专题03 发现与明确问题（知识清单）-2024-2025学年高中通用技术学考复习（苏教版）

专题03 发现与明确问题
【学习目标】
使学生能够理解问题发现与明确在技术与工程中的重要性。
培养学生通过观察日常生活、收集分析信息、技术研究与试验等方式主动发现问题的能力。
教导学生如何明确问题的具体内容，评估问题的价值，并识别解决问题时可能遇到的各种限制。
【思维导图】
【知识梳理】
从技术角度看，人类进步与发展的历程就是不断感受问题、发现问题、明确问题、分析问题和解决问题和提出问题的重要性。
知识点一：技术与设计的关系
1.发现问题
问题的来源：
人类生存必然遇到的问题。
例：为了解决人们如何进食的问题，中国人设计出了筷子，西方人则设计出了刀叉。
由别人给出问题，设计者必须针对问题寻求解决方案。
例：
城市交通拥堵
解决方案：设计者提出了一个智能交通系统，该系统通过实时数据分析来优化交通信号灯的配时，减少交通拥堵。
问题：水资源短缺
解决方案：设计者开发了一种高效的水回收和净化系统，用于收集雨水和再利用家庭废水，以减少对新鲜水资源的需求。
问题：能源消耗过高
解决方案：设计者设计了一种新型节能建筑，该建筑采用太阳能板、绿色屋顶和高效隔热材料，显著降低了能源消耗。
问题：医疗资源分配不均
解决方案：设计者创建了一个基于云计算的远程医疗服务平台，使偏远地区的患者能够通过视频会议获得专业医生的诊断和治疗建议。
问题：食品安全问题
解决方案：设计者开发了一款智能手机应用程序，消费者可以通过扫描食品包装上的二维码来获取食品的来源、生产过程和安全检测报告。
问题：教育不平等
解决方案：设计者推出了一个在线学习平台，提供免费或低成本的高质量教育资源，使所有学生都能够接受到优质的教育。
问题：环境污染
解决方案：设计者发明了一种新型环保材料，用于替代传统的塑料包装，这种材料可以在自然环境中快速降解，减少对环境的污染。
问题：农业生产效率低
解决方案：设计者研发了一种智能农业机器人，可以自动完成播种、施肥、浇水和收割等任务，提高农业生产效率。
问题：网络安全风险
解决方案：设计者开发了一套先进的网络安全防护系统，能够实时监测和防御各种网络攻击，保护用户的数据安全。
问题：老年人生活不便
解决方案：设计者设计了一款智能助行器，集成了导航、健康监测和紧急呼叫等功能，帮助老年人更安全、便捷地进行日常活动。
基于一定目的，由设计者自己主动地发现问题并试图解决。
例：
问题： 城市自行车共享系统效率低
解决方案： 设计者发现城市自行车共享系统在高峰时段无法满足需求，他设计了一个基于AI的动态调度系统，确保在需要时提供足够的自行车。
问题： 家庭能源消耗大
解决方案： 设计者关注到家庭能源消耗过大，于是发明了一种智能家居系统，可以监控和管理家中各种设备的能源使用，以优化和减少整体能耗。
问题： 公共场所自动体外除颤设备(AED)短缺
解决方案： 设计者发现在公共场所很难快速找到AED设备，他设计了一个带有导航系统的AED，可以快速引导人们找到最近的设备。
2、发现问题的途径与方法
观察日常生活（有意识观察、无意注意）
收集和分析信息（文献法，问卷调查法，询问法）
技术研究与技术试验
【技术试验】台灯的技术试验
试验目的：理解技术试验是发现问题的重要途径和方法，并巩固技术试验方法的应用。
问题分析：边远山区的初中学生对便携式台灯的主要需求是学习和夜晚赶路照明。通过技术试验可以发现市场上选购的台灯存在的问题，并对其进行改进。
技术准备：遮光罩、光谱仪、多用电表、钢卷尺、光照度计。材料：台灯、A3纸、铅笔、橡皮、量角器、圆规。
试验过程：
照度测试
（1）测试要求
以灯具出光口的几何中心的垂直投影点为圆心，位于眼睛的正前方，在灯具的投射范围内，半径为500 mm的三分之一圆的扇形内，每隔30°在半径上进行照度测量，测试间距为100 mm，包括圆心，如图3—5所示。照度的测量仪器应符合JJG 245—2005 《光照度计》的要求
测试数据
测试结论
照度分布均匀性：从测试数据可以看出，在不同的半径上（100mm, 200mm, 300mm, 400mm, 500mm），照度值呈现出一定的规律性。每个半径上的照度值从OA到OE逐渐增加，这表明光源在设计上可能存在一定的方向性或非对称性。这种分布对于边远山区的学生在使用台灯时可能不是最优的，因为它可能导致照明不均匀，影响阅读和学习的舒适度。
照度值的变化：随着距离的增加，照度值并没有显著下降，这指示了台灯具有良好的光源强度和较宽的有效照射范围。这对于需要在较大区域内进行活动的用户来说是一个重要的优点。
适用性分析：考虑到边远山区学生的需求，包括学习和夜晚赶路照明，当前的照度分布可能需要进一步优化。例如，提高中心区域的照度以增强阅读体验，同时确保边缘区域的照度足以安全导航。
其他项目测试数据
色温测试
眩光(UGR)测试
频闪测试
试验总结：
被测试便携式台灯的照度、色温、频闪和眩光等光学性能有差异。
讨论：
通过便携式台灯的技术试验，从台灯的控制方式、结构和材料的选择等方面分析它们的优缺点。
控制方式：
优点：如果台灯具备触摸式或智能控制（如远程控制、声控等），可以提供更方便的使用体验，特别是在夜间或手部不便时。
缺点：复杂的控制方式可能需要更多的电子组件和电路设计，这可能会增加成本和维护难度，并可能降低产品的可靠性。
结构：
优点：紧凑的结构设计使得台灯便于携带和使用，尤其适合空间有限的环境。
缺点：过于紧凑的结构可能会限制散热效果，影响台灯的性能和寿命。
材料选择：
优点：使用轻质且耐用的材料（如铝合金或高强度塑料）可以减少整体重量，便于学生携带。
缺点：轻质材料可能牺牲了一定的稳定性和耐久性，长期使用后可能会出现磨损或损坏。
请根据测试结果列出为边远山区的初中学生设计的便携式台灯的主要光学性能指标。
主要光学性能指标包括：
照度值：确保在不同半径上（至少到500mm）的照度足够，以支持阅读和写作活动。
照度均匀性：照度分布应尽可能均匀，以避免局部过亮或过暗的区域，提高视觉舒适度。
色温：理想的色温应在3200K到3500K之间，提供类似自然光的照明，减少眼睛疲劳。
眩光控制：UGR值应控制在20以下，减少眩光对视觉的干扰。
频闪：频闪应尽可能低，最好接近于零，以避免引起视觉不适或干扰。
知识点二：明确问题
明确问题内容与解决问题受到的限制：问题是否明确、问题是否有价值、解决问题收到的限制。
问题是否明确
问题是否有价值：
主观分析：先进性、普遍性、重要性、可行性、效能性。
科学性：所提出的问题是否遵循了基本的科学原理。
例：“能否制造一个不需要任何能源的机械装置带动车辆运行”就是一个不科学的问题。）
先进性：迄今为止，该问题是否已得到充分解决。
例：如何提高生产效率。这个问题在过去几十年里已经得到了一定程度的解决，通过引入自动化设备、优化生产流程和采用先进的管理方法等手段，生产效率有了显著的提高。然而，随着科技的不断发展，新的技术和方法不断涌现，使得这个问题仍然具有先进性，需要我们继续探索和研究。
普遍性：在你调查的范围里，该问题是否具有普遍意义。在更广的范围内，这个问题是否有意义？
例：“在城市环境中，如何减少交通拥堵？”
在你调查的范围里，该问题是否具有普遍意义？
如果你的调查范围是一个大城市，你可能会发现问题非常普遍，因为大多数大城市都会遭遇交通拥堵的问题。
如果你在一个人口稀少或交通系统高效的地区进行调查，这个问题可能就不那么普遍了。
在更广的范围内，这个问题是否有意义？
在全球化和城市化不断加速的背景下，交通拥堵是许多城市共同面临的挑战，因此它在全球范围内都具有重要意义。
对于正经历快速城市化的地区，解决交通拥堵可能尤为紧迫，因为这直接影响到城市的可持续发展和居民的生活质量。
然而，在一些已经有效解决了交通拥堵问题的城市或者国家，如通过先进的公共交通系统、鼓励可持续出行方式等措施，这个问题可能就不再那么紧迫。
重要性：在多个问题同时发生时，该问题是不是主要问题？
例：考虑一个制造企业的场景，其中可能同时存在多个问题，如生产效率低、产品质量问题、设备老化、员工满意度低等。
在这多个问题中，我们要评估每个问题对组织目标的影响。例如：
如果产品质量问题导致大量的退货和消费者不满，那么它可能被视为一个主要问题，因为它直接影响到公司的品牌声誉和财务状况。
相比之下，虽然员工满意度低可能影响长期的员工留存和企业文化，但如果这个问题目前没有直接影响到运营效率或盈利能力，它可能不会被看作是主要问题。
解决问题的紧迫性也是判断其重要性的一个因素。如果一个问题的解决可以迅速带来显著的正面影响，或者不解决将导致严重的后果，那么它应该被优先考虑。
同时，我们还需要考虑问题的连锁效应。有些问题可能是其他问题的根源或关键影响因素。例如，设备老化可能导致生产效率低和产品质量问题。在这种情况下，更新设备可能是解决一系列问题的关键。
可行性：现有的技术条件能否解决这个问题。技术发展以后呢？
现有的技术条件能否解决这个问题？
例如，考虑一个问题：“如何通过现有技术减少全球温室气体排放？”
现状分析：目前，我们拥有多种减少温室气体排放的技术，包括节能技术、可再生能源技术（如太阳能、风能）、碳捕捉和存储技术等。这些技术已被证明在一定范围内是有效的，但仍面临成本、效率和实施规模的挑战。
技术可行性：尽管存在上述挑战，可以说在技术层面上，我们具备减少温室气体排放的基本能力。然而，全面实施这些技术需要考虑到经济、政策和社会等多方面的支持。
技术发展以后呢？
未来展望：随着技术的不断进步，未来可能出现更高效、更经济的减排技术。例如，下一代太阳能电池板可能更高效、更便宜，使得可再生能源成为更普遍的选择。此外，新型材料或技术可能提高碳捕捉的效率和降低成本。
技术趋势的影响：技术进步不仅可能提供新的解决方案，还可能改变现有解决方案的成本效益比，使之更具吸引力。因此，即使某些问题在当前技术条件下难以完全解决，未来的技术发展可能为其提供可行的解决方案。
效能性：解决该问题所需的投入是多少，投入与产出之比是否理想。
例：“如何通过技术升级提高一家制造工厂的生产效率？”
成本分析：解决这个问题可能需要的投入包括购买新的自动化机器和设备、对现有员工进行培训以适应新技术、改进工厂布局以及可能的停工时间等。这些都需要大量的初期资金投入和时间投入。
资源需求：除了财务成本外，还需要考虑人力资源的需求。引入新技术可能需要专业的技术人员进行操作和维护，这可能涉及到额外的招聘或现有员工的再培训。
投入与产出之比是否理想？
收益预测：提高生产效率可能带来的收益包括更高的产量、更低的单位生产成本、提高产品质量和市场竞争力。这些长期收益可能会超过初期的投资成本。
成本效益分析：进行详细的成本效益分析，比较不同解决方案的总成本（包括直接成本和间接成本）与其带来的长期节省和收益。选择那些具有最佳投入产出比的解决方案。
除了以上主管分析外，还可以借助一些研究手段来评估问题是否有价值：信息收集、调查分析等。
信息收集：
例：到市场和网络商城了解现有台灯的形式、功能和销售情况；通过书籍、网络等途径收集有关台灯方面的资料。
调查：
例：到同学宿舍利用询问法展开调查。
信息收集、调查工作结束后，进入数据统计和分析阶段：采用柱状图、三维饼图等图表形式绘制出来资料的统计图表。
解决问题受到的限制
设计对象的特点和问题解决的标准：不同的设计对象有不同的特点，如儿童玩具需要生动活泼、色彩鲜艳的外观和绝对可靠的安全性能；而门锁则在精细程度、可靠性、制作工艺等方面有其具体的标准。此外，设计对象还可能受到成本、环境等限制，例如建筑物或工程的设计往往有一定的预算限制。
设计者的技术能力与条件：问题解决或设计的完成还受限于问题解决者或设计者的主客观条件。主观条件包括是否具备解决问题所需的知识和技能，例如机械领域的技术人员可能无法解决农业或生物工程方面的技术问题；一名中学生由于知识和经验的局限，对较复杂的产品在设计上难以驾驭。客观条件包括人力、物力、财力以及时间的消耗，以及材料、资料、仪器、设备和空间的支持，这些资源都是有限的。
2.明确设计要求及编写设计计划
台灯设计计划
时间进度计划表
设计计划书：
【题型精讲】
例1 1
小明在准备设计一个下雨天能自动关闭窗户的装置，常态下窗户是打开的，下雨时能感测到雨点，能自动关闭窗户。小明在寻找相关资料时用到的方法不恰当的是（ ）
A．向专家咨询 B．查阅图书资料
C．问卷调查 D．买一个类似的装置进行研究
【答案】C
【讲解】在设计一个下雨天能自动关闭窗户的装置时，小明需要获取关于感应雨点和自动控制窗户的技术信息。考虑到各种方法的适用性：
A．向专家咨询 - 这是一个恰当的方法，因为专家可以提供专业的意见和建议，帮助小明了解当前技术的状态和可能的解决方案。
B．查阅图书资料 - 这也是一个有效的方法，通过查阅相关的书籍和学术论文，小明可以获得详细的技术背景知识和前人的研究成果。
C．问卷调查 - 这个方法在这种情况下不恰当。问卷调查通常用于收集大量人群的意见或数据，适用于市场研究、社会学研究等领域。对于技术设备的设计和功能实现，问卷调查无法提供具体的技术解决方案或操作细节。
D．买一个类似的装置进行研究 - 这是一个非常实用的方法，通过购买并研究市场上已有的类似产品，小明可以直接了解其工作原理和构造，这对于自己的设计有很大的参考价值。
例12
在驾驶前对汽车的安全检查必不可少，如轮胎、制动、水箱等。汽车的设计蕴涵这丰富的科学道理。下列说法错误的一项是（ ）
A、安全带设计的比较宽可以减小压强，增加安全系数
B、汽车外型设计为流线型考虑靠美观和减少空气阻力，节省燃料c、汽车的轮胎上有凹凸不平的花纹，目的是增大摩擦力
D、汽车的反光镜是凹面镜，便于扩大视野观察
【答案】B
【讲解】选项A正确。安全带设计得比较宽可以减小压强，增加带宽即增加了作用面积
从而减小了压强，这样可以提高佩戴的舒适度和安全性。
选项B错误。汽车外型设计为流线型主要是为了减少空气阻力，从而提高燃油效率和行驶速度，而不仅仅是为了美观。虽然流线型设计确实也具有美观的效果，但其主要科学道理在于减少空气阻力，节省燃料。
选项C正确。汽车的轮胎上有凹凸不平的花纹是为了增大摩擦力，特别是在湿滑或不平坦的路面上，这种设计可以提高车辆的抓地能力和驾驶安全性。
选项D正确。汽车的反光镜通常是凹面镜，这样的设计可以扩大视野，帮助司机更好地观察车辆周围的情况，提高行车安全。
【强化训练】
1.某市铸管厂承接了一项供水的生产任务，为了保证产品的质量，维护本厂的信誉，提高产品的知名度，对所生产的水管进形检测，利用注水加压的方法检测水管的强度，这种试验方法属于下列哪一种（ )
A.性能试验
B.预测试验
C.环境适应性试验
D.破坏性试验
2．1863年，美国铁路巨头斯托恩全部采用铁制材料建造了铁路桥，由于对新材料的过度信任，未经技术试验就投入使用， 13年后火车经过大桥市铁架发生断裂，大桥垮塌，使100多名旅客丧生。阿什塔比拉河桥的垮塌说明了( )
A.技术的发展离不开设计
B.设计师技术活动的核心
C.技术试验是技术研究不可缺少的基本方法和手段
D.人机关系是在技术设计中必须考虑的因素之一
3．在鲁班发明锯的过程中，他发现问题的方法是发现问题的途径和方法中的( )
A.收集和分析信息 B.观察日常生活 C.技术研究和试验 D.以上都不是
4.空心水泥砖是目前较为流行的新型建筑材料，以下对这种材料的特点分析有误的一项是（ )
A.空心砖做成的房子冬暖夏凉，可以保温，能够节约能源
B.做成空心，可以减少水泥与砂石用量，能够节约资源
C.空心砖可以减小噪声污染
D.空心承受压力小，不适宜用于高层建筑
5.如图所示的个人空气净化器可以随身携带，可放置于书桌上使用，通过产生气泡吸收空气中的污染物净化空气，不管是居家还是旅途均可使用。在该产品的设计过程中，下列因素可以不需考虑的是 ( )
A．空气净化器的相关行业标准 B．适用的使用环境
C．产品的重量和体积 D．能否受到专利保护
6．小黄同学暑期参加社会实践活动，看到建筑工地的工人头戴安全帽在高温下施工，热得满头大汗。于是产生了在安全帽上加装风扇的设想，小黄发现问题的途径是（ ）
A．技术试验 B．技术研究 C．收集信息 D．观察日常生活
7.“北斗三号”全球卫星导航系统已有许多应用。如图所示，智能手机已成为“北斗三号”卫星导航系统最主要的应用项目之一。目前，国内外主流芯片厂商均推出了兼容北斗的通导一体化芯片。2020 年第一季度，在中国市场中请入网的智能手机中，超过75%支持北斗定位。
（1）“国内外主流芯片厂商均推出了兼容北斗的通导一体化芯片。”很多国家都会使用相同的移动电话技术规范来建设他们的电话信号收发设备。这主要体现出什么设计原则？______。
（2）设计一款新手机时，首先应该做的是_______。
①制造模型 ②制定设计方案 ③发现与明确问题 ④编制说明书
（3）评价一款新手机的设计时，我们既可以对设计过程进行评价。也可以对______进行评价。
（4）智能手机集通话、短信、上网、游戏、支付、照相、录音、摄像。定位导航等功能于一体，给我们生活带来很多便捷，但人们长时间连续使用手机，会造成眼睛和颈椎等部位的不适，这说明了____。
①技术具有价值性但不具有综合性 ②技术应用不当可能给人类造成伤害
8.如何判断一个问题是否有价值，具体可以从哪些方面着手？
参考答案
1．A
【详解】
性能试验是指对产品的性能进行测试，以验证其是否满足规定的性能要求。在这个案例中，铸管厂通过注水加压的方法检测水管的强度，这属于对产品性能的直接测试，因此选项A正确。
2．C
【详解】
阿什塔比拉河桥的垮塌是由于未经技术试验就投入使用新材料导致的。这个事件强调了技术试验在技术研究中的重要性，它是确保技术安全和可靠性的基本方法和手段。因此，选项C正确。
3．B
【详解】
鲁班发明锯的过程是通过观察日常生活中的问题（如树木的锯齿状断面）来发现问题并寻求解决方案的。这种发现问题的途径属于观察日常生活，因此选项B正确。
4．D
【详解】
空心水泥砖的特点包括保温节能、节约资源和减小噪声污染。然而，由于空心结构相对于实心结构在承受压力方面的能力较弱，它通常不适宜用于需要较高承重能力的高层建筑。因此，选项D是错误的。
5．D
【详解】
在设计个人空气净化器时，考虑的因素应主要围绕产品的功能、安全性、便携性以及用户的使用体验。以下是对各选项的分析：
A. 空气净化器的相关行业标准 - 这是必须考虑的因素。任何产品的设计都需要遵守相关的行业标准和法规，以确保产品的合法性、安全性和有效性。
B. 适用的使用环境 - 这也是一个重要的考虑因素。不同的使用环境可能需要不同的设计参数，例如在旅途中使用可能需要更轻便的设计，而在家庭环境中可能更注重净化效果。
C. 产品的重量和体积 - 对于便携式设备来说，这是一个关键因素。重量和体积直接影响到产品的便携性和用户的使用舒适度。
D. 能否受到专利保护 - 虽然这是一个重要的商业考虑因素，但它与产品设计的功能性、安全性和用户体验无直接关系。专利保护更多关乎产品的市场竞争力和知识产权保护，而不是设计过程中必须考虑的技术或功能因素。
6．D
【详解】
小黄同学在参加社会实践活动时，观察到建筑工地的工人在高温下施工，头戴安全帽且热得满头大汗。这一观察来源于他的日常生活经验，而非通过技术试验、技术研究或收集信息的方式。因此，小黄发现问题的途径是通过观察日常生活。选项D正确。
7.技术规范原则（即通用性、标准性原则） ③ 设计结果（最终产品） ②
【详解】
（1）“国内外主流芯片厂商均推出了兼容北斗的通导一体化芯片。”很多国家都会使用相同的移动电话技术规范来建设他们的电话信号收发设备。这主要体现出技术规范原则，即通用性、标准性原则。
（2）设计一款新手机时，首先应该做的是发现与明确问题。
（3）评价一款新手机的设计时，我们既可以对设计过程进行评价。也可以对设计结果（最终产品）进行评价。
（4）智能手机集通话、短信、上网、游戏、支付、照相、录音、摄像、定位导航等功能于一体，给我们生活带来很多便捷，但人们长时间连续使用手机，会造成眼睛和颈椎等部位的不适，这说明了技术应用不当可能给人类造成伤害。
8.①问题是否遵循了基本的科学原理： ②迄今为止，该问题是否已得到充分解决： ③在你调查的范围里，该问题是否具有普遍意义； ④多个问题同时发生时，该问题是不是主要问题； ⑤现有的技术条件能否解决这个问题；⑥解决该问题所需的投入是多少，投入产出比是否理想。
【详解】
判断一个问题是否有价值，可以从以下方面着手：
问题是否遵循了基本的科学原理： 检查问题是否基于科学理论和已知的科学事实。一个有价值且可解的问题应当符合现有的科学认知框架。
迄今为止，该问题是否已得到充分解决： 分析问题在当前是否已有成熟的解决方案或已被广泛研究。如果问题已经被解决，那么再次研究可能不会带来新的价值。
在你调查的范围里，该问题是否具有普遍意义： 考虑问题的普遍性，即这个问题是否在多个领域或情境中都有其重要性和影响。
多个问题同时发生时，该问题是不是主要问题： 当面对多个问题时，确定哪个问题是核心问题或主要障碍，因为解决主要问题可能会对其他问题产生连锁反应，从而带来更大的整体效益。
现有的技术条件能否解决这个问题： 评估当前的技术水平是否足以提供解决问题的方法或工具。如果现有技术无法解决，可能需要等待技术进步或寻找替代方案。
解决该问题所需的投入是多少，投入产出比是否理想： 计算解决问题所需的资源（包括时间、金钱和人力）与预期收益之间的比例。一个有价值的问题应该是资源投入合理且能够带来显著收益的问题。