普通高中教科书·通用技术 选择性必修 工程设计基础.pdf

工程设计基础工程设计基础通用技术TONGYONG JISHUPUTONG GAOZHONG JIAOKESHU普 通 高 中 教 科 书选择性必修绿 色 印 刷 产 品 绿 色 印 刷 产 品 0614 通用技术封面选修3 工程设计基础 5毫米 10614 通用技术封面选修3 工程设计基础 5毫米 12022/8/2 16:482022/8/2 16:48普通高中教科书通用技术选择性必修工程设计基础北京总 主 编：褚君浩副 主 编：朱志勇本册主编：于 剑编写人员：于 剑责任编辑：朱春柳 梅栾芳美术设计：胡白珂普通高中教科书 通用技术 选择性必修 工程设计基础上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出版发行网（北京市海淀区中关村南大街17号院1号楼 邮编：100081）址 http:/ 版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现内容质量问题，请登录中小学教材意见反馈平台：如发现印、装质量问题，影响阅读，请与本社联系。电话：400-810-5788通用技术是一门联系科学规律和技术应用的课程。人类在生产实践和科学实验的过程中，获得了知识，掌握了规律，形成了技术，进而在工程任务中利用技术，提升生产实践和科学实验的水平。实践认识再实践再认识，这样的过程循环反复，人类的科学技术不断提升，社会生产力不断发展。世界是物质的，物质是运动的。在我们周围充满着物质的多种多样的运动形式，除了常见的机械运动以外，还有光、声、热、电、磁、分子、原子、基本粒子、生命运动等。人们在观察和研究物质的这些运动形式时，发现了规律，运用规律发明了技术，相应产生了机械技术、光技术、声技术、热技术、电技术、磁技术、分子技术、核技术、生物技术等。这些技术分别或者集成起来在多类工程任务中得以应用，涉及机械工程、土木工程、热力工程、电子工程、光学工程、能源工程、环境工程、生物工程、航空航天工程、海洋工程、地质工程等。典型的工程，包括南浦大桥、世博会的中国馆、虹桥枢纽屋顶上的太阳能发电站、C919大飞机、风云四号等大工程，也包括制造服装、烹饪菜肴、室内装修、三维打印零件等小工程。工程任务完成后制造出各类产品，应用于社会方方面面不同领域，为社会创造财富。从事这些工作的勤奋踏实而富有创新精神的劳动者，成为了基础扎实的工程师和精益求精的工匠，他们是我们学习的楷模。我国古代人民的发现和发明造就了中国科学技术的辉煌历史，不仅有指南针、造纸术、印刷术、火药等重要发明，还有以都江堰水利工程、传统木建筑的榫卯结构等为代表的水利、天文、建筑、铸造、纺织、陶瓷、冶金、航海等古代科学技术，这些杰出的技术是中国古代科技文明的精粹，对人类文明发展和社会生产力的进步产生了巨大推动作用和深远影响。技术是人类利用自然规律实现某种功能和目标的一种能力，它的背后是科学规律，它的前面是工程任务。工程任务有明确目标，技术在完成工程任务中实现它的价值。例如，根据牛顿第三定律可以利用作用力的反作用力推进物体，这一原理可以用于火箭工程，再运用万有引力定律，可以发射地球卫星，甚至把嫦娥四号送到月球背面。技术的价值在工程任务中得到充分体现。把技术应用于工程，就要遵循工程的规范。实现技术的应用，完成一项工程任务，首先要明确这项工程的具体目标，提出完整可行并有创新的设计方案。设计方案又涉及工程目标物的结构、工艺流程、组成系统、意图控制等。方案的具体内容要用技术语言和图样表达出来，根据图样来操作加工，最后实现方案，完成工程任务。工程实施过程中的经验和教训，需要同行互相交流；是否完成了预期的目标要求，需要由外部专家和使用者进行评价。工程交付后，还要经受时间和应用的评判。同学们，新时代已经来临，新工业革命正在悄悄向我们走来。如同18世纪以机械化为特征的第一次工业革命、19世纪以电气化为特征的第二次工业革命、20世纪以信息化为特征的第三次工业革命，21世纪人类将开启以智能化为特征的第四次工业革命。