第三节技术与设计2
一、关于本模块的简要说明
（一）本模块的教育价值
本模块是继“技术与设计1”之后的必修内容。学习本模块内容将使学生在进一步巩固和掌握技术设计的过程的基础上，提升对技术设计的思想和方法的理解和应用能力，使他们具备利用和评价技术的方法和策略，以及受用终身的技术管理能力。
本模块的价值主要体现在：
1．本模块所学习的技术的思想和方法，将使学生终身受益。“结构与设计”“流程与设计”“系统与设计”“控制与设计”这4个主题是具有典型意义的、与技术发展密切相联系的内容。当然，从技术角度来讲，它们分属不同的专业，而我们从课程角度把它们集中放在这一个模块中作为学生技术与设计的学习内容，正是因为它们在技术的思想和方法方面的典型性和代表性。模块内容所体现的整体、协调、关联、控制、稳定、比较选择、改进优化等思想和方法，具有广泛的应用价值和可迁移性，它使技术与设计由经验上升到了理性，由单纯的展现设计技巧提升到了形成设计的思想和方法。
2．模块内容中，多处对技术设计的改进和优化的强调，将促进学生批判、反思等思维习惯的养成，培养他们的创新意识和能力。技术设计的内核是创造，在技术设计中，“每一个问题在被技术解决的同时，总是又生长出一些新的问题，这些问题又进一步要求技术加以解决”[]，模块内容本身知识的综合性、趣味性和应用性，使学生可以在不断生长出的新的技术问题中，实现技术与科学的横向共通，实现问题解决的个性化技术表达和设计的创新。
3．模块内容所蕴含的技术与生活、技术与社会、技术与科学、技术与文化等内容，有助于强化学生对技术的理解和使用。高中学生对技术与设计的学习，已经不是仅仅停留在传艺或传术的层面，应该走向理解和关注设计与社会、设计与科学、设计与人、设计与生活环境和生活方式的开放境界，追求技术与生活、技术与科学、设计与文化的完美结合、设计与人的需求的完美结合。恩格斯曾说过，在一切方法的背后，要有一种生气勃勃的精神，如果没有这种精神，再好的方法，也不过是一堆笨拙的工具。我们理解，在技术设计的方法背后，“精神”应该是技术设计的社会观和人文观。
（二）本模块的内容设置
本模块共设“结构与设计”“流程与设计”“系统与设计”“控制与设计”等四个主题。“结构与设计”强调从力学的角度理解结构、结构的强度和稳定性等问题，关注简单的结构设计；“流程与设计”强调对流程和流程优化的理解，以及简单流程和流程改进的设计；“系统与设计”则重在对系统的理解，以及运用系统的思想解决一些生活中问题的设计；“控制与设计”应注重理解控制的涵义和控制的应用，以及生活生产中的简单控制系统的设计。
四个主题之间具有一定的独立性，因为它们涉及的是不同的技术领域；同时，它们又具有一定的关联性，例如，“系统与设计”中整体与部分、独立与关联、优化的思想和方法，“控制与设计”中反馈调节的方法，“流程与设计”中流程改进的思想等等均可运用在其他主题的一些技术问题的解决中。模块中这些技术与设计的思想和方法，与“技术与设计1”共同构成了本课程的选修模块的基础。
二、具体内容标准及相关活动的说明
（一）结构与设计
结构的设计在我们日常生活中随处可见，课桌椅、自行车、立交桥等等都是结构设计的结果。
学习结构的强度和稳定性，体验简单结构的设计过程以及结构的和谐、简练和经典，其意义除了解决简单结构设计的问题以外，更有利于帮助学生清晰地把握生活中各类问题解决的主要架构，拓宽思维和想象空间。
本主题共有5条标准。
1．了解结构的涵义，能从力学的角度理解结构的概念和一般分类
广义上讲，结构是指物体各个组成部分之间的搭配和排列。结构决定了事物的性质和形态。
从力学角度的理解是：结构是指可承受一定应力的架构形态，结构可以抵抗能引起形状和大小改变的力。
通常所指的结构的一般分类有：实心结构、框架结构、壳体结构。
在我们周围，有各种各样不同形状、不同用途的物体和结构。实心结构如砖石或泥砌的墙、大坝等；框架结构如大桥、自行车、铁塔等；壳体结构如汽车、建筑工人用的安全帽、气罐、油罐等。不同的结构类型，具有不同的特征和受力特点。
本标准不要求学生对这三种结构类型的特征进行定性地描述，但应能对生活中常见的简单结构实例进行归类，并指出这三种结构的不同应用场合。教学中，教师可用简单的材料制作的不同结构的物体给学生作演示，也可在课前布置学生自带材料进行不同结构类型的简单制作。
2．能结合1～2种简单的结构案例，分析结构是如何承受应力的
对结构承受应力的分析，是指根据学生已有的知识水平，分析生活中常见结构的应力，不要求学生作进一步的定性和定量分析，不要求画物体结构的受力图。
当一个构件承担负载时，它的每一种材料都可能受到张力或压力。张力（拉力）是拉伸材料的力，组成材料的粒子被拉开；压力是压缩材料的力，组成材料的粒子被推近。张力和压力都是负载的结果。
例桥墩、房屋的柱子承受压力；拉索桥的钢丝承受拉力；一根两端被托住的梁，受到弯曲力；梯子、大坝承受压力、剪切力；当大风或冰雪等外力作用在桥上，桥则受到扭力、拉力、压力等等。
3．能通过技术试验分析影响结构的强度和稳定性的因素，并写出试验报告
一般而言，一个结构的强度取决于它对张力和压力两方面的反应能力。强度取决于形状，形状略作改变，强度就会改变；强度还取决于材料以及材料的连接方式，了解应力对不同材料的影响可以帮助我们选择正确的材料建造坚固的结构。
稳定性阻碍翻倒或被移动，是很多结构的重要性质之一。影响结构稳定性的因素主要有：结构的形状、结构重心位置、结构所受的运动和力等等。例如，人们利用三角形或由三角形组成的多面体来增加结构的稳定性，底面越大、重心越低结构就越稳定。
应引导学生通过生活观察和技术试验，对简单的结构进行强度、稳定性分析，解释它的强度高或低、稳定或者不稳定的原因。试验可以让学生根据教师的设计来做，也可以让学生自己根据生活经验、兴趣爱好和已有条件，自行设计和制作试验，并得出结论。
4．能确定一个简单对象进行结构设计，并绘制设计图纸，做出模型或原型
日常生活中，需要进行结构设计和结构改造设计的事例很多。学生可以根据生活中的需要和个人的爱好，选择一个设计对象或项目。在进行设计前，应从功能的角度对设计对象进行结构的强度和稳定性分析，从既满足功能要求又做到轻便、美观等角度思考设计方案和选择材料。
要注意引导学生养成良好的设计习惯，在设计方案的构思时，就要学会从画草图开始，结构设计的草图要能清晰地显示出设计对象的骨架形式、尺寸比例等，然后就草图的方案与小组同学共同商讨。
设计方案确定之后，应绘制出比较规范的设计图纸（图纸应含通用的技术符号、精度要求、尺寸标注、文字说明等等），对于简单的设计对象，可以依据图纸直接制作出原型，如台式相片架、台灯罩、壁挂式小书架、秋千架、滑滑梯等；若是比较复杂的结构设计对象，如新居室的衣柜、书柜等，不能在短时间内做出原型，可以因地制宜地选择材料做出其模型。
5．能从技术和文化的角度欣赏并评价典型结构设计的案例
技术设计要避免走向功利化的极端。设计不仅仅要从满足人的物质需求出发，同时需要关注人的审美准则、民族特色、生态文化等精神领域的需要。结构设计的人文色彩尤为浓烈，古今中外，从若干经典的建筑物设计中，我们就可以看到不同时期不同文化背景的烙印。
学习结构与设计，需要引导学生学会欣赏和评价经典的、有特色的结构设计的杰作。教师可以通过带领学生参观本地的特色建筑，从各类教学资源中筛选有价值的结构设计实例介绍给学生，引导学生学习对作品进行欣赏和评价的角度和方法，比如从“形”“意”“神”等方面来评价等。
6．关于活动建议
建议1，是对某一结构进行强度和稳定性的试验。试验要做得能说明问题，可以设计一个表格来表示试验的数据和结果，表中的“受力情况”可以定量描述，若不具备条件，也可定性描述。
建议2，分析典型案例的结构特点。可从所列实例的功能实现，结构的类型和文化特点等角度进行分析评价。
建议4，对产生了一定影响的建筑物的坍塌、扭曲或断裂的事件，进行分析讨论，简要说明其主要的技术问题所在。教师可以引导学生对此类问题展开讨论研究，由于可能涉及的原因或问题比较复杂，故讨论的深度不限。
（二）流程与设计
通过对流程的理解，培养学生优化生活和工作流程的能力，使学生体验革新的成功感和革新可能带来的经济、环境等方面的收获。
本主题共有5条标准，现分别加以说明。
1．了解流程的涵义及其对生产、生活的意义
在了解流程的涵义时，应抓住两个关键点：流程的时序和环节。时序是指随时间变化的发展经历；环节是指事件在发展的过程中，总可以依据某种特征或方式把它分解为若干个小的过程。
生活中的很多事件以及任何产品的生产过程，都可理解为流程，重要的是如何使得流程产生更大的效益和具有可持续发展性。
2．通过对典型的工作流程和生产工艺流程案例的分析，理解流程中的时序和环节的意义，学会阅读简单的流程图
可以选择一个有代表性的流程案例，与学生共同分析，使学生学会阅读工艺机理不太复杂的流程图。
例合成氨的生产工艺流程
首先利用适当的方法，生产大量合成氨的原料——氮气、氢气，氮气和氢气的混和气体在合成塔的6000C高温、200帕斯卡下，通过催化剂的作用产生氨气，再通过氨分离器不断地把生成的氨分离出来，同时未转化的反应气体又进入合成塔循环加工。这就是合成氨的生产流程。
在此流程中，氮气和氢气的混和、氨的合成、分离、循环这几个主要生产环节的顺序是不可倒置的。
生活中，经常有需要读懂流程图的场合，简单的有公共汽车或地铁线路的上行、下行流程图；复杂一些的有，当我们参观发电厂或化工厂，在工厂的中控室会看到一幅生产工艺流程图，要了解生产情况，就要读懂这张图；当我们走进军营，可能看到一幅作战流程图等等。流程图的表达有多种形式，有图示、模型表示、动画演示等等。
3．能分析流程设计中应考虑的基本因素，并画出流程设计的框图
生活、生产中流程的设计有两种情况，一种是流程的若干环节是显性的，也就是事物发展的规律较容易描述，如邮局邮件的分检流程设计、快餐配送中心的工作流程等；另一种流程的设计要依据事物的内在属性和规律，需要进行大量的试验和漫长的探究才能得出的，以合成氨的工艺流程为例，在上世纪初，经过若干位化学家上万次的实验，最终才得出在600℃，200帕斯卡下合成出氨，但转换率仅有2％——8%的实验结论，后来又经过不断试验才得到现在工业生产上使用的、较为成熟的合成氨的工艺流程。
学生对某一简单流程设计的分析，应根据事物的内在性质、规律和相关因素，对流程设计的时序和环节线索进行把握。
4．能解释流程的改进与设备、材料等之间的关系，能概括某种简单生产流程优化过程中所应考虑的主要问题。
生活生产中的技术改进或革新，多数出自对已有生产流程的整体改进或者是对其中某一环节的改进，其目的不外乎为了提高工作效益、降低生产成本、节约能耗、保护环境等。
要使学生通过具体的流程案例的分析，进一步理解流程改进的条件。从外部条件来讲，是建立在设备和工艺水平提高的基础上；从内部条件而言，是建立在对流程内在机理的进一步研究的基础上。
流程的改进过程就是优化的过程。
例1银行储蓄所顾客存取款的流程
原先是人工填单、记账，保存的是纸质的帐单，自从引入计算机管理系统，改进了存取款的流程，减少了中间环节，提高了工作效率，降低了差错率。
例2用于建筑结构承重的人造板的研发设计
目前我国生产的人造板本身的强度决定了其主要用途是室内装修、家具制作等，若要将人造板作为建筑结构承重的材料使用，就必须增加人造板的强度，就需要通过研究、改变现有人造板的材料组成结构，改变加工工艺的流程来实现。
5．能对生活、生产中的简单对象进行流程设计或流程的改进设计，并用文字或图表说明流程设计方案的特点，或者流程的改进方案的优越之处。
学生可以结合生活生产中已经存在的、尚有改进的可能的流程进行讨论，在指出问题所在的基础上，提出改进方案，并论证这一方案的可行性。改进的对象的选择很关键，学生理解和改进工业生产中复杂的流程有一定困难，可以结合研究性学习中提出的相关问题进行讨论和研究。
例1家用燃气炉灶在使用过程中热能的高效利用问题。（分析略）
例2化学课中的“氢气在氯气中燃烧”的实验改进。一般实验步骤是将氢气在空气中点燃，再直接伸入装有氯气的容器中，观察实验现象。这一实验的问题是，将点燃的氢气伸入氯气瓶中时，会有一定量的氯气外漏，而外泄的氯气对人体有强烈的刺激。如何从安全环保的角度改进这一实验流程？（分析略）
6．关于活动建议
建议1，通过对比较成熟的流程设计的事例的分析和评价，为进行下一步的流程设计和改进提供准备。
建议2，为学生的流程设计提供了若干参考项目，也可根据当地条件另作选择。
（三）系统与设计
系统的概念来源于人类的长期社会实践，运用系统的思想和定性定量相结合的系统方法分析和处理生产和生活中的问题，是大家都可能遇到的。
学习和掌握系统的思想并运用系统的方法解决问题，有助于减少处理问题过程中的盲目性，学会对事件的理性分析和科学决策。
本主题共有5条标准。对系统分析和设计中专业性的内容在此不作更多要求。
1．从应用的角度理解系统的含义
系统的概念，看似抽象，其实是很具体的。系统即由相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。系统中的各个部分都可被看为该系统的子系统。
学生对系统的理解，可以从系统的实例开始。如一台电冰箱可以看作是一个系统，学校的一间多媒体教室也可看作是一个系统，人体本身同样是一个复杂而精密的系统。一般而言，系统可分为：自然系统和人造系统、实体系统和抽象（概念）系统、静态系统和动态系统、开放系统和封闭系统等。
2．通过简单的系统的案例分析，理解系统的基本特性，初步掌握系统分析的基本方法
系统的基本特性可从以下几点来归纳：
整体性
相关性
目的性
环境适应性
仅从概念来理解系统的特性，是比较抽象的。在教学中，可以引导学生从一、两个典型系统的案例入手，把握系统的特性，也可以让学生自己总结出这些特性。
系统的特性构成了系统的基本思想。系统分析的方法就是运用系统的思想和定性定量相结合的方法分析处理问题的基本思路，整个过程可归纳为阐明问题、分析研究、评价比较三个阶段。本标准只要求学生掌握初浅的系统分析的基本方法。
需要注意的是，第一，在系统分析的过程中，每个环节不一定一次就顺利地完成任务，需要在反馈信息的基础上反复进行；第二，在系统分析的过程中，要学会与不同角色的人对话，如与实施者、决策者等的对话；第三，对系统分析中的建模问题，在此不作过多要求；第四，学写简单的系统分析报告，对系统的分析过程、依据、结论和行动建议进行说明。
3．理解系统优化的意义，能结合实例分析影响系统优化的因素
为了使系统达到最优的目标所提出的各种解决方法，称为最优化方法。通常是指在一定人力、物力和财力资源条件下，使经济效果（如产值、利润等）达到最大，并使投入的人力和物力达到最小的方法。
最优化方法解决问题一般可分为以下几个步骤：
（1）提出需要进行最优化的问题，收集有关资料和数据；
（2）建立求解最优化问题的有关数学模型，确定变量，列出有关约束条件，分析模型；
（3）选择合适的最优化方法；
（4）求解方程；
（5）最优解的验证和实施。
本条标准对第（2）、（4）步骤不作过高要求。
4．通过简单的系统设计案例的分析，初步学会简单系统设计的基本方法
系统设计建立在对系统进行有效分析的基础上，在学生的学习生活中，系统设计的运用事例比比皆是，例如学校运动会赛事的合理安排等。可以通过对类似系统设计案例的分析，总结和归纳简单的系统设计的基本方法。
大千世界，物质系统千变万化，虽有一定的规律可循，却难说有一成不变的模式可供套用。系统的分析和设计是建立在对该事件的内部规律、外部环境（条件）、实现功能等的充分研究的基础之上的，它是一个不断完善、不断改进、不断优化的过程。优化是系统设计所追求的永恒目标。
在对系统设计的案例进行分析的基础上，可以让学生总结系统设计的基本原则：
基本功能的实现
子系统间关联、冲突问题的合理解决
效益的最大化
动态调整的实现
人性化设计
战略性思考（长期性、稳定性等）
5．确定一个生活或生产中的简单对象，根据设计要求完成系统的方案设计
要求学生在对前4条标准有所掌握的基础上，自行完成一项简单的系统方案设计的任务。基本要求是，首先对所设计的系统进行比较详细的定性分析，画出分析简图并写出定性的分析报告，其次，作出系统设计的技术框图和技术设计报告，再次，根据设计方案尝试实现这一系统的设计。
教学中应注意，对于学生的系统设计，两种设计方式都应认可，一种是对一个简单的系统进行设计，另一种是运用系统的思想和方法对某一对象进行设计。
6．关于活动建议
建议1，分析典型的系统设计案例，由学生作出评价，为自己将要进行的系统设计奠定基础。
例战国时期的秦国太守李冰父子主持修建了都江堰工程，这一伟大水利工程巧妙地将分洪、引水和排沙结合起来，使各部分组成一个整体，实现了防洪、灌溉、行舟、漂木等多种功能，至今该工程仍在发挥着重大的经济效益，是我国古代水利建设的一大杰出成就。
（四）控制与设计
在当今社会，控制已经深入到人们生活和工作的方方面面，如经常提到的“质量控制”、“车速控制”、“安全控制”、“人口控制”、“情绪控制”等等。
学习一点控制、控制与设计的知识，通过对控制系统中控制的目标、控制的过程和控制的机理等的理解，有助于学生运用简单的控制方法解决现实生活中遇到的相关问题，发展学生良好的逻辑思维品质。
本主题共有6条标准。
学习本主题的主要目的在于使学生从思想和方法的角度对控制和控制设计有基本的了解。
1．理解控制的含义及其在生产和生活中的应用
人们按照自己的意愿改变条件，使事物向着期望的目标发展，就形成了控制。
控制在生活和生产中的应用非常广泛，如公共场所的红外线自动出水龙头装置、红外自动烘手机、银行的自动取款机、农田节水灌溉的自动控制、楼宇防盗控制、十字路口红绿灯自动控制、炼钢炉的温度控制、合成氨合成塔的压力控制、精确制导武器等等。教学中，可以引导学生根据自己的生活经验，列举控制应用的例子，并说明自己对它们的理解。
2．分析典型的案例，了解手动控制、自动控制，熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程
控制是为了达到人们所期望的目标。一个控制过程的实现，往往要经过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，所以我们把它看作是一个控制系统。从不同的角度，对控制系统有不同的分类。本标准要求学生通过具体的实例，区分哪些是自动控制哪些是手动控制，哪些是开环控制哪些是闭环控制，说清楚简单的开环控制和闭环控制系统的基本组成，以及它们是如何实现控制的。
例1给游泳池换干净水（使用普通的手动进水阀门）
游泳池清扫干净后，为了给游泳池注水，工作人员要打开进水的阀门，直到发现泳池的水注满了，工作人员就会关闭进水阀。这是一个需要人工干预的简单控制系统，也就是手动控制系统，工作过程也很简单。
工作过程可用下图表示：
例２ 全自动洗衣机
全自动洗衣机是将洗衣的洗涤、漂净、脱水三大步骤，按照多个开关信号的逻辑关系一步步地往下执行。使用者只要事先设定好时间，把脏衣服放进去，洗衣粉备足，水管接好，启动洗衣机的洗衣按钮，最后等听见洗衣结束的铃声，取出已经甩干的衣服就完成了。它是一个自动的开环控制系统，其工作过程可用下图表示：
教师可以引导学生从他们喜闻乐见、容易接受的简单控制事例的工作过程的分析出发，使学生明白控制系统的类型、组成以及它们是如何工作的。
3．能画出一个简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器等环节的作用，熟悉反馈环节的作用
控制系统的方框图是控制系统工作过程的基本图示，本标准要求学生能画出简单的闭环控制系统的方框图。
学生应能列举生活中所见所闻的闭环控制系统，简要叙述其工作过程，要能通过对闭环控制系统与开环控制系统的工作过程的比较，指出各自的优越性是什么。
在本主题中，限于学时以及高中学生现有的知识水平，对控制系统中的控制器、执行器、传感机构和被控对象等环节只限定于一般性的理解，不作进一步的要求，不去探讨其内部的工作过程，只需把它们看作黑箱，了解其输入和输出之间的关系就可以了。
需要强调的是，这里所讨论的带有反馈环节的闭环控制系统的主要特点是以减少误差的负反馈方式来达到控制目的的，正反馈控制问题在此不作研究，对于简单的开环控制、单回路负反馈控制系统以外的其他控制方式在此不作讨论。
4．能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析
在控制系统的设计中，对干扰因素的分析是重要的。确定一个系统的控制方案的前提，往往是建立在对影响系统稳定的干扰因素分析的基础上。
例楼宇水塔的水位控制的干扰因素分析
分析：影响水塔水位的干扰因素主要有：水塔的出水流量、水面蒸发的水量、水塔的进水流量和进水管的压力等。其中出水流量是根据用户的用水量变化的，是不可控制的变量；水面蒸发的水量很少，可以忽略；而水塔的进水流量是可以控制的。
例风磨的转速控制的干扰因素分析
分析：影响风磨转速的干扰因素主要有风速、投料量等。当投料量一定时，风速减小，磨的转速就变慢。
在此，仅要求学生能列出简单控制系统的干扰因素主要有哪些，不要求对这些干扰因素作具体分析。
5．了解简单的被控制对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制设计的方案
这里的被控对象基本特性是指在正常的工作状态，被控对象的输出信号与输入参数、与主要的干扰参数之间的关系，只需要有所了解，对被控对象的特性的数学模型的描述在此不作要求。
当需要对一个简单的控制系统进行设计时，学生首先要学会分析这一系统中，需要控制的参数是什么，通过改变什么参数来实现控制，是采用开环控制还是采用闭环控制来形成控制设计方案，然后要能画出这一系统的方框图。
6．能根据开环控制系统的设计方案，制作一个控制装置；或者能根据简单闭环控制系统的设计方案进行实施或模拟实施，学会调试运行，提出改进方案
这是对控制的实施方面的要求，由于对控制器、执行机构、反馈环节和对象的特性没有提出更多的要求，故不要求学生象专业设计师一样进行完整的闭环控制系统设计并加以实现。所提的要求是从开环控制装置的实施着手，比如，设计并实施一个开环的定时控制装置，要求学生完成从方案设计到制作的整个过程，并进行测试和评价。如果装置不能达到或不能完全达到定时的功能，要能寻找原因，提出方案设计或制作过程中出现偏差的原因所在，并加以改进。
有试验条件的地区或学校，可以进行简单的闭环控制系统的设计和实施。
7．关于活动建议
本主题中有4个活动建议。
建议1，要求学生参照家用抽水马桶的水位控制原理，将一个原来是人工的水位控制系统改进为自动控制系统。学生首先要研究抽水马桶的水位控制是如何实现的，然后再动手设计一个类似的水位自动控制方案，并实现它。
建议2，列举出了若干控制设计的例子，要求学生学会分析已经设计好的控制系统。
建议4，这是一个扩展性建议，是工程上常见的问题。不要求每个学生都做，有条件、有兴趣的学生可以通过查阅有关资料，了解和研究这一问题。<您现在访问的是中国学科吧旗下教案网http://www.jsfw8.com/jafs/