3.2系統(tǒng)分析教案-高中通用技術(shù)粵科版必修技術(shù)與設(shè)計2

通用技術(shù)必修技術(shù)與設(shè)計2第三章系統(tǒng)及其設(shè)計第二節(jié)系統(tǒng)分析教學(xué)背景黨的二十大報告指出，“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略”。通用技術(shù)是一門與科學(xué)技術(shù)息息相關(guān)的學(xué)科?；仡櫲祟惖陌l(fā)展歷程，從石器時代、青銅時代、蒸汽機時代直到當今的信息時代，技術(shù)進步改變著人類的生活和生產(chǎn)方式。我們的生活、工作、生產(chǎn)處處都要用到技術(shù)，例如我們手中拿的圓珠筆和鋼筆就是多次技術(shù)改造的結(jié)果，使我們足不出戶就可以了解世界的電視機也是技術(shù)發(fā)明的成果。認識技術(shù)、善用技術(shù)，已成為現(xiàn)代人必須具備的素質(zhì)。教學(xué)目標：理解系統(tǒng)分析的基本方法，知道系統(tǒng)分析的主要步驟，理解系統(tǒng)分析的一般原則。學(xué)會運用系統(tǒng)分析的基本方法分析和解決問題。能通過調(diào)查和參與等方式，體驗分析、解決技術(shù)問題的愉悅感。經(jīng)歷將基礎(chǔ)知識應(yīng)用于技術(shù)實踐和創(chuàng)新的過程，同學(xué)們會養(yǎng)成實事求是、精益求精的習(xí)慣，能運用規(guī)范的技術(shù)語言和設(shè)計制作方法去解決一些實際的技術(shù)問題。教材分析這節(jié)課內(nèi)容主要為系統(tǒng)分析的基本方法，其中“系統(tǒng)分析的基本方法”是這一節(jié)的重點和難點，是將書本知識與實際應(yīng)用相連接的一個重要途徑，使學(xué)生能夠運用系統(tǒng)的思想和方法處理與研究問題。學(xué)情分析:經(jīng)過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生對系統(tǒng)的含義和特性有了基本認識，對具體系統(tǒng)實例已有所了解，對事物也有了一定的判斷能力。但他們對系統(tǒng)方法的運用并不了解，在日常生活中還不會有意識地用系統(tǒng)的方法去分析問題、解決問題。教學(xué)重難點:重點:理解、掌握系統(tǒng)分析的基本方法。難點:能開始運用系統(tǒng)分析的基本方法去分析和解決實際問題。教學(xué)策略:本節(jié)課教學(xué)主要由教師通過實物圖片和多媒體手段設(shè)置學(xué)習(xí)情境，并加以引導(dǎo)，讓學(xué)生在過程中自主探究、自主建構(gòu)設(shè)計原則知識并形成能力。教學(xué)準備:展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。教學(xué)過程:情景導(dǎo)入:老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)通用技術(shù)必修技術(shù)與設(shè)計2第三章系統(tǒng)及其設(shè)計第二節(jié)系統(tǒng)分析。德國大教學(xué)家高斯上小學(xué)的時候，老師在課堂上出了一道數(shù)學(xué)題:求1+2+3+4+……+100=?老師寫完后不久，高斯就算出了答案:5050。為什么高斯能這么快就算出答案呢?教室里的小朋友們拿起石板開始計算：“1加2等于3,3加3等于6,6加4等于10……”一些小朋友加到一個數(shù)后就擦掉石板上的結(jié)果，再加下去，數(shù)越來越大，很不好算。有些孩子的小臉兒漲紅了，有些孩子的手心、額上滲出了汗來。還不到半個小時，小高斯就拿起了他的石板走上前去：“老師，答案是不是這樣？”老師頭也不抬，揮著那肥厚的手，說：“去，回去再算!錯了。”他想，小孩子們不可能這么快就算出答案了?？墒歉咚箙s站著不動，把石板伸到老師面前：“老師!我想這個答案是對的?！睌?shù)學(xué)老師本來想怒吼起來，可是一看石板上整整齊齊寫了這樣的數(shù)：5050。他驚奇起來，因為他自己曾經(jīng)算過，得到的數(shù)就是5050，這個8歲的小孩子怎么這樣快就算出了得數(shù)呢？高斯就向老師解釋說：“如果把從1到100這100個數(shù)首尾相加，1+100=101,2+99=101,3+98=101……這樣，每兩個數(shù)的和都是101，100個數(shù)兩兩相加，就會有50個結(jié)果，而每個結(jié)果都是101，那么50個101加起來就等于5050。”高斯解題的方法體現(xiàn)了整體性、綜合性、最優(yōu)化的特點。導(dǎo)學(xué)思考高斯為什么能快地算出答案?一、系統(tǒng)的思想方法通過前面的學(xué)習(xí)，大家知道掌握系統(tǒng)的特性可以幫助我們?nèi)?、深入地認識事物，從而提高分析、處理問題的能力和工作效率。系統(tǒng)的特性構(gòu)成了系統(tǒng)的基本思想。案例丁謂修復(fù)皇宮宋朝真宗年間，京城失火，皇宮被燒成廢墟。火災(zāi)后，真宗皇帝命丁謂主持皇宮修復(fù)工程。丁謂首先下令在皇宮前大街挖溝取土燒磚，沒幾天大街就成了一條寬大的水渠。接著，他又下令將汴水引入水渠，用竹筏和船把建筑材料運至宮門。京皇宮修復(fù)完畢，水渠排水后，又把瓦礫灰土填入其中，復(fù)為大街。丁謂修皇宮的方案不僅節(jié)省了大量資金和勞力，而且大大加快了工程進度。丁謂修皇宮是我國古代運用系統(tǒng)思想和方法的著名范例。立即行動丁謂修復(fù)皇宮方案有哪些優(yōu)點?為什么說他運用了系統(tǒng)的思想方法?我們在學(xué)習(xí)中，常常會運用系統(tǒng)的思想方法，請舉出13個例子，并說明思考、分析、解決問題的過程。知識窗系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展系統(tǒng)科學(xué)是以系統(tǒng)為研究和應(yīng)用對象的一門科學(xué)。古代人們就在哲學(xué)、科學(xué)、軍事、工程、天文歷法等領(lǐng)城中廣泛進行了系統(tǒng)科學(xué)的實踐。在我國數(shù)千年的文明歷史發(fā)展長河中，可以尋找到許多蘊藏著系統(tǒng)思想的瑰寶，如聞名于世的儒家經(jīng)典《周易》所描述的八卦，春秋末期著名軍事家孫武所著的《孫子兵法》，戰(zhàn)國期間修筑的長城、都江堰，還有成書于在春秋戰(zhàn)國時期的醫(yī)學(xué)典籍《黃常內(nèi)經(jīng)》等，無不閃爍著系統(tǒng)思想的光輝。在古布臘，德謨克利特(Demokritus)最早提出和使用了“系統(tǒng)”一詞。哲學(xué)家、科學(xué)家亞里士多德(Aristotle)提出了“整體大于它的各部分的總和”的觀點。古代的系統(tǒng)思想強調(diào)對自然界整體性、統(tǒng)一性的認識，但由于歷史條件的局限，這種認識仍然是表面的、不完全的。20世紀40年代，生物學(xué)家貝塔朗菲(LudwigVonBertalanffy)創(chuàng)立了一般系統(tǒng)論。一般系論是運用邏輯和數(shù)學(xué)的方法，考察整體和各部分的屬性、功能以及它們之間的相互制約的關(guān)系，并采用最優(yōu)化方法協(xié)調(diào)部分和整體的關(guān)系，求得系統(tǒng)的最住結(jié)果。但一般系統(tǒng)論闡述定量的結(jié)果較少。人們?yōu)榱诉m應(yīng)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大、生產(chǎn)技術(shù)和管理模式日趨復(fù)雜的情況，提出了系統(tǒng)分析和系統(tǒng)工程方法。美國蘭德公司倡導(dǎo)的系統(tǒng)分析方法以大量數(shù)學(xué)分析為手段，在全面考察決策面臨問題的基礎(chǔ)上，提出不同的目標和解決方案，供決策者選擇。美國科學(xué)家霍爾(AD.Hall)的系統(tǒng)工程方法論，提出了三維結(jié)構(gòu)方法體系。三維結(jié)構(gòu)由時間維、邏輯維、知識維組成。時間維表示系統(tǒng)工程實施過程按時間順序安排的工作階段；邏輯維表示運用系統(tǒng)工程方法分析解決問題應(yīng)遵循的一般程序；知識維是指實施系統(tǒng)工程需要綜合運用的各種專業(yè)知識。二、系統(tǒng)分析的基本方法系統(tǒng)分析是系統(tǒng)思想與分析方法的結(jié)合，即把要解決的向題作為一個系統(tǒng)加以詳盡地考察，并采用科學(xué)合理的方法對系統(tǒng)進行綜合分析、試驗和比較，從而提出可行性方案.使系統(tǒng)發(fā)揮整體功能，達到理想的總體目標。系統(tǒng)分析是當今決策分析的核心內(nèi)容。案例城市交通某市是經(jīng)濟發(fā)展較快的城市之一，盡管該市政府在城市交通設(shè)礎(chǔ)設(shè)施方面加大了投入，但隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，人流、物流、車流急劇膨脹，交通供需矛盾加劇。交通擁堵(圖321）日益嚴重，直接影響了市民的正常生活、工作，成為制約該市社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”。為推動經(jīng)濟社會綠色化發(fā)展，該市政府將迅速解決交通擁堵問題、調(diào)整優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)擺上了重要議事日程。該市有關(guān)部門組織專家，為該市交通治“堵”。專家們對該市的交通狀況進行了充分的調(diào)查研究，認為造成該市交通擁堵的原因很復(fù)雜，但突出問題是道路和車、車和人的供需矛盾。主要表現(xiàn)為:1.道路容量滯后，道路通行力低。從2017年到2021年，該市的常住人口由725萬增長到1004.58萬，汽車總量由58萬增長到104.9萬，而道路建設(shè)只從4571km增長到5459km(增長率見圖3－22）。而且城市道路可建設(shè)空間有限，老城區(qū)已經(jīng)基本飽和。加上路網(wǎng)分布、路網(wǎng)結(jié)合不合理等因素，造成道路通行能力低下，交通供需矛盾凸顯。2.公共交通相對滯后，交通方式結(jié)構(gòu)不合理。公共交通是該市市民出行的一種重要交通工具。但該市公共交通發(fā)展緩慢，公共交通承擔(dān)的出行率低。Z017年擁有營運公共汽車9424輛，公交車占機動車的比例僅為052%（圖3一23）。尤其是染乏容量大、速度快的公共交通，而小型客車、私人小客車卻大幅度增加。大量小運量的機動車占用了城市交通的道路資源，對于本來已不順暢的路面交通更是雪上加霜。針對該市交通狀況，借鑒國內(nèi)外發(fā)達城市交通管理的經(jīng)驗，專家們開出了治理交通擁堵的“處方”:進一步落實“公交優(yōu)先”發(fā)展戰(zhàn)略，優(yōu)化公共交通結(jié)構(gòu)，減少個體出行，從而提高城市客運系統(tǒng)的道路容量。針對改善公共交通結(jié)構(gòu)，提出三個方案:方案一:加大公共汽車投入，增開公交專用道。方案二:修建地鐵。方案三:建設(shè)快速公交系統(tǒng)（BRT）。實踐你認為優(yōu)先采用哪一種方案比較適合該市實際?并說說你的依據(jù)，通過生活實踐、走訪有關(guān)交通部門、查閱相關(guān)資等，了解三種方案的利弊，結(jié)合該市交通狀況，加以綜合分析、比較，從而做出判斷?？蓮囊韵路矫婵紤]三種方案的利弊:1.乘客的需求:費用、便捷性。2.對城市環(huán)境影響:噪聲、廢氣排放等。3.社會、經(jīng)濟條件的約束:資金、建設(shè)周期等。4.其他:運載量、運營速度、準點率、能耗、受路面干擾（車輛、行人）程度等。知識窗快速公交系統(tǒng)快速公交系統(tǒng)（BusRapidTransit），簡稱BRT，是一種介于快速軌道交通與常規(guī)公交之間的新型公共客運系統(tǒng)，其投資及運營成本比軌道交通低，而運營效果接近于軌道交通。它是利用現(xiàn)代化公交技術(shù)配合智能運輸和運營管理，開辟公交專用道和建造新式公交車站，實現(xiàn)軌道交通式運營服務(wù)，達到輕軌服務(wù)水準的一種獨特的城市客運系統(tǒng)。1974年，巴西庫里奇巴（Curitiba）市建成世界上第一條快速公交線。之后，世界上許多城市仿效它的經(jīng)驗，開發(fā)改良了不同類型的快速公交系統(tǒng)。昆明是我國最早開通BRT的城市，之后，北京、鄭州、杭州、廣州等地也陸續(xù)建成BRT系統(tǒng)。在深入調(diào)查研究、廣泛征集意見、充分論證的基礎(chǔ)上，該市市交委醞釀出改善城市交通狀況的決策思路，將傳統(tǒng)公交退出長距離的運營模式，遠程運輸讓給地鐵、中速公交來完成，從而減少地面長距離運輸，緩解交通擁堵。某市在治理城市交通擁堵問題的決策過程中，運用了系統(tǒng)分析的方法。系統(tǒng)分析所研究的對象各種各行，不可能套用一種不變的模式，但是都有基本的步驟和原則。系統(tǒng)分析的基本方法一般包括幾個步驟，如圖327所示。闡明問題確定目標明確分析對象的性質(zhì)和范圍，分析系統(tǒng)運行的約束條件，確定系統(tǒng)要達到的總體目標。分析研究制訂方案分析系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境（包括制約條件）的關(guān)系、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及相互關(guān)系、子系統(tǒng)目標與總體目標的關(guān)系。提出可行性方案。評價比較確定最住方案對系統(tǒng)性能指標、運行效果等進行分析和評價，比較各方案，選擇最佳方案。系統(tǒng)分析一般遵循內(nèi)部組成與外部條件相結(jié)合，局部與整體相結(jié)合、當前目標與長遠目標相結(jié)合、定性分析與定量分析相結(jié)合的原則。分析前面關(guān)于城市交通問題的討論，是怎樣體現(xiàn)系統(tǒng)分析的基本原則的?表35系統(tǒng)分析的基本原則分析問題系統(tǒng)分析的基本原則為什么公共汽車便宜、便捷，但不一定是優(yōu)化公共交通結(jié)構(gòu)的首選?（從公共交通與城市交通的關(guān)系考慮）系統(tǒng)局部與整體相結(jié)合為什么公共交通專用道造價比較低廉，該市還要考慮采用其他交通方式?（考慮增開公交專用道的制約條件）系統(tǒng)內(nèi)部組成與外部環(huán)境相結(jié)合為什么地鐵造價昂貴，許多大城市還加快地鐵建設(shè)?（考慮地鐵建設(shè)對加快城市化進程的意義）當前目標與長遠目標相結(jié)合如果專家們不掌握充分的資料數(shù)據(jù)，能找出該市交通擁堵的癥結(jié)嗎?定性分析與定量分析相結(jié)合拓展與應(yīng)用為了使決策依據(jù)更科學(xué)可靠，系統(tǒng)分析往往會借助數(shù)學(xué)工具，對可行性方案進行綜合分析、全面評價和優(yōu)化。運籌學(xué)是從系統(tǒng)總體角度尋求系統(tǒng)最優(yōu)解的數(shù)學(xué)工具，動態(tài)規(guī)劃則是運籌學(xué)的一個重要分支，是解決多階段決策問題的一種數(shù)學(xué)方法。一項決策往往需要經(jīng)過多階段的決策過程，動態(tài)規(guī)劃就是把多階段過程轉(zhuǎn)化為系列單階段問題，利用各階段之間的關(guān)系，逐個求解，依次判斷，從而組成一個決策序列。它廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)、企業(yè)管理、科研項目的決策過程。案例從A城運送一批貨物到Z城，兩城之間有多個站點，各站點之間有公路相連，連線上的數(shù)宇表示距離(圖32)。如果用枚舉法找出一條最短的路徑，計算量會很大。若我們使用階段決策的方法，就可以比較簡單、快速地選擇出最住的運輸路徑。這個例子中我們是分階段一步一步地依次進行評判，其實就是運用了運籌學(xué)中動態(tài)規(guī)劃的方法。利用這種方法，我們就可以輕而易舉地解決圖3－28中多站點運輸路線選擇的問題了。討論、思考、形成小論文。每位同學(xué)組織一篇小作文，可以從不同的方面進行展開。完成后，與同學(xué)們進行討論、分享。課后作業(yè)1.我國古書上記載了一則這樣的故事:臨河的寺廟崩塌，門口的一對花崗巖石獅子墜落到河中。幾年后僧人重修廟宇，求河工打撈石獅了。這是一條沙底河，河工在寺廟附近的河段內(nèi)努力搜尋卻找不到石獅子。你覺得河工應(yīng)該繼續(xù)在附近找尋，還是往河的上游或是沿河往下游搜尋呢?(1)系統(tǒng)的組成部分，由石獅了、沙和流水組成的一個流體力學(xué)系統(tǒng)。(2)系統(tǒng)組成部分的特點:沙“輕浮”（密度較小），石獅子“堅實”（密度較大）。故事的結(jié)果是河工在離寺廟幾百米的上游河段找到這對石獅子。你能說明其中的道理嗎?2.冬季的某天上午8時30分，14名攝影愛好者乘坐一架小型民航客機飛往北方的一個城市。飛行15min后，飛機的通信設(shè)備突然出現(xiàn)故障，導(dǎo)致飛機與地面失去聯(lián)系。此時駕駛員發(fā)現(xiàn)已經(jīng)迷航，但無法返航，只好降低高度繼續(xù)向北飛行。直到燃料將盡，機組人員只好決定迫降。駕駛員選擇前方一個帶狀小湖作為迫降點，他說著陸地的正北方約30km處有一個小村莊。飛機在已結(jié)成冰的湖面上硬著陸，冰層破裂，正、副駕駛員當場不幸身亡。14名乘客中只有2人臉部和手上皮膚被劃破，其余12人毫發(fā)無損。他們