控制系统的组成和描述 教学设计

通用技术教学设计年级高二年级教科书版本及章节广东教育出版社广东科技出版社必修二《技术与设计2》第四章课题第二节控制系统的组成和描述课型新授课执教人陈若山教学内容分析“控制系统的组成和描述”是《通用技术》必修2第四章第二节的内容。在本章第一节“了解控制”中，已经讲述了手动控制、自动控制、智能控制、开环控制和闭环控制的基本概念，本节在上一节的基础上进一步分析控制系统的组成和描述，内容主要由两部分构成，第一部分是控制系统的组成，第二部分为控制系统的框图表示。第一部分内容，从学生较为熟悉的控制系统组成分析入手，让学生了解期望值、控制器、执行器、被控对象、被控量、反馈环节等概念，同时认识到用一般的定式描述控制系统的必要性。第二部分内容，是用框图定式描述开环控制系统和闭环控制系统，从而把复杂多样的技术问题变成有章可循的技术问题。为了贯彻大项目、大单元教学的教学理念，本课围绕“通用技术助力疫情防控”这一情境设置了八个教学环节、四个学习任务。第一个教学环节是设置真实情境、引入课题，在激发学生学习兴趣的同时让学生明确要设计的项目内容。在这个教学环节中设置了任务一，让学生讨论传统疫情防控技术的优缺点，并提出改进意见。第二个教学环节设置了一个任务二，学生通过课前预习，在完成任务二的过程中熟悉控制系统的组成和若干相关的概念。第三个教学环节是从具体的控制系统案例分析中，抽象出控制器、执行器等概念，并用这些概念定式描述开环控制系统和闭环控制系统。在此过程中，培养学生的图样表达这一学科核心素养。第四个教学环节是“学以致用”，用定式描述框图描述和分析“体温测量子系统”、“室内温湿度测量子系统”和“室内消毒子系统”。这里设置了一个任务三。考虑到学生的电路知识的局限性，任务三是在课堂上师生共同分析的基础上来完成的。第五个教学环节是课堂小结，及时帮助学生梳理知识，巩固所学。第六个教学环节设置一个拓展任务，让学生利用所学，尝试着设计一个手部消毒控制系统，并用框图表示出来。此过程中，旨在培养学生的创新意识、工程思维能力和图样表达能力。第七个环节是布置作业。通过课后作业进一步优化和完善本组设计，并培养学生的创新意识。第六和第七个环节也为下一节课─“简单控制系统的设计和制作”作了铺垫。最后一个环节是结束寄语。通过观看习近平总书记在第七十五届联合国大会上关于抗击疫情的讲话视频，让学生增强战胜疫情的信心，激发学生爱党、爱国的热情，树立“为中华民族的伟大复兴而读书”、“为人类的解放事业”而奋斗的远大理想。学习者分析通过第一节课的学习，学生理解了控制、控制系统的含义及其在生产、生活中的应用；了解了手动控制、自动控制和智能控制的特点；并初步了解了开环控制和闭环控制及其特点；对于控制在技术生活中的重要性及控制对社会生活的影响有了初步的认识，但是对于控制系统的组成、工作过程和规范、统一的定式描述还缺乏足够的认识和了解。学习目标确定依据课程标准、学业要求和学科核心素养要求，结合本校学情和实际教学条件，设定本节课教学目标如下：（1）技术意识：掌握控制系统的控制器、执行器、控制量、被控对象、被控量、反馈环节等概念。（2）工程思维：结合具体案例，分析开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和工作过程。（3）图样表达：熟悉闭环控制系统的基本组成，能画出简单的闭环控制系统的方框图。（4）创新设计：根据一个技术需求，能设计出一个简单的控制系统的技术方案。（5）物化能力：能根据一个具体的控制系统实例，进行控制操作和剖析其工作过程并画出控制方框图。学习重点难点（1）教学重点：理解期望值、比较器、控制器、执行器、被控对象、被控量、反馈环节等概念。（2）教学难点：对于具体的控制系统，尤其是电路控制系统，很难准确划分出控制器、执行器、比较器、被控对象等环节。教学策略、教学方法设计及课时安排1.教学策略：（1）项目学习策略：设定真实情境下的真实问题，围绕解决这个真实问题进行项目设计，通过学习本节相关知识以及大项目的分析、设计，锻炼和提升学生的技术意识、创新设计和物化能力等核心素养。（2）多任务驱动策略：在解决问题的过程中，将项目设计细分成若干任务，从而降低难度，学生通过完成一个个任务最终完成项目学习的目标。2.教学方法：（1）教法真实情境下项目引领，多任务驱动：通过真实情境下的项目设计展开教学，通过让学生自主学习和分组完成若干任务从而达成教学目标。（2）学法学生通过课前预习并完成“预习单”，初步了解所学内容；课中在分组完成任务和教师的讲评过程中加深对所学内容的理解，并在学生活动中锻炼自己的各方面能力，提高自己的学科素养。3.课时安排：1课时学习评价设计本课采用过程性评价与总结性评价相结合的评价方式。（1）过程性评价在学生活动过程中，以及学生作品展评时，及时对学生的表现和作品进行点评。对学生表现主要从积极因素方面评价，从而不断激发学生的学习热情；对学生的作品要给出客观的评价，这样有利于学生认清自己对知识和技能的掌握情况，帮助学生完善作品。（2）总结性评价教师将总结性评价量表预先发送到UMU学习平台上，供大家总结性评价使用。该表分为三项：自评、互评和教师评价。每节课子项目以及单元项目完成后，学生登录UMU学习平台，根据作品评价量规对自己组的作品及表现赋分，同时也要对其他小组的作品及表现赋分。教师根据各组的表现，给出评价并赋分。课前准备1.分组：把学生按5～6人一组分成若干学习小组，各小组选出一位组长；2.布置预习任务：分发“课前预习单”，让学生结合“课前预习单”预习教材P132-137的内容。3.教师将总结性评价量表预先发送到UMU学习平台上，供大家总结性评价使用。学习活动设计教师活动学生活动一、创设情境，引入新课1.展示图片：自从2020年春节前后新冠疫情爆发以来，我们的党和政府把人民生命安全和身体健康放在第一位，以坚定果敢的勇气和决心，采取最全面最严格最彻底的防控措施，有效阻断病毒的快速传播链条。以上图片展示的场景大家应该不会陌生。我们高中生除了响应国家号召，做好个人防护以外，是否可以应用自己所学习的通用技术知识和技能为疫情防控出把力呢？为此，我们提出“控制技术助力疫情防控”这个项目计划。任务一： 仔细观察上面的图片，每个小组选取一个系统进行讨论并完成学习任务单中任务一的相关内容。2.分组展示学生活动结果师：上一节课我们学习了控制的基本概念，了解了控制的方式和控制类型及其特点，但是要想改进上述的控制系统，我们仅仅掌握这些知识还远远不够，比如：我们还要了解控制系统的组成和控制过程，并能用一定的技术图样将其表达出来。因此，课前我让大家预习了“4.2控制系统的组成和描述”的内容，接下来我们一起来看看大家预习的效果。学生活动1学生参与活动：分组讨论，完成任务一，并将结果填入学习任务单中相应栏中设计意图说明：创设学生身边的真实情境，一方面可以引发学生的学习兴趣，自然而然地引入新课，另一方面，通过引导学生关注社会热点问题，也可以培养学生“技术服务于社会”的意识。二：控制系统的组成教师活动2请学生简述射箭的控制过程，并选择合适的选项完成下图。2.知识配对游戏3.请学生简述骑自行车的控制过程，并选择合适的选项完成下图。4.知识配对游戏（师：对于学生活动及时给予评价和点拨，在学生活动结束后帮助学生从控制系统的具体组成部件中提取出控制器、执行器、被控对象、反馈环节等这些抽象的概念。）学生活动21.学生参与活动2.认真听讲设计意图说明：通过课前预习让学生了解控制系统的组成，课中采用游戏活动的方式检测学生的预习效果，教师及时给与点拨的总结。这样设计既避免了教师对于理论概念的枯燥讲述，又符合“先学后教”、“不悱不发”的教学理念。三：控制系统的框图表达教师活动3师：我们知道，现实生活、生产中控制系统是多种多样的，它们的组成不同，结构和控制过程各异，这给我们描述控制系统提出了不小的挑战。现在，我们抽象出了控制器、执行器、被控对象、反馈环节等概念后，能否用这些概念对控制系统进行统一的、规范化的描述呢？展示开环控制系统和闭环控制系统的框图：学生活动3学生听讲设计意图说明：由具体到抽象，用归纳出的概念对开环控制系统和闭环控制系统给出一般性的定式描述方式——控制系统的框图表示。四：学以致用师：至此，我们学习了控制系统的组成与描述的相关知识，我们能否用我们掌握的知识设计出前面提到的体温测试、室内消毒和手部消毒系统，并把它们用框图表示出来呢？为了抛砖引玉，老师今天带来了一个自己设计制作的“自动体温测试与室内消毒系统”模型，大家可以体验一下。1.控制系统模型展示，学生体验。提问： 根据你的体验，该模型目前包含哪几个子系统？系统分析2.1自动体温测量子系统（1）组成及工作过程简述红外温度传感器控制电路板液晶显示模块提问：该控制系统是开环控制还是闭环控制？学生回答“开环控制系统”后，动画显示如下框图（2）自动体温测量子系统框图提问：请从选项栏中选取合适的选项填入上图中。2.2室内温湿度测量子系统（1）组成及工作过程简述温、湿度温、湿度温、湿度电流温、湿度电流温、湿度传感器控制电路板液晶显示器问题：该控制系统是开环控制系统还是闭环控制系统？（2）室内温湿度测量子系统框图提问：请从组成图中选择相应的选项填入框图中。2.3室内环境消毒子系统（1）组成及工作过程简述问题：该控制系统是开环控制系统还是闭环控制系统？（2）室内环境消毒子系统框图提问：请从选项栏里选取合适的选项填入框图对应的括号中。学生活动4各组选取学生代表参与体验、讨论老师提出的问题认真听讲，积极回答问题设计意图说明：通过对大项目中“自动体温测试与室内消毒系统”的分析，使学生熟悉电子控制系统的组成及控制过程，学会用定式描述框图分析控制系统的基本方法，加深对控制器、执行器、被控对象、反馈环节、给定量、控制量、被控量等概念的理解。五：课堂小结教师活动5课堂小结学生活动5学生听讲设计意图说明：通过课堂小结，帮助学生理清思路、加深理解、巩固所学。六、拓展任务 通过前面内容的学习，现在你已经是一个“有经验的工程师”了，你能否运用你所学习的知识设计一个“非接触式手部消毒系统”呢？请小组成员相互配合，协作完成学习任务单上的相关内容。讨论：你想设计的手部消毒子系统是开环控制还是闭环控制？画出该控制系统的框图。尝试着从老师给出的元件列表中选择合适的元件作为该系统的组成部件，或者自己选取其它元件完成设计（连接成系统组成图）。参考元器件列表：设计意图说明：让学生尝试设计“非接触式自动手部消毒子系统”，综合运用所学，既锻炼了学生的工程思维能力，提高了学生的创新意识和图样表达能力，同时也为下一节“简单控制系统的设计”作了铺垫。七、课后作业1.查阅资料，继续完善各控制子系统的设计。2.登录UMU平台，完成学习评价量表。设计意图说明：通过查阅资料，丰富学生的电路知识，尤其是Arduino电路模块方面的知识，开阔思路，在完善各控制系统设计的过程中，培养学生的技术意识、创新意识、工程思维、图样表达等核心技术素养。通过完成评价量表，帮助学生认识自我，建立自信，学习他人的长处，取长补短。八、结束寄语播放习近平总书记在第七十五届联合国大会上的一段关于抗疫的讲话视频作为结束寄语。设计意图说明：首尾呼应，让学生增强“人类终将战胜疫情”的信心，激发学生爱党、爱国的热情，树立“为中华民族的伟大复兴而读书”、“为人类的解放事业而奋斗”的远大理想。板书设计特色学习资源分析、技术手段应用说明自制教具“自动人体测温与消毒系统”模型，激发学生学习兴趣，让学生在该大项目设计与制作的引领下，完成相关学科知识的学习与应用，增强了技术意识，培养了创新能力、工程思维、图样表达和物化能力。