浙教版七上科學§5.2像工程師那樣實踐教學設計課題5.2像工程師那樣實踐單元五學科科學年級七上教材分析本節(jié)為新浙教版七上第五章《探索技術與工程的世界》中的第2節(jié)內(nèi)容。教材以活動為載體來說明什么是工程設計，如何進行工程設計，使學生了解工程實踐的一般步驟和過程，等；通過科學閱讀《都江堰》水利工程，使學生體會到工程建設前認證和規(guī)劃的重要性和必要性。在此基礎上，提供動手動腦機會，讓學生動手工程實踐：制作三球運動演示模型，豐富學生的研感性認識，熟悉工程實踐的過程，提升動腦、動手和實踐能力。學習目標科學觀念：知道工程設計的重要性；了解工程設計一般過程；會對簡單的工程問題進行操作；科學思維：通過“制作一張辦公椅”活動體會工程設計不是工程師的特權，自己也可像工程師那樣參與實踐；探究實踐：嘗試制作“三球運動演示模型”，并演示日食和月食的成因；提升實踐操作技能，包括使用工具、設備、軟件等進行實際工程作業(yè)的能力；態(tài)度責任：初步形成動手、動腦的習慣；養(yǎng)成親自動手操作的習慣和意識，并能將動手實踐運用到生活實際中去。重點知道工程實踐的一般過程；難點如何設計，動手操作實踐。教學環(huán)節(jié)教師活動設計意圖導入新課在建造公路、鐵路和地鐵時，需要開挖隧道。盾構機能夠?qū)崿F(xiàn)全自動開挖隧道，被譽為“世界工程機械之王”，是名副其實的大國重器，反映了一個國家裝備制造業(yè)的水平。盾構機的各個部件都是經(jīng)過工程師們相互配合、共同協(xié)作設計和制造出來的。那么，工程師是如何進行工程設計的？我們?nèi)绾螌W會像工程師那樣實踐？導入新課講授新課一、我國重大工程鑒賞：1、航天工程：神舟系列飛船2、深海探測工程：蛟龍?zhí)栞d人潛水器3、深海探測工程：蛟龍?zhí)栞d人潛水器4、水利工程：都江堰5、鐵路工程：京張鐵路6、橋梁工程：趙州橋二、工程設計的過程：1、工程設計過程：工程師們將概念模糊的問題轉變?yōu)楦叨群喚毜慕鉀Q方案，這就是工程設計的過程。2、工程設計的一般步驟：①明確問題②設計方案③實施方案④檢驗產(chǎn)品⑤改進完善⑥發(fā)布成果（1）明確問題：①明確設計的目標和要求,包括功能需求、性能需求、使用環(huán)境要求等；②與客戶或相關方進行深入溝通,充分理解他們的期望和限制條件。（2）設計方案：A.概念設計:①根據(jù)問題,通過相互交流和討論,運用頭腦風暴,產(chǎn)生多種設計概念和方案,對這些概念進行初步評估和篩選,確定幾個有潛力的方向。②對選定的概念進行細化和完善,形成具體的設計方案,包括整體結構、主要部件、工作原理等方面的設計，繪制設計草圖。B.具體設計:基于概念設計,進一步深化方案,確定各個零部件的具體尺寸、形狀、材料等細節(jié),繪制詳細的工程圖紙和技術文檔。（3）實施方案：根據(jù)設計圖，運用各種技術，進行一系列工作，制作原型。（4）檢驗產(chǎn)品：在工作環(huán)境下對實物進行測試，是否滿足限制條件。（5）改進完善：針對測試發(fā)現(xiàn)的問題,對設計進行進步的調(diào)整和優(yōu)化,解決出現(xiàn)的問題和不足之處。再次制作原型并重新進行測試。（6）分布成果：測試完成后,與生產(chǎn)部門協(xié)作,為大規(guī)模生產(chǎn)做好準備工作,如制定生產(chǎn)工藝、整理和編寫詳細的設計報告、使用手冊等。3、實踐：制作一把辦公椅工程問題：辦公室員工在工作時發(fā)現(xiàn)所坐的椅子不夠舒適，影響工作效率與身體健康，就會產(chǎn)生需求:希望可以調(diào)節(jié)椅子高度和靠背角度，使它坐起來更舒適。工程師了解到這些需求后，開始研發(fā)一款新的辦公椅。（1）明確問題：辦公椅：可以調(diào)節(jié)椅子高度和靠背角度,坐起來更舒適。限制條件:①高度調(diào)節(jié)范圍:450～550mm②靠背傾斜角度調(diào)節(jié)范圍:0°～30°③座椅材料:舒適、透氣的網(wǎng)布材料④能承受的最大載荷:150kg（2）設計方案：①概念設計：研發(fā)團隊進行多次設計分析、方案構思后，有了初步的概念設計，并繪制了設計草圖，草圖顯示了椅子的整體結構。②具體設計：基于概念設計，研發(fā)團隊進行了詳細設計，如椅子的各部分材料和具體尺寸等。（3）實施方案：（4）檢驗產(chǎn)品：測試高度調(diào)節(jié)、傾斜角度調(diào)節(jié)、承重能力和舒適性等方面。測試結果表明，原型在其他方面表現(xiàn)良好,但承重能力有所不足。（5）改進完善：綜合考慮生產(chǎn)成本和實際需求,選擇更換使用耐受力更強的材料,達到設計承重的標準。（6）發(fā)布成果：與供應商合作,選取合適的材料和制造工藝,并制訂生產(chǎn)計劃。完成生產(chǎn)制造后,他們與辦公家具經(jīng)銷商合作,進行一系列的展示、推廣、銷售活動。4、注意事項：（1）提出多種方案：工程實踐中，工程師需要明確問題，通過相互交流和討論，采用頭腦風暴，暢所欲言地提出自己創(chuàng)造性的想法，形成共識。（2）合理取舍方案：當面對多種解決方案時，工程師需要評估各種方案的局限性，分析制約因素，做出權衡與取舍，從中選擇最優(yōu)的問題解決方案。（3）工程可以很復雜：工程可以很簡單，也可以很復雜。例如，拉鏈由兩排互鎖的齒和一個滑塊組成，這一簡單結構巧妙地實現(xiàn)了連接或分離兩排齒的功能;如盾構機就是由許多部件組成的，涉及多項技術；筆記本電腦由許多部件組成，涉及電子學、微處理器和計算機軟件等多方面知識這一復雜設備能夠執(zhí)行多項功能。視頻：盾構機工作片段（4）工程設計的最高目標：一個好的工程設計能夠預估現(xiàn)實需求和未來可能出現(xiàn)的問題，減少資源浪費、降低施工成本、保證工程安全穩(wěn)定和延長工程使用壽命。因此，在進行任何工程建設之前，必須首先進行仔細的論證和細致的規(guī)劃，以確保工程質(zhì)量和效益的最大化?？茖W閱讀：都江堰三、我們的工程實踐：工程問題：制作三球運動演示模型1、明確問題：任務:設計制作三球運動演示模型，能夠演示日食和月食的成因；限制條件:材料包括木板、地球模型、月球模型、LED燈、刻度尺等，工具包括鋸子、砂紙等。2、設計方案：（1）模擬運動的機械模塊：①用一個大功率LED燈，配一個圓形乳白色外罩代替太陽(大)、用泡沫大球代替地球(中)和用泡沫小球代替月球(小)，地球可繞太陽轉動，月球可繞地球轉動。②模型的動力利用手動、皮帶輪和皮帶配合完成。③機械裝置中太陽下面的大皮帶輪直徑是帶動月球轉動的小皮帶輪的12倍，可以保證地球繞太陽運動1圈時，月球繞地球運動12圈。（2）模擬陽光的發(fā)光模塊：用大功率LED燈可以模擬；（3）材料選擇：木板,太陽、地球、月球小模型直徑不相同的軸和軸套(大鐵軸配大皮帶輪,小鐵軸配小皮帶輪)大小不同的兩個皮帶輪及皮帶(兩個皮帶輪直徑的比是12:1)，一些螺絲、螺母等固定件；（4）繪制草圖：3、實施方案：（1）按照草圖中的尺寸,用鋸子把木板鋸成長度和寬度各不相同的長木條。(注意:使用鋸子和鉆孔機注意安全)（2）用鉆孔機在較長木條的左右兩端和中間偏右的位置鉆3個孔,在較短的木條的兩端各鉆一個孔,較寬的木條的中間鉆一個孔。(注意:孔的大小和軸的大小相同,較寬木條的中間孔和較長木條中間偏右的孔徑相同,其余的孔徑相同)（3）按照下圖,用螺絲把底座安裝好。（4）將一個大皮帶輪用大鐵軸套固定在較寬木條中心的大鐵軸上,再把較長木條中間偏右的孔插上,軸上端固定太陽模型。(注意:大皮帶輪上下都要用軸套固定,與上下木條之間要留有空隙)（5）較長木條左側的孔中插入小鐵軸,軸的下面裝一個小皮帶輪,上面依次固定較短木條和地球泡沫中球)模型,較短木條的另一端固定月球(泡沫小球)模型,調(diào)整軸的高度,使月球中心與地球中心相平。（6）在大、小皮帶輪上掛上松緊合適的皮帶,推動右側的軸,使較長木條帶動地球繞太陽轉動,同時小皮帶輪帶動月球繞地球旋轉，如圖所示。4、產(chǎn)品檢驗：演示要求在遮光室內(nèi)進行。用手連續(xù)推動右側的軸,地球繞太陽公轉,月球繞地球旋轉,當?shù)厍蜻\行到太陽與月球之間時,則形成月食；當月球運行到太陽與地球之間時,則形成日食。5、改進完善：1）連接處打磨光滑；2）可以給三個代表日地月的球涂上不同顏色；3）手動轉動可以改成電動機、電池和齒輪自動轉動，運行更平穩(wěn)4）……6、發(fā)布成果：通過繪制畫報、呈現(xiàn)實物或產(chǎn)品發(fā)布會的形式發(fā)布三球運動演示模型制作成果。（附視頻）展示我國歷史上一些重大工程和成就，使學生產(chǎn)生強烈的民族自豪感介紹工程設計的一般過程先介紹方法與步驟再在此基礎上通過工程實踐例子加以說明，使學生理解工程設計的基本過程和步驟從理論到實踐過程中內(nèi)化知識、同時提出工程設計過程中應考慮的多方面因素，以聯(lián)系社會實際制作三球運動演示模型目的是通過制作過程體會工程設計的過程和步驟提升思維動腦、動手能力設計過程是合作交流最好機會操作過程是動手動腦的過程提升學生細致、耐心的意識和習慣實踐過程中還利用自己制作的三球儀觀察日食和月食的形成，提升學生的興趣，鞏固所學課堂練習1、在工程設計中,確定設計方案后緊接著的步驟是(B)A.需求分析C.采購與資源準備B.詳細設計D.項目交付2、小張嘗試設計一款小木凳，如果所用材料相同，那么下列設計方案牢固程度最低的是(C)3、如圖所示是一款具有殺菌功能的床鋪除塵機器人。下列關于該機器人的設計分析和評價中不正確的是(B)A.操作簡單，使用方便，主要考慮了人的因素B.有殺菌除塵功能，符合設計的實用原則C.能識別床鋪的邊沿，不會掉落，考慮到了環(huán)境的因素D.因在床鋪上使用，設計時機器人的機身高度不受限制4、小明準備制作一個如圖所示的木梯，從結構和穩(wěn)定性角度分析，下列立柱與橫檔的連接結構中，合理的是（A）5、作為工程師的你，用一張A4紙設計一個載重量大的船，需要解決哪些技術難題？。參考：如，紙船的形狀