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1、ISBN 978-7-5499-8714-69 787549 987146定价：9.74元亲临其境、亲自动手、亲身体验是本栏目的宗旨。这里的一系列精彩项目将使我们经历激动人心的操作实践，使我们感受到技术实践的特有乐趣，感悟到技术世界的丰富多彩。每节有24个相互联系的任务。我们将在完成一个个任务的过程中，建构积极价值观、必备品格和关键能力，形成核心素养。基于学生生活经验和技术学科基本特点的情境，带领我们走进真实的技术世界，发现复杂而真实的技术问题，进入富有意义建构的学习过程。学习目标会使我们明确学习的方向，为进入学习过程做好心理准备。随着科学技术突飞猛进的发展，技术日益成为我们生活中几乎无时不在
2、、无处不在、无所不在的客观存在，成为引起社会变化、塑造社会变化和应对社会变化的重要因素，也成为实现中华民族伟大复兴的重要支柱。因此，技术素养是当代青少年的基本素养。通用技术课程是普通高中学生人人必须修学的课程。通用技术是指当代技术体系中较为基础、在日常生活中应用较为广泛、育人价值较为丰富并与专业技术相区别的技术，是学生适应社会生活、高等教育和职业发展所必需的技术。普通高中通用技术课程，以提高学生的学科核心素养为主旨，以设计学习、操作学习为主要特征，是一门立足实践、注重创造、体现科技与人文相统一的课程。它的学习过程是同学们主动建构知识、不断拓展关键能力、铸造积极价值观和关键品格的过程，是一个富有
3、生机、充满探究、方式多元的活动过程。相信通用技术的学习一定会成为同学们高中时光中夯实基础、练就素养、挑战自我、享受创造与发展乐趣的美好生活的一部分。了解本书章节和任务的构成，能使我们总揽全貌，形成关于课程学习的宏观架构。节选用学习目标单元将本单元所学内容与本学科其他内容、与其他学科知识、与自己已有知识和经验综合起来，可以提高综合能力，领略学习的最高境界。对学习过程和学习结果作一回顾总结和反思，有助于学习目标的真正实现，有助于核心素养的有效形成。生动活泼、形式多样的作业，使我们所学的内容得以巩固，同时也打通了与课外活动结合的通道。在学完一单元后，以思维导图形式，对学习内容进行概括和归纳，有助于我
4、们学会学习和自我建构。穿插在课文之中、形式多种多样的活动使我们所学的知识与技能得到及时的巩固、应用和内化，也是我们学会技术学习的有力工具。技 术 试 验 是在技术活动中为了某种目的所进行的尝试、检验、优化等探索性的实践活动，使我们的实践才能和创新能力得到展示。本栏目富有典型意义的范例、素材、话题是学习中对话的平台，使我们享受到由丰富的技术感性走向深刻的技术理性的快乐。这些是我们技术学习中拓宽视野、深化认识、铸造精神，品味技术信息的“美味佳肴”，不要错过哟。基于关键的技术问题，立体化地加以呈现，这是我们思维互联、智慧众筹、头脑风暴的广阔天地。选用选用第三单元 太阳能小车的创新设计与实践一、太阳能
5、小车的设计分析任务一 分析需求与明确问题/050任务二 探究车载太阳能发电系统的科学问题/053任务三 探究太阳能小车的系统组成/054第二单元 过街天桥的创新设计与实践一、过街天桥的设计分析任务一 分析需求与明确问题/030任务二 探究主要桥式结构及其力学原理/034二、过街天桥的方案设计任务一 选择过街天桥的桥式/038任务二 方案的设计与表达/041三、过街天桥的模型制作与验证任务一 设计与制作模型/043任务二 测试与优化模型/045任务三 项目总结与反思/045第一单元 科技人文融合创新概述 一、科技人文融合创新的理论基础任务一 探寻STS、STEM及STEM+的发展历程/002任务
6、二 分析科技人文融合创新的结构要素/007任务三 探究科技人文融合创新的实现条件/009二、科技人文融合创新的一般过程任务一 分析需求与明确问题/011任务二 收集信息与构思方案/015任务三 物化方案与表达交流/017三、科技人文融合创新的常用方法任务一 感受原始创新方法/021任务二 体验改进创新方法奔驰法(SCAMPER)/022任务三 体验模仿创新方法逆向工程与标杆分析/023第四单元 无人机的创新设计与实践一、无人飞行器的设计分析任务一 分析需求与明确问题/072任务二 探究飞行器的科学原理/076二、四旋翼无人机的飞行控制与逆向设计任务一 比较与权衡无人飞行器的飞行控制/080任务
7、二 分析四旋翼无人机的飞行控制/083任务三 进行四旋翼无人机的逆向设计/085三、四旋翼无人机悬挂装置的改进与优化任务一 改进四旋翼无人机悬挂装置的设计/090任务二 测试试验与优化改进/092任务三 项目总结与反思/093二、太阳能小车的设计与制作任务一 试制微功耗电动小车的驱动系统/057任务二 给遥控电动小车配备光伏发电系统/060三、太阳能小车的测试与优化任务一 评估与优化太阳能小车/065任务二 项目总结与反思/068第五单元 残疾人拐杖的创新设计与实践一、残疾人拐杖的设计分析任务一 分析需求与明确问题/098任务二 探究残疾人拐杖中的科学问题/100二、残疾人拐杖的设计与制作任务
8、一 进行残疾人拐杖的方案设计/105任务二 比较与权衡设计方案/108任务三 制作多功能残疾人拐杖/111三、残疾人拐杖的测试与优化任务一 进行残疾人拐杖技术试验/114任务二 优化残疾人拐杖设计方案/115任务三 项目总结与反思/1176通用技术科技人文融合创新专题选择性必修 10主 编 顾建军 何善亮编写人员（按姓氏音序排列）陈 宏 顾建军 何善亮 孙公刚 庄力群第一单元 科技人文融合创新概述001周易贲卦彖传释：“刚柔交错，天文也；文明以止，人文也；观乎天文以察时变，观乎人文以化成天下。”数千年来，“推天道以明人事”的思维方式深刻影响着中华文化，由此形成的“天人合一”“道器合一”“理一分
9、殊”“一本万殊”等基本理念与“科技人文融合”有异曲同工之妙。第一单元科技人文融合创新概述一 科技人文融合创新的理论基础二 科技人文融合创新的一般过程三 科技人文融合创新的常用方法002通用技术科技人文融合创新专题选择性必修 10新学期伊始，某校高二年级组织“走进科技产品”活动，高二（3）班的主题是“生活科技产品的变迁”。孙宇小组选择“冰箱的发展”主题，王明小组选择“交通工具的变迁”主题，李辉小组选择“扫地机器人”主题各自展开了调查研究。任务一 探寻STS、STEM及STEM+的发展历程STS是科学（Science）、技术（Technology）、社会（Society）首字母的缩写。20世纪六七
10、十年代，西方发达国家首先提出STS研究和STS教育，目的是探讨和揭示科学、技术与社会三者之间的复杂关系，研究科学、技术对社会产生的正负效应，改变科学与技术分离以及科学、技术与社会相脱节的状态，使科学、技术更好地造福于人类。20世纪世界严重的环境污染事件20世纪，世界上发生了许多严重的环境污染事件。图 1-1 1948 年美国多诺拉烟雾事件学习目标1 能简要说出国际上STS、STEM及STEM+项目理念的发展历程。2 通过对科技人文融合创新的结构分析，能够比较和分析科学、技术、工程、艺术、数学、社会各学科之间的区别与联系，体会多学科融合创新的重要性。3 明确从事科技人文融合创新项目活动的基础条件
11、，知道工具、材料、图样、工艺、试验等技术要素在科技人文融合创新中的作用。任务一 探寻STS、STEM及STEM+的发展历程 任务二 分析科技人文融合创新的结构要素 任务三 探究科技人文融合创新的实现条件一、科技人文融合创新 的理论基础1948年10月2631日，在美国宾夕法尼亚州的多诺拉小镇，由于工厂大量排放含有二氧化硫等有毒有害物质的气体及金属微粒，再加上当地气候反常，这些有毒有害物质附在悬浮颗粒物上，聚集在山谷中积存不散，造成了严重的大气污染，如图1-1所示。人们在短时间内大量吸入这些有害气体，引起各种不适症状，全城14000人中就有6000多人出现了眼痛、喉咙痛、头痛、胸闷、呕吐、腹泻等
12、症状，最终造成了20多人死亡。第一单元 科技人文融合创新概述003电冰箱的发明历程早在两千多年前，人们就已经懂得使用冰块来储藏食物，冬天存储足够数量的冰块，藏于地窖，将食物放进冰块里以延长食物的保鲜期，这就是古代的冰箱。但是，在古代从自然界中采撷与保存冰块是一件非常困难的事情。STS中的科学指的是自然科学，包括人们熟知的物理学、化学、生物学、地理学等，即人们常说的理科。这些学科虽然研究对象不同，但是它们蕴含的科学思想、科学方法、科学精神是一致的，本质上都是一种对大自然不断深入的探究过程。科学、技术、社会之间存在着紧密的关系。一方面，科学、技术转化为生产力是一个复杂的社会过程；另一方面，科学、技
13、术的发展与社会发展相互促进。科学与技术是一把“双刃剑”，这已成为一个人们越来越重视的主题。科学、技术社会图 1-3 科学、技术与社会存在紧密关系讨论:1.结合美国多诺拉烟雾事件，谈谈科学、技术与社会之间的相互关系。2.选择一个感兴趣的环境污染事件，查找相关资料，讨论事件发生的原因并谈谈从中得到的启示。图 1-2 20 世纪世界严重的环境污染事件1930年比利时马斯河谷烟雾事件大气污染严重美国洛杉矶光化学烟雾事件大气污染严重日本水俣病事件水污染严重日本富山骨痛病事件水污染严重美国拉夫运河事件土壤污染严重苏联切尔诺贝利核泄漏事件核污染严重美国多诺拉烟雾事件大气污染严重英国伦敦烟雾事件大气污染严重日
14、本米糠油事件食物油污染欧洲“黑三角地带”事件酸雨侵蚀严重欧洲多瑙河污染事件水污染严重1948年1950年1977年1986年1952年1968年1980年2000年1943年19461960年科学、技术社会化社会科学化004通用技术科技人文融合创新专题选择性必修 10为了满足日益增长的生活需求，人们开始尝试各种方法与手段改进现有的冷藏方式。1822年，英国著名物理学家法拉第发现了二氧化碳、氨、氯等气体在加压的条件下会变成液体，当压强降低时又会变成气体的现象。在由液体变为气体的过程中会吸收大量热量，使周围的温度降低。法拉第的这一发现为后人发明压缩机等人工制冷技术提供了科学理论的基础。1851年，
15、澳大利亚商人哈里森发明了第一台人工制冷压缩机。1879年，德国化学家林德制造出第一台人工制冷的家用冰箱。1923年，瑞典工程师布莱顿和孟德斯发明了第一台压缩式电冰箱。此后，这种由电动机提供机械能，通过压缩机对制冷系统做功的冰箱开始走进千家万户。它使用方便、寿命长，但缺点也显而易见。氟利昂作为制冷剂一直沿用了50多年，对地球大气的臭氧层产生了严重的破坏，直接造成了臭氧层的空洞。随着科技革新与人们环保意识的提升，无氟冰箱开始成为市场的主流，材料科学的发展推动了太阳能电冰箱、半导体电冰箱等新型冰箱的相继出现，充分满足了人们多样化的生产和生活需求，同时也降低了能耗，减少了对环境的污染。讨论:1.从电冰
16、箱的发明历程看，人工制冷技术的发展受到了哪些因素的影响？2.科学与技术是一把“双刃剑”，从正、反两个方面思考电冰箱的发明给人类社会带来的影响。图 1-4 林德制造的家用冰箱图 1-5 第一台压缩式电冰箱STEM与STS类似，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）首字母的缩写，产生于20世纪80年代，以跨学科为特征，以解决现实世界中复杂情境下的真实问题为目的。与STS相比，STEM突出了工程的建造（制作）特征和数学的思维及工具价值，也更加倡导科学、技术、工程、数学等多学科的整合，强调科学探究和工程实践活动，通过学科整
17、合和探究实践，创造性地解决现实世界中的复杂问题。图 1-6 STEM 框架第一单元 科技人文融合创新概述005电冰箱的工程设计问题电冰箱是利用液体汽化吸热而实现制冷的。电冰箱中的制冷剂能在极低的温度下汽化，使电冰箱内部保持冰冻温度。几乎所有电冰箱都是由压缩机、热交换管、安全阀、冷交换管、制冷剂这五个基本部件（或材料）组成的。电冰箱的工作原理如下，展现了工程设计问题：1.压缩机压缩制冷剂气体，将升高制冷剂的压力和温度（橙色），而冰箱外部的热交换管帮助制冷剂散发加压产生的热量。2.当制冷剂冷却时，气态制冷剂液化成液态（紫色），并流经安全阀。3.当液态制冷剂流经安全阀，从高压区流向低压区，发生汽化（
18、蓝色），同时吸收热量，发挥制冷效果。冰箱内的冷交换管帮助制冷剂吸收热量，使冰箱内部保持低温状态。然后，不断重复该循环。讨论：1.电冰箱工作过程中涉及哪些工程设计问题？2.电冰箱工作过程中涉及哪些科学、技术、工程、数学学科知识？它们是如何相互融合发挥作用的？科学、技术、工程和数学如何更好地造福于人类，不可避免地涉及价值选择等人类意志问题，因此，解决现实世界的复杂问题，仅靠科学、技术以及工程和数学是难以完成的，还必须考虑艺术（Arts）和社会（Society）等相关因素。2011年，美国学者雅克曼主张在其中加入艺术（Arts）学科，涵盖社会研究（Social studies）、语言（Languag
19、e）、形体（Physical）、音乐（Musical）、美学（Fine）和表演（Performance)等，强调人文艺术、社会价值与科学、技术、工程、数学的有机融合。于是，STEM也便逐渐发展演化为STEAM、STEM+、STEAMS。STEM 时代STS 时代STEAM 时代196919862011冰箱内部压缩机安全阀图 1-7 电冰箱工作原理图图 1-8 STS、STEM、STEAM 的变迁006通用技术科技人文融合创新专题选择性必修 10回顾STS、STEM、STEM+的发展历程可以看出，科技发展与人类社会生活存在着紧密的联系，并需要大量的科技创新人才；解决真实世界中的科技工程问题绝不是
20、仅靠某一学科就能完成的，往往需要综合运用多学科领域的知识与方法。因此，只有将科学、技术、工程、数学、人文、社会有机融合，才能创造出人类需要的科技产品。这也是我们学习领域融合知识的意义所在。STS、STEM与STEAM的比较STS、STEM与STEAM在产生背景、涉及学科及主要特征等方面存在诸多不同。比较维度STSSTEMSTEAM产生背景第二次世界大战之后，新技术革命在造福人类社会、改善人类生活质量的同时，也给人类社会带来了许多有害的影响，特别是严重的环境污染问题美国对STEM人才的需求和保持国家竞争力的需求倾向于解决理工科的跨学科融合（STEM）的局限性情境社会情境现实生活中的真实情境现实生
21、活中的真实情境目标培养正确的价值观、世界观，促进科技与社会的契合获得问题解决能力，更好地融入社会（包括就业）通过艺术对各学科的渗透和对学生思维的扩展,提升学生的创新素养涉及学科领域科学、技术和社会（及哲学等）科学、技术、工程和数学科学、技术、工程、数学和艺术（及人文社科）学科融合水平较低，主要是从社会的视角看待科技，不强调学科融合较高，在解决问题的时候需要综合地运用STEM学科的知识高，解决问题时，不仅需要运用STEM学科知识，还涉及艺术及人文社科领域知识主要特点通常理解为在技术和社会环境的可靠范围内教授科学内容跨学科性、体验性、情境性跨学科性、体验性、情境性、艺术性、设计性思考：在从STS、
22、STEM发展到STEAM的过程中，技术起着什么样的作用？第一单元 科技人文融合创新概述007新型交通工具电动平衡车电动平衡车，其工作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”的原理上，以内置的精密固态陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，通过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动电动机使车身达到平衡。它是一种集代步、娱乐、休闲等多种功能于一体的新型交通工具，速度可达20km/h，单次充电可完成2070km的续航里程，具有绿色环保、操作简单、方便携带等优点。任务二 分析科技人文融合创新的结构要素科技人文融合创新主要是指基于真实的问题情境，综合运用科学、技术、工程、艺术、数学与社会等学科知识、方法
23、和技能进行问题解决与科技创新，也是一种跨学科、整合的项目式学习形式。科技人文融合创新涉及诸多学科，不同学科内涵与作用各不相同。科学侧重于认识世界，力求有所发现，意在回答“是什么”及“为什么”的问题；技术侧重于合理地开发与利用自然，力求有所发明，更多地回答“怎么办”的问题；工程是技术的集成，又超越了技术范围，力求以最短时间和最少人力、物力做出高效、可靠且对人类有用的东西；数学则因其关注数量、结构、变化、空间以及信息等概念和关系，从而成为科学、技术和工程必不可少的基本工具；艺术是以创造美为主要目的的技术及其产品；社会则是人们以共同物质生产活动为基础并按照一定行为规范相互联系而结成的有机总体，其基本
24、要素是自然环境、人口和文化等。科技人文融合创新不仅需要熟悉相关学科和辨别相关学科，更需要在创新实践活动中能够针对实际情况和需要，基于不同学科视野、知识、方法、思想等提出学科问题和相关学科知识，进而为使用某种跨学科方法辩护，实现科技人文融合创新。图 1-9 电动平衡车讨论：电动平衡车的设计、生产与销售涉及科学、数学、工程、技术、艺术及社会等诸多学科领域，结合相关学科知识和资料完成下列表格，并讨论这些学科问题和相关学科知识的区别与联系。008通用技术科技人文融合创新专题选择性必修 10植物培养箱是利用植物的光合作用原理，集加热、制冷、光照、加湿为一体，可按照需求提供二氧化碳发生器或二氧化碳接口用于
25、植物发芽、育种、育苗等，并利用计算机技术对培养箱温度实施伺服控制的设备。如图1-10所示是植物培养箱中涉及的科学、技术、工程、数学、艺术、社会等诸因素，试回答以下问题：1.完成图1-10中所缺的部分内容。学科（领域）学科问题相关学科知识学科之间的联系科学技术工程数学艺术社会其他科技人文融合创新基于科学、技术、工程、艺术、数学与社会等具体学科领域，更是各门相关学科的有机融合。这种融合不是简单的集合和拼凑，而是围绕真实世界中的问题或项目，运用多学科知识和方法共同解决问题的进程（过程）。在实践过程中，科技人文融合创新常常利用工程项目整合课程内容，注重科学探究与工程设计，涉及工具、材料、图样、工艺、试
26、验等技术要素，表现出跨学科、情境性、体验性、协作性、设计性、艺术性、实证性和社会性等特征。2.思考如何利用工程项目整合其他学科内容，尝试画出它们的关系图。图 1-10 植物培养箱科技人文融合创新因子分析植物的光合作用原理植物培养箱的融合创新分析TMSEEAST温度、湿度控制气流、氧浓度控制安全可靠性第一单元 科技人文融合创新概述009任务三 探究科技人文融合创新的实现条件乔布斯的人生是一部真实的传奇。他的一生都与“创新”一词紧密相连。他对科技和人文融合创新的敏锐嗅觉给智能手机带来了新的变革。结合自己最敬佩的科学家、工程师或其他杰出人物，描述自己心目中的创新者形象特征，然后进行交流。从系统的观点
27、看，科技人文融合创新涉及科学、技术、工程、艺术、数学与社会等具体学科要素；从过程的观点看，科技人文融合创新涉及从问题发现到问题解决的诸多创造性环节。它们纵横交错，紧密相连，环环相扣，浑然天成，构成了人类社会绵延不断、科技人文融合创新的历史画卷。科技人文融合创新本质上是人的创新活动，因而其首要条件或根本条件是创新主体的科技人文融合创新素养。为此，不仅需要各学科领域的基本知识储备和专业技能，掌握产品性能需求、生命周期成本等具体学科方法，更需要图样表达能力、创造性思维和科技人文创新的意愿与热情。中国载人空间站“天宫”“天宫”系列工程是一个多层次的、动态的、开放的且互为联系的工程系统，各系统相互关联、
28、相互作用，任何一个微小层面的不协调都可能影响整个工程的成功。参与“天宫”系列工程的每个人都为共同目标而奋斗，每个人都为整个工程做贡献，每个人的节奏都与整个工程的步调相一致。秉承最先进管理理念的中国载人空间站工程，坚持以文化为先导，以文化为凝聚力，最终确保了工程预期目标的达成。讨论：查找“天宫”系列工程的相关资料，分析团队合作在创新中的作用。图 1-11“天宫一号”随着社会的不断发展，科技人文融合创新更加倡导团队的合作。相对于每一个个体而言，团队合作更容易实现学科知识、学科方法和看问题视角的互补，也更容易实现共享材料，共享数据，共同攻关，解决现实世界的复杂性问题。010通用技术科技人文融合创新专
29、题选择性必修 10科技人文融合创新是有价值导向和人文关怀的社会实践活动，因此必须践行社会主义核心价值观，坚持创新的人文导向。通过对科技人文融合创新的学习，你对“融合创新”一词有了怎样更深入的理解？1.谈谈你对STS、STEM及STEM+不同发展阶段特征的认识。2.科技人文融合创新既强调学科融合，又关注解决问题中的学科视角与学科识见，该如何理解具体学科和学科融合之间的关系？3.有人认为科学技术的发展是至关重要的，是人类发展的根本动力；也有人持相反的看法，认为科技发展严重影响了环境，阻碍了人类的长远发展。就上述观点展开辩论，并进而理解科技人文融合创新的意义。滴灌技术计算机控制的水、化肥、农药滴灌系
30、统是现代农业的基础，产生了巨大的经济效益和社会效益。这证明了，以滴灌为代表的科学灌溉可以大大缓解全球水资源危机。讨论：1.查阅资料，分析滴灌技术解决了哪些灌溉中的技术与工程问题？2.滴灌技术所涉及的工具、材料、设备、工艺及技术等诸多技术要素是如何有机融合的？图 1-12 滴灌技术第一单元 科技人文融合创新概述011现在很多人喜欢在自家阳台种植一些多肉植物。多肉植物原产于热带，习性怕冷，每到冬季就要移入室内，小心呵护，以免被冻死。小明了解到植物园中热带植物馆阳光温室的基本原理之后，打算自己动手在自家阳台建造一个种植温箱，用来安置这些“小肉肉”，使它们即使在冬天也能生活在气温适宜的环境中，避免频繁
31、搬动带来的影响。任务一 分析需求与明确问题创新实质上就是创造性地解决问题，科技人文融合创新也是如此。科技人文融合创新主要包括明确问题、设计方案、方案物化三个主要阶段，是一个循序渐进、逐次逼近的过程，需要在明确问题以确立目标，设计方案尝试性解决问题，方案物化、测试、优化、权衡等基本环节之间经历多次循环，递进求解，才能获得相对满意的最终结果。科技人文融合创新的目的是解决现实问题。要解决问题必须先明确问题，而要明确问题又必须结合具体情境分析人们的创新需求。分析需求需求是人类创新的根本动力，也是推动人类文明进步最持久的力量。一项创新作品需要满足特定的功能，我们称之为“功能需求”。作为产品设计者或项目开
32、发者，我们还要更深入地认识产品或项目“功能需求”的实质，即明确产品或项目的“性能需求”和“创新目标”。学习目标1 通过“自制阳台种植温箱”项目案例，体验科技人文融合创新的一般活动过程。2 知道工具、材料、图样、工艺、试验等技术要素，了解“质量屋”工具在科技人文融合创新活动中的用途。3 通过分析特定项目中所蕴含的科学、技术、工程、艺术、数学、社会等因素，认识各因素间的制约关系和通约特性。需求创新目标性能需求功能需求做事情的技术方向、工程目标如小空间的保温与恒温控制事情做到什么程度如箱内外气温差2125内要产品（作品）做的事情如营造适合植物生长的人工环境 任务一分析需求与明确问题 任务二收集信息与
33、构思方案 任务三 物化方案与表达交流二、科技人文融合创新 的一般过程图 1-13 项目需求分析012通用技术科技人文融合创新专题选择性必修 10明确问题分析项目的功能需求、性能需求和创新目标，是为了明确创新项目需要解决的核心问题。例如，在上述阳台种植温箱的创新案例中，小空间的恒温控制与我们熟悉的温室大棚的恒温控制相似而又有所不同。实现小空间的恒温控制，会带来哪些特殊的技术问题呢？通过案例分析我们认识到，问题情境中不仅包含项目需求，还包含实现项目创新的基础条件和制约因素。明确创新的条件、限制及约束，也是明确问题进而实现创新的重要任务。阳台种植温箱与农用阳光温室阳台种植温箱与农用阳光温室（温室大棚
34、）是两个相关度很高的创新项目。前者是在居家条件下用于解决数量不多的盆栽植物的越冬问题，要求建造材料容易采购，加工安装简单，易于自己动手搭建，而后者多于空旷的农田上建造，常用于低温季节中喜温蔬菜、花卉、林木等植物的栽培或育苗等。阳台种植温箱与农用阳光温室的问题情境对比问题情境项目需求分析约束与条件相似点不同点农用阳光温室节能，无外加热源，依靠吸收太阳热能升温；营造适合植物生长的人工环境防风、防雨；灌溉与排水；人员进出建造成本受限阳台种植温箱浇水与排水；美观；拆装方便 空间尺度受限；朝向选择受限；施工方法受限讨论：分析阳台种植温箱与农用阳光温室的不同，对我们设计阳台种植温箱有什么积极意义？通过分析
35、问题情境可知，阳台种植温箱有两项基本功能需求：（1）要用在空间尺度不大的居家阳台；（2）用户准备自己搭建。请分别列出这两项功能需求对应的性能需求和创新目标。第一单元 科技人文融合创新概述013学科（领域）问题线索生物植物的生长习性、对环境的要求物理热学、能量转换、结构力学、电学气候所在地的气候条件对项目的影响技术太阳能利用、节能环保、人机关系材料机械强度、保温、隔热、透光、获取方式环境项目对环境的依赖、项目对环境的影响工程系统成本、搭建难度、测试方法、优化人文美观、安全、法律法规、民俗习惯社会项目利益相关各方的权利与义务、促进社会和谐与文明进步在明确了阳台种植温箱的项目需求基础上，从多学科视角
36、审视该项目的设计问题，以下表所列的问题分析线索为引导，将“自制阳台种植温箱”项目可能涉及的科学与技术问题具体化。农用阳光温室的空间尺度很大，热容量也大，储热能力较强，白天吸热，夜间放热，有利于减小温室内温度的波动。但是，从温室变成温箱，空间减小，系统的储热能力减弱，这会给种植温箱的设计带来哪些问题呢？阳台种植温箱的空间尺度受限，系统热容量不足，储、放热能力较弱。若还要实现恒温功能，将温箱内的温度波动限定在规定的范围之内，需要解决哪些具体的科学与技术问题？条件与约束分析与项目相关的条件或约束有很多，它们并非孤立的，而是存在相互制约与通约的关系，如很高的性能要求与成本限制之间的冲突（制约）、材料选
37、用与加工条件之间的冲突（制约）等。设计方案不仅要能够达成功能目标，还要满足问题涉及的所有约束与条件。多学科（多视角）分析科技人文融合创新通常会涉及科学、技术、工程、艺术、数学、社会各因素间的权衡与比较，这不仅有助于不同思想之间的碰撞和不同知识的融合，而且有助于不同方法的相互启发，真正实现科技人文融合创新。为此，我们需要从多学科视角分析，具体把握实现小空间的保温与恒温控制的问题所在。014通用技术科技人文融合创新专题选择性必修 10制约与通约制约，即限制约束。甲事物的存在和变化以乙事物的存在和变化为前提条件，则称甲事物受乙事物制约。例如，成本与性能常常是一对制约关系，设计方案要在规定的成本范围内
38、实现预定性能指标，而某些性能指标的实现又受到成本的制约。通约是两个事物之间的共同属性。例如，数学中，“623”“933”，则“6”和“9”有一个共同的元素“3”，即“6”和“9”具有通约特性“3”。又如，“自制阳台种植温箱”项目中，“自制”是施工手段，“阳台”是工作环境，“种植”是功能目标，“温箱”是项目形式。设计方案必须符合这四者的通约特性。从问题情境出发，经历分析需求、明确问题、多学科（多视角）分析、条件与约束分析等创新思维环节，使项目要解决的问题逐步清晰化、具体化、可操作，并形成符合工程属性的目标描述，如阳台种植温箱的空间尺度受限，系统热容量不足，采光受限，储、放热能力相对较弱。探索在这
39、种情况下实现箱内温度恒定功能的技术方法，便是该项目的创新目标之一。下表首行与首列的数字序号，分别对应表格末尾“说明”所列的自制阳台种植温箱项目方案设计的8项相关因素，表格中间区域是这些因素形成的关系矩阵，以多学科知识融合的视角分析矩阵各元素的制约关系或通约性。说明：温箱内外温差最高可达23，箱内昼夜温差不超过10；所在地的气候条件；小区物业管理中关于阳台搭建的规定；阳台实际的空间尺度；阳台其他功能需要，如晾晒衣服、房间通风、采光等；采用太阳能集热器辅助供热；配置温度控制器；成本与预算。第一单元 科技人文融合创新概述015分析自制阳台种植温箱的问题情境，制订该项目的信息采集计划，列出：（1）10
40、个你认为与项目相关度最高的检索关键词；（2）有待检索的资料信息，以及获取这些信息的渠道，填入下表；（3）有待现场测量获取的数据信息，以及获取这些数据的技术方法，填入下表。信息类别信息细目获取渠道信息获取渠道参考用户需求（功能、性能、人文）现场测绘网络检索图书馆专利查询学术刊物专业书籍政府资源专家顾问用户访谈同行交流别人已尝试过的方案法律法规、行业标准、专利、版权设计的过程资料其他相关信息任务二 收集信息与构思方案科技人文融合创新不是凭空的想象，它是人们在充分收集相关信息的基础上，应用科学、技术、工程和数学知识与方法，并系统考虑艺术、社会因素，提出解决问题的创新措施，形成解决问题的整体性方案。收
41、集信息充分获取信息是产生优秀创意的基础。在科技人文融合创新实践过程中，明确了“做什么”之后就要探索“怎样做”。在形成设计方案之前，通过设计和选用适当工具来收集与项目相关的法律法规、行业标准（协议）、专利、版权等重要信息，了解别人在这方面已经做过哪些尝试，有助于避免重复劳动，更有助于启发创新思维。获得创意创意是指创造性解决特定问题的可行性措施，也称为工程措施，它是连接需求、问题与方案的思维桥梁。例如，解决手机户外充电问题的一种创新措施是“便携式发电装置”，由此创新措施可以产生手摇发电、太阳能发电等多种问题解决方案；同样是解决手机户外充电问题，“充电宝”是另一种创新措施，所对应的解决方案则不同。使
42、用质量屋分析工具，将自制阳台种植温箱项目中的用户需求及创新目标转化为创新措施，并分析各项创新措施的重要性，以及需求与措施之间的相关程度。016通用技术科技人文融合创新专题选择性必修 10质 量 屋质量屋是一种经典的工程设计基础工具，是用于确定特定产品的用户需求（功能、性能、人文）与工程措施之间联系的图示方法，它不仅能将输入的一系列用户需求转化为一系列工程措施，而且可以确定哪个工程措施对于成功开发产品是最重要的。如图1-14所示是某产品的简化型质量屋。图中用户需求的表述为：质量小、方便使用、容易拿稳这并不能直接作为工程设计的目标。通过质量屋将其转化成工程措施的描述：低耗电、自动聚焦、铝合金配件、
43、人体工程设计图的中间区域是由用户需求行与工程措施列两者交汇区形成的关系矩阵，标记符号或填写数值，用来反映两者之间的关联度；“屋顶”区域填写各项工程措施彼此之间的相互关联度；某一列的“重要性得分”是各项用户需求的关联度与重要性乘积的累加。使用头脑风暴法形成阳台种植温箱的概念设计方案，绘制结构草图，说明各主要部件的材料选择，预算材料成本、人工费用。构思方案方案是实现创意的具体方法。构思方案属于创造性思维活动，没有固定的方法，但了解和熟悉别人用过的创造方法，会启发我们的智慧，例如，组合/拆解、扩大/缩小、增加/省略、移植、替代、调整、颠倒、联想、仿生、逆向、类比等。四周及箱顶都是透光的隔热覆盖材料；
44、顶面、正面可开启，方便取放盆花、浇水、通风透气透光、透水、透气的网状隔层辅助加热器 温度监控器底座有轮子、方便在阳台上移动底盘溢漏收集 相关程度竞争者评估铝合金配件人体工程设计自动聚焦低耗电ABC重要性用户需求重要性得分质量小方便使用容易拿稳3521 51 3 3 38 15 21 15工程措施强/优（5）中（3）弱/差（1）负相关“空白”不相关 图 1-14 某产品质量屋分析图 1-15 阳台种植温箱结构草图第一单元 科技人文融合创新概述017一种增强温室加热效果的创新措施太阳能集热器辅助供热参考方案受房屋建筑结构限制，居家阳台的空间较小、采光不足，这可能造成温箱吸热、蓄热不够。既要达到温箱
45、内的温度技术指标要求，又要符合节能目标，不额外增加供热，太阳能集热器辅助供热是解决这一矛盾的创新措施。太阳能集热器供热在家用太阳能热水器和太阳能采暖系统中应用很多。其原理如图1-16所示，集热管、蓄水箱、散热管、循环水泵以及连通这些部件的水管，构成封闭的循环系统，在其中注满水。集热管放置在屋顶或悬挂于建筑物外墙立面，以获得充足的阳光照射，采集热能；散热管布设在阳台种植温箱的空间内。启动循环水泵，通过水的流动，将集热管采集到的热量传递到散热管中，给温箱空间加热。在这个系统中，水既是储存内能的介质，又是传递热量的媒介。若再增加温度传感器来检测温室温度，并依据检测值高低控制循环水泵启停，就能实现种植
46、温箱内部环境温度的自动控制。科技人文融合创新不能仅停留在头脑中，还必须对方案进行物化（模型制作）与测试、优化与完善、评估与权衡等环节，进而对设计方案进行验证或选择。撰写创新研究报告，总结和交流创新成果，也是创新活动的重要内容。模型制作与测试模型，即工程模型，是设计方案的物化，按形式可分为实体模型和虚拟模型。实体模型是拥有体积及质量的物理形态概念实体物件，虚拟模型则是用电子数据通过数字表现形式构成的形体以及其他实效性表现。通过制作模型可以验证设计方案的原理、结构、造型以及零部件之间的相互关系；根据验证的直观结果或测试数据，调整优化设计方案，评估或对比各种创意并作出权衡与选择。任务三 物化方案与表
47、达交流上水管蓄水箱循环水泵集热管安装在户外温度检测与控制下水管散热管温度传感器温室空间图 1-16 太阳能集热器辅助供热结构示意图018通用技术科技人文融合创新专题选择性必修 10温室覆盖材料既要具有很好的透光性，又要具有优良的隔热性。大型种植温室通常选用塑料薄膜或者玻璃，为了增强隔热效果也有使用双层玻璃或中空玻璃的。下表所列的是针对不同温室覆盖材料的评估权衡，通过对比性能参数，结合项目创新目标，从中确定一种适合用于自建阳台种植温箱的覆盖材料。评估测试隔热性透光性易加工性安装难度价格总分试验方法得分权重得分权重得分权重得分权重得分权重方案A方案B方案C综合评价方案评估与权衡评估与权衡的目的是选
48、择。它贯穿于科技人文融合创新活动的全过程，评估对象可以是材料、模型或原型、整体方案或概念设计中的某个细节。将评估对象置于应用环境中进行实验测试，以科学观点、经验证据、逻辑论证、测试数据的相关因素，比较和评估同一问题的不同技术解决方案，这是获得真实、有效评估数据最直接的方法。测试过程中，应注重识别并记录被评估对象的功能缺陷、出乎意料的表现、重要的参数指标等信息；在真实情境中进行测试，往往也能激发设计者的灵感，应该及时记录评估过程中闪现的新思路、新创意。以下仅以选择温室覆盖材料为例，进行测试与评估，限于篇幅，针对模型、原型的测试与评估略。保温效果是阳台种植温箱最重要的性能指标。在正式搭建温箱之前，
49、先依据设计方案制作一个简单的工程模型，通过效果实测，判断设计方案是否能够达到预定的性能要求。讨论：1.保温效果与阳台种植温箱系统中哪些组成部分（或创新措施）有关？2.怎样测试保温效果？测试哪些参数？用什么工具测试？如何处理数据？3.有没有办法通过建立虚拟模型获得保温效果的数据？怎样做？第一单元 科技人文融合创新概述019科技人文融合创新的过程可能有无数次的迭代循环，以及物化、产品化、成果展示及交流活动。从创新过程的迭代性来看，它是不断重复反馈，逐次逼近所需目标或结果的问题求解过程，如图1-17所示。n=n+1求解过程的第 n 次循环初始想法n=0最终的结果n=k中间结果n=n符合目标值迭代评判
50、当前值不符合 明确问题收集信息方案设计物化测试优化完善评估权衡撰写报告与表达交流项目报告是在科技人文融合创新项目活动结束之后，对活动过程与结果的总结，作为项目活动成果的一个组成部分，主要用于学习者之间的交流与共享。报告至少应包含项目背景、意义、理论依据及研究方法，活动的过程及发现、创新点，项目的物化成果与评价，活动的学习成果与评价，项目活动之后的反思等相关内容。项目报告可以通过文本、工程图、表格、照片等多种形式呈现。请根据“自制阳台种植温箱”项目活动过程，撰写项目活动报告。项目成果总结报告的参考格式项目名称背景和意义研究方法理论依据与科学原理活动过程创新点科学性新颖性实用性反思存在问题改进设想