工程实践一般过程的六个阶段及每阶段的任务。 讨论：为什么“检验”发现问题后要“综合考虑生产成本和实际需求”再改进？ （3）教师指导：强调“工程问题”就是需要解决的工程需求；设计要量化（范围、荷载等指标）；改进要权衡成本与效果。 二、工程的复杂程度与好的工程 （1）核心知识点： 工程可以很简单，也可以很复杂。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。 什么是好的工程：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）学生活动： 讨论：举出生活中“简单工程”和“复杂工程”的例子，分析它们各有哪些设计考虑。 （3）教师指导：说明无论工程大小，都遵循相同的工程实践过程，区别在于复杂程度。 三、科学阅读——都江堰 （1）核心知识点： 都江堰：战国后期，李冰在岷江上主持修建，是中国古代水利工程的杰出典范，被誉为水利工程奇迹。 构成：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。 原理：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。 价值：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，在世界水利建设史上是独一无二的。 （2）学生活动： 观察都江堰工程示意图，指出鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口的位置，用“枯水期/丰水期”分别说明江水如何分配。 讨论：都江堰为什么能使用2200多年？（科学利用地形和水文规律，自动分水排沙，不需要水坝等易损结构） （3）教师指导：强调都江堰是“无坝引水”的典范，体现古人顺应自然规律的设计智慧。 四、我们的工程实践——制作三球运动演示模型 （1）核心知识点 / 学生活动： 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。 明确问题：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？ 设计方案：模型可分为两大模块——模拟运动的机械模块、模拟阳光的发光模块；用一个大功率LED灯配圆形乳白色外罩代替太阳（大），泡沫大球代替地球（中），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；动力利用手动、皮带轮和皮带配合完成；利用齿轮或皮带传动保证“地球绕太阳运动1圈时，月球绕地球运动12圈”；绘制设计草图。 验收标准（评价量表）：科学原理（三球位置、比例合理性）；可靠程度（模型转动是否流畅、有无打滑卡顿）；制作工艺（外形是否美观精致）；演示效果（能否完美演示日食和月食、光源是否全程无遮挡），各维度按★~★★★评价。 实施计划：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，注意操作规范（使用锯子和钻孔机注意安全）。 实施步骤：①按草图尺寸用锯子把木板锯成长度、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位置钻3个孔，较短木条两端各钻1个孔，较宽木条中间偏右钻1个孔；③用螺丝把底座安装好；④将大皮带轮用大铁轴套固定在较宽木条中心的大铁轴上，较长木条中间偏右的孔插上轴，轴上端固定太阳模型（大皮带轮上下都要用轴套固定，与上下木条之间留有空隙）；⑤较长木条左侧孔中插入小铁轴，轴下面装小皮带轮，上面依次固定较短木条和地球模型，较短木条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。 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（按小组记录）。 改进完善：根据测试结果，讨论模型还可以如何改进，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制作成果。 （3）教师指导：强调“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”；提醒锯子、钻孔机的安全操作；巡视指导传动比（1:12）的实现和三球比例的选择。 【环节三】课堂小结 引导学生回顾本课核心内容：工程实践的一般过程包括哪六个阶段？什么是工程问题？什么是好的工程设计？三球模型如何保证“地球1圈、月球12圈”的运动关系？学生梳理知识框架，教师总结强调“明确问题→设计方案→实施计划→检验作品→改进完善→发布成果”的完整流程和迭代改进的思想。 【环节四】作业设计 完成课件“小试牛刀”练习： 1.设计一款轻便实用的拐杖，在制定设计方案过程中不需要做的是（B）制作产品原型（原型制作属于“实施计划”阶段，不属于制定设计方案过程）。（方案构思、绘制设计草图、确定具体材料都属于设计阶段。） 2.发现某款插座无法同时插入两个插头，打算设计新插座解决这一问题，这属于工程实践的（A）明确问题（发现需求、提出工程问题）。 3.设计制作走马灯活动中，做法错误的是（D）除顶部叶轮外，应把其它部分做成密封的（走马灯需要下方进气、上方热气上升形成对流，不能完全密封）。（叶轮材料轻薄易推动、以轮轴为参照物剪纸静止、蜡烛位置合适才能转动，均正确。） 4.制作三球运动演示模型时，工程实践流程补充正确的是（C）①设计方案②实施计划③检验作品④改进完善（完整流程：明确问题→设计方案→实施计划→检验作品→改进完善→发布成果）。 5.学生椅研发流程：（1）多次讨论交流后绘制学生椅草图，属于工程实践中的设计环节（概念设计/设计方案）；（2）设计办公椅合适的高度范围时，需要测量人体的坐姿膝高（C）。（站立的椅子高度应以坐姿膝高、肘高等坐姿人体尺寸为依据。） 6.设计并制作亮度可调的学习用台灯（一周内、其他材料成本不超过50元）：（1）收集信息阶段不必收集的是（D）旋钮式开关的工作原理（工作原理属于知识储备，不是需要收集的外在信息）；（2）分析不正确的说法是（B）还须增加时钟、语音控制等功能（超出需求，功能应服务于“学习用”目标）、（C）不需要考虑使用场所（应考虑）、（D）不必考虑信息的交互（应考虑，如亮度调节的交互）。
板书设计 5.2 像工程师那样实践——技术与工程实践 一、工程实践的一般过程 明确问题（工程需求/工程问题）→设计方案（设计要求、概念设计、具体设计、草图）→实施计划（制作原型）→检验作品（测试）→改进完善（迭代）→发布成果 二、好的工程 1.预估现实需求和未来问题；减少资源浪费、降低施工成本 2.保证工程安全稳定、延长使用寿命；先论证规划后建设 三、都江堰：鱼嘴（分水）＋飞沙堰（排沙分洪）＋宝瓶口（引水） 1.内江窄而深（灌溉）、外江宽而浅（分洪） 2.枯水期内6外4；丰水期内4外6；使用2200多年 四、三球运动演示模型 1.任务：演示日食和月食成因 2.设计：LED灯＋乳白罩＝太阳；泡沫球＝地、月；皮带传动1:12 3.验收：科学原理／可靠程度／制作工艺／演示效果（★~★★★） 4.思想：发现问题→寻找原因→迭代改进→符合验收标准
教学反思 1. 效果评估： （1）知识掌握：大部分学生能说出工程实践的一般过程（六个阶段），能区分各阶段的任务；部分学生对“明确问题”中需求与量化设计要求的关系、走马灯的对流原理理解不够深入。 （2）探究实践：三球运动演示模型制作学生投入度高，多数小组能完成基础功能（三球转动、演示日食月食）；传动比1:12的实现和光源不遮挡是主要困难，需要迭代改进。 （3）思维培养：通过办公椅案例和模型制作，学生经历了“需求—设计—实施—检验—改进”的完整工程思维过程，初步建立了“迭代改进直至达标”的工程方法观念。 （4）态度责任：盾构机“大国重器”和都江堰“水利工程奇迹”增强了学生的民族自豪感；安全操作规范教育落实较好。 2. 改进方向： （1）传动比1:12的实现可提供不同齿数皮带轮的参数表，降低设计难度。 （2）评价量表可在制作前让学生先自评分预估，制作后再评分对比，强化目标导向。 （3）可延长课时或布置为课后项目，给小组更多迭代改进的时间。 （4）可组织“班级产品发布会”，让各组展示、讲解、互评模型，提升发布成果环节的质量。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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