3.2 系统分析与设计（教学课件）通用技术苏教版2019必修2

3.2 系统分析与设计 苏教版（2019）必修《技术与设计2》 高中通用技术 目录 一 学习目标 二 课堂导入 三 技术探究 四 课堂小结 五 拓展延伸 六 课堂练习 学习目标 一 通过案例分析和讨论，说出系统分析的一般过程，归纳系统分析的基本方法。 经历简单系统的设计过程，概述系统设计应考虑的主要问题及一般步骤。 二 课堂导入 在解决了水龙头没关或漏水而造成的浪费问题后，大家认为由于学校所处城市雨水很多，可在学校屋面和校园硬化地面及塑胶操场等处做集雨面，对雨水进行收集、净化处理，以满足校园绿化、公共卫生方面的用水需求，以期达到节约用水的目的。 三 技术探究 探究系统分析的一般过程和基本方法 任务一 三 技术探究 设计方案 系统 要素 环境 资源 管理… 目标 三 技术探究 在现实生活中，我们每个人都会面临各种各样的选择和决策。 经验决策 科学决策 系统分析就是一种科学决策的方法。 三 技术探究 定义：这种为了发挥系统的功能，实现系统的目标，运用科学的方法对系统加以周详的考察、分析、比较、试验，并在此基础上拟订一套有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案的过程，就是系统分析。 系统分析 特点：是整体地而不是零星地处理问题，考虑各种主要变化因素及其相互的影响，全面地思考和解决问题。 借助于系统分析，可以正确地提出整体目标，恰当地选择方案，科学地确定行动的方略。 三 技术探究 系统分析的一般过程 系统分析的出发点是为了发挥系统的整体功能，目的是寻求解决问题的最佳决策，而生产和生活中的一些问题，往往存在着许多相互关联的因素和一些不确定的因素，所以最佳决策只是在若干方案中寻求的相对令人满意的方案。 明确问题设立目标 收集资料制定方案 分析计算评价比较 检验核实做出决策 三 技术探究 明确问题设立目标 收集资料制定方案 分析计算评价比较 检验核实做出决策 明确所分析的系统及其结构，确定所要研究问题的性质和范围，提出所要达到的目标，明确约束条件。 收集相关资料，制订解决问题的各种备选方案，进行多目标的权衡与分析，并明确技术实践路线。 对系统进行整体分析，对各子系统进行分析，对系统进行建模与推演，将各种方案进行评价对比。 通过实证对方案的实施效果做出评判。如果对方案不够满意，还可按上述程序进行反复，直到获得满意的方案为止。 三 技术探究 系统分析方法——建模 系统分析方法是指把要解决的问题作为一个系统，对系统各要素及其之间的相互关系进行综合分析，找出解决问题的可行方案。 用建模的形式对系统进行分析和研究的方法是系统科学的基本方法。 建模的基础是找到不同事物或现象之间的相似性，这种相似性包括外形相似、结构相似、行为相似、功能相似或逻辑关系相似等。复杂系统的分析和研究尤其重视模型方法。 三 技术探究 系统分析方法——建模 模型可以说是现实系统的抽象与合理简化，利用模型可以用较少的时间和费用对实际系统进行研究和试验，并且可以进行反复演示和研究，因此更易于洞察系统的行为，但是在运用该模型时必须考虑这种简化对现实系统的影响。 它是现实系统的抽象或模仿； 它是由那些与所分析问题有关的要素构成的； 它表明了有关要素间的相互关系。 模型的特征 数学模型 框图模型 三 技术探究 系统分析方法——建模 数学模型 用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型，称为数学模型。 数学模型是系统分析中经常用到的一种工具，人们将现实世界中的原型抽象概括成数学语言，运用已有数学方法分析求解，得出结论。 数学模型突出事物的主要因素，舍弃事物的次要因素，便于抓住事物的本质进行分析研究。 三 技术探究 简易雨水收集与利用系统中储水装置的设计 雨水储存装置设计得过大或过小都会造成浪费，所以其容量大小的设计需要先建立合适的数学模型，再依据当地的年平均降雨量来进行估算。 储水装置数学建模： 1.计算年雨水收集量（屋顶面积180m2）。 当地年平均降雨量为1000 mm，假设每年每平方米可收集975kg水，以屋顶面积180m2计，每年的雨水收集量是975kg/m2×180 m2=175.5 t。 2.储水装置最小容量的计算。 设计要求：储水装置要能满足按年平均降雨量连续3天降雨的情况下，收集雨水的储水量。每年按365天计算，每天的雨水收集量是175.5t÷365≈0.48t。 3天的雨水收集量是3×0.48t=1.44t，换算成容积即为1.44m3。 所以这个储水装置的容量最小需要达到1.44m3。 3.储水装置的尺寸设计。 若在地面建长1.2m、宽0.8m的长方体水池，那么高度就是=1.5m，满足最小容量1.44m3。 若建横截面积为0.8 m2的圆柱形水罐，其长度就是=1.8 m，满足最小容量1.44m3。 三 技术探究 简易雨水收集与利用系统中储水装置的设计 思考： 1. 如果从用水量的大小来对储水装置进行设计，应该如何建立数学模型？ 2. 从结构受力的角度来分析，你认为这个装置是设计成圆柱体好还是长方体好？请说说你的理由。 1.（1）计算教学楼的最高日用水量；分解《建筑给水排水设计规范》（2009版），教学楼的个人最高日用水量为每人每天20~40L，取最高值40L，教学楼以6个班级每班40人计算，则最高日用水量40L×40×6 ÷1000m3=9.6m3。（2）储水装置最小容量的计算：要求储水装置的出水量能够满足最高日用水量，所以这个储水装置容量最小需要达到9.6m3。（3）储水装置的尺寸设计：若在地面建长3m、宽16m的长方体水池，那么高度就是=2m，满足最小容量9.6m3；若建横截面积为3.2m2的圆形储水罐，其长度就是=3m，满足最小容量9.6m3。 2.从结构受力的角度来分析，圆柱形容器的几何特点是轴对称，外观没有形状突变，受力分布均匀，承载液体静态压力的能力较强，所以储水装置设计成圆柱体好。 三 技术探究 去年全国高中阶段毛入学率91.8%，比上年提高0.2个百分点 2024-03-01来源：红星新闻 3月1日，教育部举行新闻发布会，介绍2023年全国教育事业发展基本情况。……据介绍，2023年，全国共有各级各类学校49.83万所，比上年减少2.02万所，下降3.9%；各级各类学历教育在校生2.91亿人，比上年减少151.26万人，下降0.52%；专任教师1891.78万人，比上年增加11.42万人，增长0.6%。 …… 在高中阶段，2023年，高中阶段毛入学率91.8%，比上年提高0.2个百分点。 全国共有普通高中学校1.54万所，比上年增加355所；招生967.8万人，比上年增加20.26万人，增长2.14%；在校生2803.63万人，比上年增加89.75万人，增长3.31%。 普通高中专任教师221.48万人，比上年增加8.16万人；生师比12.66:1，持续改善。专任教师学历合格率99.2%，比上年增长0.17个百分点；专任教师中研究生学历比例14.01%，比上年增长0.93个百分点。 …… 三 技术探究 系统分析方法——建模 框图模型 用一个个封闭的小框图代表系统的各个要素或子系统，在框图内或框图边注明要素或子系统的名称，按照系统的结构模式把它们排列安置于适当位置，用无向线段或有向线段把这些小框图连接起来，以表示系统的基本结构框架，再用无向线段或有向线段表示系统与环境的联系，这样形成的图形就叫系统的框图模型。 最简单的系统框图模型是输入—输出模型，也叫系统的概念模型。 三 技术探究 火力发电站系统框图模型 要使火力发电企业的火力发电系统能够有效运行，就需要建立一个直观的概念模型和系统框图模型对其进行设计分析，如图3-10、3-11所示。 三 技术探究 思考： 1.请对这个火力发电站系统框图模型进行分析，分析该火力发电站系统按功能 来分可以分为哪几个子系统，简述各子系统之间的相互关系。 2. 该火力发电站系统中节能的环节是哪一部分？说说它们是如何实现节能这一目的的。 1.该火力发电站按功能可以分为：燃烧系统、汽水系统、电力系统。燃烧系统将煤炭总蕴含的化学能通过燃烧释放出来，转化为热能；汽水系统利用煤炭燃烧所产生的热能将水加热，产生蒸汽，然后将蒸汽的热能转化为机械能；汽轮机带动发电机发电，将机械能转化为电能。 2.节能环节是“加热器”给回水加热部分。从汽轮机的某些中间级引出部分做过功的蒸汽，用来加热锅炉的给水，减少了排汽在冷凝机中的热损失，使蒸汽的热量得到了充分的利用，提高了整个循环的热效率。 三 技术探究 从校园屋面雨水的收集与利用系统设计要求来看，该系统的输入为雨水，输出对应 的是供水。如果把校园屋面雨水的收集与利用系统当作一个整体来看，可以画出如图 3-12所示的概念模型。 经过分析可知，该校园屋面雨水的收集与利用系统中 的子系统包括屋面雨水收集子系统、雨水净化与储存子系 统、自动补水子系统、溢水子系统、供水子系统等。 请在图3-13中补全该系统的设计分析框图模型，并做 简要的系统设计分析。 自动补水系统 雨水净化与存储子系统 溢水子系统 三 技术探究 系统分析的主要原则 运用系统分析的方法处理具体问题时要遵循整体性原则、科学性原则、综合性原则三个主要原则。 整体性原则 科学性原则 综合性原则 三 技术探究 系统分析的主要原则 系统分析要着眼于系统整体，要先分析整体，再分析部分；先看全局，后看局部；先看全过程，再看某一个阶段；先看长远，再看当前。 整体性原则 三 技术探究 系统分析的主要原则 整体性原则 三 技术探究 讨论：丁谓所采用的方案为什么能一举三得？ 丁谓所采用的方案着眼于整体，将烧砖取土与开渠挖土合二为一，省去了砖与废物的运输，减少了工程量，同时缩短了施工时间，节省了费用。 三 技术探究 赵明给自己家设计制造了一个雨水收集储水罐。为了防止收集到的雨水受到二次污染，他把储水罐设计成全封闭的。可是在实际使用过程中发现，在雨水稀少的季节里，常常会出现无水可用的情况，而在雨水多的季节里，储水罐由于受压过大，有时会被撑裂。 赵明设计的雨水收集储水罐存在什么问题？该如何进行完善？ 赵明设计的雨水收集储水罐只有雨水入口和供水出口，雨水稀少时没法补水，雨水过多时不能溢水。可以在储水罐上安装溢水装置，利用三通将雨水入口与雨水收集子系统和补水子系统连接起来。 三 技术探究 系统分析的主要原则 系统分析一方面要有严格的工作步骤，另一方面应尽可能地运用科学方法和数学工具进行定量分析，使决策的过程和结果更具说服力。 在处理复杂系统的分析与优化问题时，往往需要使用比较复杂的数学工具。 科学性原则 三 技术探究 系统分析的主要原则 系统分析总是为实现系统目标服务的。当系统存在若干个目标时，应将目标排出优先次序，首先实现最优先的目标，然后尽可能在不损害第一个目标的前提下完成下一个目标。这就需要综合分析，统筹兼顾，不可顾此失彼，因小失大。 系统分析还需要考虑设计方案出台所带来的后果。 某些情况下，综合若干方案的优点，会取得意外效果。 综合性原则 三 技术探究 三 技术探究 青藏铁路当雄特大桥 青藏铁路当雄特大桥的修建创新了施工工艺，采用了科学环 保的施工方法。当雄县的沼泽湿地地表水丰富，地质条件差，沼 泽深4~7 m。特大桥墩396根，总桩基长11354 m，钻孔桩施工难 度大。传统的钻孔桩施工采用现场挖设泥浆池处理泥浆，不仅破 坏草地，而且在钻孔中泥浆到处排放，严重污染沼泽湿地。为此， 建设者们自行研究设计，将泥浆池改进成泥浆钢箱，在封闭的钢 箱里循环利用泥浆进行钻孔，有效地避免了因泥浆排放对沼泽湿 地的污染，解决了钻孔泥浆污染环境的一大难题。 思考：你认为青藏铁路当雄特大桥的设计综合考虑了哪些目标？ 保护生态环境；避开复杂自然环境，降低技术难度；平整路基，保障运输安全。 三 技术探究 在系统分析过程中，整体分析和综合分析有什么不同？可以只做整体分析而不做综合分析吗？ 两种分析考虑的出发点和角度是不一样的。 整体分析考虑的是整体与部分、全局与局部、全程与阶段、长远与当下的关系，体现了系统分析时“总—分—总”的思想。 综合分析考虑的是系统多个目标达成的优先顺序问题、系统输出对环境的影响、多个方案的综合应用优势互补。系统分析过程中两种分析都要做。 三 技术探究 体验简单系统设计的过程 任务二 三 技术探究 在日常生活和生产实践中，我们经常需要设计各种各样的系统。 无论是简单系统的设计，还是复杂系统的设计，都要进行调查分析、筹划研究、评价实施、运行改善等，直到完成一个能协调工作的实际系统，这一过程就是系统的设计。 系统设计是在系统分析的基础上，设计出满足预定目标的系统的过程。它不仅包含对某个系统进行技术设计本身的内容，还要求运用系统的思想和方法对其设计过程进行分析和设计。 三 技术探究 系统设计应考虑的主要问题 系统设计要运用系统的思想综合考虑各部分之间的关联、冲突，注重各部分的横向、纵向联系。依据系统的动态性、环境适应性，既要考虑当前，也要考虑长远。 系统各部分之间的相互联系与相互作用 系统设计要从整体出发，以系统整体功能的最优为目的。 不同行业的系统设计有着不同的技术要求。 系统设计的目的与要求 三 技术探究 为深山中风景秀丽的村庄设计一所希望小学的具体方案， 需要考虑的问题包括：学校建设与自然环境的相互协调问题， 当地电力供应情况与学校的电力使用负荷要求，投资方所能 提供的资金与设计所需投入之间的关系，当地的气候和地质 条件与建设用材料和结构设计之间的关系等。 从系统设计的思路出发，怎样梳理这些关系？ 三 技术探究 系统设计的一般步骤 1 将系统分解为若干子系统 2 确定各子系统的目标、功能 及其相互关系 3 对子系统进行技术设计和评价 4 对系统进行总体技术设计和评价 5 …… 在实际的系统设计中，步骤不是千篇一律的，对于较简单的系统设计，设计的步骤就少一些。 系统设计多用于复杂的社会系统工程、经济系统工程、规划系统工程、生态系统工程、能源系统工程、交通运输系统工程、农业系统工程、工业及企业系统工程、军事系统工程等方面。 三 技术探究 在复杂系统设计中，各子系统的目标确定与系统目标之间的关系是什么？ 系统目标一般通过更具体的目标来实现，在复杂系统设计中，目标可能有多个，每个目标可由一个子系统实现。如为学校设计的雨水收集与利用系统，系统的目的是有效收集楼顶和校园里硬化地面及塑胶跑道的雨水，经过净化，持续给卫生间、洗拖把的池子、绿地和观赏池塘供水，不能因为雨水少而无水可用。其中包含了以下目标：楼顶雨水收集，硬化地面及塑胶跑道的雨水收集，雨水净化，雨水储存，持续给卫生间、洗拖把的池子供水，给绿地供水，给观赏池塘供水，雨水少时储存装置内也要有足够的水，储存装置要安全等。这些目标都可以由相应的子系统实现。 四 课堂小结（思维导图） 系统分析与设计 探究系统分析的一般过程和基本方法 系统分析的概念 系统分析的一般过程 系统分析方法——建模 模型的特征 数学模型 框图模型 系统分析的主要原则 整体性原则 科学性原则 综合性原则 体验简单系统设计的过程 系统设计应考虑的主要问题 系统设计的目的与要求 系统各部分之间的相互联系与相互作用  系统设计的一般步骤 五 拓展延伸 优 选 法 优选法是快速寻找最佳方案的科学方法。具体的优选法有很多，如黄金分割法、分数法、对分法等。这里只介绍黄金分割法，也称“0.618法”。以技术试验为例，先把整个试验范围看作1，然后在整个试验范围的0.618处选点做第一次试验，再在这个点的对称点，也就是倒过来的0.618处选点做第二次试验。比较两次试验的结果，去掉效果差的那个试验点以外的那部分范围；再在余下的包括好点在内的范围内继续采用这种方法，再比较试验结果，这样逐渐缩小试验范围，迅速找到试验目标。例如，要在某种合金钢中加入某元素以提高它的强度，假设试验范围是每吨加入量为1000~2 000g，那么究竟应加入多少？若用一般试验方法，每隔5g试验一次需要做200次，每隔10g试验一次需要做100次。若用“0.618法”，只需做11次就可以找到最佳加入量了。 六 课堂练习 1.如图所示的希罗自动门，祭坛点火使容器1中的空气膨胀，将水压入容器2，利用水的重力使轴3转动，将门打开。当火熄灭时，庙门在重锤的作用下自动关闭。根据描述，以下说法中不正确的是（    ） A．利用气压为动力打开庙门，体现了系统的目的性 B．重锤质量增加，需相应增加容器2中水的质量， 体现了系统的相关性 C．设计时先考虑容器1，再考虑容器2，体现了系统分析的整体性原则 D．设计时根据开关门所需力的大小，计算出重锤和水的质量，体现了系统分析的 科学性原则 C 六 课堂练习 2.小明设计了如图所示的校园雨水收集与利用系统。下列设计与分析中不恰当的是（    ） A．雨水净化池应安装在易于清运废料的位置 B．各楼层的饮水机用水均需使用自来水 C．可将同楼层所有用水点位的水管统一接在 下行水管上以简化楼层布管 D．可将洗手池产生的废水通过管道汇集至地 面雨水收集池以提升水的利用率 C 六 课堂练习 3.中国载人航天工程系统由航天员系统、飞船应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆系统等七个相对独立又互相联系的子系统组成。其中，载人飞船是整个工程的核心部分。载人飞船由轨道舱、返回舱、推进舱，及两对太阳能电池帆板、返回舱降落伞等部分构成。它为航天员提供必要的生活和工作条件，并为顺利开展空间对地观测和各种实验，保证航天员和有效荷载安全返回地面打下基础，还为交会对接、航天员出舱活动、建设空间站、设置救生艇做准备。 请用框图的方式画出载人飞船系统模型，并简单说明各子系统之间的相互关系。 六 课堂练习 太阳能电池帆板1 返回圆顶环帆降落伞 太阳能电池帆板2 轨道舱 返回舱 推进舱组 电能 宇航员 减速稳定 电能 能源和动力 能源和动力 太阳能电池帆板1提供轨道舱运行所需要的电能；返回舱舱门与轨道舱相连，航天员可通过舱门往返于轨道舱和返回舱；太阳能电池帆板2为推进舱组、飞船在轨飞行和返回舱返回地面提供能源和动力；返回圆顶环帆降落伞在返回舱着陆时起减速和稳定的作用。 谢 谢！ 高中通用技术苏教版（2019）必修2 Lavf61.7.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $