2026秋浙教版七上科学 第2节 像工程师那样实践

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：150kg。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C2.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B3.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C4.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