第二部分 单元教学设计3 工艺及方案实现-高中信息技术和通用技术单元教学设计

>> 134 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 单元教学设计 3 工艺及方案实现 葛令章  石家庄第二外国语学校 一、单元主题：低速微型实验风洞的原型制作 在完成产品的设计方案之后，学生可以通过制作模型或原型来检验产品的造型、 结构以及零部件的装配关系，并通过对立体形态的观察与推敲，对产品的设计进行 调整和修改。本单元主要基于地质版《技术与设计 1》第五章“制订设计方案”中 第三节“材料与制造工艺”及第六章“制作模型或原型”，同时参考人教版、苏教版 等版本教材的相关内容，旨在通过产品的模型或原型制作，引导学生实现技术设计 方案，进一步提高学生的物化能力、工程思维和创新设计能力等通用技术学科核心 素养。 二、单元内容 （一）单元概念 本单元需要学生掌握的概念有材料、工艺、组装。   第二部分  通用技术   单元教学设计 3  工艺及方案实现　 135 << （二）单元内容分析 本单元教学包括选择产品制作材料、体验产品制造工艺、产品原型功能测试三 个阶段，旨在让学生深度体验将设计方案转化为现实产品的全过程。 第一阶段为选择产品制作材料。教师引导学生了解材料及其分类，知道常见材 料的性能及应用，并能依据设计方案和产品用途选择和规划材料。 第二阶段为体验产品制造工艺。通过对设计方案中各个零部件的加工制作，学 生可掌握简易木工、金工、电子电工等常用工具的使用方法，并体验常见材料的加 工工艺，同时了解一至两种数字化加工设备（如激光雕刻机、激光切割机、三维打 印机）的使用方法，在加工制作过程中逐步形成基本的物化能力。 第三阶段为产品原型功能测试。学生对产品功能进行测试，制订产品改进方案， 提高创新设计等核心素养。 三、单元目标 （一）学业要求 掌握常用工具及其使用方法、常见材料及其加工方法、模型制作及其工艺等， 具有运用技术设计方法解决技术问题的基本能力和基本经验，并能进行有效迁移。 （二）单元素养目标 1. 工程思维 比较常见材料的特性、应用环境和基本加工工艺，掌握常用材料的连接方法， 并能根据设计方案和产品用途选择和规划材料；依据选择的材料，选择适当的加工 工具和设备。 2. 物化能力 掌握简易木工、金工、电子电工常用工具的使用方法，了解一至两种数字化加 >> 136 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 工设备（如激光雕刻机、激光切割机、三维打印机）的使用方法。根据设计方案恰 当选择加工工艺，制作一个简单产品的模型或原型。 四、单元教学策略 （一）基于项目的教学策略 采用真实情境下大概念引导大项目的项目教学策略。如图 2-1 所示，主要包括 目标设定、情境导入、任务引领、活动贯穿、评价量化几个环节。 图 2-1  基于项目的教学策略 （二）单元项目教学任务分析 实现设计方案，首先要考虑的问题是制造产品的材料如何正确地选择。这就需 要学习材料的分类、常见材料的性能、材料的选择以及常用材料的连接方式等。因 此，本单元设置的第一个项目任务就是选择产品制作材料。 实现设计方案，还需要考虑常见材料的制造工艺有哪些。因此，本单元还设置 了体验木工、金工、电子电工以及数字化制造等项目。 根据设计方案，采用合适的制造工艺制造的产品零部件，通过组装和调试成为 技术产品后，还需要进行功能测试。因此，本单元最后设置了电子控制部件的组装 与功能测试项目，如表 2-14 所示。 