教学反思与改进1.抓住社会热点问题，创设真实情境导入，不仅能迅速吸引学生的注意力，自然引入新课，而且在潜移默化中让学生产生技术服务于社会的意识。2.由于本课概念较多，如果教师针对概念进行讲解极有可能让学生产生枯燥乏味之感，所以我根据“先学后教”的教学理念，让学生课前根据预习单自学相关内容，课中采用做游戏的方式检测学生的学习效果，并及时帮助学生纠错补缺，加深对相关概念的理解，收到了较好的学习效果。3.自制教具，引导学生体验和感受控制系统，能极大地激发学生的探究欲望。4.以习近平总书记关于抗疫的讲话作为本课的结束寄语，让学生坚定“人类一定能战胜疫情”的信心，激发学生爱党、爱国的热情，树立自己的责任感和使命感，让技术课也闪烁人文的光辉。本课任务多，活动多，案例也多，如何引导学生在“玩中做”、“做中学”，并且在有限的时间内玩出名堂，做出东西，学到知识，我觉得这是值得我今后继续研究和改进的地方。第二节控制系统的组成和描述课前预习单班级： 姓名：组别：课题4.2控制系统的组成和描述预习目标1.通过案例，熟悉开环控制系统和闭环控制系统的基本组成2.理解简单开环控制系统和闭环控制系统的工作过程3.学会用方框图描述开环控制系统和闭环控制系统的工作过程，并能用框图表示自己的控制设计想法预习重点开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和工作过程开环控制系统和闭环控制系统的基本特征预习难点1.正确划分控制系统中的各个环节2.理解期望值、控制器、比较器、执行器、被控对象、控制量、被控量、反馈环节这些概念一、预习要点（1）开环控制系统概念控制系统的不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。如游泳池定时注水控制系统、红绿灯定时控制系统、走廊声控灯控制系统等。（2）开环控制系统的控制过程：控制器接受输入信号，并对输入信号进行分析与计算，然后对下达相应的指令，执行器执行控制器下达的指令，通过改变控制量来改变的输出量，使输入与输出之间达到某种对应关系。（3）闭环控制系统概念反馈环节把系统的输出量到输入端，与进行比较，并对被控对象的状态产生影响的控制系统称为闭环控制系统。（4）控制系统的各部分结构中的基本概念①给定量：控制者设定的基准值，又叫期望值。②被控对象：控制者实施控制的物体，被控制时一定会改变它的某一状态，如方向、角度、速度、高度、温度等。③反馈环节：它包括检测器和传输器（传输回路），它将测量出的量到系统的输入端。④（比较器）：将给定量与所检测的被控量进行，求出。⑤控制器：将比较器计算出的偏差值进行运算处理，并向器下达控制指令。⑥执行器：根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量稳定在内。⑦被控量：控制者最终的控制目标量。⑧控制量：能对产生作用，从而使被控量发生变化的量。二、了解常用元器件模块序号名称图片功能简介1红外温度传感器通过感应物体发出的红外线从而测量物体的温度2控制电路板可编程对各种显示器、继电器、水泵等物体实施控制3继电器类似于电子开关，通过弱电控制强电4红外线感应模块能感应物体发出的红外线，一般作为红外感应开关用5水泵电动抽水机6温、湿度传感器能够感应出环境的温度和湿度7高频振荡电路模块能产生一个高频振荡电信号8超声波雾化器在高频振荡电信号的驱动下产生超声波激发液体雾化9液晶显示器可显示文字、数字、字母，有的型号可以显示图像等第二节控制系统的组成和描述学习任务单课题4.2控制系统的组成和描述组别成员学习目标1.熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成与工作过程，理解其中控制器