3.3 系统的优化和设计（教案）-高中通用技术必修技术与设计2人教版

null 课题 3.3 系统的优化和设计 课时 1课时 教材版本 人教版通用技术必修技术与设计2 教学目标 技术意识： 1.能通过具体的问题分析、比较、权衡，理解系统优化、系统设计的一般过程和方法，树立技术意识。 工程思维： 1.能通过对起重系统的设计，分析影响系统的各种因素，并尝试对系统进行优化，培养工程思维。 创新设计： 1.能针对太阳能路灯模型的设计问题，进行方案构思，形成基本的系统设计能力，培养创新设计能力。 教学重难点 重点：掌握系统优化和设计的方法 难点：运用系统设计的方法，完成相关系统设计任务 学情分析 通过前面的学习，学生对系统的含义、特征及系统的思想和方法已经有了一定的认识，为系统设计奠定了基础。但学生在具体问题的分析过程中，往往会局限于问题的表面。将引导学生从宏观上把握系统优化与设计的全过程，带领学生进一步运用系统优化与设计的方法去解决实际问题。 课前准备 教学硬件环境：多媒体教室 教学资源：PPT课件、视频素材 教学环节 教学过程 一、 课堂导入 创设情境 教师活动： 思考：把6个长9 cm、宽6 cm、高4 cm的长方体放在一个纸箱中，6个长方体如何摆放，才能使纸箱的用料最少？ 分析、明确问题：应该如何摆放，可以最大限度地把6个长方体的某些表面隐藏在堆积体内部，从而使最终获得的堆积体表面积最小。 与学生共同总结解决方案：先将面积最大的面两两相对，当三个长方体排在一起之后，面积最大的面由3个面积为9 cm×4 cm的面连在一起组成；此时把两组各三个长方体摞在一起，则可以使最终堆积体的表面积最小。 学生活动： 思考并回答问题。 与教师一同总结问题解决方案。 设计意图： 通过如何摆放长方体从而使得表面积最小的活动体验，调动学生的学习积极性，并在解决问题过程中初步感受系统优化的过程。 二、 基于案例 新知讲解 （一）系统的优化 教师活动： 1.系统优化的概念 师：从上述过程中可以看出，在不改变长方体的形状和体积的情况下，通过改变它们的摆放方式，使堆积体的表面积发生变化。这种在一定制约条件下，通过一定的手段和方法，使系统获得最佳功能或最佳效益的过程称为系统的优化。 讲授：系统优化的概念 那么，系统优化的方法有哪些呢？ 系统优化的方法是多种多样的，有的可以通过优化的目标与变量之间的关系计算出目标值，运用数学模型求得精确解；有的由于系统过于复杂，我们不能确切地描述目标函数，则可以通过科学的估算、试验等方法实现。通常情况下，无论运用怎样的最优化方法，都需要经过若干次验证和完善，才能达到最优化的目的。 2.系统优化的一般过程 发布实践活动：货物运输方案的优化 问题：某运输车可以装载的总质量为1300 kg，现在有A、B、C三种货物，质量分别是300 kg、400 kg和500 kg，价值分别是4000元、6000元和5000元。每种货物均有两件，请问在一次运输中，选择运载哪些货物可以在不超载的前提下得到最大的总价值？ 在学生思考、尝试作答之后，引导学生按照系统优化的一般过程展开分析。 1）明确问题：需要优化的是货物的组合方案 梳理已知信息，请学生补充完成货物信息表 2）提取目标：目标是获得最大的总价值（设为VT） 根据假设的参数，用数学方程式表示：VT= VAx + VBy + VCz最大 3）查找约束条件，建立模型 思考：在装载货物时有哪些约束条件？ 约束条件1：运输车的总装载量不能超过1300kg 约束条件2：每种货物的数量均为两个 约束条件3：货物数量只能是不小于0的整数 请用数学式子表示以上约束条件。 4）选择最优化方法 请学生列举能满足条件的方案，填写表格，并找出最优的解决方案。 提示：当x + y + z≤ 2时，虽然方案可以满足约束条件，但运输车的装载量未被充分利用，所得总价值不是最大 只需找出x + y + z＞2时，满足条件的方案 5）获得最优解 得出结果：运输车运输两件B货物和一件C货物时的总价值最大，为17000元。 由以上实践活动，总结出系统优化的一般过程： 强调：在提取目标这一环节，应收集与目标相关的资料；在查找约束条件，建立模型这一环节，应分析影响目标的主要因素以及各因素之间的关系，确定约束条件，从而建立求解最优化问题的数学模型。 立即行动：为桌子生产任务进行系统优化 学生活动： 认真听讲，做好笔记。 思考问题，分析、比较和权衡，并通过数学建模、计算探究最优的货物运输方案。 填写货物信息表。 找出约束条件，建立数学模型。 找出满足条件的方案，并得出最优解。 与教师一同梳理系统优化的一般过程。 根据所学，遵循系统优化的一般过程，为桌子生产任务进行系统优化。 设计意图： 由前面的活动体验展开系统优化概念及优化方法的学习，让学生认识系统优化的含义及意义。 通过对某一具体的问题进行分析、比较、权衡，亲身体验系统优化的一般过程，培养学生的工程思维。 （二）系统的设计 教师活动： 师：系统优化的方案如何实现呢？这就需要系统设计的实现 虽然不同的系统具有不同的功能和特点，但在进行各种系统设计时，有一些基本的原则。 讲授：系统设计的原则。 接下来，了解系统设计的一般过程。 请学生识读流程图，描述系统设计的一般过程。 案例分析：起重系统设计 在人们日常的生产和生活中，经常会遇到各种起重设备，，如建筑工地使用的各种类型的起重机、高层建筑中的厢式电梯等，我们以起重系统的设计为例，来了解系统设计的过程。 怎样设计一个起重系统呢？ 请补充完成以下表格，完成起重系统的设计。 课外实践：制作起重机模型 请学生观看视频，学习起重系统的模型制作 学生活动： 认真听讲。 识读流程图，了解系统设计的一般过程。 思考、分析，遵循系统设计的一般步骤完成表格，设计起重系统。 观看视频，学习起重系统模型的制作。 设计意图： 引导学生运用系统设计的方法，针对具体的技术问题进行要素分析、方案构思及比较权衡，培养学生的创新设计能力。 三、 任务驱动 探究交流 任务一：太阳能路灯的模型设计与制作 发布要求：该路灯模型能在白天接收太阳光照，把太阳能储存在电池中，到了夜间能够利用电池中储存的能量驱动灯具发光。 请完成设计表格。 学生活动： 设计与制作太阳能路灯模型。 设计意图：通过实践活动，让学生加深对系统设计的过程与方法的认识，能针对具体问题进行要素分析、方案构思及比较权衡，形成工程思维。 教师和学生对于任务驱动的结果进行讨论评价。 设计意图： 在对作品评价交流的过程中，了解学生的作品完成情况，并为他们提供作品优化的建议，同时在交流分享中理解本节所学的知识、检验学习成果。 四、 课堂小结 设计意图：以思维导图的形式总结本节课的内容，能帮助学生理顺本节课的知识点。 五、 练习提升 1.如图所示为我国某家公司研发的全球首款自动驾驶载人飞行器。其采用100%纯电力能源作为动力，搭配智能电池管理系统，实时监测每组电池的健康状态，具备安全可靠的动力电源;关键飞行部件采用全备份设计，包括飞控系统、各类传感器、动力系统、电池及其管理系统。即便是大雨天大雾天，飞行器都能正常飞行，保障安全。下列对该自动驾驶载人飞行器系统的优化，不合理的是( ) A.由垂直起降改为滑行起降 B.降低舱内噪音，提升乘坐舒适度 C.采用质量轻、强度大的材料制造机身 D.优化飞行器外形，减小飞行阻力，增加续航 答案：A 2.如图所示是植物全自动浇水控制系统，它由定时浇水控制子系统和自动补水控制子系统组成。自动补水控制子系统工作过程:当水位传感器检测到水箱水位下降到下限时，控制器控制电控阀门打开，向水箱内补充自来水;当水位上升到上限时，关闭电控阀门。下列关于该植物全自动浇水控制系统的分析中，正确的是（ ） A.从系统优化节约成本角度考虑，可以去掉闸阀 B.电控阀门的可靠性对水箱水位控制没有影响 C.水位传感器的性能是系统优化的影响因素 D.控制器通过电路精确控制水泵转速，体现系统分析的科学性原则 答案：C 3.如图所示的物品分选系统，可将传送带1上两种形状不同(长方体和立方体)的物品，通过夹爪的上下和旋转运动，分类放置于传送带2和3。下列关于该分选系统的设计与分析中不恰当的是（ ） A.为使系统可靠运行，传送带松紧度等部件需定期检查 B.电机是用于驱动夹爪旋转运动，液压泵驱动夹爪上下运动 C.物品分选系统需要选用颜色传感器作为物品检测装置 D.应先进行总体设计，再设计各子系统，制作安装后再调试 答案：C 板书设计 系统的优化和设计 一、系统的优化 1.系统优化的概念 2.系统优化的方法 3.系统优化的一般过程 二、系统的设计 1.系统设计的原则 2.系统设计的一般过程 案例：起重机的设计 教学反思 优点：通过趣味问题、案例分析等，激发了学生的学习热情和探究兴趣，教学目标得到落实，学生能理解系统优化和设计的重要性，以及了解优化和设计的一般流程。 不足：本节的案例选取较少，且部分案例学生不感兴趣，效果欠佳。系统设计的内容应以实践活动为主，但对部分学生来说难度较大，教师应进行较详细的讲解。 改进措施：积累更多相关的素材，增添新颖度、趣味性更高的案例，帮助学生理解系统优化的意义。 实践活动的选择应符合学生的认知，对于理解有困难的学生，教师应当加强指导，给出的学习支架也应当更为清晰，才有利于实践活动的落地。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$