5.2像工程师那样实践（解析版）

◆网络构建

◆课本导学

一、工程设计

二、我们的工程实践——制作三球运动演示模型

◆基础训练

知识点1工程设计的过程

知识点2我们的工程实践

◆强化训练

一、工程设计

一般过程说明举例：设计一把办公椅

1.明确设计的目标和要求，包括功能需可以调节椅子高度和靠背角度，坐起来更

求、性能需求、使用环境要求等。舒适

2.与客户或相关方进行深入沟通，充分限制条件：

明确问题理解他们的期望和限制条件。高度调节范围：450~550mm靠背倾斜角度

调节范围：0°~30°

座椅材料：舒适、透气的网布材料

能承受的最大载荷：150kg

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概念设计：1.根据问题，通过相互交流

和讨论，运用头脑风暴，产生多种设计

概念和方案，对这些概念进行初步评估

和筛选，确定几个有潜力的方向。

2.对选定的概念进行细化和完善，形成

具体的设计方案，包括整体结构、主要

设计方案部件、工作原理等方面的设计。绘制设

计草图

具体设计：基于概念设计，进一步深化

方案，确定各个零部件的具体尺寸、形

状、材料等细节，绘制详细的工程图纸

和技术文档

根据设计图，运用各种技术，进行一系

实施方案

列工作，制作原型

测试高度调节、倾斜角度调节、承重能力

在工作环境下对实物进行测试，是否满

检验产品和舒适性等方面。测试结果表明，原型在

足限制条件

其他方面表现良好，但承重能力有所不足

针对测试发现的问题，对设计进行进一综合考虑生产成本和实际需求，选择更换

改进完善步的调整和优化，解决出现的问题和不使用耐受力更强的材料，达到设计承重的

足之处。再次制作原型并重新进行测试标准

测试完成后，与生产部门协作，为大规与供应商合作，选取合适的材料和制造工

模生产做好准备工作，如制定生产工艺，并制订生产计划。完成生产制造后，

发布成果

艺、整理和编写详细的设计报告、使用他们与办公家具经销商合作，进行一系列

手册等的展示、推广、销售活动

【说明】一个好的工程设计能够提前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。

【例1】在工程设计中，确定设计方案后紧接着的步骤是（）

A.需求分析B.详细设计C.采购与资源准备D.项目交付

答案：B

解析：工程设计的第一步是需求分析，根据需求确定设计方案。在确定了整体的设计方案

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后，需要进一步深入细化各个部分的设计，包括具体的零部件规格、尺寸、材料、连接方式等，

这就是详细设计阶段的工作。采购与资源准备通常在详细设计完成，明确了具体的材料和零部

件需求之后进行。项目交付则是在整个设计、制造、测试等流程都完成之后的最终环节。

二、我们的工程实践——制作三球运动演示模型

一般过程制作三球运动演示模型

制作三球运动演示模型，能够演示日食和月食的成因。

限制条件：

明确问题

材料：木板、地球小模型、LED灯等。

工具：锯子、砂纸等。

模拟运动的机械模块：(1)用一个大功率LED灯，配一个圆形乳白色外罩代替太阳

(大)、用泡沫大球代替地球(中)和用泡沫小球代替月球(小)，地球可绕太阳转动，

月球可绕地球转动。

(2)模型的动力利用手动、皮带轮和皮带配合完成。

(3)机械装置中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，可

以保证地球绕太阳运动1圈时，月球绕地球运动12圈。

模拟阳光的发光模块

用大功率LED灯可以模拟阳光

材料选择：木板，太阳、地球、月球小模型直径不相同的轴和轴套(大铁轴配大皮

设计方案带轮，小铁轴配小皮带轮)大小不同的两个皮带轮及皮带(两个皮带轮直径的比是

12：1)

一些螺丝、螺母等固定件

工具选择：如锯子、钻孔工具等

绘制草图

1.按照草图中的尺寸，用锯子把木板锯成长度和宽度各不相同的长木条。(注意：

使用锯子和钻孔机注意安全)

2.用钻孔机在较长木条的左右两端和中间偏右的位置钻3个孔，在较短的木条的

实施计划

两端各钻一个孔，较宽的木条的中间钻一个孔。(注意：孔的大小和轴的大小相同，

较宽木条的中间孔和较长木条中间偏右的孔径相同，其余的孔径相同)

3.按照下图，用螺丝把底座安装好。

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4.将一个大皮带轮用大铁轴套固定在较宽木条中心的大铁轴上，再把较长木条中

间偏右的孔插上，轴上端固定太阳模型。(注意：大皮带轮上下都要用轴套固定，

与上下木条之间要留有空隙)

5.较长木条左侧的孔中插入小铁轴，轴的下面装一个小皮带轮，上面依次固定较

短木条和地球(泡沫中球)模型，较短木条的另一端固定月球(泡沫小球)模型，调

整轴的高度，使月球中心与地球中心相平。

6.在大、小皮带轮上挂上松紧合适的皮带，推动右侧的轴，使较长木条带动地球

绕太阳转动，同时小皮带轮带动月球绕地球旋转，如图所示。

演示要求在遮光室内进行。用手连续推动右侧的轴，地球绕太阳公转，月球绕地

球旋转，当地球运行到太阳与月球之间时，则形成月食；当月球运行到太阳与地

球之间时，则形成日食。验收标准：三球运动演示模型制作验收标准

评价维度★★★★★★

三球位置、比例均

科学原理三球位置或比例基本合理三球位置、比例均合理

不合理

模型转动流畅，偶尔打滑卡模型转动流畅，无打滑卡

可靠程度模型难以正常转动

顿，但不影响使用顿现象

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

检验产品

无法演示日食和月基本可以演示日食和月食，可以完美演示日食和月

演示效果

食光源有时会被遮挡食，光源全程无遮挡

依照评价量表对模型进行测试并打分，将结果记录在表中。三球运动演示模型测

试记录表

组别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

……

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改进完善手动转动可以改成电动机、电池和齿轮自动转动，运行更平稳

发布成果通过绘制画报、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

【例2按照有关规划，我国未来要发射更多的火箭进行载人登月、深空探测等活动，因此

大家想做一个简单的火箭模型来模拟真实火箭发射升空，为此学校开展“制作水火箭”项目化

学习活动。

【明确问题】

小明同学负责明确“水火箭”发射的原理，他查阅资料后得知，我国发射火箭时，点火后

火箭尾部会向下喷出烈焰，火箭随即升起，于是想到“水火箭”也可以利用这一科学原理。

(1)简述“水火箭”可以飞起来的原因：________________________________________。

【设计方案】

小亮同学负责“水火箭”的设计方案，他考虑到“水火箭”的动力只能由水或空气提供，

从工程角度看，装置的密封性要好，要能保证水在足够大的压力下喷出而产生足够的反推力。

于是他设计了制作流程，首先在废旧饮料瓶内装入适量水，用带有打气筒的瓶塞将瓶口塞住，

最后配置上由废纸箱改造而成的火箭外壳、导流罩及底座，“水火箭”即可完成，如图甲所示(简

化模型如图乙)。

(2)如果瓶塞未完全塞紧，将会导致__________现象产生。

(3)小亮设计“水火箭”顶端的导流罩，其目的是减小飞行时受到的__________。

【实施计划】

小林负责“水火箭”的发射，他往瓶中装600mL的水，塞好瓶塞后放在发射架上。用气

筒不断地向瓶内打气，瓶内气压不断增大，当橡皮塞从瓶口冲出时，“水火箭”发射升空。。

【检验作品】

以下是“水火箭”发射的评价量表

评价

优秀合格待改进

指标

火箭能顺利升空且在空中运火箭能顺利升空且在空火箭能顺利升空且在空中

功能性

行时间t>6s中运行时间2s≤t≤6s运行时间t<2s或不能升空

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美观性符合审美，有一定的设计感符合审美，设计感一般不符合审美，设计感较差

(4)小华同学负责“水火箭”是否制作成功的鉴定，其标准就是“水火箭”上升的高度，

但高度不容易测量，小华此时可以转化成测量__________。某组同学制作的“水火箭”，由地面

竖直向上发射，其速度和时间的关系如图所示。根据图像，结合评价量表的功能性指标，你对

该“水火箭”评价结果是什么并说明理由。

【拓展延伸】

(5)小组同学对“水火箭”水平飞行的距离与哪些因素有关的问题进行了进一步研究，并

设计了多个方案。其中的一个方案是：取上述“水火箭”，分别安装在发射架上，调整它们发

射的角度分别为20°、30°、45°、50°、60°、70°，向瓶内打气直至橡皮塞从瓶口冲出，

使“水火箭”向前飞出。下表是他们在实验中收集到的数据：分析表中数据可得出的结论是：

____________________________________________________________。

发射角/20°30°40°45°50°60°70°

水平飞行距离/m14.8131.3243.6050.7253.0749.8235.42

答案：(1)高压空气推动水向下喷出，水给火箭一个向上的推力，水火箭升空(2)漏气(3)

空气阻力(4)火箭在空中的运行时间

合格。理由：由速度和时间的关系图像可知，水火箭的飞行时间为6s，对比水火箭发射

的评价量表可知，水火箭的功能性指标为合格。

(5)在其他情况相同时，水火箭水平飞行距离与发射角有关，随着发射角的增大，水平飞

行距离先增大，后减小

解析：(1)根据火箭的升空原理解答。(2)如果瓶塞未完全塞紧，将会导致漏气现象产生。

(3)顶端的导流罩可以减小飞行时受到的空气阻力。(4)由评价量表可知，高度转化为火箭在

空中的运行时间，根据速度和时间的关系结合评价量表回答。(5)由表中数据分析回答。

◆知识点1工程设计的过程

1.[2024浙江杭州调研]请你结合工程设计的过程，选出杭州亚运会场馆建设的正确顺序

（）

A.明确问题→设计方案→实施计划→检验作品→改进完善→发布成果

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B.明确问题→设计方案→改进完善→实施计划→检验作品→发布成果

C.设计方案→改进完善→明确问题→实施计划→检验作品→发布成果

D.明确问题→设计方案→实施计划→发布成果→改进完善→检验作品

【答案】A【解析】工程设计的一般过程为明确问题→设计方案→实施计划→检验作品→

改进完善→发布成果，A正确。

2.[2024浙江温州调研]最早的红绿灯只有红、绿两种颜色，后来经过改良后，增加了一盏

黄色的灯，提醒人们注意危险，于是红、黄、绿三色信号灯出现在了世界上。这一过程属于工

程实践环节中的（）

A.明确问题B.实施计划C.改进完善D.设计方案

【答案】C【解析】由题目可知，最早的红绿灯只有红、绿两种颜色，则信号灯的骤变容

易造成危险和交通事故，后来在不断地实践和改良后，黄灯出现了，这一过程属于工程实践的

改进完善环节。故选C。

◆知识点2我们的工程实践

3.[2024北京大兴区期中]2023年9月21日下午，“天宫课堂”第四课在中国空间站开讲，

神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮面向广大青少年进行太空科普授课。同学们观看“天

宫课堂”后，开展了制作简易地球仪的活动。

制作简易地球仪任务单

第1步：准备乒乓球、铁丝、笔、钳子等所需的材料和工具。

第2步：在乒乓球中部画一个圆圈，作为赤道；在a、b两点各钻一个小孔，使小孔到赤

道上各点的距离相等，a、b两点为两极的位置。

第3步：每隔30°绘制一条纬线，并标注纬度(度数+南/北纬字母)；每隔30°绘制一条经

线，经线相交于南北极，并标注经度(度数+东/西经字母)。

第4步：把铁丝弯成地球仪支架的形状。注意倾斜的铁丝要与水平面成66.5°角，同时所

弯的半圆要比乒乓球略大一些。

第5步：把按要求绘制好的乒乓球安装在地球仪支架上，使其可以转动。注意地轴应穿过

南北极。

(1)下列为同学们制作简易地球仪的过程，制作过程属于工程实践一般过程中的__________，

请你依据任务单中的步骤选出正确的排序__________。

①确定赤道和两极的位置②准备材料和工具③制作地球仪支架④安装地球仪⑤

绘制经纬线

A.①②③④⑤B.②③⑤④①C.②①⑤③④D.③④②①⑤

(2)下图为某同学制作的简易地球仪，请你按照任务单的步骤及要求，提出改进建议。

项目改进建议

地轴倾斜状态将地轴与水平面的夹角调整为①__________

绘制纬线按任务单要求，补绘30°S纬线

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按任务单要求，补绘②__________

绘制经线

经线(填“60°W”或“120°E”)

标注经度按任务单要求，图中60°、90°、150°后面需要加的字母是③__________

标注纬度按任务单要求，图中30°纬线后面，需要加的字母是④__________

【答案】(1)实施计划C(2)66.5°120°EEN

【解析】（1）制作图中的地球仪主要步骤如下：②准备材料和工具，①确定赤道和两极的

位置，⑤然后绘制经纬线，③再制作地球仪支架，④最后安装地球仪。（2）图2为某同学制作

的简易地球仪，按照任务单中的步骤及要求，提出的改进建议是：将地轴与水平面的夹角调整

为66.5°，按任务单要求，图中30°纬线后面，需要加的字母是N，按制作步骤要求，补绘

120°E经线，图中60°、90°、150°后面需要加的字母是E。

1.许多家庭的浴室内装有镜子。但是在人们洗浴后镜子上面会覆盖一层水雾，影响镜子的

使用。为了防止镜子表面雾化，人们在镜子背面安装了一个使镜子温度升高的消雾器。上述过

程中，人们发现问题的途径是（）

A.观察日常生活B.阅读收集资料C.技术研究和实验D.了解安全的需求

【答案】A【解析】工程设计的第一步是明确问题，明确问题有多种方式，题中发现问题

的途径是来源于生活，根据生活现象提出问题。

2.关于工程设计的过程，下列内容中不需要在明确问题环节完成的是（）

A.论证工程的价值B.了解工程的需求

C.提出工程的要求D.提出产品的改进方案

【答案】D【解析】工程设计的一般过程为明确问题→设计方案→实施计划→检验作品→

改进完善→发布成果，提出产品的改进方案是属于改进完善环节。

3.小明想制作一个摆放在桌面上，并且可以在水平方向进行旋转的相框。从工程设计的一

般过程看，在确定了设计要求之后，接下来应该做的是（）

A.对市场上的相框进行一些调查B.对相框的设计方案进行筛选

C.构思相框的形状并用草图呈现D.对相框的稳定性进行试验

【答案】C【解析】制作方案设计的步骤为：收集信息→设计分析→方案构思→方案呈现

→方案筛选，故下一阶段是方案构思。

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4.工程技术兴趣小组的同学在设计制作一款个性化的台灯灯罩的过程中，经过了如下几个

环节。下列排序中，合理的是（）

①浏览互联网，收集相关灯罩的制作方法②通过问卷，调查需求③把设计的方案画

出来④制作样品⑤分析检验结果，优化设计方案⑥对实物进行检验

A.②①③④⑥⑤B.②①③⑥④⑤C.①②⑥④③⑤D.①②③⑥⑤④

【答案】A【解析】产品设计的过程为明确需求→构思方法→草图涉及→制作产品→检验

产品→改进完善。故排序为②①③④⑥⑤。

5.小程发现课本、试卷等资料较多，但课桌空间有限，于是他设计了一种木质桌边收纳架。

下列分析中，不正确的是（）

A.小程通过问卷调查同学们的需求后，即可进行方案设计

B.小程发现工程问题的途径之一是观察日常生活

C.小程在加工制作收纳架前，需要先绘制技术图样

D.收纳架生产出来投放市场后销售一直不高，可能是定价太高

【答案】A【解析】通过问卷调查同学们的需求后，还需要通过各种渠道收集收纳架的制

作方法，才可进行方案设计。

6.现在很多城市的路面都用水泥砖铺设，但我们也常常看到很多水泥砖没用多久就出现开

裂的情况。除了路面缺乏维护、保养之外，还有一个很重要的原因是水泥砖的质量差。从水泥

砖的制造这一工程分析，下列原因中，可能的是（）

A.对水泥砖的强度要求低B.严格按设计标准制造

C.采用电脑绘制图纸D.对产品进行严格的检验

【答案】A【解析】水泥砖的质量涉及到方案设计、图纸绘制、材料选取、标准执行、残

品检验等，只有这些都严格做到位了，才能确保质量过硬。A