第二部分 单元教学设计8 控制及其设计-高中信息技术和通用技术单元教学设计

>> 210 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 单元教学设计 8 控制及其设计 盖立慧  河北正中实验中学 一、单元主题：观赏鱼鱼缸生态控制系统设计 “控制及其设计”是“技术与设计 2”必修模块中的四个主题之一。本单元主要 基于地质版《技术与设计 2》第四章“控制及其设计”，同时参考了人教版、苏教版 等版本教材的相关内容。本单元内容在通用技术的两个必修模块中占有比较重要的 地位，知识难度相对较大，旨在帮助学生领悟控制及其相关技术原理的丰富内涵和 在生产生活中的广泛应用，提高学生运用控制技术原理分析和解决实际技术问题的 能力，完善学生的技术素养。 二、单元内容 （一）单元概念 本单元需要学生掌握的概念有控制、控制系统、闭环控制系统、开环控制系统。   第二部分  通用技术   单元教学设计 8  控制及其设计　 211 << （二）单元内容分析 本单元教学包括初识控制、控制系统的分析、控制系统的设计与优化三个阶段， 旨在让学生深度理解控制系统的设计过程。 第一阶段为初识控制。教师通过实例帮助学生理解控制和控制系统的含义及其 在各个领域中的应用。 第二阶段为控制系统的分析。教师通过分析两个典型控制系统实例，帮助学生 领悟开环控制系统、闭环控制系统的基本组成要素和工作过程，并用框图加以描述， 以掌握控制实施的思想方法与技术方法。 第三阶段为控制系统的设计与优化。教师带领学生学习简单控制系统的基本设 计方法，尝试设计、搭建一个简易控制系统装置，并完成相应的调试、评价和优化。 三、单元目标 （一）学业要求 理解控制的基本概念和基本原理；能运用基本原理进行基于问题解决的控制设 计并加以物化，初步形成技术的结构与功能、干扰与反馈等基本思想和方法；能使 用常用、规范的技术框图等技术语言构思与表达设计方案；能结合生产和生活的实 际，形成和优化设计方案并实施；能从环境、经济、文化等角度评价技术设计方案 和实施的结果，增强创新意识。 （二）单元素养目标 1. 技术意识 能结合具体的案例，分析控制技术在生产生活中应用的广泛性和必要性。理解 控制系统的演变和人们的选择使用。 >> 212 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 2. 工程思维 能根据实际需要，选用正确的控制手段和控制方式；能通过改变输入、输出、 干扰、反馈等对控制系统进行优化设计。 3. 创新设计 初步掌握控制设计的一般方法，形成基本的控制系统设计能力； 能根据控制的对 象和现有的条件，制订解决控制问题的一个或多个方案；能对控制系统进行基本的 技术试验，对现象和结果进行分析。 4. 图样表达 能识读常见的控制方框图；能用控制方框图表达控制的设计方案。 5. 物化能力 能根据方案设计要求，进行材料选择，完成模型或产品的成型制作与测试。 四、单元教学策略 （一）基于项目的教学策略  课程标准建议“技术与设计 2”必修模块采用大概念引导大项目的方式进行项目 设置。本单元选取了地质版《技术与设计 2》的多技术交叉综合应用实践案例“简易 观赏鱼鱼缸系统设计与实现”作为模块大项目。经过系统的总体设计，简易观赏鱼 鱼缸系统主要由三部分组成，分别是缸体子系统、缸架子系统和生态子系统，如图 2-18 所示。每个单元完成相应部分的项目内容，本单元主要对生态系统的温度、光 照、过滤等部分进行控制设计。 缸体子系统 缸架子系统 生态子系统 鱼缸系统 图 2-18  简易观赏鱼鱼缸系统组成框图   第二部分  通用技术   单元教学设计 8  控制及其设计　 213 << 如图 2-19 所示，按照目标设定、情境导入、任务引领、活动贯穿、评价量化的 顺序开展基于项目的通用技术教学活动。 目标设定 情境导入 任务引领 活动贯穿 评价量化 图 2-19  基于项目的教学策略 （二）单元项目教学任务分析 进行控制系统设计，首先要考虑的问题是什么是控制。这就需要学习控制的含 义，了解控制的手段和控制在生产生活中的应用等。因此，本单元设置的项目任务 是制作盆栽植物自动浇水装置和抛球器模型。 进行控制系统设计，还需要考虑控制系统有哪些组成部分以及控制系统是怎样 工作的。因此，本单元设置了制作自动门控制系统模型这个项目。 本单元旨在帮助学生领悟控制的丰富内涵及相关技术原理，总结控制系统设计 的一般方法和步骤，设置了搭建声控灯的实物电路项目；提高学生运用控制技术原 理分析和解决实际技术问题的能力，提高学生的技术素养，因此最后设置了观赏鱼 鱼缸生态控制系统的设计项目。 五、课时安排及重点 （一）课时安排  课时安排如表 2-50 所示。 表 2-50  单元课时安排 阶  段 内  容 项  目 课  时 第一阶段 ： 初识控制 创设单元设计情境，明确本单元 设计任务，了解控制的手段 制作盆栽植物自动浇水装置 1 探析生活与生产中的控制 制作抛球器模型 1 >> 214 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 阶  段 内  容 项  目 课  时 第二阶段 ： 控制系统的分析 研究控制系统的组成和工作方式 制作自动门控制系统模型 2 第三阶段 ： 控制系统的设计 与优化 控制系统的设计—观赏鱼鱼缸 生态控制系统设计 搭建声控灯的实物电路，设 计观赏鱼鱼缸生态控制系统 5 设计方案的交流与优化。 1 （二）教学重点 （1）理解简单开、闭环控制系统的基本组成和工作过程。 （2）理解控制系统中的控制器、执行器等的作用。 （3）用控制框图描述简单的开、闭环控制系统。 （4）了解影响简单控制系统运行的主要干扰因素。 （5）确定简单控制系统的被控量、控制量，画出控制系统的框图，并形成初步 的控制设计方案。 （6）掌握简单开、闭环控制系统的调试运行和综合评价。 （三）教学难点  （1）理解简单开、闭环控制系统的基本组成和工作过程。 （2）理解简单开、闭环控制系统中各环节的作用。 （3）掌握简单开、闭环控制系统框图的绘制。 （4）能进行恰当的控制系统的初步设计和实现。 六、单元评价设计 （一）学业质量  通过本单元的学习，学生能根据控制系统的控制要求，确定被控量、控制量， 续  表   第二部分  通用技术   单元教学设计 8  控制及其设计　 215 << 进行简单的控制系统方案设计，并搭建一个简易的控制系统装置，进行调试运行和 综合评价。 （二）评价内容 单元评价内容如表 2-51 所示。 表 2-51  单元评价内容 阶  段 学业质量 核心素养 质  量 水  平 初识控制 能通过案例说明手动控制、自动控制、智能控制的特点 2 技术意识 能结合生活中的技术案例，说明技术领域中控制的基本 概念和基本原理，列举它们在生产生活中的广泛运用 2 技术意识 控制系统的 分析 阐述简单开、闭环控制系统的基本组成和工作过程 2 工程思维 理解控制系统中控制器、执行器等的作用 2 工程思维 了解简单的反馈和干扰现象及其基本原理，并能用方框 图加以表达 2 工程思维 图样表达 控制系统的 设计与优化 能分析被控对象的基本特征，确定被控量、控制量 2 工程思维 能进行简单的控制系统的方案设计 2 创新设计 能根据方案设计要求，选择材料和工具，完成控制系统 模型或产品的成型制作和装配 2 物化能力 能通过技术试验分析控制系统的控制、干扰、反馈等现 象，写出试验报告 2 创新设计 能综合各种因素评价设计方案并加以优化 2 创新设计 七、课时教学设计 （一）课时1  创设单元设计情景，明确本单元设计任务，了解控制的手段 1. 目标设定 技术意识：保持对控制技术的兴趣与好奇心，理解控制的含义，了解控制的手段。 >> 216 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 2. 情境导入 学生进行了观赏鱼鱼缸的缸体系统和缸架系统的结构设计，缸体的制作和布景 流程的设计，以及鱼缸的生态系统设计，那么鱼缸是怎样控制水温的？为什么能长 期保持水质清澈？鱼缸的光照是怎样控制的？这些控制装置是怎样组成的？怎样工 作的？本单元通过观赏鱼鱼缸生态控制系统的设计带学生学习这些内容。要设计一 个控制系统，首先要了解控制的含义和实现控制的手段，这就是本节课要学习的主 要内容。 3. 任务引领 了解控制的含义和实现控制的手段。 4. 活动贯穿 活动 1 ：了解控制。 【阅读教材】阅读苏教版《通用技术（必修）：技术与设计 2》（简称苏教版《技 术与设计 2》）第 112 页，人们利用收集的雨水进行园艺浇灌、汽车冲洗、路面冲洗 和厕所冲刷等，减少了浪费，引出事物的发展与变化具有多样性。例如，降落的雨 水可以用来灌溉农田，也可以供人们冲洗物品，还可以发电，但是也可能流入江河， 增加洪涝灾害发生的可能性。 思考：什么是控制？控制的目的是什么？ 【技术实践】阅读苏教版《技术与设计 2》第 112 页“制作盆栽植物自动浇水装置”。 目的：经历制作盆栽植物自动浇水装置的实践过程，体会控制的含义和意义。 观察装置的工作过程并分析与讨论接水盘中的水位高低与进气管位置的关系。 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的方向发展，就 形成了控制。 活动 2 ：实现控制的手段。 【阅读教材】阅读苏教版《技术与设计 2》第 114 页，知道从哪里入手去了解控 制现象。 理解控制现象，要知道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。 【技术探究】观察生活中的控制现象，完成表 2-52。   第二部分  通用技术   单元教学设计 8  控制及其设计　 217 << 表 2-52  分析控制现象 场  所 控制装置 控制目的 控制对象 控制手段 公共场所 红外线水龙头自动出水装置 【案例分析】参考苏教版《技术与设计 2》第 114 页“从电风扇到空调再到智能 空调”。 这三种消暑方式的演变过程如图 2-20 所示。 电风扇 空调 智能空调 智能控制自动控制手动控制 图 2-20  消暑方式的演变过程 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。 人工控制（手动控制）：控制的过程是在人的直接干预或全程干预下进行的。 自动控制：自动控制是指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地朝着 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：智能控制是指具有智能信息处理、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。 5. 量化评价 量化评价如表 2-53 所示。 表 2-53  量化评价表 评价内容 评价方式 自我评价 小组评价 教师评价 过程评价 师生互动 能积极回答教师提出的问题 能基于已有经验构建新知识体系 能积极参与课堂互动 实践活动 能积极参与技术实践活动 在实践中提出创造性构思 活动进度安排合理 活动 1 ：阅读材料，技术实践 活动 2 ：阅读材料，技术探究 >> 218 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 评价内容 评价方式 自我评价 小组评价 教师评价 结果评价 目标实现 阅读材料，知识学习 技术实践，体验感受 技术探究，问题思考 收获反思 成果展示 改进优化 收获感悟，反思不足 （二）课时2  探析生活与生产中的控制 1. 目标设定 技术意识：能从技术的角度观察控制在生产生活中的应用，通过了解我国先进 控制技术的应用，增强民族自豪感，树立学好控制技术报效祖国的远大理想。 2. 情境导入 控制技术在生产和生活中应用广泛。人类能够在一定程度上按照自己的意愿改 变周围的环境，使之满足自身的需要。 3. 任务引领 了解生活和生产中的控制。 4. 活动贯穿 活动 1 ：感知控制的应用。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 109 ～ 110 页。 在生产和生活中，往往需要对温度、压力、水位、速度等进行控制。控制技术 在近代得到了迅速发展，在各个领域得到了广泛的应用。 【技术实践】参考苏教版《技术与设计 2》第 P116 页“制作抛球器模型”。 体验目的：通过制作抛球器模型，感知控制在日常生活中的广泛应用。 活动 2 ：了解生活和生产中的控制。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 111 ～ 114 页，了解我国先进控制 技术的应用，增强民族自豪感，树立学好控制技术报效祖国的远大理想。 续  表   第二部分  通用技术   单元教学设计 8  控制及其设计　 219 << 【调查研究】收集我国应用先进控制技术的案例，研究实施控制的原因，完成表 2-54。 表 2-54  控制技术应用案例表 控制案例 实施控制的原因 5. 量化评价 请参考表 2-53。 （三）课时3  研究控制系统的组成和工作方式 1. 目标设定 工程思维：阐述简单开、闭环控制系统的基本组成和工作过程，理解控制系统 中控制器、执行器等的作用，了解简单的反馈现象及其基本原理。 2. 情境导入 通过前面的学习，学生已经了解了控制的含义，并体会到控制技术对人类现代 社会生产及生活的重要性和必要性。那么控制系统有哪些组成部分？又是怎样工作 的呢？本节课带学生一起研究控制系统的组成和工作方式。 3. 任务引领 简单开、闭环控制系统的基本组成和工作过程。 4. 活动贯穿 活动 1 ：自动门控制系统的分析。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 115 ～ 116 页“案例 1 自动门控制”。 从自动门的动作过程中，分析控制系统要达到的控制目的：无人时常关，有人 时门开。找出控制对象：门。分析用了什么样的控制手段：电机将门拉开，电机的 信号由控制器传入，控制器的信号由传感器传入。引导学生理解自动门控制系统的 组成和工作过程，画出自动门控制系统框图（图 2-21）。 >> 220 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 传感器 控制器 电机  （执行器）人（有 / 无） 输入 门（开 / 关） 输出门（被控  对象） 图 2-21   自动门控制系统框图 思考：当人一直在门口时，自动门会怎样动作？为什么？ 【技术实践】制作自动门控制系统模型。 目的：理解自动门控制系统的组成，感受控制过程，理解控制器、执行器的 作用。 活动 2 ：水箱水位控制系统的分析。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 116 ～ 118 页“案例 2 水箱水位 控制”（有条件的也可以演示水箱水位控制系统的模型或动画）。 分析控制系统要达到的控制目的：使水箱中的实际水位达到设定的水位。找出 控制对象：水箱。分析用了什么样的控制手段：当水箱中的实际水位低于设定水位 时，浮子下落，阀门打开，进水，浮子检测水面高度；当水箱中的实际水位达到设 定的水位时，浮子浮升至设定水位，通过连杆机构，将阀门关闭。引导学生理解水 箱水位控制系统的组成和工作过程，画出水箱水位控制系统框图（图 2-22）。 连杆机构 阀门 浮子 水箱 （情境导入） （实际水位） 输入（量） 反馈（量） 输出（量） 开度 图 2-22   水箱水位自动控制系统框图 思考： （1）在水箱水位控制系统中，传感器、控制器、执行器各对应什么装置？ （2）如果水箱水位控制系统中的浮子坏了，更换的浮子比原来小，会出现什么 后果？ 活动 3 ：分析开、闭环控制系统的概念和控制系统的基本组成。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 118 页，可知案例 1 的信息总是自 输入端单向传至输出端，不存在信息的逆向流动；案例 2 除包含上述过程外，还将 输出信息反传给输入端（比较环节），存在信息的逆向流动。由此，总结出反馈、开 环控制系统、闭环控制系统的概念。   第二部分  通用技术   单元教学设计 8  控制及其设计　 221 << 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 119 页，了解控制系统的基本组成。 简单的控制系统由两部分组成，即被控对象和控制装置。其中的控制装置，包 括传感器、控制器、执行器等环节。对于闭环控制系统来说，还包括反馈环节和比 较环节。 活动 4 ：开环控制系统与闭环控制系统的比较。 【技术实践】阅读地质版《技术与设计 2》第 119 页“走直线：开环控制系统与 闭环控制系统的简单体验”。 分组讨论：开环控制系统与闭环控制系统的结构特点与工作过程，如表 2-55 所示。 表 2-55  开环控制系统与闭环控制系统的结构特点 系统类型 结构特点 信息流经路径 控制精度 开环控制系统 简单 从输入端经控制器、执行器到输出端，仅有一条开 放路径 不高 闭环控制系统 复杂 自输入端传至输出端，输出端信息又反传回输入端 的比较环节，构成闭合回路 较高 5. 量化评价 请参考表 2-53。 （四）课时4  控制系统框图和控制系统的干扰 1. 目标设定 （1）工程思维。掌握控制系统框图的组成部分及其作用，能根据控制系统的特 点选择合适的开环或闭环控制系统，了解简单的反馈和干扰现象及其基本原理，能 结合实例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素。 （2）图样表达。能用控制系统框图描述简单的开环与闭环控制系统，并掌握其 绘图技巧。 2. 情境导入 系统框图是系统方案的图形描述，它能清楚地表达控制系统的设计方案。学生 要想准确实施观赏鱼鱼缸生态系统中水温控制系统、光照控制系统、过滤控制系统 等设计方案，需画出相应的控制系统框图。另外，控制系统在工作时还会受外界环 境的干扰，引导学生思考怎样减少干扰带给控制系统的影响。 >> 222 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 3. 任务引领 掌握控制系统框图的画法，找到控制系统的干扰因素并减弱其带来的影响。 4. 活动贯穿 活动 1 ：掌握控制系统框图的绘制方法。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 121 ～ 122 页，并完成第 122 页的 讨论交流部分，掌握控制系统框图的组成部分及其作用。 绘制方法：首先，按被控对象、执行器、控制器、反馈环节（对闭环控制系统 而言）顺序确定系统的各个环节，用方框和文字标志表示各环节。确定被控量（输 出量）、控制量、输入量、反馈量和偏差量。其次，用带箭头的直线表示信息在系统 中流动、传递的方向，并将各环节顺序连接起来。最后，加上比较环节，用圆圈做 特别表示，构成闭环。 绘图技巧：采取自右往左画的技巧。先画被控对象，再画执行器，接着画控制 器、反馈环节，最后画比较环节，连接闭环，并标注各量。 【技术实践】阅读地质版《技术与设计 2》第 123 页，完成水箱水位人工控制系 统框图，学习绘制控制系统框图。 活动 2 ：利用“通道”和“环节”进一步分析控制系统的工作过程。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 124 ～ 125 页，了解通道的概念和 环节的作用。 【技术实践】比较自动门控制系统和水箱水位控制系统，列出开环控制系统和闭 环控制系统在基本环节的一般性名称和具有的控制通道两方面上的区别。 活动 3 ：分析控制系统的干扰问题。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 126 ～ 131 页，分析人体体温控制 系统和飞机俯仰姿态（角）控制系统两个实例，使学生了解控制系统的工作要受外 界因素的影响，引出“干扰”的基本概念。 【技术探究】怎样理解反馈的作用？ 提示：对于闭环控制来说，反馈的作用是随时将被控量（如实际水位、实际体 温、实际俯仰角等）的信息传递到比较环节，从而形成偏差量（如水位偏差、体温 偏差、俯仰角偏差等）。因此，闭环控制实质上是偏差控制。反馈起到了至关重要 的作用。  【技术实践】画出电冰箱温度控制系统的控制框图，并找出控制系统的干扰因   第二部分  通用技术   单元教学设计 8  控制及其设计　 223 << 素，说明此控制系统是怎样抑制干扰所带来的影响的。 5. 量化评价 请参考表 2-53。 （五）课时5  了解控制系统设计的一般思路和步骤 1. 目标设定 工程思维：能分析被控对象的基本特征，明确输入量与输出量之间的关系；分 析控制系统有哪些干扰因素，输出量与干扰因素有何关系。能根据控制系统的控制 要求，确定被控量、控制量等基本环节及其工作过程。 2. 情境导入 技术设计的一般过程可归纳为发现与明确问题、制订设计方案、制作模型或原 形、优化设计方案等。对于控制系统设计来说，控制系统有它的特殊性，即有许多 具体的问题需要在方案设计之前弄清楚。因此，本节课围绕如何形成控制系统设计 方案这个中心问题，通过案例分析了解控制系统设计的一般思路和步骤。 3. 任务引领 分析开（闭）环控制系统设计方案形成过程，了解控制系统设计的一般思路和 步骤。 4. 活动贯穿 活动 1 ：分析声控灯控制系统的设计过程。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 132 ～ 134 页，了解开环控制系统 设计的一般思路和步骤。 首先，解析被控对象的基本特性，即被控对象在正常工作状态下，输出与输入 之间的关系，输出与干扰之间的关系；其次，确定被控量与控制量；再次，确定控 制系统构成方案；最后，绘制系统框图。 【技术实践】试根据声控灯控制系统的设计方案，搭建声控灯控制系统的实物电 路。 活动 2 ：分析棚室温度控制系统的设计过程。 【阅读教材】阅读地质版《技术与设计 2》第 134 ～ 138 页，了解闭环控制系统 设计的一般思路和步骤。 >> 224 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 首先，解析被控对象的基本特性，即被控对象在正常工作状态下，输出与输入 之间的关系，输出与干扰之间的关系；其次，确定被控量与控制量；再次，确定控 制系统构成方案；最后，绘制系统框图。 【技术实践】进行空调室内的温度特性测试试验，记录并绘制出温度控制响应特性 曲线。 5. 量化评价 请参考表 2-53。 （六）课时6  归纳控制系统设计的一般思路和步骤 1. 目标设定 创新设计：能进行简单控制系统的方案设计。 2. 情境导入 通过上一节对声控灯控制系统和棚室温度控制系统两个案例的分析和研究，学 生对控制系统方案设计的思路与方法有怎样的认识 ? 3. 任务引领 掌握控制系统设计的一般思路和步骤。 4. 活动贯穿 活动 1 ：归纳控制系统设计的一般思路和步骤。 【问题思考】阅读地质版《技术与设计 2》第 138 页。 本部分的小组讨论采用“引导问题”和“设计方法要点”并行的方式展开，旨 在引导学生对声控灯控制系统、棚室温度控制系统这两个控制系统方案的形成进行 分析，归纳出控制系统方案的初步设计过程，掌握控制系统设计的一般思路和步骤。 活动 2 ：控制方案初步设计练习。 【技术实践】阅读地质版《技术与设计 2》第 139 页“在方案设计中成才智— 原理性控制方案初步设计的练习”。 本技术实践旨在为下一节教学做准备，是学习完本单元有关控制相关理论知识 后的物化开始。因此，教师应做好相应的教学准备，按照设计目的应用调压原理， 采用简单的原理性电路来调控灯泡的亮度。运用欧姆定律解决这一技术问题，不宜 过于复杂。   第二部分  通用技术   单元教学设计 8  控制及其设计　 225 << 5. 量化评价 请参考表 2-53。 （七）课时 7  观赏鱼鱼缸生态系统控制方案的设计 1. 目标设定 创新设计：能进行观赏鱼鱼缸生态系统控制方案的设计。 2. 情境导入 学生已经掌握控制系统设计的一般思路和步骤。接下来，进行观赏鱼鱼缸生态 系统控制方案的设计。 3. 任务引领 观赏鱼鱼缸生态系统控制方案的设计。 4. 活动贯穿 活动 1 ：调查了解观赏鱼鱼缸生态系统哪些方面需要控制装置，各控制系统 的目的和要求。 【技术实践】观赏鱼鱼缸生态系统控制方案的设计。 观赏鱼鱼缸生态系统包括生态指标采集、水过滤循环、智能控温、自动补水、 自动喂食、定时照明等自动化控制功能。各小组分别选择一个控制系统进行方案的 初步设计。 以生态鱼缸智能温度控制系统初步设计为例，讲解设计过程。 设计目的：绝大多数观赏鱼最适宜的生长温度为 24 ～ 28℃，温度变化超过 ±4℃将有可能导致观赏鱼的死亡。因此，缸内环境系统最重要的功能是保证水温恒 定，需要配置温控装置。 分析 1 ：解析对象的基本特性。 温控装置的系统输入是设定的水温，根据观赏鱼的适宜生长温度来设定，如 26℃ ；温控装置的系统输出是缸内的实际水温；导致缸内水温变化的主要因素（干 扰）是室温，如冬季室温偏低或夏季室温过高，室温的变化将直接影响鱼缸内水温 的变化。 通过上述分析，可以得到温控装置的功能和技术要求。 功能：检测缸内实际水温，自动启动加热或冷却装置保持缸内水温恒定。 >> 226 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 技术要求：设定温度为 26℃。控温精度为 ±2℃。 分析 2 ：确定被控量与控制量。 温控装置的系统输出为被控量，即缸内水温。温度的偏差为控制量。 分析 3 ：确定控制系统构成方案。 为实现缸内水温的自动调节，需要配置温度传感器以检测缸内实际水温，将实 际水温与设定温度进行比较，计算得到温度偏差。根据温度偏差的极性确定对缸内 的水进行加热或降温处理，从而实现水温偏差的减小，构成闭环控制。 生态鱼缸智能温度控制系统对被控量—鱼缸内水的实际温度有较严格的精度控 制，因此选用闭环控制。闭环控制系统以其反馈作用，利用偏差，对控制器进行合 理控制，可以获得较高的精度。 此外，当干扰作用较强时，闭环控制又可以起到抑制干扰影响的作用，这也是 选用闭环控制的考虑因素之一。 分析 4 ：绘制系统框图，如图 2-23 所示。 （情境导入） 控制器 继电器 加热 / 降温 温度传感器 缸内的水 实际温度 室温干扰 执行器 图 2-23  温度控制装置自动调节温度的控制框图 5. 量化评价 请参考表 2-53。 （八）课时8  观赏鱼鱼缸生态系统控制方案的实施 1. 目标设定 物化能力：为观赏鱼鱼缸生态系统选择合适的元件，能根据观赏鱼鱼缸生态系 统控制方案实施。 2. 情境导入 学生已经设计了观赏鱼鱼缸生态系统的控制方案，本节课依据设计方案实施。   第二部分  通用技术   单元教学设计 8  控制及其设计　 227 << 3. 任务引领 观赏鱼鱼缸生态系统控制方案的实施。 4. 活动贯穿 活动 1 ：为观赏鱼鱼缸生态系统选择合适的控制元件。 通过什么方式可以实现缸内水温的调节？通常，对鱼缸内的水加热可以采用电 加热棒，加热时间决定了水温升高的幅度；对鱼缸内的水降温可以采用散热风扇或 冷水机。 比较环节可以通过硬件或软件实现，如硬件电路中采用集成电路芯片—电压比 较器（如 LM339）可以实现电压信号比较。对单片机进行编程也可以实现信号的比 较（首先应用模拟量 / 数字量转换电路，即 A/D 转换电路将待比较的电信号采集到 单片机中，然后应用软件编程实现信号比较）。 根据性价比选用温控装置的各个部件，如温度传感器可采用 DS18B20 或 PT100， 设定温度及比较环节可以采用单片机 AT89C2051，加热 / 降温装置分别选用加热棒 和冷水机等。在实际系统中，除了选择控制系统中的各个元件外，还要考虑信号在 传递过程中的转换，如单片机或计算机只能通过 A/D 转换器采集并处理数字信号， 控制信号要经过功率放大才能带动执行器工作等。 活动 2 ：观赏鱼鱼缸生态系统控制方案的实施。 5. 量化评价 请参考表 2-53。 （九）课时9  控制系统的调试和技术试验 1. 目标设定 （1）创新设计。能进行技术试验等操作，准确地观测、记录与分析。 （2）物化能力。能进行观赏鱼鱼缸生态控制系统的调试和技术试验。 2. 情境导入 学生已经搭建好了观赏鱼鱼缸生态控制系统，本节课进行调试和技术试验。 3. 任务引领 观赏鱼鱼缸生态控制系统的调试和技术试验。 >> 228 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 4. 活动贯穿 活动 1 ：控制系统的调试。 【技术实践】观赏鱼鱼缸生态控制系统的调试。 活动 2 ：控制系统的技术试验。 【技术实践】通过技术试验分析控制系统的控制、干扰、反馈等现象，写出试验 报告。 以观赏鱼鱼缸温度控制系统技术试验为例，说明技术试验的过程。 （1）确定测试计划。 ①确定测试目标：明确测试的目标，以确保温度控制系统能够稳定、准确地控 制鱼缸的温度。 ②准备测试环境：选择一个适宜的测试环境，确保鱼缸内的水质良好，并模拟 各种可能影响温度控制的因素。 ③分配测试资源：为测试准备必要的资源，如温度计、计时器、记录本等。 ④制定测试时间表：为确保测试顺利进行，学生需要制定一个明确的测试时间 表，并确保按时完成每个测试步骤。 （2）确定测试方法。 ①进行初始设置：对温度控制系统进行初始设置，确保其正常工作。 ②进行温度测量：使用温度计定期测量鱼缸内的实际温度，并与控制系统输入 的设定温度进行比较。 ③进行控制系统功能测试：验证温度控制系统各项功能是否正常，如温度设定、 调整、显示等。 ④进行耐久性测试：模拟长期使用情况下，温度控制系统是否能保持稳定的工 作状态。 ⑤进行抗干扰性测试：测试温度控制系统在各种干扰因素（如电源波动、环境 温度变化等）下的工作表现。 ⑥数据记录：对每次测试的结果进行记录，以便分析问题所在。 （3）分析测试结果。 ①数据比较：将实际测量数据与控制系统输入的设定数据进行比较，分析是否 存在差异。 ②问题识别：根据数据差异，识别可能存在的问题，如温度控制系统故障、水 质影响等。   第二部分  通用技术   单元教学设计 8  控制及其设计　 229 << ③找到解决方案：针对识别出的问题，提出相应的解决方案，如维修、调整参 数、更换部件等。 ④再次测试：实施解决方案，并再次进行测试，确保问题得到解决。 5. 量化评价 请参考表 2-53。 （十）课时 10  控制方案的交流与优化 1. 目标设定 （1）创新设计。能综合各种因素进行观赏鱼鱼缸生态控制系统的评价与优化。 （2）技术意识。感受解决技术问题、获得劳动成果的喜悦。 2. 情境导入 学生已经搭建好观赏鱼鱼缸生态控制系统，并完成调试和技术试验。本节课进 行控制系统的交流和优化。 3. 任务引领 观赏鱼鱼缸生态控制系统的交流和优化。 4. 活动贯穿 本节是本单元的最后一节，既是对本单元知识的总结，也是对学习效果的检验。 教师先带领学生回顾本单元的概念，任务提出、任务分析、任务解决的各个阶段， 再引导学生进行设计方案的评价、交流和优化。 活动 1 ：观赏鱼鱼缸生态控制系统设计方案的交流与评价。 学生按照小组进行展示。小组展示后，组间交流互评，教师评价和总结。 活动 2 ：观赏鱼鱼缸生态控制系统设计方案的优化。 【技术实践】各组根据同学和教师给出的建议进行控制系统设计方案的优化。 5. 量化评价 请参考表 2-53。 >> 230 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 八、反思提升 本单元基于学生现实生活中遇到的真实问题创设教学情境，进行技术设计与制 作。项目载体选择观赏鱼鱼缸生态控制系统原型制作。项目采用任务引领、活动贯 穿的方式，循序推进，构建学科核心知识。学生在项目开展和实施中不知不觉间实 现知识传递、迁移和融合。通过观赏鱼鱼缸生态控制系统的原型制作，学生亲历控 制方案设计、实施的整个过程，充分体现了通用技术学科提倡的“做中学，学中做” 的理念，提高了创新能力和实践能力。通过本单元的学习，学生技术意识增强，工 程思维提升，创新设计能力提高，图样表达准确，物化能力发展，同时团队协作能 力和交流表达能力提高，很好地实现了课程单元教学目标。