人类致同学们致同学们 I总是先在观察或实践中发现规律，在此基础上发明了技术，进而推动技术的应用与发展。人们发现了质能关系，发明核技术；发现了受激辐射规律，发明激光技术；发现了光纤中光传输规律，发明光通信技术；发现了电磁波规律，发明无线通信技术；发现了半导体光跃迁规律，发明半导体照明技术；等等。先进技术为构建人类绚丽文明打下基础。谁掌握了规律，谁发明了技术，谁就获得了主导权。智能制造是新工业革命的重要特征，而通用技术是智能制造的基础课程之一。同学们，机遇和挑战在等待着我们！通用技术课程必修内容包括“技术与设计1”“技术与设计2”2个模块，它们分别从技术和设计的角度阐述通用技术的一般概念，并通过实践来帮助同学们体验技术与设计的内涵。选择性必修内容包括“技术与生活”“技术与工程”“技术与职业”和“技术与创造”4个系列11个模块。整体框架由图0-1表示。学习这门课程要注重掌握概念和加强实践，尤其要通过动手实践，来培养自己的技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力等核心素养。生活工程职业创造智能家居应用设计服装及其设计现代家政技术技术与职业探索职业技术基础机器人设计与制作工程设计基础电子控制技术基元技术创造力开发与技术发明产品三维设计与制造科技人文融合创新专题力技术电技术磁技术光技术声技术热技术控制的设计系统的设计流程的设计结构的设计技术与设计2交流与评价方案与实现技术的设计技术的性质技术与设计1通用技术人类科学活动和生产实践选择性必修分册工程设计基础立足实践、注重创造，综合科学技术与人文，协调设计知识、技能与素养。设计知识可以通过书本获得，而获得技能的最好方式是亲身经历真实项目做设计。本分册系统地介绍了设计知识和方法、工程设计的一般原则与过程、工程设计建模方法、决策与管理知识，但工程设计所用的具体原理、技术、经济、法规等知识与信息，需要通过其他课程、技术报告等途径获取。工程设计是开放的，集知识、技能、思想、经验、文化、责任等于一身的工程素养需要在知识学习和工程实践中逐渐养成。工程实例比比皆是。同学们在学习本分册的内容时，要经常观察相关知识在生活与生产中的实际应用，以此提升观察能力、分析与综合能力、创新与实践能力。这样，本分册的学习内容将更加丰满，实践也有理论指导。同时，同学们通过学习本分册设计的一些简易实践项目，可以进一步加深对工程设计的理解、掌握与应用。编 者2019年8月图0-1 课程内容整体框架II工程设计基础第一章 工程设计概述 1第 1 节 科学、技术与工程 2第 2 节 工程设计 7第 3 节 设计工程师 11第二章 工程设计的一般过程 15第 1 节 工程设计过程和要素 16第 2 节 工程设计的活动 21第 3 节 可制造性工程设计 40第 4 节 可持续性工程设计 49第三章 工程设计建模 59第 1 节 工程模型的主要类型 60第 2 节 计算机建模与仿真 63第 3 节 快速成型与测试 67第四章 工程决策与管理 71第 1 节 决策与评价 72第 2 节 时间进度管理 82第 3 节 全面质量管理 88第 4 节 生命周期成本管理 91目 录致同学们 1第一章 工程设计概述第 1 节 科学、技术与工程第 2 节 工程设计第 3 节 设计工程师工程设计是人类运用科学技术知识和实践经验，创造性地构造有效、可行、适用的工程系统，满足人类社会需求的一种有目的的活动。工程实例比比皆是，经常观察工程实例可以提升我们的观察与分析能力，强化我们的技术意识和工程思维。随着工程系统的结构越来越复杂、规模越来越庞大、社会矛盾越来越突出，工程设计常常需要受过专门训练的工程师团队协作才能完成。本章简述了工程设计的内涵、特征和分类，介绍了工程师的专业需求和社会责任。了解工程的定义、简史与分类。第1节 科学、技术与工程学习目标观察上图中的桥，你还知道哪些桥？思考一下，它们应用了哪些科学原理和技术？实现了哪些价值？古今中外，桥都是一个典型工程。它是智慧的，一根圆木、一块条石即可成桥；它是科学的，古代的赵州桥、洛阳桥等都是建筑学的瑰宝；它是技术的，人类用不同的材料建造了各种各样不同形式的桥；它是历史的，不同历史时期的桥都代表了当时科学与技术的进步；它是经济的，人类的社会联系因其扩大和加强；它是心灵的，人们喜欢把桥比作心灵沟通的纽带；它是文化的，一座桥可以穿越千年时光熠熠生辉。赵州桥洛阳桥北盘江大桥港珠澳大桥科学、技术与工程是人类认识世界、改造世界的重要活动，不断促进人类的政治、经济、社会和文化发展，丰富人们的生活。2工程设计基础科学是对自然进行观察和实验，通过归纳、演绎、仿真等活动认知自然界的物质存在形态和运动行为，发现物质世界的演化规律。在桥梁设计时，运用材料力学、结构力学原理分析桥梁的静力平衡，运用运动学、数学等原理与方法分析桥梁的振动稳定性，运用氧化还原反应原理分析材料的腐蚀与防护，等等，都属于科学的范畴。技术是人类在认识自然、改造自然的过程中积累起来并在生产劳动中体现、发展而来的方法和技巧、经验和知识。建筑桥梁时使用的设计技术、材料技术、施工技术、检测技术、减振技术、材料腐蚀与防护技术等，都属于技术的范畴。工程是综合应用科学原理和技术手段有目的地去认识自然、改造自然、利用自然的实践活动，物化为有形的工具、装备、设施、产品等形态，以促进人类的生产和丰富人们的生活。建筑桥梁时选择吊桥还是拱桥、箱梁还是桁架梁，选择石材、钢材还是混凝土，确定建筑构件的形状、尺寸和安装工艺，计算承重、寿命、成本、维护量，等等，都属于工程的范畴。科学虽然出现在近代，但人类自诞生之始就开始了对“自然之道”的探索。春秋战国时期，老子以“有道无术，术尚可求也；有术无道，止于术”、庄子以“以道驭术，术必成；离道之术，术必衰”论述了“道”与“术”的关系，这些思想不仅描述了科学与技术之间的辩证关系，还为科学和技术探索提供了方法论。现代美国航天工程专家冯卡门以“科学家发现已有的世界，工程师创造从未有过的世界”描述了科学与工程的关系。科学和技术是工程的基础和源泉，工程实践反过来促进人类科学探索的深入与技术的发展。例如：观察苹果落地、行星运动等现象，人类发现万有引力、作用力与反作用力等，建立经典牛顿力学理论，奠定了土木工程、机械工程、航天工程等科学基础；观察小鸟飞翔等现象，人类建立空气动力学理论，奠定了航空工程、风力发电工程等科学基础；从观察摩擦吸附现象到电荷的发现、电磁学理论的建立，奠定了电力工程和电机工程的基础；从观察闪电到发现电磁波、建立电磁场理论，奠定了无线通信工程和雷达工程的基础；从观察物质可分现象到提出原子理论、建立元素周期表和现代组织观看伟大工程巡礼 超级工程等系列影片中的工程案例，分组交流这些工程是基于哪些科学原理和技术，工程设计和实施过程有哪些关键节点，工程团队是如何克服困难完成的。并讨论这些工程对现代社会发展的社会、经济和文化价值。交流&讨论第一章 工程设计概述 3化学反应理论，奠定了化工工程和材料工程的基础；从对原子光谱和光电效应的观测到电磁理论和量子力学理论的建立，奠定了现代光学工程、照明工程的基础。自然界是由大大小小的各种天然系统和人造系统组成的一个庞大的生态系统。其中，人造系统可以是某区域的电力网络、天然气网络，也可以像航空发动机那样是复杂机器，像材料那样是一些原子的堆积体，或者是制造汽车零部件的生产工序的组合。科学主要采用分析的方法对自然的物质世界进行分解，细分为不同的学科和专业，侧重事物的不同侧面与角度；而工程采用综合的方法，将科学技术与社会、政治、经济、文化、环境、资源等各种要素集成为一个有机整体，以实现特定的功能行为，侧重于系统的整体和协调。技术要素构成了工程系统的基本内涵，非技术要素构成了工程系统的边界条件。拓展阅读系统科学在我国的产生在我国，系统科学的产生和发展是与“两弹一星”工程任务相伴成长的。1962年3月21日，在酒泉卫星发射中心，我国首次自行设计研制的导弹“东风2号”首次发射，升空69秒后便坠毁在距发射台680米处，炸出一个直径约30米的大坑。失败原因很快查明：没有充分考虑导弹弹体在飞行过程中