第四單元控制及其設計-控制系統(tǒng)的設計與實施-高一

《通用技術》必修二（蘇教版）教案課題控制及其設計-控制系統(tǒng)的設計與實施課型班課課時1學習目標知識與理解學生能夠理解控制系統(tǒng)的基本要素，包括控制目的、被控對象、被控量和控制量等，并能夠識別和分析實際控制系統(tǒng)中的這些要素。學生能夠理解開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別，并能夠根據(jù)控制要求選擇合適的控制策略。學生能夠分析控制系統(tǒng)中的干擾因素，并理解如何減少或消除這些干擾對系統(tǒng)性能的影響。能力目標學生能夠設計簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，并說明其工作原理和實現(xiàn)方法。學生能夠根據(jù)設計要求選擇適當?shù)目刂破?、檢測器和執(zhí)行器等設備，并能夠繪制控制系統(tǒng)方框圖和實物連接圖。學生能夠搭建并測試所設計的控制系統(tǒng)，調(diào)整參數(shù)以滿足控制要求，并能夠分析和解決測試中出現(xiàn)的問題。情感目標培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力，通過控制系統(tǒng)的設計與實施，激發(fā)學生對技術實踐的興趣和熱情。培養(yǎng)學生的環(huán)保意識和社會責任感，通過雨水收集池水位控制系統(tǒng)的設計與制作，讓學生認識到節(jié)約資源和保護環(huán)境的重要性。培養(yǎng)學生的團隊合作精神和溝通能力，通過小組合作完成項目設計，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作和溝通交流能力。具體教學目標在任務一中，學生能夠明確控制系統(tǒng)的設計要素，并能夠運用所學知識分析設計開環(huán)控制系統(tǒng)（如運動會會旗自動升旗控制裝置）。在任務二中，學生能夠設計并實施一個閉環(huán)控制系統(tǒng)（如雨水收集池水位控制系統(tǒng)），通過搭建模型、測試系統(tǒng)、調(diào)整參數(shù)等步驟，達到控制要求。通過項目實踐，學生能夠將理論知識與實際應用相結合，提高分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力。同時，能夠樹立節(jié)約資源和保護環(huán)境的意識，培養(yǎng)社會責任感和使命感。學習重難點任務一：探究控制系統(tǒng)的設計要素學習重點：掌握控制系統(tǒng)的基本概念和組成部分，明確控制系統(tǒng)的設計目標和被控對象。理解被控對象特性分析的重要性，學習如何根據(jù)被控對象的輸入輸出關系確定控制器運算方式。學會區(qū)分和確定被控量和控制量，理解它們在控制系統(tǒng)中的作用。分析控制系統(tǒng)中的干擾因素，了解開環(huán)控制和閉環(huán)控制的基本原理及其應用場景。學習如何選擇合適的設備和元件進行控制系統(tǒng)設計，考慮經(jīng)濟性和可實現(xiàn)性。學習難點：理解控制系統(tǒng)設計的復雜性，如何平衡控制精度、成本和環(huán)境影響之間的關系。掌握開環(huán)控制和閉環(huán)控制的設計方法，理解它們在實現(xiàn)不同控制要求時的差異。學習如何根據(jù)被控對象的特性選擇合適的控制器運算方式，以及如何通過實驗和調(diào)試優(yōu)化控制系統(tǒng)性能。任務二：設計與實施雨水收集池水位控制系統(tǒng)學習重點：理解雨水收集池水位控制系統(tǒng)的實際需求，明確設計目標和功能要求。掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本原理和設計方法，學習如何設計穩(wěn)定、精確且抗干擾性能好的控制系統(tǒng)。學習如何選擇合適的傳感器、執(zhí)行器等設備和元件，搭建雨水收集池水位控制系統(tǒng)。學習如何編寫控制系統(tǒng)設計說明書，繪制必要的設計圖紙和實施圖紙。學習難點：理解閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度和抗干擾性能要求，并能在設計中體現(xiàn)這些要求。學習如何根據(jù)實際情況調(diào)整和優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)良好的控制效果。理解和掌握系統(tǒng)搭建過程中的實際操作技能和安全規(guī)范，確保實驗過程的順利進行和人員安全。在系統(tǒng)設計中體現(xiàn)全面節(jié)約和資源循環(huán)利用的理念，提升系統(tǒng)的社會和環(huán)境價值。教學方法一、探究式教學任務一：探究控制系統(tǒng)的設計要素提出問題：通過案例分析和生活實例，引導學生認識到控制系統(tǒng)的重要性及其應用場景，從而提出問題：“如何設計一個控制系統(tǒng)？”理論引導：介紹控制系統(tǒng)的基本概念、設計要素和步驟，明確開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點。小組討論：學生分組討論控制系統(tǒng)的設計要素，每組選擇一個案例（如電風扇、會旗自動升旗控制裝置）進行詳細分析，并設計初步的控制方案。展示交流：每組選代表上臺展示其設計方案，其他同學進行點評，教師總結點評。技術體驗：通過運動會會旗自動升旗控制裝置的設計與實施，讓學生親自動手實踐，體驗控制系統(tǒng)設計的全過程。任務二：設計與實施雨水收集池水位控制系統(tǒng)需求分析：引導學生分析雨水收集池水位控制系統(tǒng)的實際需求和功能要求。方案設計：指導學生根據(jù)需求，選擇合適的傳感器、執(zhí)行器和控制器，設計水位報警和水位控制系統(tǒng)的方案。模擬實踐：利用仿真軟件或簡易實驗裝置進行模擬實踐，驗證設計方案的有效性。制作與測試：學生動手制作控制系統(tǒng)，并進行測試，記錄測試數(shù)據(jù)，分析測試結果。反思總結：學生根據(jù)測試結果反思設計方案，提出改進意見，并總結控制系統(tǒng)設計與實施的經(jīng)驗教訓。二、項目式學習將整個控制系統(tǒng)設計與實施的教學內(nèi)容分解為若干個項目任務，每個任務對應一個具體的控制系統(tǒng)設計或實施案例。學生以項目小組的形式進行合作，通過完成項目任務來掌握控制系統(tǒng)的設計與實施技能。三、案例教學法選擇具有代表性的控制系統(tǒng)案例（如電風扇控制系統(tǒng)、自動門控制系統(tǒng)、智能家居控制系統(tǒng)等），通過分析案例的設計思路、實現(xiàn)方法和應用效果，引導學生深入理解控制系統(tǒng)的設計要素和實施步驟。四、啟發(fā)式教學在教學過程中，采用啟發(fā)式教學方法，通過提問、引導、點撥等方式激發(fā)學生的思維活動，培養(yǎng)學生的獨立思考和解決問題的能力。同時，鼓勵學生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而提高學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。課前準備課前準備：一、任務一探究控制系統(tǒng)設計要素資料準備：收集關于控制系統(tǒng)設計的基礎知識和原理，包括開環(huán)和閉環(huán)控制的概念、特點及應用。準備控制系統(tǒng)設計的案例分析，如電風扇控制系統(tǒng)、恒溫箱控制系統(tǒng)等，以便在課堂上與學生分享和討論。準備控制系統(tǒng)設計流程圖、設計要素表等輔助材料，幫助學生明確設計思路。教學工具：投影儀和演示文稿，用于展示控制系統(tǒng)設計的理論知識和案例。黑板或白板，用于實時記錄和解釋控制系統(tǒng)的設計過程。學生任務：要求學生預習控制系統(tǒng)設計的基礎知識，并思考在實際生活中可能遇到的控制系統(tǒng)設計問題。分組討論控制系統(tǒng)設計的關鍵要素，并嘗試分析電風扇控制系統(tǒng)的設計思路。二、任務二設計與實施雨水收集池水位控制系統(tǒng)材料準備：準備雨水收集池和水位控制相關的教學模型或仿真軟件，以便在課堂上進行演示。準備水位傳感器、電磁繼電器、潛水泵、電源等實物器材，供學生搭建實物模型時使用。列出所需材料和工具的清單，確保每個學生或小組都能獲得所需材料。教學工具：投影儀和演示文稿，用于展示雨水收集池水位控制系統(tǒng)的設計要求和實施過程。實物模型或仿真軟件，用于演示控制系統(tǒng)的工作原理和效果。黑板或白板，用于解釋控制系統(tǒng)的設計原理和方案選擇。學生任務：要求學生預習雨水收集池水位控制系統(tǒng)的設計要求，并思考如何選擇合適的控制方案。分組討論控制系統(tǒng)的設計方案，包括報警系統(tǒng)和水位控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法。引導學生思考如何在保證控制精度的同時，降低控制成本并減少對環(huán)境的影響。實踐環(huán)節(jié)：指導學生根據(jù)設計方案，搭建雨水收集池水位控制系統(tǒng)的實物模型。引導學生進行系統(tǒng)測試和調(diào)試，確保系統(tǒng)能夠正常工作并達到設計要求。要求學生撰寫測試報告，總結系統(tǒng)設計和實施過程中的經(jīng)驗和教訓。三、思考拓展引導學生思考雨水收集池水位控制系統(tǒng)的意義和價值，特別是在實施全面節(jié)約戰(zhàn)略和推進資源節(jié)約集約利用方面的作用。鼓勵學生思考如何用一個傳感器實現(xiàn)高水位開始抽水、低水位停止抽水的控制目的，提高學生的創(chuàng)新能力和問題解決能力。教學媒體教學媒體準備一、任務一探究控制系統(tǒng)設計要素PPT演示文稿：詳細介紹控制系統(tǒng)的設計要素，包括控制目的、被控對象、被控量、控制量、主要干擾因素等。使用流程圖、示意圖等形式展示控制系統(tǒng)設計的基本步驟和關鍵點。舉例說明開環(huán)控制與閉環(huán)控制的區(qū)別和適用場景。教學視頻：展示實際控制系統(tǒng)的工作原理和運行過程，如電風扇控制系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)等。提供真實案例，幫助學生理解控制系統(tǒng)設計的實際應用?；榆浖蚱脚_：利用在線仿真軟件，讓學生模擬設計控制系統(tǒng)，并測試其性能。提供在線交流平臺，允許學生之間討論設計思路和方案。實物模型：準備簡單的控制系統(tǒng)模型，如水位控制系統(tǒng)模型、溫度控制系統(tǒng)模型等，供學生觀察和操作。二、任務二設計與實施雨水收集池水位控制系統(tǒng)PPT演示文稿：詳細描述雨水收集池水位控制系統(tǒng)的設計要求和目標。展示報警系統(tǒng)和水位控制系統(tǒng)的方框圖，解釋各部分的功能和工作原理。討論如何通過合理的設計減少資源浪費，實現(xiàn)資源的節(jié)約集約利用。實物展示：展示用于制作控制系統(tǒng)的材料清單和實物樣品，如水位傳感器、電磁繼電器、潛水泵等。展示控制系統(tǒng)搭建好的實物模型，并演示其工作原理。教學視頻：錄制控制系統(tǒng)搭建和調(diào)試的過程，供學生參考學習。提供實際項目中控制系統(tǒng)應用的案例視頻，讓學生了解其在現(xiàn)實生活中的重要作用。在線仿真軟件：利用在線仿真軟件，讓學生模擬設計雨水收集池水位控制系統(tǒng)，并測試其性能。允許學生調(diào)整參數(shù)、優(yōu)化設計方案，并觀察其對系統(tǒng)性能的影響。實踐操作工具：提供必要的工具和設備，如螺絲刀、焊臺、萬用表等，供學生在課堂上進行實踐操作。討論與反思：引導學生討論項目實施過程中的問題和挑戰(zhàn)，以及如何通過改進設計來優(yōu)化系統(tǒng)性能。反思項目對資源節(jié)約和環(huán)境保護的意義和價值，培養(yǎng)學生的環(huán)保意識和責任感。

教學過程教學環(huán)節(jié)教師活動設計學生活動設計設計意圖活動一：創(chuàng)設情境生成問題展示一段關于水資源短缺和水資源循環(huán)利用的視頻，引發(fā)學生對雨水收集利用的思考。導入控制系統(tǒng)設計的概念，并舉例說明控制系統(tǒng)在現(xiàn)實生活中的應用，如電梯控制、智能家居等。提出任務一：讓學生思考控制系統(tǒng)設計的要素，并引導學生提出在設計和實施雨水收集池水位控制系統(tǒng)時可能會遇到的問題。觀看視頻，思考水資源循環(huán)利用的重要性。討論控制系統(tǒng)設計的必要性，提出自己對控制系統(tǒng)設計的初步理解。頭腦風暴，列出設計和實施雨水收集池水位控制系統(tǒng)時可能遇到的困難和問題。通過視頻引入，激發(fā)學生的學習興趣，同時引導學生認識到控制系統(tǒng)的設計在現(xiàn)實生活中的重要性，為后續(xù)學習奠定基礎。活動二：調(diào)動思維探究新知詳細介紹控制系統(tǒng)的設計要素，包括目的、對象、特性、被控量和控制量、干擾因素等。通過案例（如電風扇控制系統(tǒng)）講解開環(huán)控制系統(tǒng)的設計思路和步驟。引導學生分析運動會會旗自動升旗控制裝置的設計過程，體會開環(huán)控制系統(tǒng)的設計方法。跟隨教師講解，理解控制系統(tǒng)的設計要素，并嘗試將其應用于實際案例中。分組討論運動會會旗自動升旗控制裝置的設計過程，并提出自己的改進意見。畫出簡易的開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖，并嘗試描述其工作原理。通過案例分析和實際操作，讓學生掌握控制系統(tǒng)的設計要素和開環(huán)控制系統(tǒng)的設計方法，為后續(xù)設計雨水收集池水位控制系統(tǒng)打下基礎?；顒尤赫{(diào)動思維探究新知介紹閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計要求和特點，以及與開環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別。引導學生分析雨水收集池水位控制系統(tǒng)的設計需求，包括報警功能和水位控制功能。講解閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計思路和方法，并給出雨水收集池水位控制系統(tǒng)的設計方案。跟隨教師講解，理解閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計要求和特點。分析雨水收集池水位控制系統(tǒng)的設計需求，并嘗試提出自己的設計方案。分組討論并完善設計方案，畫出系統(tǒng)的方框圖和控制電路圖。通過分析和設計雨水收集池水位控制系統(tǒng)，讓學生進一步掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計思路和方法，同時培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和團隊合作精神。活動四：鞏固練習素質提升提供實踐材料清單和搭建指導，讓學生按照設計方案制作和測試雨水收集池水位控制系統(tǒng)。在學生制作和測試過程中給予指導和幫助，解決學生遇到的問題。組織學生進行成果展示和交流，評價學生的作品并給出改進意見。根據(jù)設計方案準備材料，并按照指導搭建控制系統(tǒng)。測試控制系統(tǒng)是否達到設計要求，并調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)性能。展示作品并進行交流，聽取他人的評價和建議，進一步完善自己的作品。通過實踐操作和成果展示，讓學生鞏固所學知識，提升動手能力和創(chuàng)新能力，同時培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作和溝通能力。課堂小結作業(yè)布置課堂小結今天我們主要探討了控制系統(tǒng)的設計與實施，首先了解了控制系統(tǒng)的基本設計要素，包括控制目標、被控對象、被控量和控制量的確定，以及外界干擾因素的分析等。接著，我們深入學習了開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計原理與特點，并通過技術體驗活動，模擬了運動會會旗自動升旗控制裝置的設計過程，了解了不同方案的特點及實現(xiàn)方式。在任務二中，我們聚焦于雨水收集池水位控制系統(tǒng)的設計與實施，學習了如何通過開環(huán)和閉環(huán)控制相結合的方式，實現(xiàn)水位報警和水位控制的功能。通過繪制方框圖和實物連接圖，我們理解了控制系統(tǒng)的工作原理，并思考了如何通過資源節(jié)約和循環(huán)利用的理念，提升該項目的意義和價值。通過本節(jié)課的學習，我們掌握了控制系統(tǒng)設計的基本步驟和方法，提升了對控制技術應用的理解和運用能力。希望同學們能在后續(xù)的學習中，進一步深化對控制系統(tǒng)知識的理解和掌握，為后續(xù)課程的學習和實際應用打下堅實基礎。作業(yè)布置思考題回答：結合課堂內(nèi)容，分析并回答運動會會旗自動升旗控制裝置四種方案的特點及最容易實現(xiàn)的方案。對于雨水收集池水位控制系統(tǒng)，討論如何用一個傳感器實現(xiàn)高水位開始抽水、低水位停止抽水的控制目的，并給出設計方案。設計報告撰寫：設計一個基于開環(huán)控制的家庭溫度控制系統(tǒng)，包括控制目標、被控對象、被控量和控制量的確定，以及控制方案的設計。撰寫一份設計報告，內(nèi)容包括系統(tǒng)設計方案、所需材料和設備清單、系統(tǒng)工作原理圖（方框圖或流程圖）等。實踐探究：利用身邊的材料或工具，嘗試搭建一個簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)（如電風扇風速控制系統(tǒng)），并進行測試和調(diào)試，記錄測試過程和結果。提交一份實踐報告，包括系統(tǒng)搭建過程、測試方法、測試結果分析和改進建議等。通過作業(yè)的實踐和探究，希望同學們能夠鞏固課堂所學知識，提升動手能力和解決問題的能力。板書設計板書設計控制系統(tǒng)設計與實施一、控制系統(tǒng)的設計要素目的：明確系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標。對象：被控制的對象是什么。特性：被控對象的特性分析。被控量與控制量：確定控制關鍵點。干擾因素：分析并確定主要干擾。設計方案：根據(jù)目的、可行性、經(jīng)濟性選擇。設備與元件選擇：基于需求和條件進行選擇?？刂祁愋停洪_環(huán)/閉環(huán)的選擇依據(jù)。設計圖紙與說明書：包含控制電路、系統(tǒng)結構等。二、開環(huán)控制系統(tǒng)設計示例電風扇控制系統(tǒng)設計會旗自動升旗控制裝置設計三、設計與實施雨水收集池水位控制系統(tǒng)1.報警系統(tǒng)水位傳感器檢測電磁繼電器控制報警2.水位控制系統(tǒng)潛水泵抽水閉環(huán)控制實現(xiàn)水位調(diào)控四、技術體驗意義與價值：響應節(jié)約戰(zhàn)略，實現(xiàn)資源循環(huán)利用。設計挑戰(zhàn)：一個傳感器實現(xiàn)高低水位控制。課堂小結本節(jié)課我們探討了控制系統(tǒng)的設計要素，并通過具體案例（如電風扇、會旗升旗、雨水收集池水位控制）詳細解析了開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計與實施。我們了解到，控制系統(tǒng)的設計需要考慮多個要素，如控制目的、被控對象特性、被控量和控制量的確定、干擾因素的分析等。通過合理的選擇和搭配控制設備和元件，我們能夠設計出經(jīng)濟、易于實現(xiàn)且高效穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。作業(yè)布置書面作業(yè)：描述一個你感興趣的控制系統(tǒng)（可以是家用設備、公共設施或工業(yè)系統(tǒng)），并分析其設計要素（目的、對象、特性、被控量與控制量、干擾因素等）。提出一種改進或優(yōu)化該控制系統(tǒng)的方案，并說明理由。實踐作業(yè)：假設你是設計師，設計并制作一個簡單的控制系統(tǒng)模型（如簡易溫控風扇、水位自動調(diào)節(jié)裝置等）。要求包括：設計圖紙、材料清單、搭建步驟、測試報告。思考并討論如何在一個系統(tǒng)中利用一個傳感器實現(xiàn)高低水位控制的功能。附加思考題：聯(lián)系黨的二十大報告，談談你所設計的控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)資源節(jié)約和循環(huán)利用。思考在未來社會中，控制系統(tǒng)技術如何助力可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護。教學反思本次教學內(nèi)容主要圍繞控制系統(tǒng)的設計與實施展開，旨在通過任務一探究控制系統(tǒng)的設計要素，任務二設計與實施雨水收集池水位控制系統(tǒng)，使學生掌握控制系統(tǒng)設計的基本流程和實踐能力。一、教學內(nèi)容回顧在任務一中，我們深入探討了控制系統(tǒng)設計的要素，包括明確控制目的、被控對象、被控量與控制量、干擾因素、設計方案的選擇、設備與元件的選取等。這一過程中，我特別注意引導學生理解控制系統(tǒng)設計的系統(tǒng)性和綜合性，讓學生明白設計一個控制系統(tǒng)需要全方位考慮各種因素。在任務二中，我們結合雨水收集池水位控制系統(tǒng)的設計與實施，將理論知識應用于實踐。通過設計報警系統(tǒng)和水位控制系統(tǒng)，學生不僅加深了對開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)原理的理解，還提