系统设计的优化与实现 教学设计-(表格式)2023-2024学年高中技术苏教版（2019）必修《技术与设计2》

§3.2系统分析与设计第1课时学科通用技术年级高二班级授课教师章节第三章第三节课题名称系统分析与设计课型新授课授课时间课标要求通过技术探究，分析影响系统优化的因素，并通过对简单系统的设计实践，初步学会简单系统设计的基本方法，增强系统与工程思维的能力。教学目标（核心素养）1.结合案例，理解系统优化的意义，掌握影响系统优化的因素。（技术意识）2.基于“校园雨水的收集和利用系统”，发现新问题，提出新策略，得到优化的新方案。（创新设计）3.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。（工程思维）4.能够应用技术图样表达自己的设计方案。（图样表达）教材分析教材中主要引入“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。本节课的立足点是带领学生展开基于问题的简单系统的设计实现。在实现过程中，教会学生如何去运用知识，发挥学生的创造力，为学生注入技术思想。本节课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。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。学情分析通过上节课的学习，学生对系统的设计已经有了初步的了解，再加上以前所绘制的设计图内容和生活经验，开展本节课的实操难度不是很大，但学生的实操能力较弱，工具的使用对学生的要求较高，学生接受略有困难；本节课专业知识要求较高，学生接受略有困难，要想分析透，时间可能稍紧，所以对有些内容可以利用多媒体进行展示，这样可以减少写和改的时间。教学重点（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。教学难点（1）能够学会系统设计实现中对实体系统设计优劣的评价。（2）能够理解并运用系统和工程思维分析解决问题。教学方法讲授法、案例分析教学法教学过程教师活动学生活动二次备课新课引入一、走进情景针对校园雨水的收集与利用系统。同学们通过系统的设计分析与讨论，基本形成了多个比较成熟的设计方案。如何让系统能更好满足学校实际需求且加工制作过程简单，为此同学们展开了讨论，各有千秋。那么，校园雨水的收集与利用系统是否还有改良的可能性呢？引出本节课内容——系统优化与实现。学生阅读情景教学环节新课讲解任务一：探析系统分析的一般过程和基本方法1、系统的优化案例：农作物种植系统的优化——农业间作套种根据农作物的生长特性、天气、气候等，利用农作物生长的季节差、时间差，把相同或不同类的农作物种植在一起，有“麦、棉、菜”“麦、瓜、棉、玉米”等多种套种模式供选择，实现增产、增收，提高土地利用率。某地区因地制宜地选择了“麦、棉、瓜、红薯”的套种模式，在正常天气条件下，按照套种的技术要求操作，夏季可收小麦350-400千克/亩、红薯2500千克/亩、无籽西瓜5000千克/亩，秋季产籽棉225千克/亩，平均每亩收入超过3000元，比原先提高了近五成。约束条件：农作物的生长特性、天气、气候目标：增产、增收，提高土地利用率目标的体现：土地单位面积农作物收益总和例如：果园套种蔬菜、玉米套种大豆（展示图片）总结：系统改良就是发现问题、解决问题，使系统变得更加完美，即系统的优化。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）。目标：最小成本获得最大利润、最少能耗生产更多产品、单位面积上收获更多的作物、最短时间掌握更多的知识等。影响系统优化的因素①约束条件：对系统的目标函数产生显著影响，并且可以认为调节的因素。例如：套种的技术水平、套种的田间管理、病虫害防治等②影响系统优化的因素：对系统优化产生限制作用，并且不可人为调节的因素。如：农作物的生长特性、天气、气候等因素。总结：系统优化是以系统目标最优化为目的的，可称为“目标函数”。在系统优化过程中，可以从材料、工艺、结构、设备等方面着手，也可以增加附属功能。这些因素又分为两大类：一类可以人为改变，比如技术水平、技术管理等；另一类人为不能改变，比如自然规律、天气变化等。对优化目标产生限制作用，不能人为调节的，称为约束条件；可以人为调节的因素，称为影响因素。案例：P92——利润问题某家具厂要安排一周的生产计划，产品是桌子和椅子。制作一张桌子需4平方米木板及20h的工时，制作一把椅子需6平方米木板及18h的工时；每周能使用的木材板料是600平方米，可利用的工时是400h；每张桌子的利润是50元，每把椅子的利润是60元。按合同每周至少要交付8张桌子和5把椅子，并假定所有产品都能够销售出去。那么，该厂每周生产桌子和椅子的数量分别为多少时，获得的利润最大？在本问题中，优化的目标是家具销售获得最大利润，约束条件是材料和劳力的限制及应遵守的合同。其中，①式是目标函数，②③④式是约束条件，x1、x2是决策变量，也就是影响优化的因素。要求出一组x1、x2，使得①式的目标函数取最大值，并且满足②③④式。求解过程略。思考：如果其他条件不变，人工减少一半，请分析每周生产多少桌、椅获得的利润最大？总结：系统优化是以系统目标最优化为目的的，可称为“目标函数”。在系统优化过程中，可以从材料、工艺、结构、设备等方面着手，也可以增加附属功能。这些因素又分为两大类：一类可以人为改变，比如技术水平、技术管理等；另一类人为不能改变，比如自然规律、天气变化等。对优化目标产生限制作用，不能人为调节的，称为约束条件；可以人为调节的因素，称为影响因素。3、系统优化的步骤及进行系统优化应考虑的三个要素【最优解与满意解】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，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)。总结：系统优化的方法是多样的，有的运用数学模型求解，有的通过科学估算、试验等方法实现。最优化方法解决问题的步骤：第一，明确优化的问题，并收集相关资料；第二，建立目标函数及有关的约束条件，分析模型；第三，选择最合适的优化方法；第四，获得优化方案，验证并实施。要素:目标与目标函数、约束条件、影响因素无论什么方法都需要经过若干次完善和验证。马上行动：阅读P98马上行动，对校园雨水的收集和利用系统的三个方案进行优化，并完成以下任务。任务二：实现校园雨水收集和利用系统的设计方案系统设计的实现：包括设计方案的呈现和模型或原型的制作与测试。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。马上行动：阅读P103马上行动，完善在第二节内容中为这所学校设计一套雨水收集与利用系统，并对洗手池用水进行收集和利用。画出简图，并配以文字说明。思考：“要达到系统的优化目标，系统的各个子系统的目标必须达到最优”，这一说法正确吗？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、综合成为具有良好功能的系统；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。巩固练习：1.（单选）系统优化的意义是（）A、获取系统的最佳效益B、改善系统的环境C、调整系统的结构D、改变系统的特征2.（单选）以下不属于系统优化的是（）A、城乡规划B、工人师傅根据划线制作铁锤C、列车提速D、ATM自动取款机的应用思考如何做出决策的。阅读案例，并思考问题思考并回答问题听老师讲解，明确系