第四单元控制及其设计-闭环控制系统的工作过程-高一

《通用技术》必修二（苏教版）教案课题控制及其设计-闭环控制系统的工作过程课型班课课时1学习目标知识与技能学生能够理解闭环控制系统的工作原理，并掌握其基本组成部分（输入量、输出量、被控对象、执行器、控制器、反馈装置等）。学生能够区分闭环控制系统与开环控制系统的差异，理解反馈在闭环控制系统中的重要作用。学生能够通过搭建土壤湿度控制系统和抽水控制系统模型，实际体验闭环控制系统的运行过程，并学会分析闭环控制系统的工作流程。学生能够运用“黑箱方法”分析控制系统的内部结构和功能，提高对控制系统的理解和应用能力。能力目标学生能够通过小组协作、观察分析、实践操作等学习方式，深入理解和掌握闭环控制系统的知识。学生能够运用所学知识，分析解决实际问题，提高解决实际问题的能力。学生能够掌握实验记录和数据分析的方法，提高数据处理能力。情感目标培养学生科学探究的兴趣和求知欲，养成主动探索的学习习惯。培养学生的团队合作意识和沟通能力，提高团队协作效率。培养学生的环保意识，了解并实践节水措施，提高对环境的保护意识。具体教学要求在任务一中，要求学生能够读懂并理解控制系统示意图，根据示意图搭建土壤湿度控制系统，通过实践操作感受闭环控制系统的工作过程，并填写相关表格记录数据。在任务二中，要求学生能够分析抽水控制系统模型的工作原理，明确反馈装置在控制系统中的作用，通过实践操作感受反馈的作用，并填写相关表格记录数据。要求学生思考并讨论问题，如“电磁阀的开启与关闭取决于来自什么装置的信号？”、“采用单一传感器如何实现该水位控制？”等，加深对闭环控制系统工作原理的理解。引导学生总结闭环控制系统与开环控制系统的差异，理解反馈在控制系统中的重要性，并学会运用所学知识解决实际问题。鼓励学生利用“黑箱方法”分析控制系统的内部结构和功能，培养学生的观察、分析和判断能力。学习重难点任务一：解析闭环控制系统工作过程学习重点：理解闭环控制系统的基本工作原理，包括输入信号、比较器、控制器、执行器和反馈通道等组成部分的功能和相互作用。掌握闭环控制系统中“反馈”的概念，了解反馈对系统稳定性和精度的重要性。学会通过土壤湿度控制系统体验闭环控制系统的工作过程，并能够根据系统方框图分析系统流程。学习难点：深入理解闭环控制系统与开环控制系统的区别，特别是反馈机制对系统性能的影响。准确分析闭环控制系统的工作流程，包括信号的传递、比较、处理和执行等各个环节。通过搭建土壤湿度控制系统，体验并理解闭环控制系统在实际情况中的应用和调试过程。任务二：辨析反馈在控制系统中的作用学习重点：明确反馈在控制系统中的基本概念和作用，了解正反馈和负反馈对系统性能的影响。掌握通过搭建抽水控制系统模型来体验反馈在控制系统中的实际应用。学会分析带有反馈的控制系统如何克服干扰因素，使被控量保持稳定。学习难点：准确理解反馈的概念和作用，能够区分正反馈和负反馈对系统的影响。通过搭建抽水控制系统模型，深入理解反馈在自动控制系统中如何影响系统行为，并使其按照预期目标运行。深入分析控制系统中的干扰因素，理解如何通过反馈机制来克服干扰，提高系统的稳定性和控制精度。教学方法教学方法建议任务一：解析闭环控制系统工作过程情景导入：通过展示不同植物对水分需求的差异，引出自动灌溉系统的必要性。介绍陈晨的情境和问题，激发学生的兴趣和思考。理论教学：详细解释闭环控制系统的基本概念和工作原理，强调反馈在控制系统中的作用。使用方框图和简化的流程描述，让学生理解输入、输出、检测装置、比较器、控制器和执行器等关键组成部分。实践操作：分组进行土壤湿度控制系统的搭建，提供必要的材料和工具。指导学生根据控制系统示意图完成搭建，并连接各个组件。在搭建过程中，强调反馈回路的作用和重要性。观察与分析：指导学生进行系统的调试和观察，记录电磁阀的开启与关闭情况。引导学生思考电磁阀的开启与关闭是由什么装置控制的，理解反馈信号的作用。.5总结反思：引导学生总结闭环控制系统的工作特点，强调反馈在控制系统中的核心作用。鼓励学生提出改进控制意见，如优化策略、提高检测精度等。任务二：辨析反馈在控制系统中的作用情景导入：展示雨水收集池和蓄水箱的情境，引出自动抽水控制系统的需求。介绍陈晨的问题分析，引出反馈在控制系统中的关键作用。理论教学：回顾反馈的基本概念，解释其在控制系统中的重要作用。分析带有反馈的控制系统与开环控制系统的区别，强调反馈控制的优势。实践操作：分组进行抽水控制系统模型的搭建，提供所需的材料和工具。指导学生根据控制系统示意图连接各个组件，特别是电极式水位传感器和潜水泵。在搭建过程中，强调反馈回路的构建和检测装置的作用。观察与分析：指导学生进行系统的测试，观察并记录雨水收集池的水位高度与潜水泵工作状态的关系。引导学生思考反馈是如何影响系统行为的，特别是当水位达到或低于设定值时潜水泵的行为。干扰因素讨论：引入干扰因素的概念，分析它们对控制系统的影响。引导学生讨论如何通过反馈控制来克服干扰，保持系统的稳定性。总结反思：强调反馈在控制系统中的核心作用，特别是在保持系统稳定性和克服干扰方面的作用。鼓励学生将反馈的概念应用到实际生活中，思考如何改进现有的控制系统。拓展活动：引入黑箱方法的概念，通过一些示例让学生理解其在科学研究中的应用。布置课外作业，让学生尝试运用黑箱方法分析和改进一个简单的控制系统。课前准备课前准备一、教学目标明确理解闭环控制系统的工作过程：学生将能够通过实际搭建和体验土壤湿度控制系统，理解闭环控制系统如何根据输出反馈调整输入，以达到预期的控制效果。辨析反馈在控制系统中的作用：通过搭建抽水控制系统模型，学生将能够感受到反馈机制如何影响控制系统的稳定性和准确性。二、材料准备土壤湿度控制系统材料：控制器湿度传感器电磁阀集水箱花洒阀门支架土壤和植物（模拟用）抽水控制系统模型材料：雨水收集池（模拟用）冲厕蓄水箱（模拟用）潜水泵水管电极式水位传感器控制电路模块容器（用于装水模拟雨水收集池）工具准备：钢丝钳活动扳手十字螺丝刀多用电表（用于调试电路）三、环境准备教室布置：确保教室有足够的工作空间和安全通道，以避免在搭建和调试系统时发生意外。电源供应：确保电源插座安全可靠，便于学生连接和调试设备。四、学生准备预习任务：要求学生提前预习闭环控制系统和反馈机制的基本理论知识，对控制系统的组成和工作原理有一个基本的了解。分组准备：将学生分成小组，每组4-5人，以便在搭建和调试系统时能够互相协作和学习。五、教学流程设计导入新课：通过引入生活中常见的闭环控制系统实例（如自动恒温空调、自动门等），激发学生的学习兴趣，引出本课的主题。任务一解析：讲解土壤湿度控制系统的原理，引导学生理解闭环控制系统的基本概念和组成部分。动手实践：学生分组进行土壤湿度控制系统的搭建和调试，观察并记录实验结果，回答预设的问题，感受闭环控制系统的工作过程。任务二解析：介绍反馈机制在控制系统中的重要性，以及抽水控制系统模型的原理和构建方法。再实践：学生分组进行抽水控制系统模型的搭建和测试，观察并记录实验结果，分析反馈机制如何影响控制系统的稳定性和准确性。总结归纳：引导学生总结闭环控制系统和反馈机制的特点和作用，对比开环控制系统，加深学生对控制系统的理解。拓展思考：通过提出“如何利用反馈机制改进现有控制系统”等问题，引导学生将所学知识应用于实际问题中，培养学生的创新思维和实践能力。教学媒体教学媒体准备一、教学媒体选择实物模型：土壤湿度控制系统和抽水控制系统模型的实物搭建。这有助于学生直观地理解和感受闭环控制系统的工作原理和反馈的作用。交互式多媒体课件：用于展示控制系统的工作过程、方框图以及流程图。利用动画效果来展示控制系统内部的信息传递和反馈过程，使学生更易于理解。实验器材：包括控制器、湿度传感器、电磁阀、集水箱、花洒、阀门、支架、电极式水位传感器、控制电路模块、水管等。用于搭建实际的土壤湿度控制系统和抽水控制系统模型，使学生通过实践加深理解。多媒体投影设备：用于展示PPT、动画、视频等教学资源，便于学生集体观看和学习。多用电表：用于检测电路中的电压、电流等参数，帮助学生理解电路的工作原理。二、教学媒体使用说明实物模型：在课前准备好土壤湿度控制系统和抽水控制系统模型，并放置在易于观察的位置。在讲解控制系统工作过程和反馈作用时，利用实物模型进行展示，使学生能够直观地理解控制系统的工作过程。交互式多媒体课件：在课前制作好交互式多媒体课件，并加载到投影设备上。在讲解过程中，适时地展示控制系统的方框图、流程图以及动画演示，帮助学生更好地理解控制系统的工作原理和反馈作用。实验器材：在实验环节，分发实验器材给学生，指导学生按照步骤搭建土壤湿度控制系统和抽水控制系统模型。在实验过程中，引导学生观察并记录实验现象，思考并回答问题。多媒体投影设备：在教学过程中，适时地利用多媒体投影设备展示PPT、动画、视频等教学资源，激发学生的学习兴趣，提高教学效果。多用电表：在实验环节，指导学生使用多用电表检测电路中的电压、电流等参数，帮助学生理解电路的工作原理。同时，引导学生根据检测结果进行调试和优化控制系统模型。三、教学媒体应用效果预期通过实物模型和交互式多媒体课件的展示，学生能够直观地理解闭环控制系统的工作过程和反馈作用，提高学习兴趣和效果。通过实验环节的实践操作，学生能够亲手搭建控制系统模型，观察并记录实验现象，加深对控制系统工作原理和反馈作用的理解。通过使用多用电表检测电路参数，学生能够更好地理解电路的工作原理，提高实验技能和实践能力。整体上，通过教学媒体的辅助应用，能够使学生更加深入地理解闭环控制系统的工作过程和反馈作用，提高教学效果和学生的学习成果。

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：创设情境生成问题通过展示不同植物对水分需求的图片或视频，引导学生认识到不同植物需要不同的水分管理方式。引入陈晨的情境，提出问题：“如果我们要为不同植物设计一个能够自动调节浇水量的系统，应该如何设计？”引导学生思考定时浇水和根据土壤湿度调节浇水量的区别，并讨论方案设计的不同点。观察图片或视频，了解不同植物的水分需求。思考并讨论陈晨的问题，提出自己的设计方案。分析定时浇水和根据土壤湿度调节浇水量的优缺点。通过创设情境，引发学生对闭环控制系统应用的兴趣，并引导学生思考问题，激发求知欲。活动二：调动思维探究新知介绍闭环控制系统的基本概念和工作原理，以及土壤湿度控制系统的构建方法。指导学生搭建土壤湿度控制系统，包括控制器、湿度传感器、电磁阀等部件的连接。引导学生观察并思考电磁阀的开启与关闭与哪些因素有关。跟随教师指导，搭建土壤湿度控制系统。观察系统工作过程，记录电磁阀的开启与关闭情况。思考并回答教师提出的问题，理解闭环控制系统的工作原理。通过实际操作，让学生亲身体验闭环控制系统的工作过程，加深对闭环控制系统概念的理解。活动三：调动思维探究新知介绍反馈在控制系统中的作用，以及抽水控制系统模型的搭建方法。指导学生搭建抽水控制系统模型，并测试其工作效果。引导学生观察并记录雨水收集池的水位高度与潜水泵工作状态之间的关系。跟随教师指导，搭建抽水控制系统模型。测试系统工作效果，观察并记录数据。分析数据，理解反馈在控制系统中的作用。通过搭建抽水控制系统模型，让学生直观感受反馈在控制系统中的作用，进一步加深对闭环控制系统概念的理解。活动四：巩固练习素质提升布置练习题，让学生分析其他闭环控制系统的工作原理和反馈作用。引导学生讨论干扰因素对控制系统的影响及克服方法。介绍黑箱方法及其在科学研究中的应用。完成练习题，分析其他闭环控制系统的工作原理和反馈作用。讨论干扰因素对控制系统的影响及克服方法。了解黑箱方法及其在科学研究中的应用。通过巩固练习和讨论，加深对闭环控制系统工作原理和反馈作用的理解，同时拓展学生的知识面，提高他们的综合分析能力。课堂小结作业布置课堂小结本节课我们深入探讨了闭环控制系统的工作过程，并通过两个实践活动——搭建土壤湿度控制系统和抽水控制系统模型，感受了闭环控制系统在实际应用中的运作原理。在土壤湿度控制系统中，我们了解到闭环控制系统通过湿度传感器检测土壤湿度，并将这一信息反馈给控制器，控制器根据设定值与检测值的比较结果，控制电磁阀的开关，从而实现对植物浇水量的自动调节。在抽水控制系统模型中，我们体验了电极式水位传感器如何检测水位并通过控制器控制潜水泵的启动与停止，以实现自动抽水的功能。这两个活动使我们深刻认识到反馈在闭环控制系统中的重要作用。反馈不仅使得系统能够实时调整输出以匹配输入，还能有效克服干扰因素的影响，确保系统运行的稳定性和准确性。通过闭环控制系统的学习，我们还能更好地理解黑箱方法的概念和应用，认识到在科学研究和日常生活中，可以通过研究系统的输入和输出来推断系统的内部结构和功能。作业布置案例分析：请同学们搜索或设想一个生活中运用闭环控制系统的例子（除了今天课堂实践的案例），分析其闭环控制的工作原理和流程，并写出书面报告。实践操作：在条件允许的情况下，请同学们尝试设计并制作一个简单的闭环控制系统（例如自动灯光调节系统，当光线不足时自动开灯，光线足够时自动熄灯），记录下设计思路、制作过程和测试结果，形成一份完整的实践报告。理论思考：分析开环控制系统与闭环控制系统各自的优缺点。讨论黑箱方法在日常生活和科学研究中的应用，并举例说明。思考如何在实际应用中克服控制系统中的干扰因素。以上作业旨在巩固同学们对闭环控制系统工作原理的理解，提升实践操作能力，并培养分析和解决问题的能力。请同学们认真完成，并于下次课前提交。板书设计板书设计：一、标题闭环控制系统的工作过程二、任务一闭环控制系统解析输入：设定的土壤湿度输出：土壤湿度检测装置：湿度传感器控制器：根据湿度信号控制电磁阀执行器：电磁阀（控制水流量）反馈：土壤湿度信号返回到输入端技术体验搭建土壤湿度控制系统体验目的：感受闭环控制系统工作过程核心问题：电磁阀的开启与关闭取决于湿度传感器的信号方框图绘制闭环控制系统方框图（图4-26、图4-27）解释方框图中各部分的作用三、任务二反馈在控制系统中的作用定义：输出量通过检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程作用：调整系统行为，使系统沿预期目标运行技术体验搭建抽水控制系统模型体验目的：感受反馈在控制系统中的作用核心部件：电极式水位传感器（检测反馈装置）干扰因素定义：除输入量外，引起被控量变化的因素处理：闭环控制系统能克服干扰，使被控量稳定开环与闭环比较开环：不能自动纠正偏差，需人工干预闭环：能自动纠正偏差，控制精度高四、黑箱方定义：通过输入与输出关系推测系统内部结构及其功能应用实例：中医看病、买西瓜、脑电波研究五、课堂小结闭环控制系统通过反馈实现对被控量的精确控制反馈是闭环控制系统的核心，起着自动调整、纠偏的作用黑箱方法提供了一种不打开系统也能研究其内部结构和功能的方法六、作业布置绘制一个简易的闭环控制系统方框图，并描述其工作原理。结合生活实例，解释一个使用黑箱方法的场景，并简要说明其原理和应用。思考并描述一个你认为可以运用闭环控制系统改进的日常生活或工作场景。教学反思一、教学内容与目标的达成在本次教学中，我围绕“闭环控制系统的工作过程”和“反馈在控制系统中的作用”两个核心任务进行了教学设计和实施。通过搭建土壤湿度控制系统和抽水控制系统模型两个技术体验活动，学生成功感受到了闭环控制系统的工作过程，并深入理解了反馈在控制系统中的关键作用。1.闭环控制系统工作过程通过搭建土壤湿度控制系统，学生了解了闭环控制系统的基本构成和工作原理。通过实际操作和观察，学生能够明确系统如何通过传感器检测土壤湿度、与给定值比较，并根据偏差控制执行机构（电磁阀）的工作，从而达到预期的控制效果。整个过程中，学生不仅学习了理论知识，还通过实践加深了对闭环控制系统工作过程的理解。2.反馈在控制系统中的作用