3.3 系统设计的优化与实现（教学设计）通用技术苏教版2019必修2

课题 3.3系统设计的优化与实现 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： 理解系统优化的意义，掌握影响系统优化的因素。 工程思维： 结合案例学习，体悟系统的思想和方法并加以运用，理解约束条件和影响因素。 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.阐明系统优化的意义，理解系统优化的含义。 2.能够准确探究影响系统优化的因素，并提出可靠的解决方案。 3.了解系统设计实现的内容。 4.能够熟练运用系统设计实现的基本方法 难点： 1.能够处理系统设计中的整体与要素的融合关系。 2.能够理解并运用系统分析的思想与方法。 3.能够理解并运用系统和工程思维分析解决问题。 学情分析 本课时是一节在设计基础之上的延伸设计课，旨在设计中发现问题，解决问题，并优化方案。主要内容分为如何优化系统设计的方案和校园雨水收集与利用系统的设计方案如何实现。 学生在在设计过程中，体会优化在系统设计中的意义，把握好系统优化的因素，比如材料、工艺、原理等。同时，系统优化的约束条件和影响因素是本节课的教学重点和难点。 系统设计的实现包括设计方案的呈现和模型的制作测试。本节教材中主要引入“校园雨水收集与利用”的系统设计项目，引导学生历经系统设计实现的全过程，理解系统设计的基本方法，增强系统分析的思维与意识。 课前准备 教学硬件环境：多媒体教室 教学资源：教学课件。矿泉水瓶若干、三通配件若干、热熔胶棒、背景板一块、试验用水、胶管5m、水槽一个。电热丝加工工具、热熔胶枪、剪刀、三角锉。 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，说明已经有了多个比较成熟的设计方案，现在需要对系统的设计方案进行优化。 教师：系统设计的实现是在系统设计分析的基础上，对所提出的多个方案进行比较、权衡和优化，最终形成满足预定目标的最佳系统及其物化的过程。 引出系统优化的概念。 二、新知探究 任务一 优化系统设计的方案 教师：我们做任何事情都希望达到最优的效果，如希望以最小的成本获得最大的利润，在最短的工期内完成最多的工程量，以最少的能耗生产最多的产品，在单位面积上尽可能提高农业产量等。 展示农业间作套种相关图片，如“麦、棉、瓜”“麦、棉、菜”“麦、瓜、棉、玉米”等多种套种模式。 展示“稻田蟹”视频。 提问：问什么采用农业间作套种？ 学生思考后回答。 教师点评。（开放式回答，合理即可） 1、系统优化 系统优化——在给定的条件（或约束条件）下，根据系统的优化目标，采取一定的手段和方法，使系统的目标值达到最大化（或最小化）。 结合农业间作套种图片说明“目标函数”、“约束条件”、“影响因素”的定义。 目标函数：系统优化的目的与影响系统优化的相关因素之间的关系。如农业间作套种优化的目标是增产增收和提高土地利用率，这一目标与土地的单位面积农作物收益总和之间的关系。 约束条件：对系统的目标函数有影响且不能人为调节的。如农作物的生长特性、天气、气候等因素对农作物套种起着限制作用。 影响因素：对系统的目标函数产生显著影响，并且可以人为调节的因素。。套种的技术水平、套种的田间管理、病虫害防治等对套种的产量产值有直接影响，这些是增产增收的。 展示图片并结合课本97页“案例分析——利润问题”说明目标函数的应用。 2、最优解和满意解 教师：通过案例分析我们可以发现通过计算，可以得到一个结果，这是一个最好的结果，但有时目标函数不能像案例中那样确切得出，这时如何处理？ 展示并说明“最优解”、“满意解”的概念。 最优解：通常，我们通过优化的目标与决策变量之间的关系（数学模型），计算出目标值，所得到的就是最优解。 满意解：对有些问题，如果我们不能确切地描述目标函数，则可以通过定性的估计或推断，得到较为满意的解（也称满意解）。 最优化方法：为使系统达到最优的目标而提出的求解方法称为最优化方法。 教师：系统优化的方法是多样的，有的运用数学模型求解，有的通过科学的估算、试验等方法实现。但无论运用怎样的优化方法，都需要经过若干次完善和验证，才能得出最优解或满意解。 