表 2-14  低速微型实验风洞原型制作项目设置 序  号 内  容 项  目 备  注 1 选择产品制作材料 依据来源对材料进行分类 探究常见材料的性能与应用 低速微型实验风洞的材料选择 含标准件 2 体验木材加工工艺 制作木质弹射滑翔机 试验用机   第二部分  通用技术   单元教学设计 3  工艺及方案实现　 137 << 续  表 序  号 内  容 项  目 备  注 3 体验激光切割工艺 制作风洞的洞体结构 4 体验三维打印工艺 制作风洞的整流装置 蜂窝器 5 体验金属加工工艺 制作试验飞机的支撑装置 支撑架 6 体验电子焊接工艺 电子控制部件的组装与功能测试 五、课时安排及重点 （一）课时安排 课时安排如表 2-15 所示。 表 2-15  单元课时安排 阶  段 内  容 课  时 第一阶段 ：选择产品制作材料 选择产品制作材料 1 第二阶段 ：体验产品制造工艺 体验木材加工工艺 1 体验激光切割工艺 1 体验三维打印工艺 1 体验金属加工工艺 1 第三阶段 ：产品原型功能测试 电子控制功能测试 1 （二）教学重点 （1）探究常见材料的性能，掌握选择材料的方法和原则。 （2）指导学生依据设计方案选择合适的材料。 （3）按照设计要求指导学生选用合适的加工工具与设备，体验常见材料的加工 工艺。 （4）熟悉模型或原型制作的一般流程，并体验将设计方案进行物化的全过程。 >> 138 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 （三）教学难点 （1）通过对常用工具、设备的实践学习，获得相关知识，掌握相关技能。 （2）在技术方案实现过程中，能合理解决生成性问题。 六、单元评价设计 （一）学业质量 通过本单元的学习，学生能了解金属、木材、电子元器件等常用材料的属性、 加工工艺及连接方法，学会模型或产品的成型制作和装配。 （二）评价内容 单元评价内容如表 2-16 所示。 表 2-16  单元评价内容 项  目 学业质量 核心素养 质  量 水  平 材料的选择 能根据设计要求选择合适的材料，感官检测材料性能 1 工程思维 材料的测试 能根据设计要求进行简单的材料性能测试，根据材料性能 列出用料表 2 工具的选择和 安全检查 能根据材料选择合适工具，感官检测工具性能 1 物化能力 能根据材料性能和加工需要，对工具进行性能测试 2 工具使用和部 件加工 了解工具的使用方法及加工安全、注意事项 1 掌握基本的工具使用和部件加工方法，主动规避安全事故 2 产品的成型装 配与测试 初步确定基础的组装工序，借助文字表达 1 能够按照组装工序组装模型或原型 2 产品的优化 能针对出现的问题选择解决方案 1 工程思维能依据设计要求，从环境、经济、社会、美学等方面考虑 问题的处理方法 2   第二部分  通用技术   单元教学设计 3  工艺及方案实现　 139 << 七、课时教学设计 （一）课时 1  依据设计方案选择合适的材料 1. 目标设定 （1）工程思维。了解材料及其分类，知道常见材料的性能及应用；通过案例分 析，比较常见材料的应用环境；能根据设计方案和产品用途，选择合适的材料。 （2）物化能力。了解一些常用材料的连接方法。 2. 情境导入 方案的实现，首先需要合适的材料。例如，学生要实现低速微型实验风洞这个 设计方案，就要考虑各组成部分选用什么材料。这就需要学生学习什么是材料，材 料有哪些种类、特性，以及如何根据方案选择材料等。 3. 任务引领 完成低速微型实验风洞设计方案的材料选择。 4. 活动贯穿 活动 1 ：引领学生初步了解材料选择与产品的关系。 【阅读教材】阅读人民教育出版社出版的《通用技术（必修）：技术与设计 1》 第 87 ～ 88 页，了解常见材料的主要应用，如表 2-17 所示。 表 2-17  常见材料的应用 金属材料 木质材料 纸质材料 塑料材料 玻璃材料 橡胶材料 机械零部件 建筑材料 导线等 家具 装饰 建筑材料等 报纸 书画 纸艺 纸板箱等 日常生活和办公用品 工业生产及医疗卫生 用品等 门窗 日用品 医疗用具 艺术品 化学仪器 电子仪表等 轮胎 防振部件 黏合剂 胶带软管 电线绝缘层 电缆绝缘层等 【技术探究】山地车是专门为越野行走而设计的自行车（图 2-2），你能将山地 车主要零部件所使用的材料一一列出来吗？可填写在表 2-18 中。 >> 140 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 把套 鞍座 外胎 坐杆 车架 牙盘 辐条 链条 刹把 图 2-2  山地自行车 表 2-18  山地自行车主要零部件使用的材料 序  号 零部件名称 材  料 1 把套 2 刹把 3 车架 4 辐条 5 鞍座 6 坐杆 7 外胎 8 链条 9 牙盘 活动 2 ：了解材料及其分类。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 1》第 84 页，了解材料的分类，如表 2-19 所示。 表 2-19  材料的分类 材料分类 定  义 常见材料 天然材料 不改变其在自然界中保持的状态，或只施 加低度加工的材料 木材、竹材、棉、毛、皮革、石材等 加工材料 自然界存在的、不能直接使用的，或者自 然界不存在的，需要经过人为加工或合成后才 能使用的材料 金属、玻璃、尼龙、塑料、橡胶等 复合材料 运用先进的材料制备技术，将两种或两种 以上不同性质的材料组分优化组合而成的具 有综合性能的新材料 结构复合材料 ：玻璃纤维或碳纤 维与树脂复合而成的材料 功能复合材料 ：导电橡胶等   第二部分  通用技术   单元教学设计 3  工艺及方案实现　 141 << 特别提醒：告诉学生除上述分类外，材料还有多种分类方法，可利用课余时间 查阅相关内容。 活动 3 ：探究常见材料的主要性能与应用。 【技术试验】用钢丝钳剪切金属丝，如图 2-3 所示。 图 2-3  用钢丝钳剪切金属丝 思考： （1）为什么剪断相同直径不同材质的金属丝所用的力不同？ （2）为什么用钢丝钳可以剪断铁丝而钢丝钳的刃口却没有受到磨损？ 【阅读教材】在一般的工程领域，材料的机械性能与设计工作的关系十分密切。 阅读地质版《技术与设计 1》第 85 ～ 86 页，了解材料的机械性能（强度、弹性、韧 性、硬度、延展性）及加工性能（又称工艺性能），如表 2-20 所示。 表 2-20  材料的性能 机械性能 物理性能 化学性能 加工性能 强度 弹性 硬度 韧性 延展性 密度 熔点 导热性 导电性 磁性 耐蚀性 抗氧化性 还原性 铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削性能 活动 4：依据设计方案，正确、合理地为低速微型实验风洞设计方案选择材料。 【阅读教材】材料是实现技术设计方案的必要条件。 阅读地质版《技术与设计 1》第 92 ～ 93 页，了解设计时如何选择材料。 （1）材料的固有特性应满足设计产品的使用功能、使用寿命等要求。 （2）材料的工艺性应方便设计产品，实现制造结构，有利于优化生产加工工艺 过程。 （3）材料的质感应与设计作品的造型特点、民族和地域特征、文化艺术品位等 >> 142 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 设计风格相协调，以实现较好的外观效果。 （4）有安全性等特殊要求的产品或零部件的选材要按照有关标准选用。 【技术实践】依据上述选择原则，正确、合理地为低速微型实验风洞设计方案选 择材料（表 2-21）。 表 2-21  低速微型实验风洞设计方案选材结果 项  目 组成部分 零部件 材料或标准件 加工工艺 连接方式 低速微 型实验 风洞 木质弹射滑翔机 （试验用机） 机身 松木片 木工 黏结 机翼 桐木片 木工 黏结 支撑架 铝合金、木块 金工、木工 螺纹 风洞洞体结构 洞体各段 透明亚克力板 激光切割 黏结 整流装置 蜂窝器 ABS 打印丝 三维打印 黏结 动力组合 动力部分 零、部件 2212 无刷电机 焊接 锂电池 焊接 螺旋桨 控制部分 数据显示部件（升力、 阻力） 500 g 电子秤 焊接 200 g 电子秤 焊接 连接舵机测试器与电机 部件 25 A 或更大 XT60 插头带 BEC 无刷电调 焊接 控制电机的转速来调节 风速大小的部件 舵机测试器 焊接 实验段连接转换及调节 模型迎角等的部件 舵机 焊接 风速测试部件 风速传感器 焊接   第二部分  通用技术   单元教学设计 3  工艺及方案实现　 143 << 5. 量化评价 量化评价表如表 2-22 所示。 表 2-22  量化评价表 评价内容 评价方式 自我评价 小组评价 教师评价 过程评价 师生互动 能积极思考老师提出的问题 能基于已有经验构建新的知识 能积极参与课堂讨论 实践活动 能积极参与技术实践活动 与小组成员有效合作 在实践中提出创造性的构思 活动进度安排合理 活动 1 ：技术探究 活动 2 ：阅读教材 活动 3 ：技术试验 活动 4 ：技术实践 结果评价 目标实现 阅读材料，知识学习 技术探究，问题思考 技术实践，迁移应用 收获反思 改进优化 成果展示 收获感悟，反思不足 （二）课时2  制作木质弹射滑翔机 1. 目标设定 （1）物化能力。掌握简易木工工具的使用方法，并能正确、安全地操作。 （2）工程思维。根据设计方案和已有条件选择合适的加工工艺。 2. 情境导入 材料和工具准备好后，就进入工艺制作过程。在整个制作过程中，一方面应注 意选择合理的加工工艺，另一方面应注意合理安排操作过程，遵守安全规范。经过 讨论，学生一致认为应该在低速微型实验风洞原型制作前，先确定试验飞机的机型 >> 144 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 和尺寸，以便在进行“风洞”性能测试阶段使用，于是本课时引导学生制作一批弹 射模型飞机，作为“风洞”实验的试验机。 3. 任务引领 学习常用木工工具的使用，体验木材加工工艺。 4. 活动贯穿 活动 1 ：识读图样（图 2-4），了解木质弹射滑翔机的技术要求。 4 4 0 40 25 R7. 5 330 7 重心位置 25 9 0 40150 35 0 . 7 5 18 11 5585 0.75 180 重 位置 3 0 1 .75 0. 75 2 4 2 5 1 1 4 90 R7 .5 4 0 图 2-4  木质弹射滑翔机图样 活动 2 ：选择合适的材料与工具。 材料：  320×15×4 mm 松木片（机身），200×60×3 mm 桐木片（机翼），100×  45×0.75 mm 桐木片（垂直尾翼）等。 工具：小木工刨、木锉、美工刀、砂纸板、铅笔、三角板、钢直尺、502 胶水等。 活动 3 ：按照图样要求，加工制作。 按照木质弹射滑翔机图样，使用合适的工具分小组加工制作木质弹射滑翔机的 各个部分并完成组装（表 2-23）。教师示范木工工具、测量工具的正确使用方法。 组长负责组内学生的分工，以及加工过程中的协调工作。   第二部分  通用技术   单元教学设计 3  工艺及方案实现　 145 << 表 2-33  木质弹射滑翔机制作工艺 活  动 工艺步骤 制作机身 在松木片上画出机身外形，用美工刀削制成型后用砂纸板打磨光滑。用美工刀在机 身顶面刻出三角形的机翼安装槽 制作尾翼 在桐木片上画出水平尾翼和垂直尾翼（注意木纹方向），用美工刀切出外形，用 502 胶水垂直黏合 制作机翼 在桐木片上画出机翼外形，用美工刀切出机翼毛坯。在机翼毛坯上画线，按照图样 所给出的尺寸用小木工刨、木锉结合砂纸板制作成型并打磨光滑。用砂纸板将断面打 磨成斜面，用 502 胶水将两个断面黏合成型 组装成型 将机翼安装在槽内并用 502 胶水黏结，尾翼黏结在机身尾部 特别提醒：树立“安全第一”的劳动意识，工具轻拿轻放，使用完放回原处， 工作区域清扫干净，养成安全文明的劳动习惯。 5. 量化评价 量化评价表参考表 2-22。 （三）课时3  制作风洞的洞体结构 1. 目标设定 （1）物化能力：体验激光切割机的使用方法，能按照操作规程正确、安全地 操作。 （2）工程思维：根据设计方案和已有条件选择合适的加工工艺。 2. 情境导入 激光切割机切割材料的范围很广，可以切割碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑 料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。低速微型实验风洞设计方案中风 洞的洞体部分选用的是透明亚克力板，激光切割加工精度高、速度快、成本低，所 以学生选择了激光切割工艺制作洞体的各个部分。 3. 任务引领 学习激光切割机的使用，体验激光切割工艺。 4. 活动贯穿 活动 1 ：规划材料，并设计切割矢量图。 规划材料一般是指在满足设计、加工等要求的前提下，将所有需要的零件，按 >> 146 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 照尺寸大小及形状规格，在选定的板材上进行科学排列，以最小面积或最短长度排 出用料定额。其目的是提高材料的利用率，降低产品成本。 规划材料按照从外向内、先大后小、先主后次的顺序进行规划，排列时“平直 对平直、凹形对凸形”合理排放。对于木材料或服装面料等有纹理朝向或图案的材 料，要预估好成品的纹理一致、图案对称等要求，避免损失。 规划材料的常用方法有复写纸法、样板法、直接画法、计算机辅助设计（CAD） 等。本案例利用计算机辅助设计绘制“洞体”结构切割矢量图（图 2-5）。 图 2-5  利用计算机辅助设计绘制切割矢量图 活动 2 ：依据切割矢量图，按比例用激光切割机切割并组装成型。 激光切割机是由计算机按预定的轨迹控制激光的运动，将激光的高热量作用于 工件表面，使工件表面瞬间气化而进行加工生产产品的设备。工作时，由计算机将 设计图纸输入激光切割机的控制存储系统，由控制存储系统指挥激光电源、激光管 和步进电机等同时工作，在激光束能量的作用下，材料表面被迅速加热到几千至上 万摄氏度而熔化或气化，随着气化物逸出或熔化物被辅助高压气体吹走，产生切缝， 生成零部件或者作品。 安全提示：请戴好符合规定的防护眼镜，遵守切割机安全操作规程，严格按照 启动程序启动机器。 活动 3 ：小组讨论。 （1）与使用传统木工工具相比，使用激光切割技术有哪些优点和不足？ （2）哪些情况下适宜用传统木工工具，哪些情况下适宜用激光切割技术？ 5. 量化评价 量化评价表参考表 2-22。   第二部分  通用技术   单元教学设计 3  工艺及方案实现　 147 << （四）课时4  制作风洞整流装置 1. 目标设定 （1）工程思维：根据设计方案和已有条件选择合适的加工工艺。 （2）物化能力：掌握简单几何体数字模型设计方法以及三维打印机、切片软件 的使用方法。 2. 情境导入 三维打印技术是利用打印头、喷嘴或其他打印技术，通过材料堆积的方式来制 造零件或实物的一种工艺。三维打印所用的设备被称为三维打印机，三维打印机以 三维模型文件为基础，将其分割成一系列数字切片，通过计算机控制把塑料、金属、 液态树脂、石膏粉等类似的液体或粉末状的“打印材料”一层层叠加起来，生成三 维实体。学生在设计方案中使用了蜂窝器对进气端的空气进行整流，蜂窝几何形状 简单、建模容易，非常适合三维打印制作。 3. 任务引领 设计并制作风洞整流装置，体验计算机辅助设计以及三维打印技术。 4. 活动贯穿 活动 1 ：利用计算机辅助设计生成符合设计要求的三维数字模型。 活动 2 ：根据工艺要求把三维数字模型分层切片，并输入加工参数，生成数 控代码，由三维打印机喷头在程序控制下逐层制造实体模型。 活动 3 ：小组讨论。 （1）与传统加工工艺相比，三维打印技术有哪些优势？ （2）低速微型实验风洞的哪些部件可以用三维打印技术制作？ 5. 量化评价 量化评价表参考表 2-22。 （五）课时5  制作试验飞机支撑架 1. 目标设定 （1）工程思维：根据设计方案和已有条件选择合适的加工工艺。 >> 148 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 （2）物化能力：基本掌握弓锯、锉刀、丝锥、钻床、铣床等简易金工工具及加 工设备的使用方法。 2. 情境导入 金属加工简称金工，是一种把金属材料加工成物品、零件、组件的工艺，被广 泛应用在科学、工业、艺术品、手工艺等不同的领域。试验飞机支撑架选用了铝合 金板材料，适合使用钳工以及铣工（针对有条件的学校）工艺来制作。 3. 任务引领 制作试验飞机支撑架，体验金属加工工艺。 4. 活动贯穿 活动 1 ：制作金属（铝合金）支架（图 2-6）。 图 2-6  铝合金支架 活动 2 ：按照设计要求，与试验飞机连接，并完成舵机等零部件的组装。 （六）课时6  电子控制部件的组装与测试 1. 目标设定 （1）物化能力：掌握万用表、电烙铁、电焊台等常用电子工具的使用方法。   第二部分  通用技术   单元教学设计 3  工艺及方案实现　 149 << （2）工程思维：对产品的结构、功能进行检测和试验，检验是否符合设计要求， 并依据检测结果对设计方案进行优化。 2. 情境导入 尽管目前现代化企业已经普遍使用自动插装、自动焊接的生产工艺，但产品试 制、生产小批量产品等目前还采用手工焊接方式。本方案设计中的电子控制、显示 等部分需要用手工焊接的方式完成。 3. 任务引领 电子控制部件的组装与测试，体验电子焊接工艺。 4. 活动贯穿 活动 1 ：按照设计方案，通过手工焊接方式完成电机、电池、开关以及数据 显示等部件的组装。 活动 2 ：按照设计方案，对产品的功能进行检测和试验，检验是否符合设计 要求（图 2-7）。 测试 1 ：风速一定的条件下，迎角 15°左右测试模型飞机的升力与阻力。 测试 2 ：风速一定的条件下，迎角调小到负值测试模型飞机的升力与阻力。 测试 3 ：迎角不变的情况下，测试模型飞机升力与风速之间的关系。 图 2-7  产品测试 5. 产品优化 （1）进行结构优化、外观装饰优化。 （2）依据测试结果，进行功能优化。 >> 150 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 八、反思提升 本单元基于学生现实生活中遇到的真实问题创设教学情境，进行技术设计与制 作。经过慎重考虑，最终选择了低速微型实验风洞的原型制作项目。项目采用任务 引领、活动贯穿的方式，循序渐进，构建学科核心知识。学生在项目开展和实施中 不知不觉间实现知识传递、迁移和融合。通过制作低速微型实验风洞的原型，学生 亲历工艺及方案实现的整个过程。本单元充分体现了通用技术学科提倡的“做中学， 学中做”的理念，提高了学生的创新精神和实践能力。通过本单元的学习，学生增 强了技术意识，提升了工程思维，提高了创新设计能力，能准确进行图样表达，发 展了物化能力，提高了团队协作能力和交流表达能力，本单元很好地实现了课程单 元教学目标。