4.2 控制系统的组成和描述 教学设计-2023-2024学年高中通用技术粤科版（2019）必修 技术与设计2

普通高中优质课评选通用技术学科比 赛教学设计 第四章第二节 控制系统的组成和描述 1 学科网（北京）股份有限公司 【学科核心素养】 技术意识：掌握控制系统的控制器、执行器、控制量、被控对象、被控量、 反馈环节等概念。 工程思维：感知控制系统和工程现象，考察并解释输入、过程、输出及各 种因素是如何影响控制系统的，形成初步的工程意识与思维。 图样表达：熟悉开环、闭环控制系统的基本组成，能画出简单的开环、闭 环控制系统的方框图。 【课标内容要求】 1.熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成与工作过程，理解 其中的控制器、执行器等的作用。 2.了解控制系统原理，并能用方框图表达控制系统的工作过程。 【教材分析】 1.本节课的主要内容及在本章中的地位 “控制系统的组成和描述”是粤科版通用技术教材必修二第四章《控制 及其设计》中第二节的内容，包含了“开环控制系统的工作过程”“闭环控 制系统的工作过程” “控制系统方框图的绘制”三个任务。教学中，教师按 照“任务—活动— 问题串—学习过程”的思路，综合运用创设情境、任务引 领、问题贯穿、实践操作等方法，引导学生进行思考讨论、分析提炼和探究 实践，了解控制系统的基本组成，学会绘制控制系统方框图，达成本节课的 教学目标，为后续控制系统的设计打下基础。 2. 教学重点、难点： （1）重点：理解给定量、控制器、执行器、控制量、被控对象、被控量、 反馈环节等的概念及意义。 （2）难点：正确划分控制系统中的各个环节（即控制系统的组成部分）。 【学情分析】 学生在前面的学习中已经了解了控制的应用，初步认识了开环控制系统 和闭环控制系统，但是仍缺乏从技术上辨析开环控制系统和闭环控制系统的 能力。对一个具体的控制案例，很难准确判定控制器、执行器和被控对象等 装置。 【教学目标】 1.通过技术体验活动，熟悉简单控制系统的基本组成和工作过程，理解 其中控制器、执行器等的作用，辨析控制系统的特征。 2.会用方框图表达简单控制系统的工作过程。 【课时安排】 本节课：1 课时 2 学科网（北京）股份有限公司 【教学方法】 “真情境，多任务 ”教学法：设置真实情境，通过调查、了解、分析、归纳、 总结开展教学。以任务驱动、问题导向、活动体验，促进深度学习，实现教 学进阶。 【教学策略】 智慧课堂“云互动”：基于智慧课堂全程跟踪任务活动，以学生为中心， 适时推送学习任务，对学生已有知识、课堂大数据、反思研讨过程、感悟心 得体会等在线互动交流，发布个性化的批注讲解，确保任务活动的针对性。 问题串策略：通过设计一个个前后有逻辑关系和递进关系的问题来启发学 生，引导学生逐步深入学习，推进任务的完成。 项目化学习策略：以真实情境为主线，学生明确本节要学习的三个主要任 务，以三个项目为核心设计教学过程，学生在项目中体验真实的、有挑战的 问题，并拓展延伸，达到构建核心知识和深度学习的目标。 【教学准备】 媒体设备准备：教学白板，课件。 教具准备：光控灯模型 土壤湿度控制系统装置 STM32平衡小车 【教学实施】 走进情境 提出问题 播放视频：“将小熊送上平流层” 据了解，两个月前，李正汉和王泽晨确定了该想法后，两人和项目组的其 他成员几乎住进了宁波诺丁汉大学理工楼机械工程实验室和机房里。从盛夏 到初秋，共历经了60个日夜。画草图、捣鼓电线装置、3D打印模型、反复实 验温控，团队全身心扑在实验上。最终的视频呈现只是整个项目实施的冰山 一角。操作过程被剪辑成四分多钟的短视频，里面包括了团队前期的材料和 理论准备、现场调试以及小熊的放飞和回收。“运动相机最大的问题就是会 过热关机，所以在做好了保温的前提下添加了一套温控系统，还准备了5.4立 方米的氦气。 ”李正汉在视频中说。 “将小熊送上平流层”控制系统中，包括了“发射控制系统”、“回收控 制系统”以及“对运动相机控制的温控系统”。 其实，我们的生活中也存在很多不同的控制系统，不同的控制系统有不同 的组成、结构和控制过程，以达到不同的控制目的，如我们教室内的灯光控 制系统，空调温度控制系统,它们是如何工作的？我们能否按照绘制流程图的 方法对它们进行表达吗？ 设计意图：创设真实情境，引导学生对控制系统的思考，引出本节课的内容。 任务一：开环控制系统工作过程分析 咱们所在学校教室用灯都是老式按钮开关，同学们经常忘记关灯，容易出现 3 学科网（北京）股份有限公司 长明灯的现象，造成了能源的浪费，这不符合国家建设生态社会的理念。此外，如 果有的灯没有及时打开或者灯的亮度不够，环境照度不稳定容易出现视觉疲劳，影 响视力，那么，请同学们思考一下： 1.可以把教室用灯的人工控制变成自动控制吗？ 2.我们该如何描述这个控制系统呢？ 活动1：光控灯控制系统的工作过程分析 展示光控灯模型，演示它的工作过程： 问题1：光控灯的控制系统由哪几部分组成？ 每个部分的作用是什么？ 问题2：如何表达光控灯控制系统的工作过程？ 光敏控制的工作原理——输入：感应光线的变化 输出：灯的亮或灭 任何控制都要通过若干个环节来实现，这这些环节所涉及的装置构成了一个系 统，称为控制系统。控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。 根据光控灯的工作原理，引出控制系统中各个部分的含义： 输入量（给定量）：控制者给定的基准值，又叫期望值。 输出量（被控量）：控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号。 控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。 执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。 被控对象：控制系统中所要求控制的装置或生产过程。 归纳总结： 开环控制系统方框图： 设计意图：技术体验“光控灯的工作过程”,让学生在情境中学习，在实践中 体悟，追求知识的本源；通过对“光控灯控制系统的组成和控制环节的分析”，更 4 学科网（北京）股份有限公司 有效地让学生充分理解开环控制系统的环节，对“控制器 ”“执行器 ”“被控对象 ” 进行释疑，对信号“输入量”“控制量”进行解释，旨在培养学生运用控制系统知 识分析问题的能力。并且由特殊到一般的归纳方式，由光控灯控制系统的工作过程 与控制系统方框图，归纳得到开环控制系统方框图的表达形式。 任务二--闭环控制系统工作过程分析 活动2：土壤湿度控制系统 问题3：土壤湿度控制系统是由哪几个部分组成的？ 问题4：如何描述土壤湿度控制系统？ 归纳总结： 闭环控制系统方框图： 设计意图：根据土壤湿度控制系统的搭建对闭环控制系统的组成方框图进行了 阐释，对“控制器”“执行器”“被控对象”进行释疑，对信号“输入量”“控制 量”进行解释，旨在培养学生运用控制系统知识分析问题的能力。并且由特殊到一 般的归纳方式，由土壤湿度控制系统的工作过程与控制系统方框图，归纳得到闭环 控制系统方框图的表达形式。 任务三--控制系统方框图的表达 探究分析活动3：平衡车控制系统 问题5：平衡车控制系统是由哪些部件组成的？它是如何保持平衡的？ 问题6：我们该如何描述平衡车控制系统的工作过程？ 控制电路发出信号，调整电机的转速，让小车车身在运动中达到平衡状态。当 小车状态发生变化，六轴陀螺仪就把测量数据进行反馈，和小车设定的平衡状态进 行比较，根据他们的误差来调整下一次的控制作用，不断地修正控制效果，使小车 具备保平衡的能力。 5 学科网（北京）股份有限公司 设计思路：“平衡车控制系统工作过程”分析，旨在让学生通过分析进一步理 解闭环控制系统是如何实现偏差控制，使被控量稳定在给定的范围内，领悟基本的 技术思想，形成初步的系统与工程思维；并且加深学生对闭环控制系统的认识，学 会用方框图表达闭环控制系统的工作过程，让图样表达的核心素养落地课堂。 归纳总结： 开环和闭环控制系统方框图表示如下 问题7：开环和闭环控制系统方框图的区别 归纳总结: 项目 信息传递路径 输入量与输出量 控制精度，结构情况 开环 无反馈，单方向 不同性质的量 较低，较简单 闭环 有反馈，闭合回路 相同性质的量 较高，较复杂 活动4：希罗自动门控制系统方框图的表达 观看希罗自动门的控制视频，补充完整控制系统方框图 问题8：希罗自动门控制系统是开环还是闭环控制？输入量和输出量分别是什 么？控制器，执行器，被控对象是什么装置？ 6 学科网（北京）股份有限公司 设计思路：由红外感应的自动门控制系统引出古老的液压和气动控制——希罗 自动门控制系统，让学生充分理解控制系统中各个设备的作用和控制的流程，画出 流程图，并根据流程图分析形成控制系统方框图，加强对控制系统各个要素的理解。 活动5：电冰箱的温度控制系统方框图的表达 介绍电冰箱温度控制的原理 1.温度调节旋钮设定一个温度值，主弹簧决定了传动膜片、连接杆和活动 触点的相对位置。 2.当电冰箱压缩机停止工作后，蒸发器表面温度逐渐上升，感温包和膜盒 内的感温剂气体的温度也随着上升，压强增大，使传动模块向外伸胀，通过连 接杆推动活动触点“3”与固定触点“4” 闭合，于是电路接通，压缩机开始工 作，连续制冷，使电冰箱内的温度下降。 3.当电冰箱内的温度降低到设定温度时，感温包和膜盒内的感温剂气体压 强降低到某个值，传动膜片向内收缩，弹簧的弹力使活动触点“3”和固定触 点“4”断开，切断电源，压缩机停止工作，制冷停止。如此反复，电冰箱的 工作温度便保持在设定的温度范围内。 问题9：电冰箱温度控制方框图如何表达？ 设计思路：理解传感器装置在电冰箱温度控制系统中的作用，知道闭环控制系 7 学科网（北京）股份有限公司 统的关键是增加了能对输出量进行检测的传感装置，使输出量能反馈到输入端并与 给定量进行比较，从而使输出量稳定在给定的范围内，让学生能用方框图表达控制 系统的设计方案，培养工程思维、图样表达的核心素养。 【课堂小结】 【教学评价】 需要评价 的活动 评价目标 评价任务 评价标准 评价方式 第二节 （活动 1） 评价结果 对光控灯控制系统的工作过程分析 进行评价 从学生表述的情况进行评价 课中即时呈现 结果 第二节 （活动 2） 评价结果 对土壤湿度控制系统控制过程分析 进行评价 从学生分析的合理性进行评价 课中即时呈现 结果 第二节 （活动 3） 评价结果 对平衡车控制系统工作过程分析进 行评价 从学生分析的合理性进行评价 课中即时呈现 结果 第二节 （活动 4） 评价过程 对学生表达开环控制系统方框图进 行评价 从学生表述的情况来评价 课中即时呈现 结果 第二节 （活动 5） 评价结果 对学生表达闭环控制系统方框图进 行评价 从学生表述的情况来评价 课中即时呈现 结果 8 学科网（北京）股份有限公司 【课后作业】 1.如图所示是某物品分选控制系统示意图。工作时，光电检测器PH1检测到次品时，PLC 装置向电磁装置下达指令，电磁装置动作将次品推入次品工件箱；检测器PH2检测到次品落下 时，PLC装置向电磁装置下达指令复位缩回，正品则到9号工位落入正品工件箱。关于该分选 控制系统，以下说法中正确的是( ) A .输出量是电磁装置是否复位B .被控对象是待分选的物品C .控制器是电磁装置D .反馈装置是 光电检测器 题目类型 巩固 素养表现 工程思维，熟悉开环控制系统的基本组成和工作过程，理解其中控制器、执 行器等的作用 涉及内容 会辨析开环控制系统的特征 题目解析 选 B。 评判标准 水平2 通过对控制系统案例的分析，掌握控制器、执行器、被控对象、 被控量、控制量的概念及作用 2.如图所示是一款红外感应自动开闭的垃圾桶，其工作过程是当人手靠近桶盖时，传感 器感应到人手信号，控制电路控制电磁连杆机构打开桶盖；手远离桶盖后，控制电路延时 10s后桶盖自动关闭。 （1）请用方框图表达该自动开闭垃圾桶盖的工作过程。 （2）使用一段时间后，垃圾桶出现桶盖的开闭时而正常时而不正常的现象，请分析指出 两种可能的原因。 题目类型 巩固 素养表现 图样表达，熟悉控制系统的基本组成，能画出简单的控制系统方框图。 涉及内容 会画出开环控制系统方框图 9 学科网（北京）股份有限公司 题目解析 略 评判标准 水平 1 能识读控制系统方框图，并能表达简单的控制系统的设计方案。 【教学反思】 本节课要求学生掌握开环控制系统和闭环控制系统的工作过程，并能绘制控制 系统的方框图。对于部分学生来说，本课内容不易理解与掌握。因此，教师在教学 过程应重点讲解控制系统结构部件(给定量、控制器、执行器、被控对象、控制量、 被控量)的概念，必要时可借助控制系统模型讲解，会更加生动形象化，这样才能 帮助学生更好地理解控制系统的工作过程，表达控制系统方框图。 10 学科网（北京）股份有限公司 学习任务单 课题 控制系统的组成和描述 姓名 学校 班级 学号 课上学习任务 【学习任务一】开环控制系统工作过程分析 活动1：光控灯控制系统的工作过程分析 问题1：光控灯控制系统由哪几部分组成？ 每个部分的作用是什么？ 问题2：如何表达光控灯控制系统的工作过程？ 【学习任务二】闭环控制系统工作过程分析 活动2： 土壤湿度控制系统的工作过程分析 问题3：土壤湿度控制系统是由哪几个部分组成的？ 问题4：如何描述土壤湿度控制系统？ 【学习任务三】控制系统方框图的表达 探究分析活动3：平衡车控制系统 问题5：平衡车控制系统是由哪些部件组成的？它是如何保持平衡的？ 问题6：我们该如何描述平衡车控制系统的工作过程？ 思考讨论: 问题7：开环和闭环控制系统框图的区分 活动4：希罗自动门控制系统方框图的表达 11 学科网（北京）股份有限公司 活动5：电冰箱的温度控制系统方框图的表达 1. 温度调节旋钮设定一个温度 值，主弹簧决定了传动膜片、连接 杆和活动触点的相对位置。 2. 当电冰箱压缩机停止工作 后，蒸发器表面温度逐渐上升，感 温包和膜盒内的感温剂气体的温度 也随着上升，压强增大，使传动模 块向外伸胀，通过连接杆推动活动 触点“3”与固定触点“4” 闭合，于是电路接通，压缩机开始工作，连 续制冷，使电冰箱内的温度下降。 3. 当电冰箱内的温度降低到设定温度时，感温包和膜盒内的感温剂 气体压强降低到某个值，传动膜片向内收缩，弹簧的弹力使活动触点 “3”和固定触点“4”断开，切断电源，压缩机停止工作，制冷停止。 如此反复，电冰箱的工作温度便保持在设定的温度范围内。 12 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$