教师：接下来我们以课本98页“马上行动”部分对校园雨水水的收集与利用系统的三个方案进行优化。 展示课本98页“马上行动”内容。 提出问题，学生讨论后填写表格并回答问题。 教师点评并总结。 参考答案： 1. 2.（开放式回答，合理即可） 教师：有人说：“系统的优化，不能简单地把各方案中的优点集中在一个方案中，这样做往往会适得其反。”如何理解这句话？ 学生思考后回答。 教师点评并总结。 参考答案： 要服务于系统整体功能和优化目标来进行优化系统的设计方案，要对各方案中的优点进行比较权衡，要考虑目标函数、决策变量、约束条件的共同作用效果，达到系统优化的总目标。 二、新知探究 任务二 实现校园雨水收集与利用系统的设计方案 教师：一般情况下，系统设计的实现应包括设计方案的呈现和模型或原型的制作与测试。 教师：模型或原型的制作与测试包括实物模型的设计，加工图纸、加工材料和工艺的选择，加工制作过程及模型的最终呈现等，对模型的测试是对系统进行总体技术设计评价。 教师：评价有多种形式，对于实体系统设计而言，就需要对模型或原型进行实际运行测试和评价。我们先一起来欣赏一个设计案例，分析这个系统设计的效果如何。 展示视频“室内家装水电施工图”。 展示课本101页“案例分析——室内住宅电气系统的设计”。 提出问题，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.根据《住宅建筑规范》50368—2005第8.5.5强制性条文“住宅套内的电源插座与照明，应分路配电……”把照明和插座作为同一回路进行设计，首先违反了技术规范原则。其次《住宅建筑规范》规定插座回路必须安装漏电保护断路器。在安装了漏电保护断路器后，插座和照明使用同一回路，如果干线截面积能够带动所有的负荷，只是故障时的停电范围较大，给检修带来一些不方便；如果干线截面积不能带动所有的负荷，当负荷过大时，漏电保护断路器工作，照明与插座回路同时断电。 2.以房间为一个独立回路进行设计，回路少，布线简单，经济，出现故障时容易检修。但是这种做法违反了技术规范原则，而且每个回路的负荷不同，需要使用不同规格的导线，每个回路的漏电保护断路器的额定电流由该回路最大负荷决定，如果房间照明线路发生断路，漏电保护断路器可能无法发挥作用，产生危险。 展示课本103页“马上行动———设计制作校园雨水收集与利用系统模型”，学生阅读后分小组实际制作模型并模拟雨水收集试验，并根据测试结果进行优化调整。（条件不足的也可选一组学生上前演示操作） 提出问题：如何对洗拖把用水进行收集和利用？ 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： 可以将洗手池与地面雨水净化储存装置连接，洗手池的水汇入地面雨水净化储存装置，加以利用。 提出问题：“要达到系统的优化目标，系统的各子系统的目标必须达到最优”，这一说法正确吗？ 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： 这种说法不正确。在一个系统中，即使每个要素都不是十分完善，但它们也可以协调、综合称为具有良好功能的行；反之，即使每个要素都是良好的，但作为整体却不具备某种良好的功能，就不能称之为最优的系统。 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 美国阿拉斯加原油运输问题 美国阿拉斯加盛产石油，所生产的原油需要向美国本土运送。由于阿拉斯加地处北极圈内，问题就变得复杂了。 本项目的任务和环境：要求每天运送原油200万桶。油田处于北极圈内，海湾长年处于冰封状态，陆地也是长年冰冻，最低温度达-50℃。为了解决气候原因带来的问题，研究团队提出了四个解决方案。 方案一：由海路用运油船运输。优点是每天仅需4~5艘超级油轮就可满足运送量。的需要，比铺设油管省钱。但存在以下问题：（1）要用破冰船引航，需要增加费用，同时还有安全问题。因为油轮触及冰山或被冰块撞击可能导致沉船，或原油泄漏造成环境污染。（2）起点和终点都要建造大型油库，这又额外增加了一笔巨大开支，而且为了保证供应，并考虑到海运容易受海上风暴的影响，油库的储量应在油田日产量的十倍以上。 方案二：用带加温设施的油管运送原油。优点是可以利用成熟的管道输油技术。管道输油已广泛应用于世界其他地区。然而，由于北极圈内常年低温，存在的问题如下：（1）要在沿途设加热站，这样一来管理复杂，又要供给燃料。（2）加热后的输油管不能简单地铺在冻土里，因为冻土受热融化后会引起管道变形，甚至造成断裂。为避免这种危险，有一半管道需要用底架支撑，这样架设管道的成本比铺地下油管的成本高出三倍。 方案三：把海水浓缩到含盐量为10% ~20%后加入原油中，从而降低原油低温下的黏性，这样就可以用普通的输油设备完成运输工作。 方案四：将天然气转换为甲醇后再加到原油中，增加其流动性，从而可以用普通管道同时输送原油和天然气，运输成本大大降低。 五、练习提升 1.某设计师从蜘蛛的形态中汲取灵感，设计了如图所示的蜘蛛椅，针对该椅子的设计，下列说法中合理的是（ ） A．该设计师在构思时采用了形态分析法 B．椅面的大小，主要考虑物的因素 C．坐垫采用高回弹海绵，主要考虑环境的因素 D．相比于传统椅子，设计师主要进行了外观优化 答案：D 2.一种不合格产品自动筛选系统如图所示，包含产品传输子系统和产品筛选子系统。其工作过程：电机2转动带动传送带运动，把传送带上的产品往右带动。当传感器检测到不合格品时，电机1带动推杆往外运动，把不合格品推出传送带，让传送带上只留下合格品。下列关于不合格产品自动筛选系统的设计与分析不恰当的是（ ） A.选择推杆时，既要考虑电机1的位置又要考虑传送带的宽度 B．控制器的运行效率会影响产品识别的准确率 C．提高传送带传送速度有利于推杆精准推下不合格产品 D．传感器的可靠性对产品传输子系统没有影响 答案：C 3.如图所示具有高频压实功能的热固性复合材料3D打印系统，由整体安装架、压实机构、可调喷头等组成，包含送料控制子系统、温度控制子系统和压实控制子系统等。其工作过程为：缠绕在放料机构上的纤维丝束经重送对辊提供的驱动力进入可调喷头，由喷头内部的加热装置加热至设定温度后从喷头挤出，在冷却前通过压实机构的高频直线往复运动压实定型，同时随动紫外光源照射预固化，提高3D打印过程中热固性复合材料的压实率。下列关于3D打印系统的分析中正确的是（ ） A．该系统由整体安装架、压实机构、可调喷头等组成，体现系统的相关性 B．外围控制模块通过大量的计算，实现3D打印头高频压实功能，体现系统分析的科学性原则 C．该系统优化的目标是提高3D打印过程中热固性复合材料的压实率 D．热固性复合材料的熔点是该系统优化的影响因素 答案：C 4.如图所示是一款基于单片机的可调速控制按摩椅，利用单片机接收步进脉冲信号控制步进电机的转速和加速度，从而控制震动的快慢和幅度，以实现调速的目的。通过按键，用户可以让按摩机工作在最具舒适性的按摩工作方式和振动速度；利用蜂鸣器来告警或提示按摩完成；利用发光二极管显示当前的工作状态。关于该按摩椅的设计分析，下列说法中不合理的是（ ） A．设计按摩椅时，应先针对按摩模式、舒适性、人机交互等进行总体设计，再分别进行硬件和软件设计 B．单片机接收脉冲信号控制步进电机的转速和加速度，体现了系统的环境适应性 C．设计时根据脉冲信号频率准确匹配步进电机转动加速度，体现了系统分析的科学性原则 D．步进电机的精度和耐高温性能是影响系统优化的因素 答案：C 设计意图：检测学生对本节知识的掌握情况。 板书设计 3.3 系统设计的优化与实现 一、优化系统设计的方案 系统优化：目标函数、约束条件、影响因素 最优解 满意解 最优化方法 二、实现校园雨水收集与利用系统的设计方案 设计方案的呈现 教学反思 本节课是一节实践和理论相结合的综合课，在引导学生理解系统设计的优化相关概念后，结合案例思考如何具体实现系统设计的优化，最后通过实际操作让学生切实体会如何实现系统设计的优化。如果只是单纯地讲授理论，那就只是一节讲授枯燥的技术理论课，理论和实际结合有效地让学生掌握了本课时教学内容。 同时，这节课对于师生的要求比较高，学生的习得性和差异性比较大，导致课后学生学习效果参差不一，可以引导学生进行持续性研究，让学生持续不断地学习，以达成真正掌握知识的目标。 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $