第四章 开环、闭环控制系统的工作过程教学设计-2025-2026学年苏教版高中通用技术必修二

《体验开环、闭环控制系统的工作过程》教学设计 ——海龟巢穴“智能守护者” 一、教学基本信息 课题名称：体验开环、闭环控制系统的工作过程——海龟巢穴“智能守护者” 教材版本：苏教版《技术与设计2》必修 授课课时：1课时（40分钟） 授课对象：高中二年级学生 二、教学理念与核心素养 1. 教学理念：以“体验式项目学习”为核心，通过双驱动数字化情境导入，教师演示建立系统认知，学生通过具体的动手任务，聚焦核心概念与应用体验。 2. 核心素养目标： 技术意识：认识开环和闭环控制系统在生产、生活中的应用，理解其基本组成和工作过程。 工程思维：能运用方框图分析开环和闭环控制系统，经历“需求分析→方案设计→物化实施→测试优化”的简化工程流程，理解“反馈”在闭环控制中的核心作用。 创新设计：能在既定控制系统框架下，完成一个闭环控制系统的搭建、测试与优化。 社会担当：理解技术对生态环境保护的责任与价值，树立“科技向善”的责任感与工程伦理意识。 三、教学重难点 重点：开环控制系统和闭环控制系统的基本组成与工作过程。 难点：将实物连接与系统功能逻辑相对应，理解“反馈”在闭环控制系统中的作用，并能辨析开环与闭环控制系统的区别。 4、 教学准备 多媒体材料：课件、学案与任务单、AI数字人“小科”与海洋博士视频。 教师演示系统：包含开发板、温度传感器、土壤湿度传感器、振动传感器、LED二极管、蜂鸣器等组成的完整原型。 学生实验套件（5组）：自动浇水系统套件（包含：土壤湿度传感器、继电器模块、小型水泵、水管、电源模块）。 五、教学过程 （一）情境导入 - 使命召唤 1. AI助手联动发布任务： 教师：“同学们，刚刚老师收到一条来自海洋研究中心的紧急通讯，到底是什么情况呢？我们让AI助手小科帮忙连线一下吧！” 播放“小科”和海洋博士联动视频：发布设计“智能预警系统”的求助任务。 2. 教师承接： “小科”分析：温度、湿度和人祸天敌对海龟的影响 教师明确具体需求：温度超过33℃报警、湿度过低报警、异常振动报警。 教师："今天我们将化身海龟守护者，为它们筑起一道科技防线。" 引出课题：《体验开环、闭环控制系统的工作流程——海龟巢穴“智能守护者”》 （二）系统认知与新知讲解 1． 系统框架分析： 提问引导：“要实现智能报警系统，需要哪些部分协同工作？” 系统框图：传感器（感知）→控制器（大脑判断）→执行器（执行动作） 2． 系统组成的选择与搭建： 传感器：温度传感器、湿度传感器、振动传感器。 控制器：ESP32开发板。 执行器：LED二极管+蜂鸣器。 3． 教师演示（强调技术规范安全） 邀请小助手演示已搭建好的智能预警系统：用吹风机加热温度传感器触发高温报警；将湿度传感器从湿土中拔出触发缺水报警；轻敲振动传感器触发入侵报警。 4． 新知讲解（开环控制系统） 提问：“同学们，当巢穴遭受威胁，蜂鸣器响起、LED灯点亮后，系统会去检查并且排除威胁吗？” 讲解：“是的，这个系统的工作是单向的。一旦条件满足，它就执行报警，任务完成。它的输出量（声光报警）并不会反过来影响或中断系统的控制过程。 我们把这样的系统称为开环控制系统。” 系统框图：输入量→控制器→执行器→被控对象→输出量 （对照演示系统，明确各方框对应的具体部件） 举例：十字路口定时红绿灯、自动旋转的风扇都是开环控制。 5． 聚焦与过渡： 教师：“同学们，我们搭建的智能预警系统成功实现了感应报警，但是，如果每次湿度不够时都要人工去浇水，工作量依然很大。能不能让系统更智能一点，不仅能“告知”险情，还能自动执行补救措施，并且在威胁解除后自动停止呢？ 【设计意图】：利用演示系统，让学生直观理解开环控制的“单向性”和“不管结果”的特点。并从其局限性自然引出对更智能系统——闭环控制的需求。 （3） 实践探究 - 构建闭环控制系统 1. 新知讲解-闭环控制系统 教师：“要实现这个功能，我们的系统就必须能‘知进退’。湿度传感器需要持续地‘监测’土壤，并把最新的湿度情况‘报告’给控制器。控制器则将这个‘实际情况’与‘期望值’进行比较，来决定是继续补水还是停止。” 系统框图： 教师：“这个‘回来报告’的过程，就是‘反馈’。因为有了反馈，信息流动形成了一个圈，所以这种系统被称为闭环控制系统。 接下来，请同学们聚焦于"湿度守护"，动手实践，为海龟巢穴，搭建一个闭环控制的自动补水系统！ 2. 系统搭建与功能验证 核心任务：成功搭建并测试自动补水系统。 强调安全规范：安全用电，保护器材，避免水泵空转。 第一步：硬件连接：学生清点器材，根据任务单上的清晰实物接线图，将湿度传感器、继电器、水泵、电源连接起来。教师巡视指导，强调“按图索骥”。 第二步：功能测试：通电后，将湿度传感器分别插入“干沙盘”和“湿沙盘”，观察水泵的反应，并在任务单上记录现象。 第三步：现象记录：简要记录“当土壤干燥时，水泵启动；当土壤湿润时，水泵停止。” 3. 成果展示与互动 （邀请一个完成速度快、效果好的小组展示） 展示要求：①介绍小组作品；②演示干湿沙土下水泵的不同状态。 4. 原理深化 检测装置（反馈环节）：湿度传感器（持续检测实际湿度并反馈）。 比较器：集成在继电器模块中（将实际湿度与设定值比较）。 【设计意图】：通过亲手搭建和测试，让学生直观感受闭环控制系统的工作过程，深刻理解“反馈”的概念和作用，并与开环系统形成鲜明对比。 （四）总结升华 - 系统辨析与价值内化 1． 系统回顾与辨析： 教师：“同学们，今天我们围绕同一个使命，探究了两种控制系统。” 智能预警系统：信息单向传递，报警后不关心结果，是开环控制系统。 自动补水系统：有反馈，能持续监测结果并自动调整动作，是闭环控制系统。 对比：强调两者核心区别——有无“反馈”通道。反馈是闭环控制的灵魂。 2． 系统延伸与AI融合（从简单自动化到智能决策）： 复杂系统 = 基础模块的组合 传感器 → 物联网 → 云端数据 AI算法 → 预测海龟孵化时间 3． 价值升华： 教师：“技术的力量不在于它有多复杂，而在于我们是否能用它去解决真实世界的问题，当我们带着责任感去运用它时，它就能成为守护生命的温暖力量。希望今天这节课，能在大家心中种下一颗‘科技向善’的种子。” 【设计意图】：将具体的实践体验上升到理论高度，通过对比清晰阐述开环与闭环系统的核心区别与应用场景；同时升华情感，落实核心素养。 （五）课后任务 - 巩固强化 基础任务（必做）：请分别列举一个生活中开环控制系统和闭环控制系统的实例，并简要说明你的判断理由。 挑战任务（选做）：设计一个闭环控制系统来解决一个生活中的小问题，画出其方框图，并标出给定量（输入）、被控量（输出）、控制器、执行器、被控对象和检测装置。 【设计意图】：促进知识迁移，引导学生关注生活，运用工程技术思维解决实际问题。 学科网（北京）股份有限公司 $