高中通用技术(知识点及设计方案.pdf

第一单元（结构与设计）知识点一、结构的涵义：1、结构的概念：结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列，结构多种多样且决定着事物存在的性质及功能。自然界形形色色的结构给了人们无限的创造灵感和启示（例苍耳子、飞机、导弹跟踪系统等）。2、结构的分类：根据物体的结构形态，通常将结构分为实体结构、框架结构 和 壳体结构三种基本类型。实体结构是指结构体本身是实心的结构。它的受力特点是，外力分布在整个体积中，如实心墙、大坝等；框架结构是指结构体由细长的构件组成的结构。其特点是，支撑空间而不充满空间，如铁架塔、建筑用脚手架，厂房的框架等；壳体结构是指层状的结构。它的受力特点是，外力分散作用在结构体的表面上，如摩托车手的头盔、飞机的外壳、贝壳等。生活中很多物体的结构是由两种或两种以上的基本结构类型组合而成，称为组合结构，如埃菲尔铁塔等。二、结构的分析：1、承受应力：从力学角度来说，结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。当一个结构受到外力作用时，内部各质点之间的相互作用会发生改变，产生一种抵抗的力，称为内力。应力是构件的单位横截面上所产生的内力，当应力达到某一极限（容许应力）时，结构就会遭到破坏。用公式表示为=F/S，其中 F 是内力，S 是受力面积，是应力。构件的受力形式多种多样，基本受力形式有拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力，很多情况下，构件可能同时受到几种不同形式的力的作用。（结构的受力分析）2、结构的稳定性：结构的稳定性是结构在负载的作用下维持其原有平衡状态 的能力。它是结构的重要性质之一。影响结构稳定性的因素有多种，主要有重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面积的大小和结构的形状、材料等。对于一个结构而言，如果重心所在点的垂线落在结构底面的范围内，就是稳定的，不会出现倾倒。3、结构的强度：结构的强度是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。结构的强度与结构的形状、使用的材料、构件之间的连接方式等因素有密切的关系。三角形是框架中最基本的形状之一，它结实、稳定，所用材料最少。结构构件的连接通常有两类：铰连接和刚连接。铰连接是指被连接的构件在连接处不能相对移动，但可相对转动。如门与门框的连接；刚连接是指被连接的构件在连接处既不能相对移动，也不能相对转动，具体有榫接、胶接、焊接等，如固定铁床架的连接。三、结构的设计：结构设计应以一种或几种功能的实现为基本目标，应满足设计规范，满足使用者的基本需要。结构设计应考虑的主要因素有：功能、符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求，安全因素，公众和使用者的审美需求，使用者的个性化需要，对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命等。对于任何结构的设计安全是至关重要的因素。步骤：确定结构设计方案绘制简单结构设计草图做出模型或原型四、结构的欣赏：优秀的结构设计不仅表现在结构的实用功能上，也表现在形式上，特别是功能与形式的统一上。古今中外许多能工巧匠把结构的功能与形式恰当地结合起来，形成了一些经典的结构。赏析结构设计作品，可从技术与文化两个角度进行。技术角度：使用功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、材料合理性、工艺精湛程度等。文化角度：文化寓意与传达，美学原则，反映时代、民族、习俗方面特征，个性特征等。第二单元（流程与设计）知识点一、流程的涵义：1、流程的概念：流程是一项活动或一系列连续有规律的事项或行为进行的程序。任何流程都反映了一定的时序，体现出一定的环节。环节：活动或事件在其发展的过程中，依据某种特征或方式，可将该过程分解为若干个小过程，称这些小过程为环节。如：切种、布种、掩种环节，冲片和印片环节等。（2）时序：过程的经历中，各环节按照一定的时间顺序先后出现、完成。这种时间顺序关系，称为时序。如：先切种 再布种后掩种。2、流程的表达（流程图）：依据流程的性质及人们的表达习惯，流程图有文字表达、表格表达、图示表达、模型表达、动画演示、方框图、示意图、程序等。二、流程的分析：1、生活与流程：科学合理的流程，可以指导我们正确地做事，提高工作和学习的效率，是我们的生活变得有序、合理，为我们的安全提供保障（例洗衣、煮饭与烧菜的流程安排，碘盐和味精佐料的加放流程，青霉素注射流程等）。2、生产与流程：运用科学合理的流程可以有效地组织生产、提高生产效率、保证产品质量、保证安全生产、保护环境等。流程中工序的作业方式串行和并行。上一道工序完成之后才能进入下一道工序串行。几项工作同时进行并行。3、简单流程图的识读：识读流程图的要点：找流程的环节，明确每个环节的功能和作用；弄清流程中时序的体现与特征；流程是技术的核心概念之一。不同的流程，产生的效益往往不同，“理解流程就是质量”、“流程就是效益”等。三、流程的设计：1、流程设计的基本要求：提高效率。提高质量。保证安全。节省资源。提高管理水平。提高经济效益。其他，如注意环保、方便操作等。2、流程设计中的基本因素：研究内在属性与规律，就是流程设计应该考虑的基本因素。生产活动中的流程设计的基本因素主要有材料、工艺、设备、人员、资金和环境等。不同行业的流程设计中考虑的基本因素各有差异。3、流程设计的步骤：第一步：首先要明确设计的目的和任务，明确流程所应遵循的内在变化规律。第二步：要分析现有材料、设备、资金、人员、工艺和环境等因素。第三步：列出流程涉及的主要事项，并进行初步的排列。第四步：分析各事项（步骤）之间的先后顺序，合理地安排流程的时序和环节。第五步：选择一个合适的表达方式画出流程图，对于有严格时间的时序，要标注时间。注意：流程设计的基本要素是环节和时序。4、学画流程设计的框图：画流程设计框图的一般方法：根据对事物的内在属性和规律的分析，以及有关的考虑，将流程的全过程，按每个阶段的功能、作用的不同，分解为若干小过程环节，并用方框表示环节。按照每个小过程应该经历的时间顺序，将各环节依次排开，并用箭头线连接起来。四、流程的优化：1、流程的优化及目的：在设计和实施流程的过程中，经常需要进行不断的修改和完善，这种对流程修改的过程，叫做流程的优化。目的：提高工作效率、降低成本、降低劳动强度、节约能耗、减少环境污染、保证安全生产等。2、流程优化的内容：一般流程优化的主要内容有：工期优化、工艺优化、成本优化、技术优化、质量优化等。对一个流程的优化，可以是整体的全面优化，也可以是对某一个指标进行优化。经常会有这样的情况发生：某一个指标得到了优化，而使另外的指标下降了。比如，技术优化，可能使成本提高。成本优化了，也可能使质量下降。因此，在进行流程优化时，要综合平衡，以取得整体优化的成效。3、流程优化的条件：内部条件：对流程内在机理和规律的深入了解。比如对洗涤原理的了解，就会在流程中安排两次漂洗；外部条件：设备和工艺水平的提高或完善，以及人员技术水平的提高。比如，只有在具备锻压设备时，才可能将法兰盘的加工改为少量切削加工。第三单元（系统与设计）知识点一、系统的涵义：1、系统的概念：由相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约的若干要素或部分组成的具有特定功能的有机整体，称为系统。构成系统，必须具备三个条件：第一，至少要有两个或者两个以上的要素（部分）才能组成系统；第二，要素（部分）之间相互联系、相互作用，按照一定方式形成一个整体；第三，这个整体具有的功能是各个要素（部分）的功能中所没有的。2、系统的组成、类型：系统是普遍存在的，也是多种多样的。根据需要，可以对系统进行不同的分类。如，可把系统分为自然系统和人造系统，自然系统是自然形成的系统（如生态系统），人造系统是由人工制造加工而成的系统（如计算机系统和机械传动系统）；也可把系统分为实体系统和抽象系统，实体系统是实物形态的（如生物系统、机械系统），抽象系统是非实物形态的（如哲学系统）。3、系统的基本特性：系统的基本特性主要有整体性（全局、集合）、相关性（匹配、关联）、目的性（功能）、动态性（更新）和环境适应性（自适应）等，这些特性都体现了一定的思想与方法。（结合课本相关案例，学会运用系统的基本特性，分析身边的系统）。二、系统的分析：1、系统分析及其目的：系统分析是指为了发挥系统的功能，实现系统的目标，运用科学的方法对系统加以周详的考察、分析、比较、试验，并在此基础上拟订一套有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案的过程。目的：寻求解决问题的最佳决策。2、系统分析的一般步骤：明确问题，设立目标收集资料，制定方案分析计算，评价比较检验核实，作出决策。（结合田忌赛马案例）3、系统分析的主要原则：系统分析应遵循整体性原则（丁谓修复皇宫）、科学性原则（三三进九不如二五一十）和综合性原则（孝襄高速公路）。三、系统的优化：1、系统优化的目的：系统的优化是指在给定的条件（或约束条件）下，根据系统的优化目标，采取一定的手段和方法，使系统的目标值达到最大化（或最小化）。最小的成本最大的利润；最短的工期更多的工程量；最少的能耗更多的产品；单位面积土地更高的农业产量。（案例：农业间作套种，家具利润问题等）优化目标；目标函数；约束条件（不能人为调节）；影响因素（可以人为调节）。2、系统优化的方法：数学模型最优解；科学估算、试验满意解。结合案例，分析系统优化的实现。四、系统的设计：1、系统设计的目的、方法与过程：系统设计是对各种各样的系统进行调查分析、筹划研究、评价实施、运行改善等，直到完成一个能协调工作的实际系统的过程。系统设计要考虑其目的与要求（以系统的整体功能的最优为目的）、系统各部分之间的相互联系与相互作用、对系统设计方案进行优化（整体优化，统筹兼顾）等问题。2、系统设计的一般步骤：系统设计的步骤包括：将系统分解为若干子系统；确定各子系统的目标、功能及其相互关系；对子系统进行技术设计和评价，对系统进行总体技术设计和评价等。3、简单系统的设计：了解系统设计应解决的主要问题和基本的设计过程，写出系统设计或系统优化设计的书面方案，包括必要的设计草图以及量化数据。（案例：手电筒照明供电部分的设计）。控制与设计一、控制的手段与应用1.控制的手段控制的含义：案例分析：大禹治水 P96 人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。理解任何控制现象，都要明确控制的对象是什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手段。例如：人力三轮车转弯过程中的方向控制问题，其控制的对象就是人力三轮车，控制的目的是为了改变三轮车行驶的方向，控制的手段是骑车人通过双手转动车把，改变前轮的方向并带动后轮。控制的手段：控制的实现需要通过一定的手段。从控制过程中人工干预的情形来分，控制有人工控制和自动控制。人工控制是在人的直接干预和全程干预下进行的。人工控制又称手动控制。自动控制是指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行。按执行部件的不同，控制可分为机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。有时，控制手段又可以综合的。案例分析：从手摇扇到空调器 P982.控制的应用控制应用到生活中，提高了人们的生活质量，人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境，使之满足人们的需要。生产中往往需要对温度、湿度、压力、速度及加工动作等进行控制，控制在生产中得到了极为广泛的应用。控制在军事、国防等领域也有着广泛的应用。阅读：控制论 P101二、控制系统的工作过程与方式1.控制系统案例分析：自行车行驶的速度控制的实现 P102 案例分析：电风扇的风速控制的实现 P102 任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节构成一个系统，我们称之为控制系统。一般的控制过程都有一个输入和一个输出，控制系统的输入输出之间有一定的对应关系。控制系统一般分为开环控制系统和闭环控制系统。2.开环控制系统控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统为开环控制系统。开环控制系统在日常生活中用途很广。如十字路口的红绿灯定时控制系统、楼宇的防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统等。案例分析：自动门的控制系统 P103在控制系统中，为了分析的方便，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线来表示系统信号传递的方向，这种图称为控制系统的方框图，它表示了系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。对于开环控制系统，通常可以用下面的方框图来描述：输入量即控制系统的给定量，如游泳池进水的设定时间；输出量（被控量）即控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号，如游泳池的水位；被控对象即控制系统中所要求的装置或生产过程，如游泳池；执行器即直接对被控对象进行控制的装置或元件，如进水阀门；控制器即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，如控制电路；控制量即执行器的输出信号，如流过阀门的水量。案例分析：水泵抽水控制系统 P1043.闭环控制系统系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。简单闭环控制系统的方框图如下：检测装置测量出被控量并返回到系统的输入端；是比较器，它将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值；控制器将这一偏差值进行运算处理，并向执行器下达控制指令；执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量稳定在一定范围内。与开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个由检测装置组成的环节。三、闭环控制系统的干扰与反馈1.干扰因素在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。有的干扰因素是环境造成的，如影响自行车行驶速度的变化的自然风等；有的干扰因素是人为原因所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。如战士在大风大雨中进行射击练习，风和雨都是子弹命中准确度的干扰因素。控制系统在工作中必须克服干扰，使被控量稳定。案例分析：电视机 P109有些情况可以利用干扰因素实现某种目的。如在军事演习中，红方利用一定频率的电磁波对蓝方的信息指挥系统进行干扰，使之不能正常工作。2.反馈（1）什么是反馈控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入并与输入量进行比较的过程，就是反馈。案例分析：投篮 P110 利用反馈来分析和处理被控制对象，通过系统的书出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运用的方法，称为反馈方法。如普通电水壶将水加热至沸腾时，需要人工关闭电源，而自动电水壶具有挡水沸腾时自动切断电源的功能，终究是运用反馈方法实现自动控制的结果。(2)闭环控制系统的工作过程从反馈来看，闭环控制系统就是指在系统的输出端与输入端之间存在反馈问题，输出量对控制过程产生影响的控制系统。闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控制量（输出量）的偏差。一个闭环控制系统，能够克服外界干扰，使被控量控制在给定值附近。案例分析：供水水箱的水位自动控制系统 P112 案例分析：加热炉的温度自动控制系统 P113（3）闭环控制系统与开环控制系统的比较开环控制系统一般结构简单，适用于控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合。闭环控制系统设计比较麻烦，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高。闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一种方式，用于要求高精度和高可靠性的场合。3.功能模拟方法：以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法，就是功能模拟法。阅读：功能模拟方法的提出 P115 思考：功能模拟方法对技术有何意义？4.黑箱方法：把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。例如，通过输入图像、电或声音信号，观测、分析脑电波的输出反应，研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能，得知人脑内部结构的细节，就是黑箱方法的运用。四、控制系统的设计与实施1.控制系统设计的一般思路设计好一个控制系统，应该明确这个系统要达到的目的是什么，所要控制的对象是什么，被控制对象有哪些重要的特性，被控量和控制量分别是什么，外界的主要干扰因素有哪些，选择怎样的设计方案既能达到目的，又能经济、易于实现，如何选择设备和元件，等等。设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。能达到控制目的，采用易于实现的控制方式，降低控制成本、减少对环境的负面影响等，是我们进行控制系统设计必须考虑的基本问题。控制系统的设计方案，还包括画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸、撰写说明书等。（1）开环控制系统的设计开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。例如：普通电风扇控制系统的设计，被控对象是电风扇，被控量是电风扇输出的风速，控制量是电机的转速；若是具有定时功能的电风扇控制系统的设计，则需在开关环节加一个定时器。案例分析：电吹风控制系统的设计 P119设计要求：电吹风能根据不同的挡位（如冷风挡档、热风挡）输出不同种类的风。设计分析：电吹风控制系统的被控对象是电吹风装置，被控量是风的速度和温度，控制量是电机的电压，干扰因素是房间温度、电源电压的波动等。电吹风的控制工作过程：电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。方案构思：选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出必要的电气线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。（2）闭环控制系统的设计简单的闭环控制系统，基本要求：第一，一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。第二，控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内。第三，闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计 P120设计项目：抽水马桶水箱的自动控制系统设计要求：当水箱中的水位低于达到某一指定高度时，进水口立即进水。当水箱的水位达到某一指定高度时，进水口立即停进水。控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别的要求。设计分析：从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（即进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈线性关系。主要干扰因素是水箱的出水流量。方案构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位低于水箱的某一高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际水位高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱的水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。水箱水位的控制过程：拨动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水，与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。2.控制系统的设计与实施方案案例分析：自动升旗简易控制装置的设计 P121本单元小结：事物发展具有多种可能性。人们根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定方向发展，就形成了控制。人类的控制现象自古就有，随着科学技术的发展进步，自动控制得以迅速发展。控制的手段多种多样，控制广泛应用于人们的生产生活中。开环控制系统是指输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统。闭环控制系统是指在系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统。控制系统的工作过程通常可以用方框图来表示。在控制系统中，除输入量以外引起被控量变化的各种因素，就是干扰因素。反馈是闭环控制系统的重要特征，体现了一定的思想方法，有着广泛的应用。此外，功能模拟方法、黑箱方法在控制系统设计以及日常生活中也有着广泛的应用。设计一个控制系统，要明确控制目的、控制对象是什么，要弄清干扰因素以及被控量、控制量，选择经济、易于实现的手段来实现。附加：通用技术设计方案在设计的过程中，从另一角度观察，不仅可以达到“一石三鸟”的功效，还可以培养学生的实践能力和创新能力。特殊是当今的社会，面对着高科技的迅猛发展，若要想成为一个不被社会淘汰的获胜者，其本身一定要具备一定的能力，而创新能力在其综合能力中占有至关重要的地位。比如：美国陆军首创的“5W-2H”提问法，其对全世界的影响是巨大的，而其本质就是针对某个需要解决的问题从几个方面发问而启迪思路的一种创新激智法；更有赫赫有名的“头脑风暴法”，它不仅可使每个人发挥其创新能力，还可以使多人相互激励，产生更多的新奇性想法，更可以摆脱思想束缚，有助于新奇想法的出现等等。这些例子都可以看出培养创新能力的重要性，当学生亲自参与到设计方案的过程中时，这本身也是为他们营造了一个良好的创新氛围。在设计过程，他们可以运用“头脑风暴法”，通过学生之间的讨论，评价，以及他们之间思维沟通，交流，很有可能诞生诸多具有创新想法的方案，尽管可能会出现一些不符合科学规律的想法，但是，仔细思考一下，就会从现实生活中的诸多事情里面发现这么一个常见的道理，就是某一时间段的想法并不是“绝对正确”的，例如：在一千多年以前，人类把使人“飞上天”看成是一个神话，谁又会想到，人类一千多年以后却依靠飞机，宇宙飞船等等而“飞上天”？在设计方案的过程的时侯，不仅可以把方案的制定的全过程寓于整个实践活动之中，还可以帮助学生在活动中迸发出创造性思维的火花，从而使其实践能力和创新能力得到一个较大程度的提高。回过头来一想，培养学生的实践能力和创新能力不正是我们所期望的吗？