3.2 系统分析与设计（教学设计）通用技术苏教版2019必修2

课题 3.2系统分析与设计 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： 1.理解系统分析在生活中的重要性，清楚系统分析的一般过程。 2.体悟系统设计需要考虑的因素及一般步骤。 工程思维： 能够从实际出发，分析系统的整体及其结构，运用好建模的方法，形成良好的系统分析习惯和思维。 创新设计： 基于现实场景，通过信息收集、分析等准备，提出符合设计要求的抽水器。 教学重难点 重点： 1.掌握系统分析的一般过程及方法。 2.理解系统分析的基本原则。 3.了解系统设计应该考虑的因素或问题。 4.知道系统设计的一般步骤。 难点： 1.理解系统分析基本原则的整体性与综合性的联系与区别。。 2.能够处理系统设计中的整体与要素的融合关系。 3.能够理解并运用系统分析的思想与方法。 学情分析 本节课主要向学生介绍“系统分析的过程和方法”和“系统设计的一般过程”。系统分析是人类在运用系统方法进行科学决策的一种形式，是系统方法落地的具体形态。虽然，在现实生活中，不一定是对技术进行系统分析，但是系统分析的思想方法是一致的。系统分析是本章节的重点内容，也是本书的重点内容之一。 学生生活中虽然接触了许多系统，但对于系统的分析与设计并不清楚。本课时需要注意结合案例案例引导学生学习如何进行系统分析，系统分析方法建模中特别是建立框图模型是怎样的，随后结合具体案例引导学生经历一般的系统设计过程。 课前准备 教学硬件环境：多媒体教室 教学资源：教学课件。 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，说明在解决了水龙头没关或漏水而造成的浪费问题后，由于学校所处城市雨水很多，可以设计一个雨水收集系统，以达到节约用水的目的，引出设计目标——设计校园雨水收集系统。 二、新知探究 任务一 探究系统分析的一般过程和基本方法 说明系统分析的意义：系统分析是系统设计的重要环节，我们可以把一个复杂的设计项目看成系统工程，通过对系统目标、要素、环境、资源、管理和维护等的分析，可以准确地发现问题，深刻地揭示问题的本质，从而分析并有效地提出解决问题的设计方案。 1、系统分析的概念 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”。 教师：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。决策方法有经验决策和科学决策。 展示图片，说明阴云密布时人们一般会带伞，天气冷时不同人会添加不同厚度的衣服……这些是经验决策。 经验决策是人们惯用的方法，根据过往同样情况下的处理办法，有时可以很便捷地解决问题，有时可能会导致失误。 展示复杂的立交桥图片、公交站点图，说明面对复杂问题时经验决策容易失误，此时采用科学决策。 科学决策则是运用科学的方法进行综合分析和研究，最终解决问题。系统分析就是一种科学决策的方法。 展示并说明系统分析的概念。 系统分析：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。 特点：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。 教师： 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。 2、系统分析的一般过程 教师：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。 结合课本88页图片说明系统分析的一般过程。 3、系统分析方法——建模 教师：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。 教师：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：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。 教师： 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。 说明模型的特征。 教师：技术领域系统分析中较为常用的是系统的数学模型和框图模型等。 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。 教师：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。 教师：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。 结合课本89页“案例分析——简易雨水收集与利用系统中储水装置的设计”，说明数学模型的建立。 案例分析问题提问，学生讨论后回答。 教师点评学生回答并总结。 案例分析参考答案： 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9.6m3/（3m×1.6m）=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9.6m3/3.2m2=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。 展示我国高中毛入学率相关介绍，说明数学模型的应用。 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。 教师：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，如图所示。 教师：它把系统内在的要素与结构简化为一个矩形方框，把环境对系统的作用统称为输入，把系统对环境的作用统称为输出。 教师：从系统运行的角度来看，系统和环境之间是一种刺激和响应关系，输入是环境对系统的刺激，输出是系统对这种刺激做出的响应，描述系统就是在描述这种刺激和响应的关系。外部刺激是条件，响应是系统回应环境的行为对策，人们描述系统所关注的就是条件与对策之间的各种可能的对应关系，即如果外部出现什么情况，系统就回应以相应行动。 课本90页“案例分析——火力发电站系统框图模型”说明。 提问：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。 学生讨论后回答。 教师点评学生答案后总结。 参考答案： 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。 展示课本91页“马上行动”，学生完成补充完整框图模型并回答问题。 参考答案： （开放式回答，合理即可。）要研究的问题是校园楼顶雨水的收集与利用，系统要实现的目标是有效的收集校园屋顶的雨水，经过净化后，能持续给卫生间、洗拖把的池子供水。降雨量、楼顶的面积、每天的用水量是系统设计的约束条件。根据教材89页“案例分析”中从降雨量与用水量两个角度的储水装置数学建模，可知3天收集的雨水量小于最高日用量，要根据最高日用水量设计储水装置容量大小；要实现持续给卫生间、洗拖把的池子供水的目标，需要设计自动补水子系统为储水装置补水；为防止雨量过大、降雨时间过长，导致储水装置由于受压过大被撑裂，需要设计溢水子系统。系统的目标是给卫生间、洗拖把的池子供水，雨水净化与储存子系统只需将收集到的雨水净化成非饮用水即可。给整幢教学楼的卫生间和洗拖把池子水，需要考虑供水系统的水压。 4、系统分析的主要原则 教师：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：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。 展示图片，结合图片说明课本91页“案例分析——丁谓修复皇宫”。 提问：丁谓所采用的方案为什么能一举三得？ 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： 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。 展示课本92页“马上行动”。学生分析后回答。 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： 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。 科学性原则：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。 展示图片说明比较水稻是稻是一年三季划算还是一年两季划算时，有人就提出“是三三得九好，还是二五一十好？”这就是一种朴素的定量分析。 综合性原则：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。 展示图片，说明工业生产既要求产量大，又要求质量好、成本低，如果片面强调一方面就会产生偏差，需要注重产品、质量、成本的平衡。 教师：城市公交系统既要强化公共交通的安全，又要缩短车辆行驶的时间，兼顾社会效益和经济效益。又如，雨水回收和利用系统的设计既要做到雨水的有效回收和利用，又要考虑该系统的投入和运行过程中的效益；既要考虑雨水的收集，又要考虑雨水的净化等。 教师：系统分析还需要考虑设计方案出台所带来的后果。 展示图片说明有的工厂在生产产品的同时，也向周围环境排放出“三废”，造成污染；毁林开荒虽然能收获农产品，但会造成水土流失，贻害很大。 教师：某些情况下，综合若干方案的优点，会取得意外效果。现代医学采用中西医结合的方法攻克了许多疑难杂症。 展示图片说明农业中则综合了地面水库、地下水库、土壤水库、绿色水库（山区大面积造林种草，可以增加土地的蓄水能力）等不同的方案进行保水。 播放视频——青藏铁路介绍。 展示课本93页“案例分析——青藏铁路当雄特大桥”，提问：你认为青藏铁路当雄特大桥的设计综合考虑了哪些目标？ 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： （开放式回答，合理即可。）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。 提问：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？ 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： 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。 二、新知探究 任务二 体验简单系统设计的过程 教师：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。 结合图片说明室内装修设计的效果与要求。 教师：除此以外如假期旅游行程的设计、某连锁店货物配送的设计等。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。 教师：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。 1、系统设计应考虑的主要问题 ①系统设计的目的与要求 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。 ②系统各部分之间的相互联系与相互作用 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。 展示课本94页“马上行动”，提问。 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： （开放式回答，合理即可。）（1）学校建设与自然环境的相互协调问题需要考虑系统设计的目的，进行综合分析，在尽量不破坏自然环境的髹实现学校建设的位置、面积、布局合理的目标。 （2）投资方所能提供的资金与设计所要投入之间的关系也要充分考虑系统设计的目的，进行综合分析，在实现环境保护、学校高质量建设的目标前提下，达成提供资金与设计投入基本平衡的目标。 （3）根据当地电力供应情况与学校的电力使用负荷要求，设计学校的电力系统。在电力供应充足的情况下，综合考虑电力系统的功能，前期投入与后期运营、维护费用、节能环保、技术的发展、投资方提供的资金等诸多因素，设计电力系统，确定用电负荷；在电力供应不充足的情况下，还要考虑太阳能或风力自发电辅助系统的建设。 （4）依据系统的环境适应性，建设用材料和结构设计要适应当地气候与地质条件。建设用材料和结构设计适应当地气候与地质条件、学校建设与自然环境的协调及电力负荷要求，这些需要考虑的要求将影响设计的投入，改变投资方提供的资金与设计所要投入之间的关系。 可将这几方面看作系统设计要实现的目标，首要是学校建设要与自然环境要协调，建设用材料和结构设计要适应当地气候与地质条件，其次是设计投入与提供资金相匹配，还有就是电力负荷要求达标。 2、系统设计的一般步骤” 教师：系统设计的步骤主要包括：将系统分解为若干子系统，确定各子系统的目标、功能及其相互关系，对子系统进行技术设计和评价，对系统进行总体技术设计和评价等。 教师：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。 教师：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。 提问：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？ 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： 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。 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 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。 五、练习提升 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 答案：C 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性 答案：C 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。 答案： 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。 设计意图：检测学生对本节知识的掌握情况。 板书设计 3.2 系统分析与设计 一、探究系统分析的一般过程和基本方法 经验决策 科学决策 系统分析的一般过程 建模：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 二、体验简单系统设计的过程 系统设计应考虑的主要问题 1.系统设计的目的与要求 2.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 教学反思 本课时内容中的案例虽然取自现实生活，但是由于缺少实际体验，学生理解较为困难。其中框图模型学生在课堂中能够有效地补充完整，但对于整体的框图模型如何设计仍然不是很清楚。 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $