第四单元控制及其设计-控制系统的设计与实施-高一

《通用技术》必修二（苏教版）教案课题控制及其设计-控制系统的设计与实施课型班课课时1学习目标知识与理解学生能够理解控制系统的基本要素，包括控制目的、被控对象、被控量和控制量等，并能够识别和分析实际控制系统中的这些要素。学生能够理解开环控制系统和闭环控制系统的区别，并能够根据控制要求选择合适的控制策略。学生能够分析控制系统中的干扰因素，并理解如何减少或消除这些干扰对系统性能的影响。能力目标学生能够设计简单的开环控制系统和闭环控制系统，并说明其工作原理和实现方法。学生能够根据设计要求选择适当的控制器、检测器和执行器等设备，并能够绘制控制系统方框图和实物连接图。学生能够搭建并测试所设计的控制系统，调整参数以满足控制要求，并能够分析和解决测试中出现的问题。情感目标培养学生的创新思维和解决实际问题的能力，通过控制系统的设计与实施，激发学生对技术实践的兴趣和热情。培养学生的环保意识和社会责任感，通过雨水收集池水位控制系统的设计与制作，让学生认识到节约资源和保护环境的重要性。培养学生的团队合作精神和沟通能力，通过小组合作完成项目设计，培养学生的团队协作和沟通交流能力。具体教学目标在任务一中，学生能够明确控制系统的设计要素，并能够运用所学知识分析设计开环控制系统（如运动会会旗自动升旗控制装置）。在任务二中，学生能够设计并实施一个闭环控制系统（如雨水收集池水位控制系统），通过搭建模型、测试系统、调整参数等步骤，达到控制要求。通过项目实践，学生能够将理论知识与实际应用相结合，提高分析问题和解决问题的能力，培养创新思维和实践能力。同时，能够树立节约资源和保护环境的意识，培养社会责任感和使命感。学习重难点任务一：探究控制系统的设计要素学习重点：掌握控制系统的基本概念和组成部分，明确控制系统的设计目标和被控对象。理解被控对象特性分析的重要性，学习如何根据被控对象的输入输出关系确定控制器运算方式。学会区分和确定被控量和控制量，理解它们在控制系统中的作用。分析控制系统中的干扰因素，了解开环控制和闭环控制的基本原理及其应用场景。学习如何选择合适的设备和元件进行控制系统设计，考虑经济性和可实现性。学习难点：理解控制系统设计的复杂性，如何平衡控制精度、成本和环境影响之间的关系。掌握开环控制和闭环控制的设计方法，理解它们在实现不同控制要求时的差异。学习如何根据被控对象的特性选择合适的控制器运算方式，以及如何通过实验和调试优化控制系统性能。任务二：设计与实施雨水收集池水位控制系统学习重点：理解雨水收集池水位控制系统的实际需求，明确设计目标和功能要求。掌握闭环控制系统的基本原理和设计方法，学习如何设计稳定、精确且抗干扰性能好的控制系统。学习如何选择合适的传感器、执行器等设备和元件，搭建雨水收集池水位控制系统。学习如何编写控制系统设计说明书，绘制必要的设计图纸和实施图纸。学习难点：理解闭环控制系统的稳定性、控制精度和抗干扰性能要求，并能在设计中体现这些要求。学习如何根据实际情况调整和优化控制系统参数，实现良好的控制效果。理解和掌握系统搭建过程中的实际操作技能和安全规范，确保实验过程的顺利进行和人员安全。在系统设计中体现全面节约和资源循环利用的理念，提升系统的社会和环境价值。教学方法一、探究式教学任务一：探究控制系统的设计要素提出问题：通过案例分析和生活实例，引导学生认识到控制系统的重要性及其应用场景，从而提出问题：“如何设计一个控制系统？”理论引导：介绍控制系统的基本概念、设计要素和步骤，明确开环和闭环控制系统的特点。小组讨论：学生分组讨论控制系统的设计要素，每组选择一个案例（如电风扇、会旗自动升旗控制装置）进行详细分析，并设计初步的控制方案。展示交流：每组选代表上台展示其设计方案，其他同学进行点评，教师总结点评。技术体验：通过运动会会旗自动升旗控制装置的设计与实施，让学生亲自动手实践，体验控制系统设计的全过程。任务二：设计与实施雨水收集池水位控制系统需求分析：引导学生分析雨水收集池水位控制系统的实际需求和功能要求。方案设计：指导学生根据需求，选择合适的传感器、执行器和控制器，设计水位报警和水位控制系统的方案。模拟实践：利用仿真软件或简易实验装置进行模拟实践，验证设计方案的有效性。制作与测试：学生动手制作控制系统，并进行测试，记录测试数据，分析测试结果。反思总结：学生根据测试结果反思设计方案，提出改进意见，并总结控制系统设计与实施的经验教训。二、项目式学习将整个控制系统设计与实施的教学内容分解为若干个项目任务，每个任务对应一个具体的控制系统设计或实施案例。学生以项目小组的形式进行合作，通过完成项目任务来掌握控制系统的设计与实施技能。三、案例教学法选择具有代表性的控制系统案例（如电风扇控制系统、自动门控制系统、智能家居控制系统等），通过分析案例的设计思路、实现方法和应用效果，引导学生深入理解控制系统的设计要素和实施步骤。四、启发式教学在教学过程中，采用启发式教学方法，通过提问、引导、点拨等方式激发学生的思维活动，培养学生的独立思考和解决问题的能力。同时，鼓励学生在实践中发现问题、分析问题、解决问题，从而提高学生的实践能力和创新精神。课前准备课前准备：一、任务一探究控制系统设计要素资料准备：收集关于控制系统设计的基础知识和原理，包括开环和闭环控制的概念、特点及应用。准备控制系统设计的案例分析，如电风扇控制系统、恒温箱控制系统等，以便在课堂上与学生分享和讨论。准备控制系统设计流程图、设计要素表等辅助材料，帮助学生明确设计思路。教学工具：投影仪和演示文稿，用于展示控制系统设计的理论知识和案例。黑板或白板，用于实时记录和解释控制系统的设计过程。学生任务：要求学生预习控制系统设计的基础知识，并思考在实际生活中可能遇到的控制系统设计问题。分组讨论控制系统设计的关键要素，并尝试分析电风扇控制系统的设计思路。二、任务二设计与实施雨水收集池水位控制系统材料准备：准备雨水收集池和水位控制相关的教学模型或仿真软件，以便在课堂上进行演示。准备水位传感器、电磁继电器、潜水泵、电源等实物器材，供学生搭建实物模型时使用。列出所需材料和工具的清单，确保每个学生或小组都能获得所需材料。教学工具：投影仪和演示文稿，用于展示雨水收集池水位控制系统的设计要求和实施过程。实物模型或仿真软件，用于演示控制系统的工作原理和效果。黑板或白板，用于解释控制系统的设计原理和方案选择。学生任务：要求学生预习雨水收集池水位控制系统的设计要求，并思考如何选择合适的控制方案。分组讨论控制系统的设计方案，包括报警系统和水位控制系统的具体实现方法。引导学生思考如何在保证控制精度的同时，降低控制成本并减少对环境的影响。实践环节：指导学生根据设计方案，搭建雨水收集池水位控制系统的实物模型。引导学生进行系统测试和调试，确保系统能够正常工作并达到设计要求。要求学生撰写测试报告，总结系统设计和实施过程中的经验和教训。三、思考拓展引导学生思考雨水收集池水位控制系统的意义和价值，特别是在实施全面节约战略和推进资源节约集约利用方面的作用。鼓励学生思考如何用一个传感器实现高水位开始抽水、低水位停止抽水的控制目的，提高学生的创新能力和问题解决能力。教学媒体教学媒体准备一、任务一探究控制系统设计要素PPT演示文稿：详细介绍控制系统的设计要素，包括控制目的、被控对象、被控量、控制量、主要干扰因素等。使用流程图、示意图等形式展示控制系统设计的基本步骤和关键点。举例说明开环控制与闭环控制的区别和适用场景。教学视频：展示实际控制系统的工作原理和运行过程，如电风扇控制系统、恒温控制系统等。提供真实案例，帮助学生理解控制系统设计的实际应用。互动软件或平台：利用在线仿真软件，让学生模拟设计控制系统，并测试其性能。提供在线交流平台，允许学生之间讨论设计思路和方案。实物模型：准备简单的控制系统模型，如水位控制系统模型、温度控制系统模型等，供学生观察和操作。二、任务二设计与实施雨水收集池水位控制系统PPT演示文稿：详细描述雨水收集池水位控制系统的设计要求和目标。展示报警系统和水位控制系统的方框图，解释各部分的功能和工作原理。讨论如何通过合理的设计减少资源浪费，实现资源的节约集约利用。实物展示：展示用于制作控制系统的材料清单和实物样品，如水位传感器、电磁继电器、潜水泵等。展示控制系统搭建好的实物模型，并演示其工作原理。教学视频：录制控制系统搭建和调试的过程，供学生参考学习。提供实际项目中控制系统应用的案例视频，让学生了解其在现实生活中的重要作用。在线仿真软件：利用在线仿真软件，让学生模拟设计雨水收集池水位控制系统，并测试其性能。允许学生调整参数、优化设计方案，并观察其对系统性能的影响。实践操作工具：提供必要的工具和设备，如螺丝刀、焊台、万用表等，供学生在课堂上进行实践操作。讨论与反思：引导学生讨论项目实施过程中的问题和挑战，以及如何通过改进设计来优化系统性能。反思项目对资源节约和环境保护的意义和价值，培养学生的环保意识和责任感。

教学过程教学环节教师活动设计学生活动设计设计意图活动一：创设情境生成问题展示一段关于水资源短缺和水资源循环利用的视频，引发学生对雨水收集利用的思考。导入控制系统设计的概念，并举例说明控制系统在现实生活中的应用，如电梯控制、智能家居等。提出任务一：让学生思考控制系统设计的要素，并引导学生提出在设计和实施雨水收集池水位控制系统时可能会遇到的问题。观看视频，思考水资源循环利用的重要性。讨论控制系统设计的必要性，提出自己对控制系统设计的初步理解。头脑风暴，列出设计和实施雨水收集池水位控制系统时可能遇到的困难和问题。通过视频引入，激发学生的学习兴趣，同时引导学生认识到控制系统的设计在现实生活中的重要性，为后续学习奠定基础。活动二：调动思维探究新知详细介绍控制系统的设计要素，包括目的、对象、特性、被控量和控制量、干扰因素等。通过案例（如电风扇控制系统）讲解开环控制系统的设计思路和步骤。引导学生分析运动会会旗自动升旗控制装置的设计过程，体会开环控制系统的设计方法。跟随教师讲解，理解控制系统的设计要素，并尝试将其应用于实际案例中。分组讨论运动会会旗自动升旗控制装置的设计过程，并提出自己的改进意见。画出简易的开环控制系统方框图，并尝试描述其工作原理。通过案例分析和实际操作，让学生掌握控制系统的设计要素和开环控制系统的设计方法，为后续设计雨水收集池水位控制系统打下基础。活动三：调动思维探究新知介绍闭环控制系统的设计要求和特点，以及与开环控制系统的区别。引导学生分析雨水收集池水位控制系统的设计需求，包括报警功能和水位控制功能。讲解闭环控制系统的设计思路和方法，并给出雨水收集池水位控制系统的设计方案。跟随教师讲解，理解闭环控制系统的设计要求和特点。分析雨水收集池水位控制系统的设计需求，并尝试提出自己的设计方案。分组讨论并完善设计方案，画出系统的方框图和控制电路图。通过分析和设计雨水收集池水位控制系统，让学生进一步掌握闭环控制系统的设计思路和方法，同时培养学生的创新思维和团队合作精神。活动四：巩固练习素质提升提供实践材料清单和搭建指导，让学生按照设计方案制作和测试雨水收集池水位控制系统。在学生制作和测试过程中给予指导和帮助，解决学生遇到的问题。组织学生进行成果展示和交流，评价学生的作品并给出改进意见。根据设计方案准备材料，并按照指导搭建控制系统。测试控制系统是否达到设计要求，并调整优化系统性能。展示作品并进行交流，听取他人的评价和建议，进一步完善自己的作品。通过实践操作和成果展示，让学生巩固所学知识，提升动手能力和创新能力，同时培养学生的团队协作和沟通能力。课堂小结作业布置课堂小结今天我们主要探讨了控制系统的设计与实施，首先了解了控制系统的基本设计要素，包括控制目标、被控对象、被控量和控制量的确定，以及外界干扰因素的分析等。接着，我们深入学习了开环控制系统和闭环控制系统的设计原理与特点，并通过技术体验活动，模拟了运动会会旗自动升旗控制装置的设计过程，了解了不同方案的特点及实现方式。在任务二中，我们聚焦于雨水收集池水位控制系统的设计与实施，学习了如何通过开环和闭环控制相结合的方式，实现水位报警和水位控制的功能。通过绘制方框图和实物连接图，我们理解了控制系统的工作原理，并思考了如何通过资源节约和循环利用的理念，提升该项目的意义和价值。通过本节课的学习，我们掌握了控制系统设计的基本步骤和方法，提升了对控制技术应用的理解和运用能力。希望同学们能在后续的学习中，进一步深化对控制系统知识的理解和掌握，为后续课程的学习和实际应用打下坚实基础。作业布置思考题回答：结合课堂内容，分析并回答运动会会旗自动升旗控制装置四种方案的特点及最容易实现的方案。对于雨水收集池水位控制系统，讨论如何用一个传感器实现高水位开始抽水、低水位停止抽水的控制目的，并给出设计方案。设计报告撰写：设计一个基于开环控制的家庭温度控制系统，包括控制目标、被控对象、被控量和控制量的确定，以及控制方案的设计。撰写一份设计报告，内容包括系统设计方案、所需材料和设备清单、系统工作原理图（方框图或流程图）等。实践探究：利用身边的材料或工具，尝试搭建一个简单的开环控制系统（如电风扇风速控制系统），并进行测试和调试，记录测试过程和结果。提交一份实践报告，包括系统搭建过程、测试方法、测试结果分析和改进建议等。通过作业的实践和探究，希望同学们能够巩固课堂所学知识，提升动手能力和解决问题的能力。板书设计板书设计控制系统设计与实施一、控制系统的设计要素目的：明确系统要实现的目标。对象：被控制的对象是什么。特性：被控对象的特性分析。被控量与控制量：确定控制关键点。干扰因素：分析并确定主要干扰。设计方案：根据目的、可行性、经济性选择。设备与元件选择：基于需求和条件进行选择。控制类型：开环/闭环的选择依据。设计图纸与说明书：包含控制电路、系统结构等。二、开环控制系统设计示例电风扇控制系统设计会旗自动升旗控制装置设计三、设计与实施雨水收集池水位控制系统1.报警系统水位传感器检测电磁继电器控制报警2.水位控制系统潜水泵抽水闭环控制实现水位调控四、技术体验意义与价值：响应节约战略，实现资源循环利用。设计挑战：一个传感器实现高低水位控制。课堂小结本节课我们探讨了控制系统的设计要素，并通过具体案例（如电风扇、会旗升旗、雨水收集池水位控制）详细解析了开环和闭环控制系统的设计与实施。我们了解到，控制系统的设计需要考虑多个要素，如控制目的、被控对象特性、被控量和控制量的确定、干扰因素的分析等。通过合理的选择和搭配控制设备和元件，我们能够设计出经济、易于实现且高效稳定的控制系统。作业布置书面作业：描述一个你感兴趣的控制系统（可以是家用设备、公共设施或工业系统），并分析其设计要素（目的、对象、特性、被控量与控制量、干扰因素等）。提出一种改进或优化该控制系统的方案，并说明理由。实践作业：假设你是设计师，设计并制作一个简单的控制系统模型（如简易温控风扇、水位自动调节装置等）。要求包括：设计图纸、材料清单、搭建步骤、测试报告。思考并讨论如何在一个系统中利用一个传感器实现高低水位控制的功能。附加思考题：联系党的二十大报告，谈谈你所设计的控制系统如何实现资源节约和循环利用。思考在未来社会中，控制系统技术如何助力可持续发展和环境保护。教学反思本次教学内容主要围绕控制系统的设计与实施展开，旨在通过任务一探究控制系统的设计要素，任务二设计与实施雨水收集池水位控制系统，使学生掌握控制系统设计的基本流程和实践能力。一、教学内容回顾在任务一中，我们深入探讨了控制系统设计的要素，包括明确控制目的、被控对象、被控量与控制量、干扰因素、设计方案的选择、设备与元件的选取等。这一过程中，我特别注意引导学生理解控制系统设计的系统性和综合性，让学生明白设计一个控制系统需要全方位考虑各种因素。在任务二中，我们结合雨水收集池水位控制系统的设计与实施，将理论知识应用于实践。通过设计报警系统和水位控制系统，学生不仅加深了对开环和闭环控制系统原理的理解，还提