3.1 系统及其特性（教学设计）通用技术苏教版2019必修2

课题 3.1系统及其特性 课时 1课时 教材版本 苏教版通用技术必修技术与设计2 年级 高二 教学目标 技术意识： 通过技术实践活动，能从技术的应用角度阐明系统的含义及其构成。 工程思维： 通过案例的欣赏与分析，理解系统的要素组成原理和整体规划思想，体悟系统的基本思想和方法，并积极应用于学习和生活中。 创新设计： 以“辨析系统的基本特性”为设计目标，进行“按压式延时水龙头延时试验”，并准确地观测、记录、分析。 教学重难点 重点： 1.在技术应用活动中，感受系统的构成，归纳出系统的含义。 2.基于案例分析，能够分解系统的组成要素，并定义子系统。 3.理解并能区分系统的基本特性。 4.理解从系统特性中呈现的系统思想。 难点： 1.学会利用系统的眼光和技术的思想，认识和分析世界，提升技术综合能力。 2.理解系统的整体性与相关性的联系与区别。 3.能够掌握并运用系统的思想与方法。 学情分析 本节作为本章内容的开篇，是系统学习的基础，内容包括系统含义、构成系统的条件、子系统的划分、系统的基本特性，为本章后续知识和下一章知识的学习做好铺垫。 学生对于系统的认识不多，生活学习中有所接触，但在技术领域中的定义和内容不慎了解，因此可充分利用教材中以延时水龙头为主线，通过技术体验“组装和测试按压式延时水龙头”，让学生在活动中感受系统，形成系统的意识，为培养系统的思想和方法服务。通过技术试验“按压式延时水龙头延时试验”为例，辨析弹簧弹性系数与延时时间的关系，引导学生理解系统的整体性、相关性、目的性、动态性和环境适应性等重要特性，强化学生理解系统，为系统设计作铺垫。 课前准备 教学硬件环境：多媒体教室 教学资源：教学课件。按压式延时水龙头组装套材，螺丝刀、活动扳手、水压加压试验装置等。按压式延时水龙头测试套件，秒表、水压加压试验装置。 教学环节 教学过程 一、课堂导入 创设情境 说明本课时教学目标。 展示“走进情境”内容，说明学校现在要解决水龙头没关或漏水而造成的浪费问题，向学生征集解决办法。引出“按压式延时水龙头”。（可根据情况适当延伸至红外线感应水龙头） 二、新知探究 任务一 认识系统及其构成 展示按压式延时水龙头图片，结合课本79页拓展阅读“按压式延时水龙头的工作过程”说明它的工作原理和接水情况。 提出问题：按压式延时水龙头组成是什么才能保证这样的使用效果？ 引出技术体验“组装和测试按压式延时水龙头”。 1、技术体验——组装和测试按压式延时水龙头 展示并说明课本78页技术体验“组装和测试按压式延时水龙头”。（备好一定份数的材料） 选一定数量学生学习小组上前组装，并测试相应的延时效果。（安全提示：在压紧弹簧时要小心其反弹出来伤人。水压加压装置的压力不要太大。） 测试完成，学生观察效果并讨论填写课本79页内容。 播放视频“组装和测试按压式延时水龙头”，学生观看他人完成效果，并推出“系统”的概念 2、系统的概念及构成系统的必要条件 教师：经过上述操作和观察，我们可以发现按压式延时水龙头由阀体、压盖、阀座、圆柱形阀芯、弹簧等若干部件组成。这些部件相互联系、相互作用，形成了按压式延时水龙头可以延时供水的功能。其中任何一个主要部件出现问题，都有可能导致按压式延时水龙头无法正常工作。 系统：这种由相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约的若干要素或部分组成的具有特定功能的有机整体称为系统。 要素：是指构成系统的最主要的元素。 部分：部分是相对于系统的整体而言，要素相对于系统的元素结构而言。（结合课本79页关于企业的案例说明很多情况下，要素和部分又可以通用。） 教师：生活中的系统很多，比如电脑、手机的操作系统，生态系统，呼吸系统、免疫系统，行星系统等。 学生举例生活中还有哪些常见的“系统”。 教师：这里我们再仔细阅读“系统”的定义可以发现构成系统的必要条件有以下三个。 构成系统的必要条件：①至少要有两个或者两个以上的要素（部分）才能组成系统；②要素（部分）之间相互联系、相互作用，按照一定方式形成一个整体；③这个整体具有的功能是各个要素（部分）所不具备的。 展示课本80页第一个“马上行动”内容，学生讨论后完成填写并回答。 教师点评学生成果并总结。 参考答案： 第1问： 第2问： 开放式回答，学生回答合理即可。 自动铅笔；脉动式机芯结构是活动铅笔普遍采用的基本结构形式，主要由笔杆、尖套（笔尖）、固定护芯管（活动阻尼）、卡头（开花）、锁紧箍、弹簧等组成。当储芯管受揿动压力（手指压力）作用时，克服弹簧的弹力向下移动，并使卡头爪片张开，同时铅芯离开在储芯管内的原来位置，在制动元件阻尼圈的控制下沿着护芯管壁移动一定长度。揿动压力释放后，弹簧恢复原位，铅芯被锁紧箍和卡头自动锁紧定位，完成一次脉动出芯过程。依此往复即可连续脉动出芯。 台灯：灯罩罩在灯泡上，起到聚光的作用；支撑架承载灯泡、灯罩，调节光源的角度，也是电线的输送管道；电线从支撑架穿过，通过灯座与灯泡连接，实现灯泡与电源的连接；开关控制灯泡的亮暗。 3、大系统和子系统 教师：仔细思考后各位同学也可以发下系统有大有小，有复杂有简单。 教师：因此，对于大型的复杂系统，根据需要，按照一定的标准可划分为若干子系统。 结合图片举例说明。例如，地球生态系统由海洋生态系统、森林生态系统、陆地生态系统等子系统构成，交通系统可分为航空运输系统、铁路运输系统、公路运输系统、水路运输系统等子系统，管理系统可分为生产管理系统、营销管理系统、财务管理系统等子系统。 教师：同样，一个系统又是更大系统的子系统。 展示课本80页第二个“马上行动”内容，学生讨论后完成填写并回答。（加强学生对于“子系统”概念的理解） 教师点评学生成果并总结。 参考答案： 第1问： 第2问： 开放式回答，学生回答合理即可。 可能是承重子系统出现了问题，当车轮的辐条断了，车圈会发生变形，将导致有规律的颠簸。也有可能是传动子系统出现了问题，当车轴里的钢珠损坏时，也会导致这种颠簸的发生。 提问：如果将学校的自来水供水系统按照供水用途进行划分，可以分成哪些子系统？ 学生思考后回答。 教师点评并总结。 参考答案：学校自来水供水系统可分为楼房供水子系统，绿地供水子系统，观赏水池供水子系统等。 二、新知探究 任务二 辨析系统的基本特性 1、技术试验“按压式延时水龙头延时试验” 展示81页技术试验“按压式延时水龙头延时试验”。 选一定数量学生学习小组上前完成操作，记录相应数据。 提问：1. 通过试验你得到了哪些启示？ 2. 跟同学们交流并讨论，影响按压式延时水龙头延时时间长短的要素有哪些？它们之间的相互关系是什么？如果条件允许可以试一试。 学生分析后回答。 教师点评。（开放式回答，合理即可） 2、系统的基本特性 结合课本内容，说明系统的5个基本特性。 ①整体性 整体性是系统最基本的特性，也是观察和分析系统最基本的思想和方法。 具有相对独立功能的系统要素以及各要素之间的相互关联，根据系统功能依存性和逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。系统的构成要素和要素的机能、要素的相互联系和作用要服从于系统整体的目的和功能，在整体功能的基础上展开各要素及相互之间的活动，这种活动的总和形成了系统整体的有机行为。任何一个要素不能离开整体去研究，要素间的联系和作用也不能脱离整体的协调去考虑。 不能离开整体去分析系统中的任何一个组成部分。 系统的任何一个要素（部分）发生变化或出现故障时，都会影响其他要素（部分）或整体功能的发挥。 展示飞机图片，说明一架C919飞机总共有几百万个零件，这些零件都不可能独立实现飞行的功能，但正是这些“不会独立飞行”的零件按照一定的结构进行组合后，就构成了能把人送上蓝天的庞大的飞机，从而实现了飞机的飞行功能。 提问：在“组装和测试按压式延时水龙头”技术体验中，如果测试时发现按压式延时水龙头复位时间较短，且在复位状态下还是会有水流出，你认为是什么原因造成的？ 学生思考后回答。 教师点评并总结。 参考答案：这种情况的发生一般是由于弹簧的弹力变弱及密封圈老化造成的。 提问：如何理解“系统的整体不等于各孤立要素之和”这句话？ 学生思考后回答。 教师点评并总结。 参考答案：从按压式延时水龙头的各要素在孤立状态下无法完成延时自动关闭水流能够看出，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的，它不是各个要素的简单相加。如果按压式延时水龙头系统中的各要素不是有序组合，也无法起到延时关闭水流的作用。 ②相关性 相关性是指组成系统的各要素之间或系统整体与部分之间的相互作用、相互联系。 结合中国古代建筑结构图片说明相关性的体现。（当柱与柱之间的梁的跨度增大时，则梁的厚度要相应地加大，否则就不足以承受设计所要求的荷载，梁的跨度与梁的厚度之间的关系就反映了这一系统内部要素与要素之间的相关性。） 播放视频，欣赏抬梁式结构。 提问：整体性和相关性的区别？ 学生思考后回答。 教师点评后总结。（整体性：体现了部分与整体之间的关系。相关性：体现了部分与部分之间的关系。） ③目的性 任何系统都服务于某种目的，都要实现一定的功能，这也正是区别不同系统的标志。 系统的目的一般通过更具体的目标来体现。（例如按压式延时水龙头通过弹簧使阀芯复位，实现了水龙头打开和“延时关闭”的目的。） 设计和分析一个系统时，必须事先弄清其目的，否则就无法构成一个良好、有序的现实系统。当系统存在多个目标时，要从整体协调的角度出发寻求平衡，以获得整体上的最佳效果。 展示电风扇和电暖扇图片，学生分析后回答。 展示课本83页“马上行动”，学生思考后回答。 教师点评学生答案。 ④动态性 教师：“太阳每天都是新的”，这说明任何事物都是不断变化的。 系统都是动态的，处在运动变化和发展之中。 结合图片说明系统的动态性。（例如，一般情况下，任何机械传动系统的零件之间都会有磨损，为了保持系统的性能，必须定期给零件添加润滑剂或更换零件。又如，电力系统运行中，由于用电负荷时刻都在发生着变化，所以，发电厂的发电功率也需要不断地进行调整来适应这种变化。又如，台风移动过程中也在不断变化……） 教师：运用系统的动态观点，不仅有助于我们了解系统的现状，而且能跟踪系统的变化和发展，从而掌握系统的发展规律，预测系统的未来。 展示课本84页第一个“马上行动”，学生思考后回答。 教师点评学生答案。 参考答案：开放式回答，合理即可。 第1问，生活中运用系统的动态性思想对事物发展进行预测并取得成效的事例很多，例如，农民对植物病虫害的预防和治理，工业控制系统中的前馈控制方式等，都是跟踪系统的发展变化，及时作出响应。前馈控制本教材不做要求，但在第四单元中，建议教师可将前馈控制的思想介绍给学生，拓展他们的知识面。 第2问，台式计算机的CPU上安装的小风扇，是给CPU散热用的。当计算机处于开机状态，主机的温度会升高。小风扇的转速时快时慢，是因为在CPU下方有一个温度传感装置，当温度高时控制小风扇的转速加快，当温度低时控制小风扇的转速变慢，从而达到动态控制CPU温度的目的。 第3问，静止是相对的，绝对静止的系统是不存在的。任何控制系统都在不断与外界进行着物质和能量的交换，只是有的系统与外界的物质、能量交换表现得不那么明显而已。例如，一块石头看起来是静止的，但却处于缓慢的风化中，短时间内表现不明显，时间长了，其表现就很明显。 提问：按压式延时水龙头使用时间长了，弹簧就会老化，弹性变弱，使得延时时间发生变化。可以采用哪些方法来应对这种变化？ 学生思考后回答。 参考答案：拧紧压盖螺钉或更换弹簧，或者更换水龙头。 ⑤环境适应性 一个系统与其所处的环境之间通常都有物质、能量和信息的交换，外界环境的变化会引起系统特性的改变，并相应地引起系统功能和系统内各部分相互关系的变化。 系统只有具有对环境的适应能力，才能保持和恢复系统原有的特性。 结合图片说明月球探测机器人的环境适应性。 展示图片，说明爬山虎、迎客松等植物的环境适应性。 展示课本84页第二个“马上行动”，学生思考后回答。 教师点评学生的答案。 参考答案： 教师：系统必须适应外部环境的变化。只有能够适应外部环境的变化并保持最优适应状态的系统，才能发挥自身作用，实现可持续的发展，否则系统是没有生命力的。 提问：“任何系统都是有边界的，这种边界的确定又是相对的”，怎样理解这句话？ 学生思考后回答。 教师点评学生的答案。 参考答案：开放式回答，合理即可。 系统的边界，既是区分系统与其环境之间的一定界限，又是系统与其环境相互作用的重要中介环节。只有在系统与其环境不断相互作用的条件下，系统才可能形成其一定的自组织演化过程，进而调整其结构，发挥其功能，因此，系统的便捷也突出地体现着系统的复杂性，以及系统与环境间关系的复杂性。 边界的确定在人们的认识过程中，往往在宏观上是相对确定的，而在微观上是相对不确定的，这既体现着构成系统边界的机制的复杂性，又造成了人们认识系统边界的困难。系统能够在一定时空范围内输入什么，输出什么，关键取决于系统与其外界环境之间在不同调整、控制范围内各自在调整、控制能力等方面的对比关系，这种渗透在物质、能量与信息交互作用过程中不断变化着的对比关系，实际上决定着系统的整体调控作用范围的一定限度的变化，即决定着系统边界的变化。而系统边界及其变化，则真实地标志着上述两者作用范围的相对界限及其变化，成为上述两者相互作用过程的直接中介环节。 由于系统整体处于不断调控变化过程之中，其环境也处于不断调控变化过程之中，它们之间的关系必然具有复杂的相互作用机制，这一切正是导致人们对于系统边界认识的模糊性或相对不确定性的内在原因。 三、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。 四、拓展延伸 钱学森与系统论 关于系统科学，钱学森先生曾明确指出，系统科学是从事物的整体与部分、全局与局部以及层次关系的角度来研究客观世界的。 在钱学森建立的系统科学体系中，处在工程技术或应用技术层次上的是系统工程，和其他工程技术不同，它是组织管理技术；处在技术科学层次上直接为系统工程提供理论方法的有运筹学、控制论、信息论等；处在基础科学层次上属于基础理论的便是系统学。 关于系统论，钱学森曾明确指出，我们所提倡的系统论，既不是整体论，也非还原论，而是整体论与还原论的辩证统一。钱学森关于系统论的这个思想后来发展成为他的综合集成思想。根据这个思想，钱学森又提出了将还原论方法与整体论方法辩证统一起来的系统论方法。 钱学森（1911年12月11日—2009年10月31日）浙江杭州人。1929年至1934年在上海交通大学机械工程系学习，毕业后报考清华大学留美公费生，录取后在杭州笕桥飞机场实习。1935年至1936年在美国麻省理工学院航空工程系学习，获硕士学位。1936年至1939年在美国加州理工学院航空系学习，获博士学位。1939年至1943年任美国加州理工学院航空系研究员。1943年至1945年任美国加州理工学院航空系助理教授（1940年至1945年为四川成都航空研究所通信研究员）。1945年至1946年任美国加州理工学院航空系副教授。1946年至1949年任美国麻省理工学院航空系副教授、空气动力学教授。1949年至1955年任美国加州理工学院喷气推进中心主任、教授。 1955年自美国回国后，任中国科学院学部委员，力学研究所所长、研究员，国防部第五研究院副院长、院长。1959年8月加入中国共产党。1965年至1970年任第七机械工业部副部长。1994年为中国工程院院士。中国系统工程学会、中国力学学会、中国宇航学会名誉理事长。1991年10月16日，被中华人民共和国国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英雄模范奖章。 2009年10月31日在北京逝世，享年98岁。 著有《工程控制论》、《论系统工程》、《星际航行概论》等。 五、练习提升 1.如图所示，这是某小区的一款人脸识别门禁系统。该系统主要由人脸识别仪、控制芯片、电动机、三辊闸、散热风扇、电源等部分构成。当人脸识别仪检测到人脸信号时，控制芯片将当前人脸信息与数据库中的人脸信息进行比较，如果为小区人员就控制电动机运作，带动三辊闸转动，人可通过。下列关于该门禁控制系统的说法不正确的是（ ） A．摄像头的清晰程度属于该系统优化的影响因素 B．设计该系统时，先考虑电源，再考虑人脸识别仪精度，体现了系统分析的整体性原则 C．该系统在长时间使用后，三辊闸会松动，体现了系统的动态性 D．天变黑时，人脸识别仪用闪光灯补充亮度，体现了系统的环境适应性% 答案：B 2.工业锅炉压力控制示意图如下图所示，重锤挂在横杆上，杆的支点在最左端，中间是锅炉的排气孔。关于该压力控制系统下列说法中不正确的是（ ） A.横杆出现弯曲变形会影响压力控制的精度，体现了系统的整体性 B．为了实现对压力精确的控制，重锤在横杆上的位置需要经过计算分析，体现了系统分析的科学性原则 C．优化时先考虑横杆的硬度，再考虑气塞的形状，体现了系统分析的整体性原则 D．横杆的变形程度需要定期检修，体现系统的动态性 答案：C 3.俗话说“三个臭皮匠赛过一个诸葛亮”，俗话还说“一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃”。两种看似相互矛盾的说法却隐含着深奥的系统思想。请用系统的基本特性来谈谈自己的看法。 答案：系统具有整体性的特征，构成要素之间的相互联系和作用要服从于系统整体的目的和功能。“三个臭皮匠赛过一个诸葛亮”“两个和尚抬水吃”，说明构成要素之间相互联系和作用服从了系统整体的目的和功能，实现了系统的有机行为“1+1>2”的功能。“三个和尚没水吃”，说明构成要素之间相互连线和作用没有服从系统整体的目的和功能。 4.党的二十大报告指出，我们坚持绿水青山就是金山银山的理念，坚持山水林田湖草沙一体化保护和系统治理，全方位、全地域、全过程加强生态环境保护，生态文明制度体系更加健全。请结合自己所在地区生态环境保护和系统治理的情况谈谈对这段话的理解。 答案：开放式回答，合理即可。 设计意图：检测学生对本节知识的掌握情况。 板书设计 3.1 系统及其特性 一、认识系统及其构成 系统的定义：要素，部分。 构成系统的必要条件 大系统和子系统 二、辨析系统的基本特性 整体性 相关性 目的性 动态性 环境适应性 教学反思 本节课内容不多，但是理解难度较大。通过技术体验和技术试验，学生可以有效地接收本节知识点。 在教学组织上，本课采用“活动—知识”的理念，并结合相应的案例，及时引导学生进行总结和梳理。但是，案例和问题的数量较多，一定程度上容易让学生的关注点不集中。 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$