安徽省芜湖市一中高中通用技术《控制系统的工作过程与方式》教学设计

1 安徽省芜湖市一中高中通用技术安徽省芜湖市一中高中通用技术 控制系统的工作过程与方式控制系统的工作过程与方式 教学设计教学设计 设计缘起设计缘起 随着科学技术突飞猛进的发展 技术日益成为我们生活中几乎无时不在 无处不在 无所不在的 客观存在 成为引起社会变化 塑造社会变化和应对社会变化的重要因素 因此 技术素养是当代 青少年的基本素养 通用技术课程是普通高中学生人人必须休学的课程 通用技术课程是一门立足 实践 注重创造 高度综合 科学与人文融合的课程 它的学习过程是同学们主动建构知识 不断 拓展能力 形成良好情感态度与价值观的过程 是一个富有生机 充满探索 方式多元的活动过程 而恰巧本节内容正是迎合了通用技术新课程标准的规定 本节教学内容除了能继续加深学生对技术 与设计的知识的认识和技能的掌握外 更是培养学生技术思想和方法的很好的平台和载体 也能在 本节教学内容的学习之后学会认知 学会生活 学会做事 能端正学习态度和具有正确的价值观和 世界观 基于此 本人就设计了 控制系统的工作过程与方式 这个课题 一 教材分析一 教材分析 本节内容是苏教版 技术与设计 2 第四单元第二节的教学内容 从全章的知识结构来看 控制系统的工作过程与方式 是在学生学习了控制的手段与应用之后编排的 是对控制进一步的 学习 这些知识在生产和日常生活中有广泛的应用 与现代科学技术紧密相关 就本节内容来说 它不但是理解控制系统的类型 组成以及它们是如何工作的基础 而且也为下一节理解闭环控制系 统的干扰与反馈打下基础 通过学习也有助于学生今后运用简单的控制方法解决现实生活中遇到的 相关问题 发展学生良好的思维品质 因此 本课教学非常关键 是承上启下的核心内容 我们知道 生活中有许多简单控制系统的实例 因此 本课教学要从学生生活经验出发 从实 例分析入手 归纳出对控制系统的一般认识 了解两类控制系统 即开环控制系统和闭环控制系统 特别是要对开环控制系统和闭环控制系统的工作过程 方框图 重要参数进行分析 本节要突出 的重点是 对控制系统和开环控制系统以及闭环控制系统的理解以及用方框图描述开环和闭环控制 系统的工作过程 本课要突破的难点是开环控制系统和闭环控制系统的工作过程分析 二 学情分析二 学情分析 学生在前面的学习中已经学习和分析了控制在生活生产中的应用 获得了有关控制及其应用的 初步感性认识和体验 但是对控制的基本工作方式和工作机理还缺乏了解 他们对进一步了解控制 系统的知识是有探究欲望的 本节课的教学除了继续加深技术与设计的知识深度和技能程度外 更 是培养技术思想和方法的很好的平台和载体 因此 应多从贴近学生生活的经验出发 从实例分析 入手 逐步归纳出对控制系统的一般认识 并能对开环控制系统和闭环控制系统的工作过程与方式 进行分析 提高学生认知主要从以下几个方面 一是系统分析方法的运用 就是用系统的方法分析 建构 控制部分 二是控制过程思维的培养 只有对控制有过程的思想 才能用多个各自能独立 又能有 效配合 组成一个有机整体 起控制作用的功能 生活中不乏简单控制系统的应用 学生对此往往习以为常 本部分内容学习 正是要引导学生 从技术的角度 用控制的思维看周围世界 分析其道理 教学就是要对针对学生认识的特点 运用 多种教学手段和媒体 设置多种情景帮助学生分析 归纳和提升 三 教学目标三 教学目标 知识与技能 1 了解控制系统及开环与闭环控制系统的含义 知道控制系统中每个环节的作用及它们之间的关系 2 分析典型案例 熟悉简单的开环控制系统的基本组成和简单的工作过程 2 3 能分析生活中典型的控制案例 了解开环控制系统的特征并能预测可能的控制结果 4 熟悉闭环控制系统的基本组成 能画出一个简单的闭环控制系统的方框图 理解闭环控制系统中 的控制器 执行器及检测装置的作用 5 掌握常用开环与闭环控制系统的建构方法 并对生活中遇到的案例进行分析 6 初步掌握开环与闭环控制系统的区别与联系 过程与方法 鼓励学生自主探究和合作交流 引导学生自主观察 思考 总结 在与他人的交流中丰富自己的思 维方式 获得不同的体验和不同的发展 注意引导学生体会控制系统的工作过程和方式 特别是理 解闭环控制的工作过程以及其构成的作用 1 通过师生的共同交流和探究 引导学生通过自主观察 思考 总结 在与他人的交流中领悟控制 的一些思想和方法 2 感受开环与闭环控制的过程 学习常见的控制方式和方法 并能进行较为系统的分析 情感 态度 价值观 形成对控制方法及应用的积极态度和认识 增强对产品控制方面的技术感悟 提高探究欲望 保持 积极进取的信心 通过领略一些控制系统的奇妙 激发学生探索生活中喜闻乐见的控制系统的兴趣 在体验性学习过程中 培养细心观察和相互交流的学习习惯与合作精神 提高对生活中技术问题的 敏感度和引发出探究欲望 并能保持积极审慎的态度 四 教学重点与难点四 教学重点与难点 教学重点 对控制系统和开环及闭环控制系统的理解以及用方框图描述开环和闭环控制系统的工 作过程 对生活中的典型案例进行分析 教学难点 开环控制系统和闭环控制系统的工作过程分析 五 教具资源准备五 教具资源准备 多媒体课件 自制教具 教学辅助教具 六 教学流程六 教学流程 游戏互动 导入新课 问题引导 道出新知 案例分析 共探新知 案例呈现 巩固新知 亲历亲为 感悟新知 课堂总结 布置作业 教教 学学 过过 程程 共计 2 课时 教学教学 流程流程 学学 与与 教教设计意图设计意图 3 第第 1 1 课时课时 游游 戏戏 互互 动动 导导 入入 新新 课课 引入 控制并不是人类的天外来客 它渗透在我们生产和生活 的方方面面 理解控制 善于控制 已经成为我们每个人日常生活 中不可缺少的基本能力 知道控制就是人们按照自己的愿望或目的 通过一定的手段 使事物向期望的目标发展 这就是控制 那任何 一种控制的实现 都要通过若干个环节 这些环节就构成了一个系 统 我们把它称为控制系统 在学习控制系统前大家一起来玩一个我们儿时的游戏 蒙眼睛 画眼睛的游戏 教师 我们同学刚才在控制手去画眼睛的时候如果蒙着眼睛去 画 把这个本来貌似很帅的小帅哥画的很对不起观众 而睁开眼睛 看着人脸控制手去画就把这本来很美的女孩画得更是楚楚动人了 起到画龙点睛的作用 这是为什么呢 为什么同样一个人去画眼睛 会产生不同的效果呢 他的这个控制过程中涉及到哪些关键性的环 节呢 带着这些疑惑我们来共同学习这一节的内容 开门见山首先提出 控制的概念和控制 的类型 帮助学生 形成认知体系 在 正式学习新的知识 之前 用一个学生 儿时玩过的的游戏 来自然过渡到本节 的学习内容 控制 系统的工作过程与 方式 这样可以激发学生 的参与积极性 使 其能把注意力集中 到课堂上来 并由 此向学生抛出一系 列问题 让其体会 并思考这些问题 带着这些疑惑进入 新的知识的学习 这样可以避免通用 技术教学以往的教 学误区 真正做到 学与教得同步 教 师轻松的教 学生 快乐的学 让学生 喜欢上这门学科 这样方可达到课堂 的有效教学 也体 现了通用技术学科 的课程性质 4 问问 题题 引引 导导 道道 出出 新新 知知 一 控制系统一 控制系统 1 自行车传动系统由哪些部件构成 脚蹬 曲柄 链轮 中轴 链条 飞轮等 脚踩的力脚踩的力脚踩的力脚踩的力 输入输入输入输入 脚蹬 曲柄 链轮脚蹬 曲柄 链轮脚蹬 曲柄 链轮脚蹬 曲柄 链轮 中轴 链条 飞轮中轴 链条 飞轮中轴 链条 飞轮中轴 链条 飞轮 自行车行自行车行自行车行自行车行 驶的速度驶的速度驶的速度驶的速度 输出输出输出输出 教师 踩动脚蹬的力是该控制系统的输入 车轮的转速是该控制系 统的输出 踩动脚蹬的力越大 车轮的转速就越快 2 电风扇的风速控制 电风扇风速的档位电风扇风速的档位风速风速 输入输入 输出输出 教师 给电风扇设定风速档位 电机就以一定的转速带动扇叶转动 输出预定的风速 风速档位是该控制系统的输入 扇叶转动的风速 是该控制系统的输出 一个档位对应着一个风速 小结小结 任何一种控制的实现 都要通过若干个环节 这些环节就构成 了一个系统 称为控制系统 控制系统的输出与输入之间有一定的 对应关系 开环控制系统开环控制系统 控控 openopen looploop controlcontrol systemsystem 制制 系系 统统 闭环控制系统闭环控制系统 closed closed looploop controlcontrol system system 二 开环控制系统二 开环控制系统 在水箱注水控制系统中 如果进水管单位时间的水流量一定 那么水箱水位的高度与进水时间是一一对应的 水箱定时注水控制系统 水箱水箱进水进水 阀门阀门 定时定时 器器 水流量水流量 教师 我们可以通过设定注水时间 使水箱的水位达到希望的高度 将注水的时间值 假设为 2 小时 设定到定时器中 开启进水阀注 水一旦时间到达 定时器就会通知进水阀门关闭 停止向水箱注水 水箱的水位只受设定的注水的时间控制 这里 输入为设定的注水 时间 输出是水箱的水位 用学生比较熟悉的 例子去帮助他们分 析要学习的知识 这样可以让学生能 更有体会地去接受 新的知识 通过两个例子把控 制系统这个概念呈 现出来 在例子中 已经较清楚地道出 了系统的每个环节 要是实现一个控制 就需要把这些环节 放在一起构成一个 有机整体 这个整 体就是控制系统 并简要提了一下控 制系统的分类 为 接下来的内容做一 个铺垫 用自制的水箱注水 的控制模型来学习 开环控制系统 这 课堂上找两个学生 来操作这个控制系 统 其他同学认真 观察 发现其控制 的过程和有哪些控 制的环节 并由此 引出闭环控制系统 的概念 用自制教具来实现 开环控制系统的学 习可以激发学生的 创造欲望 可能使 其爱上发明创造 这样也体现了通用 技术学科的课程价 电机 扇叶电机 扇叶 水箱的水位水箱的水位 输出 输出 设定设定 时间时间 输入 输入 6 值 7 案案 例例 分分 析析 共共 探探 新新 知知 小结 控制系统的输出量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 教师 开环控制系统在日常生活中的用途很广 如十字路口的红绿 灯定时控制系统 楼宇的防盗报警控制系统 火灾自动报警系统 公园的音乐喷泉自动控制系统等 大家一起来欣赏一下一段有关自 动门的搞笑视频 案例分析案例分析 自动门的控制系统 视频播放视频播放 教师 为了方便人们的出入 一些医院手术室 现代化的宾馆和银 行等都安装了自动门 当有人走近大门时 大门就会自动打开 这 是为什么呢 控制分析 当人走近自动门时 门上方的红外装置检测到人体热辐 射发出的红外信息 控制电路接收到该信号后 便会发出相应的指 令 启动电机运转 从而带动门自动开启 或者控制气动装置 使 门向两边打开 当门开启之后 控制电路将作出判断 如果没有人 在门四周 就通知电机做反向运转 使门关闭 红外传感器 电机 自动门控制系统自动门控制系统 教师 如果把红外装置是否检测到人体热辐射发出的信号看做输入 量 门的开启或关闭看做输出量 那么自动门的工作原理可用下面 的方框图来描述 红外装置红外装置 是否检测到是否检测到门开启门开启 人体热辐射人体热辐射与关闭与关闭 发出的信号发出的信号 输出 输出 输入 输入 小结 在控制系统中 为了分析的方便 常采用方框图来表示系统 的环节 用单向信号线来表示系统信号传递的方向 这种图称为控 制系统的方框图 它表示了系统的各个环节在系统中的位置 功能 和相互之间的关系 举出生活中常见的 开环控制系统的例 子 让学生能对开 环控制有一个较清 晰的了解 并用自 动门这个案例来更 加具体和形象的去 阐述开环控制系统 学生 观看搞笑视 频 在愉快轻松的 环境中看完这个视 频案例 这个搞笑视频看完 后 让学生思考自 动门的控制过程 找几个学生起来和 大家分享自己的认 知 教师此时开始 肯定和否定一些学 生的认识 并由此 而引发学生的认知 冲突 借此契机 教师帮助学生共同 分析控制门的工作 原理和控制过程 建构起控制系统的 工作过程与方式这 个新的知识体系 控制电路 控制电路控制电路 电电 机机 自自 动动 门门 8 案案 例例 呈呈 现现 巩巩 固固 新新 知知 对于开环控制系统 通常可以用以下的方框图来描述 控制量 输入量 输出量 单次投掷篮球的控制过程单次投掷篮球的控制过程 角度与 力的大小 期望值 落点 案例呈现案例呈现 霓虹灯控制系统 到了晚上 大街上五彩缤纷的霓虹灯不停地闪烁 吸引着顾客 的眼球 如果让灯泡按照我们预想的方式去闪烁 应该怎样去控制 任务描述 制作一个简单的霓虹灯 霓虹灯共有九个发光二极 管组成 从第一个发光二极管开始 依此轮流发光 不断循环往复 设计构思 引入十制计数器后 手动控制的问题解决 即以不 断按键的方法改变 端的电压 发光二极管就可以依此发光了 如果有一个脉冲发生电路 能够自动不断地改变 端的电压 我 们可以用 电路来实现 结合具体控制系统 师生共同分析 在 过程中让学生掌握 概念和知识 理解 控制系统方框图的 表示和意义 对控 制系统的每个环节 有一个具体直观的 认识 学生对概念 和控制系统的工作 过程和方式的理解 深度将在下面的学 习中得到验证 教师道出为了易于 表达 我们用方框 图来表示一个控制 的过程和方式 这 个方框图能够表示 系统的各个环节在 系统中的位置 功 能和相互之间的关 系 此处把开环控制系 统的方框图用一个 标准的形式表达出 来 体现了由具体 到一般的认知过程 接下来的单次投掷 篮球的控制过程又 将是由一般到具体 的知识建构过程 并通过这个案例让 学生去自主思考画 出方框图并分析其 控制过程 培养学 生研究和分析问题 的能力 学生 思考霓虹灯 灯泡怎样按我们的 预想去闪烁 实现 被控被控 对象对象 执行器执行器控制器控制器 被掷被掷 篮球篮球 肢体肢体大脑大脑 9 手动控制和自动控 制 第第 2 2 课时课时 案案 例例 分分 析析 共共 探探 新新 知知 回顾与思考 回顾与思考 我们在上节课学习了水箱的定时注水控制系统 大家 有没有思考过这样一些问题 前述利用开环控制系统实现给水箱注 水 是通过设定时间来控制进水阀门的关闭的 如果在进水时间内 进水管的水压变小 使得进水流量变小 就会出现设定时间到了 而水箱的水还没有加到设定水位的情况 讨论 讨论 我们该如何改进 引入 引入 通过闭环控制系统的学习我们就能迎刃而解了 二 闭环控制系统二 闭环控制系统 案例分析案例分析 抽水马桶水位自动控制系统 教师 将输入由设定注水时间改为设定水箱水位 增加一个检测水箱 水位的装置 如水位电极 检测水箱的实际水位 并把测量值返回 到控制系统的输入端 通过一个具有计算功能装置 比较器 与给定值相比较 当实际水位比设定水位低时 控制器控制进水阀 门继续注水 当实际水位达到设定水位时 控制器发出信号关闭进 水阀门 回顾上节课学习内 容 让学生思考怎 么去解决这个问题 培养学生的解决问 题意识 也为接下 来闭环控制系统的 学习埋下伏笔 该案例是学生熟悉 的案例 也是比较 能带动课堂气氛的 案例 通过这个案 例可以让学生在不 知不觉中掌握抽水 马桶水位自动控制 的工作过程 也让 学生对通用技术学 科的认可度更高了 这个案例紧密联系 了学生的生活实际 反应了先进技术与 先进文化 体现了 新课程的基本理念 10 小结 从这一控制系统方框图中可以看出 在系统的输入端和输出 端之间 除了有从给定水位到实际水位的信息传递 还有从输出端 返回到输入端的信息传递 即控制系统可以把输出量返回到输入端 与给定值进行比较 构成一条闭合回路 我们把系统的输出量返回 到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统 这个控制系统由上 节课的开环控制加 了一个检测装置变 成了闭环控制 让 学生能较容易的接 受这些知识 使得 教学有的放矢 体 现了学习循序渐进 的原则 学生 讨论马桶水 位 自动控制的过程 试着画出闭环控制 系统的方框图 案案 例例 呈呈 现现 巩巩 固固 新新 知知 简单闭环控制系统的方框图 简单闭环控制系统的方框图 比较器比较器 自行车方向控制过程方框图自行车方向控制过程方框图 比较器比较器 输出 输出 控制量 控制系统中每个环节的具体功能 控制系统中每个环节的具体功能 输入量 即控制系统的给定值 给定量 控制器 即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件 学生在试着画闭环 控制系统的方框图 时 觉得有些困难 此时找两个学生上 黑板去把闭环控制 系统的方框图画出 来 分析他们的方 框图 然后再把正 确的方框图画出 这样能让学生更加 深刻的理解并记住 闭环控制系统的工 作过程和其方框图 的表示方式 通过上一个案例的 分析以及学生自己 去画这个方框图 让学生对控制系统 的认识由感性上升 到理性 把控制系统的每个 环节的具体功能列 浮球浮球 实实 际际 水水 位位 给给 定定 水水 位位 连杆连杆 机构机构 阀阀 门门 水水 箱箱 比较器比较器 进水量 检测装置检测装置 被被 控控 量量 给给 定定 量量 控制器控制器 执执 行行 器器 被被 控控 对对 象象 控制量 眼眼 睛睛 行行 驶驶 方方 向向 期期 望望 方方 向向 大脑大脑 肢肢 体体 自自 行行 车车 11 执行器 即直接对被控对象进行控制的装置或元件 控制量 即执行器的输出信号 被控对象 即控制系统中所要求控制的装置和生产过程 输出量 即控制系统所要控制的量 被控量 反馈环节 即在闭环控制系统中 将输出信息反馈给比较器的检测 装置或元件 案例呈现案例呈现 电饭锅分有煮饭和保温两个控制过程 怎么样理解判 断这两个控制过程是开环控制系统 还是闭环控制系统 出来 让学生能更 加清晰地理解控制 过程和控制中的每 个环节 为培养学 生的 抽象思维打下良好 基础 举出电饭煲这个案 例 目的是让学生 能知道它的工作过 程中有两个控制过 程 开环控制和闭环 控制 把家中的电 饭煲内部部件作为 教具拿到课堂让学 生观看并试着分析 其工作的原理 案案 例例 呈呈 现现 巩巩 固固 新新 知知 煮饭时的控制系统方框图 开环控制系统 煮饭时的控制系统方框图 开环控制系统 工作工作 状态状态 教师 电饭锅是利用底部的发热盘来给锅加热的 发热板内藏电热 线 这电热线是由自动开关控制 发热板的中央有一圆孔 孔内有 一感温软磁 它借着弹簧向上顶贴着锅底 这是一种纯铁氧体 在 100 或以下时 可以被永久磁铁吸引 但当升至 103 时 则失去 磁性 不再受永久磁铁吸引 当按下开关按键 开关横杆把磁铁向 上顶贴着感温软磁 这时 发热线接通 开始加热 当锅内的饭沸 腾后 锅内的水就渐渐减少 当水开始蒸干 锅内的温度就由 100 上升 当升至 103 时 感温软磁就不受磁铁吸引 开关的杠 杆因弹簧的弹力及本身的重力而下降 压使接触点分开 发热线就 断电 同时 接通另一保温电路 保持饭的温度在 65 左右 这个案例相对要难 一些 控制的过程 和涉及到的知识较 多较杂 有电学知 识 磁学知识 热 学知识 力学知识 等 综合性较强 这也体现了新课程 的理念和通用技术 学科的课程性质 这里在分析其控制 的原理时涉及到许 多专业性的知识 在帮助他们理解之 后 学生会对通用 技术这个学科有一 个新的认识和态度 他们懂得这门学科 的高度综合性 会 由此对这个学科有 了崇拜感 让他们 渐渐爱上这个学科 这样利于以后的教 学工作的开展 对 学生未来的发展也 工工 作作 指指 令令 限温器限温器 加加 热热 装装 置置 电电 饭饭 煲煲 12 保温时的控制系统方框图 闭环控制系统 保温时的控制系统方框图 闭环控制系统 比较器比较器热量 65 是有积极影响的 举出这个案例可以 让学生对这一节的 知识有一个概括性 的认识 能帮助他 们学会用比较的眼 光去看待事物 培 养他们正确的情感 态度与价值观 对 学生长远发展是有 益的 学生 思考 讨论 画出电饭煲的两个 控制过程的方框图 亲亲 历历 亲亲 为为 感感 悟悟 新新 知知 视力保护提醒器 视力保护提醒器 当你看一本精彩的书时 不知不觉天黑了 你可能没有察觉到 光线是这样的暗 在光线很暗的情况下看书对眼睛不好 在这个活 动中我们将制作一个小装置来保护我们的眼睛 任务描述 制作一个视力保护提醒器 当光线过亮或过暗 不适宜看书学习时 视力保护提醒器会发出提醒声 这个活动将帮助我们理解闭环控制 和反馈的原理 设计构思 在这个装置中检测光线的明暗是最重要的环节 光敏电阻电路可以 将光线的明暗转换为电压的大小 练习 王大伯盖了一个能自动调节温度的小型花房 花房的温度冬 立足科学 技术 社会的视野 加强 人文教育 紧密联 系学生生活实际 反应先进技术与先 进文化 丰富学生 的学习过程 体现 课程基本理念 双金属片双金属片 实实 际际 温温 度度 设设 定定 温温 度度 恒温器恒温器 器器 发发 热热 板板 电电 饭饭 煲煲 13 季一般控制 18 左右 夏季一般控制在 25 左右 请分析它可能的 工作过程 并画出花房温度控制系统的方框图 提示 该花房温控设备包括控制器 加热元件和制冷元件 检测装 置 比较器等 用一些生活中的实 例来作为练习帮助 学生理解和巩固控 制系统的工作过程 和控制系统的方框 图表示 这样加深 学生对新知识的掌 握 课课 堂堂 总总 结结 布布 置置 作作 业业 控制系统的输出不对输入产生任何影响 开环 输入量到输出量之间的信号是单向传递 闭环系统的输出量返回到输入端并对系统的 控制过程产生影响 输出量到输入量之间信号形成一个回路 开环控制系统方框图 开环控制系统方框图 输入量输入量 被控量 给定量 输出量输出量 闭环控制系统方框图 闭环控制系统方框图 比较器 引导学生从两个方 面进行总结 开环 和闭环控制系统的 概念和特点 以及 开环与闭环控制系 统的方框图 这样 不仅可以使学生对 本节的知识结构有 一个清晰的认识 这样可以完善知识 建构 而且对所涉 及到的控制过程和 技术思想和技术方 法有所领会 培养 学生的分析 归纳 概括 总结能力 让学生对这节内容 的认识有一个感性 到理性升华的过程 控控 制制 系系 统统 被控被控 对象对象 执行器执行器控制器控制器 检测装置检测装置 被被 控控 量量 给给 定定 量量 控制器控制器 执执 行行 器器 被被 控控 对对 象象 14 七 板书设计七 板书设计 4 2 控制系统的工作过程与方式 一 控制系统 三 闭环控制系统方框图 1 概念 2 分类 输入量 输出量 3 特点 二 开环控制系统方框图 输入量 输出量 八 设计回顾八 设计回顾 经过近两个星期的教具制作与教学课件制作及教学设计的撰写 这一节教学资源的准备终于尘埃 落定 作为必修 2 的第四章第 2 节内容 它的重要性不言而喻 就其教学的内容过于庞大 因此本 人分为两个课时进行教学设计 在教学实施过程中 本人采用了游戏 视频 案例分析 案例呈现 自制教具展示与操作等方式激发学生学习的积极性 激发他们的创造欲望与求