4.1 控制的方式与应用 教学设计-2023-2024学年高中通用技术苏教版(2019)必修《技术与设计2》

苏教版《技术与设计 2》第四章控制及其设计 4.1 控制的方式与应用 第一课时 【学科核心素养】 技术意识：通过技术活动和案例分析，能理解控制的含义及在生活中的简单 应用。 工程思维：感知控制和工程现象，明确各部件在控制手段中的角色，形成初 步的工程意识和思维。 物化能力：能严谨细致地完成模型的装配，具备参照图纸搭建简易装置的能 力。 创新设计：根据设计对象和现有条件，创造性设想简单装置的功能与实现方 式。 【课标要求】 理解控制的含义，通过案例分析，了解手动控制、自动控制、智能控制的特 点。 【教材分析】 本节是“控制与设计 ”第一节的内容，本节内容是让学生对控制有一个初步 的感性认识，知道控制在生产与生活中的广泛应用。本节课作为第一课时，如何 让学生更好地理解控制的概念并对控制产生学习兴趣，为后面进一步学习控制系 统的知识打下基础是十分必要的。因此在教学中， 教师以“情境活动+问题串+技 术体验 ”的方式，从学生熟悉的简单事例入手，综合运用创设情境、任务引领、 问题贯穿、实践操作、示范模仿等方法， 引导学生思考讨论、分析提炼和探究实 践，由浅入深的明确“控制因何出现 ”到“理解控制及其三要素 ”再到“辨明控 制的不同手段”不断过渡，进一步明确控制的意义，达成本节课的教学目标。 【学情分析】 本单元的教学对象是高中二年级学生，学生已经系统学习过结构、流程及系 统有关的知识，经历了一些设计和制作的全过程，一定程度上了解设计过程的各 个环节及制作的基本方法和手段；学生每天都在经历控制活动，对控制并不陌生， 但专业性的知识欠缺致使他们对控制现象的理解仅停留在感性的认识上，不了解 其内在工作原理。因此， 课堂教学过程中，要紧密联系生活实际，由浅入深的从 学生现实生活所接触的现象向技术内容延伸，学生从中得到感染并与之产生共 鸣，从而获得积极的情感体验。 【教学目标】 1.通过分析生活中的案例，阐述控制的含义。 2.通过案例分析，辨析手动控制、自动控制、智能控制的特点。 【教学重难点】 教学重点：理解控制的含义与控制三要素。 教学难点：明确各种控制现象及控制手段。 【课时安排】 共 2 课时，本课为第 1 课时。 【教学准备】 学案准备：教师设计的学习任务单 教具准备：简易小风扇组件、多种控制类型的风扇、乐高自制教具 材料准备：五号电池等 【教学实施】 走进情境：今年暑假见证了气象部门自 1961 年有完整记录以来的最强夏天。 尽管如此，炙热难耐的桑拿天里我们总能看见这样的人。酷暑难耐的街道， 矮小 却坚定的橘色身影拄着扫帚穿上密不透风的长袖长裤蹒跚清扫；烈日灼烧的工 地，黝黑却勤劳的灰扑身影身着粗糙严实的工服肩背高楼林宇……为了保障城市 生活、生产的有序运转， 千千万万在户外始终坚守岗位的工作者们用奉献和汗水 诠释了奋斗的意义。为了减少他们在工作中被高温伤害， 我们能否设计一款便携 式降温装置，让他们感受到一丝清爽和一份关爱？ 任务一 理解控制的含义 周宇同学发现市面上现有的降温装置大多是使用风扇起到降温的作用。为什 都选择了用风扇进行设计？效果真的如预期吗？ 活动 1 ：制作简易小风扇 利用教师提供的材料，根据说明书，尝试制作一个简易风扇，体会控制的含 义与意义。 学生分组实践，动手制作并思考“风扇吹出来的风对于降温产生的效果如 何？ ”。阅读周宇同学查询的文献资料，再次共同分析思考，从热力学角度推导 并探寻使用风扇进行设计时的注意事项，浅尝项目的设计。 案例材料： 研究表明，人体的主要散热方式有辐射、传导、对流和蒸发散热。当环境温 度等于或高于皮肤温度时，蒸发就成为机体唯一的散热方式。夏季， 当风吹过人 体表面时，会带动周围空气流动形成“ 空气对流 ”，增加汗液蒸发速度，从而更 快地带走热量，皮肤每蒸发 1g 汗水便可从体内吸去约 2.4KJ 热，相当于 580cal， 约可让 1KG 纯水的温度上升 0.5° ; 同时，受到“风寒效应”的作用，风力每增 加 2 级，人体会感觉下降了 3-5℃, 加之风速增加加快了蒸发速度，散热效果更 佳。但如果人体温度较高，风太大或直吹某一部位，会导致身体散热功能失常， 出现皮肤毛孔开合异常的情况，影响正常的体温调节，严重还会引起中风和面瘫。 夏季的阜阳，由于受到来自太平洋的暖湿气流影响，往往湿度较高，降水也 较为充沛。而外界相对湿度越高， 空气中的水便不容易蒸发成水蒸气，蒸发散热 的功效就会大打折扣。当相对相对湿度大于 70%时人体的蒸发散热减少，相对湿 度达到 90%-95%时则完全停止，体内的热量难以散发，体温调节机制可能失灵， 甚至还会从环境中吸收热量，造成体内热量蓄积、体温上升，从而引起中暑。 —— 来源自科普中国 问题 1：风是如何实现给人体降温的？ 问题 2：风的大小对于人体降温产生了什么影响？ 问题 3：风在什么情况下不能起到良好的降温效果？ 问题 4：以上材料为我们的降温装置设计带来什么启示？ 学生思考交流并阅读材料，回忆过去所学的科学知识回答问题，教师点评并 引导学生推断出事物的发展与变化具有多样性，可能是人们预先期望的，也可能 与预期的目标不相符，甚至是人们不希望看到的，如果人们想达到某一特定的目 的，就必须借助适当的手段来实现。 设计意图：通过材料的阅读，学生在对“空气对流 ”、“蒸发散热 ”、“风寒效 应 ”、“散热障碍 ”等热力学现象的讨论中总结并说明事物的发展具有不确定性， 让学生对控制产生初步的感性认识，同时也启发学生明确设计便携式降温装置时 需要从科学的角度进行考量。 问题 5：该风扇的各个组成部件在形成“风 ”的过程哪些比较关键？分别承 担了什么角色？ 学生思考并派学生代表进行说明，教师通过 PPT 互动引导学生归纳控制的含 义及控制的三要素，即控制对象、控制目的、控制手段。 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， 就形成控制。 思考：举例说一说你身边的控制现象，分析它们的控制目的、对象以及手段。 例如，灯具：利用开关接通电源点亮灯泡实现照明目的；手环：利用各类传 感器检测人体数据以实现健康的可视化实时观测等。 问题 6：如果将风扇电机的黑线与红线反过来装配又会出现什么情况？在控 制时我们需要注意什么？ 学生动手实践并讨论回答，教师点评后引导学生猜想其用处，反过来装配会 使风向反方向流动，形成吸力，吸尘器就是一个很好的案例。同时结合风扇与吸 尘器的控制三要素对比，推理出在设计时，我们必须清晰明确控制要达到什么目 的，控制的对象是什么和采取什么控制手段。一旦控制三要素中的某一项出现问 题，就可能会影响到控制的最终实现效果。 设计意图：通过经历对简易小风扇的实践与分析，尝试概述并理解控制的定 义，并通过比较和分析，明确任何控制现象都要明确控制对象、控制目的及控制 手段。 【活动 1 评价设计】 评价目标 评价任务 评价标准 评价方式 过程评价 1.参照说明书搭建简易风扇的实践过程 2.阅读分析，解释问题并进行交流分享 3.描述各组成部件的功能，归纳并总结 控制的含义和三要素 从学生技术体验和回答问 题情况来评价 操作与交流 鼓励与体会 市面上有如此之多的风扇，我们该如何选择呢？ 活动 2 ：观察、模仿与运用 各组观察老师提供的风扇，分析它的工作过程，尝试给它们分类。 问题 7：比较各组拿到的风扇，它的控制手段做了何种改变？实现了何种功 能？它们在设计复杂度上有什么变化？通过比较，请进行简单分类。 教师引导学生共同分析简易小风扇的控制目的、控制手段、干预方式和复杂 度。 人的干预方式是指人在控制中所采取的干预措施，以影响最终的输出结果。 直接干预是指人直接作用并改变其输入或输出以达到控制目标。间接干预是指人 通过改变周围环境或相关因素来间接调节，以达到控制目标。例如， 电风扇通过 电动机驱动扇叶旋转产生风，并没有直接作用于空气，而是通过机械装置来加速 空气流通。手摇蒲扇则是通过人工手摇扇子来产生风， 直接作用于空气，通过手 的摇动来加速空气流通。 人的干预方式在控制中具有重要的意义。通过合理的人的干预， 可以弥补控 制过程中自身的不稳定性，增强适应性和控制性能，使其能够更好地应对复杂多 变的环境和任务需求。 设计意图：帮助学生的模仿中对控制中“人的干预方式 ”及“何为直接干预、 间接干预”进一步学习，为区别手动和自动控制打下伏笔。 学生分组讨论，模仿教师的分析方式，填写表格并回答问题，教师在点评过 程中引导学生区分出手动、自动和智能控制。 从控制过程中人工干预的情形来分，控制可分为人工控制和自动控制。过去， 人们对事物的控制往往采取人工控制（又称手动控制）的方式，控制的过程是在 人的直接干预或全程干预下进行的。 随着科学技术的发展控制技术得到了迅速发展，出现了自动控制。自动控制 是指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确的朝着期望的方向进行。按照 控制信号流和执行部件的不同，自动控制可分为气动控制、液压控制、电动控制、 机械控制、电子控制等。 智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能决策的控制方式， 它能 在无人干预的情况下，自主地驱动智能机器实现控制目标。智能控制主要用于解 决复杂系统的控制问题。 拓展思考： 自动控制与智能控制又有何区别？ 教师演示自制教具，学生观察并归纳推断智能控制和自动控制的区别。智能 控制和自动控制是两个相关但不完全相同的概念。自动控制的控制过程是固定且 确定的，不会根据外部环境或输入进行调整和变化。但智能控制则能够使用传感 器和反馈信息来实时感知环境变化做出调整，从而适应不同的情境和需求。 问题 8：尝试总结手动控制、自动控制和智能控制的特点。 学生小组合作谈论交流，派代表归纳并总结手动控制、自动控制和智能控制 的特点，教师从旁给予引导和鼓励。 手动控制特点： l 灵活性和直观性：手动控制允许操作者直接控制设备，灵活性高，直观 性强。 l 易于控制：手动控制对于设备的控制更加直接，因此更易于操作和理解。 l 应用广泛：手动控制适用于各种规模的设备控制，如个体设备、小型生 产线及传统工厂的设备控制。 自动控制特点： l 高效性：自动控制可以减少人力操作，提高工作效率。 l 精确性：自动控制系统通常能够实现精确控制，减小误差。 l 可靠性：自动控制系统减少了人为错误的可能性，提高了控制的可靠性。 l 扩展性： 自动控制系统可以通过编程和软件更新实现功能的扩展和升 级。 智能控制特点： l 自适应性：智能控制系统能根据环境和任务变化自动调整参数，实现自 适应控制。 l 学习能力：智能控制系统可以通过学习和优化算法不断提高自己的性能 和能力。 l 处理能力：智能控制系统可以处理大量数据和复杂信息，实现更加精确 和高效的控制。 l 决策能力：智能控制系统可以根据事先设定的目标和条件，进行自主决 策和调整。 拓展思考：哪些场合手动控制无法被自动控制取代？ 人工操作在诸如设备调试与维护、紧急情况处理等情况下仍然具有不可替代 的优势。例如， 飞机起降时从自动换成手动控制就是为了确保飞机的安全性和可 靠性，自动飞行控制的反应速度和判断能力等方面可能不如人工操作。 设计意图：通过对风扇的控制手段进行手动、自动和智能控制的分析，了解 控制手段的多样性，辨明不同控制手段的特性和适用的场合。 【活动 2 评价设计】 评价目标 评价任务 评价标准 评价方式 过程评价 1.识别干预方式，区分直接、间接的不同 2.举一反三对其他风扇的控制方式进行分析 3.归纳并辨析手动、自动和智能控制的差异 从学生阐述情况、总 结情况来评价 理解与交流 模仿与体会 【课堂小结】 1.控制的含义 2.控制现象需明确：目的、对象、手段 3.控制手段的分类： 手动 自动 → 智能 【学习反思】 评价内容 达成情况 理论基础 理解控制的含义及其控制的三要素 [A][B][C][D] 辨析手动控制、自动控制、智能控制的特点 [A][B][C][D] 项目准备 感知控制和工程现象，明确各部件在控制手段中的角 色，形成设计中初步的工程意识和思维 [A][B][C][D] 结合现实情况综合分析，选择恰当的控制方式进行创 新设计 [A][B][C][D] 存在的主要问题： 备注：A.完全掌握 B.基本掌握 C.模棱两可 D.完全没掌握 是否只能用风扇来进行设计呢？有什么其他的装置可以起到同样或更好地 效果呢？ 【课后练习】 1.基础练习 分析下列控制现象是自动控制还是手动控制，并明确控制目的、控制对象和 控制手段。 （1）用气筒给自行车的轮胎充气 （2）学校楼道监控 （3）无人机配送快递 2.拓展练习 （1）思考控制在生活、生产、军事、航空等领域有哪些案例？ （2）搜罗市面上以风扇为主要手段的降温装置，探究其控制方式和设计优 缺点。 设计意图：“基础练习 ”从学业水平检测的角度评价本节课的学习成效， “拓展练习 ”一方面为下节课深入了解控制在生活、生产、军事、航空等领域的 应用价值做好铺垫，另一方面也为制作便携式降温装置做好设计准备，同时检验 学生将理论运用于实践思考的能力。 学科网（北京）股份有限公司 $$