5.2 像工程师那样实践 课件 -2026-2027学年浙教版科学七年级上册

5.2 像工程师那样实践 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。 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？ 一、工程设计的过程 1、工程设计的过程： 我们每天都在使用各种工程产品：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。 2、工程设计的一般步骤： 下面以一把办公椅的研发流程为例，让我们一起走进工程设计。 （1）明确问题 （2）设计方案 （3）实施计划 （4）检验产品 （5）改进完善 （6）发布成果 （1）明确问题 办公室员工在工作时发现所坐的椅子不舒适，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。 ○ 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：150 kg。 图5.2-1 办公椅 制作一把办公椅 （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。 图5.2-2 设计草图 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。 图5.2-3 详细设计图 图5.2-4 主要部件 （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。 图5.2-5 制作的原型 图5.2-6 测试产品 （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。 （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。 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： 图5.2-7 工程时间一般过程 调查同学坐椅子的感受，找出存在的问题，并提出适合在教室使用的改进设想，画出设计草图。 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。 图5.2-8 拉链 图5.2-9 笔记本电脑及内部结构 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。 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。 图5.2-10 都江堰全景 图5.2-11 都江堰工程示意图 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。 图5.2-12 外江与内江 都江堰是我国古代劳动人民的智慧结晶。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。 1、明确问题 制作三球运动演示模型 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。 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。 二、我们的工程实践 让我们根据工程实践的一般过程，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。 评价 维度 ★ ★★ ★★★ 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 合理模型转动流畅,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 表5.2-1 三球运动演示模型制作验收标准 2、验收标准 3、设计方案 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。 1. 分析问题。 （1）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？ 放置： 尺寸： 太阳、地球和月球大致在同一水平面上，地球可绕太阳转动，月球可绕地球转动，使黄白交角为5度左右。 日地距离与月地距离比约400:1，日地月直径约400∶4∶1。 因日地距离太大作相应缩处理小，太阳直径太大，也相应缩小。 （2）模型的动力如何提供？ 动力可手动或电动,并用齿轮或皮带传递动力。 （3）什么样的装置可以模拟阳光？ 用一个大功率LED灯，配一个圆形乳白色外罩表示太阳。 （4）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？ 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。 如果用齿轮传递动力，那么齿轮比达到12∶1就能达到同等效果。 2.材料和工具的选择。 图5.2-13 材料 图5.2-14 工具 3.设计方案并绘制草图。 4、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 5、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。 科学原理 可靠程度 制作工艺 演示效果 第一组         第二组         第三组         ……       表5.2-2 三球运动演示模型测试记录表 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。 6、改进完善 根据测试结果，现在的三球运动演示模型还可以如何改进？与组员讨论，并在原设计草图中标注。 7、发布成果 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，以确保工程建造顺利进行。 视频： 视频：日地月三球运动演示模型 1.小科发现教师办公室里的烧水壶不能自动上水，且保温效果不佳，为此小科想设计一款自动上水烧水壶。以下有关自动上水烧水壶的设计要求中，不合理的是 （ ） A.设计免开盖自动上水功能 B.具备防干烧功能 C.手柄和壶盖采用金属材料 D.壶体本身采用耐高温无毒害的材料 C 2.如图所示是一款具有杀菌功能的床铺除尘机器人。下列关于该机器人的设计分析和评价中不正确的是 ( ) A.操作简单，使用方便，主要考虑了人的因素 B.有杀菌除尘功能，符合设计的实用原则 C.能识别床铺的边沿，不会掉落，考虑到了环境的因素 D.因在床铺上使用，设计时机器人的机身高度不受限制 B 3.学校里的自行车停放场地小，许多同学乱停乱放，晚来的同学经常无法停放自行车。小敏设计了一个解决方案，为此小敏不需要考虑的是 （ ） A.停放场地的位置 B.设计所需的时间及费用 C.自行车的材质 D.日常停放的自行车数量 C 4.在某次工程实践活动中，同学们正在进行航船模型的制作，下面几个同学的观点，你认为错误的是 ( ) A.果果:测试时发现动力有问题，马上进行调整优化 B.天天:在完成测试改进后，要给自己的小船写一份说明书 C.佳佳:为了使船能装载更多的物品，我们要把船做得越大越好 D.晶晶:要想小船跑得快，动力越大越好 C 5.如图所示为木料抗弯强度实验。木料在悬挂重物后向下弯曲，测得木料 M 的下弯距离为3mm，木料 N 的下弯距离为 7mm。从结构稳固角度考虑，下列板凳设计方案中，合理的是 ( ) A A.木料M制作 B.木料M制作 C.木料N制作 D.木料N制作   再见 Lavf60.4.100 $