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2019-2020年高中通用技術(shù) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋4教案 蘇教版必修2 教　　材：（鳳凰國(guó)標(biāo)教材）普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 通用技術(shù)（必修2） 文檔內(nèi)容：閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋 章　　節(jié)：第四單元　控制與設(shè)計(jì) 第三節(jié) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋 課 時(shí)：第3課時(shí) 一、教學(xué)目標(biāo) 1. 知識(shí)與技能目標(biāo) (1) 知道功能模擬方法與黑箱方法都是研究控制系統(tǒng)的常用方法。 (2) 了解功能模擬方法與黑箱方法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。 2. 過程與方法目標(biāo) (1) 通過“汽車全自動(dòng)駕駛”與“人工駕駛”的類比分析理解功能模擬方法。 (2) 通過“挑椰子”“判別計(jì)算機(jī)性能”等案例的分析，了解黑箱方法的應(yīng)用。 3. 情感態(tài)度和價(jià)值觀目標(biāo) (1) 懂得功能模擬方法與黑箱方法在控制領(lǐng)域的重要作用。 (2) 將功能模擬方法特別是黑箱方法有意識(shí)的滲透到今后的問題分析當(dāng)中。 二、教學(xué)重點(diǎn) 功能模擬方法與黑箱方法在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析中應(yīng)用。 三、教學(xué)難點(diǎn) 1. 功能模擬方法的理解。 2. 功能模擬方法與黑箱方法在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析中應(yīng)用。。 四、教學(xué)方法 教授、案例分析、任務(wù)驅(qū)動(dòng)。 五、設(shè)計(jì)思想 1. 教材分析 本課是《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》的第四單元“控制與設(shè)計(jì)”的第三節(jié)“閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋”中的第三課時(shí)的內(nèi)容，包括 “功能模擬方法”和“黑箱方法”兩部分內(nèi)容。功能模擬方法是以功能行為的相似性為基礎(chǔ)建立模型，用模型模擬原型的功能和行為的一種方法。教材首先以“加熱爐溫度的手工控制與自動(dòng)控制”的比對(duì)案例來說明功能模擬方法。溫度能自動(dòng)控制的加熱爐系統(tǒng)在上一課時(shí)是已經(jīng)分析探討過的案例。在這里重提就可以很好的與“手工控制加熱爐”配對(duì)比較。但考慮到“加熱爐”對(duì)學(xué)生來說還是比較陌生，所以在上課時(shí)不采用這個(gè)案例，而是改用“人工駕駛與自動(dòng)駕駛汽車”的案例做比對(duì)。教材在后面又舉了根據(jù)模型與人腦在功能行為上相似而實(shí)現(xiàn)對(duì)人腦的模擬的“國(guó)際象棋人機(jī)對(duì)弈”案例，從而使功能模擬方法更清晰的展現(xiàn)在我們面前。在“黑箱方法”部分教材使用“中醫(yī)看病”“挑西瓜”等貼切生活的案例把黑箱方法分析得非常的清晰明了。教材引用這些生活化的案例就一子就把理論與人的距離拉近了，陌生感也沒有了。利用黑箱方法事物進(jìn)行分析，可使許多繁雜的問題簡(jiǎn)單化，它是認(rèn)識(shí)事物的一種有效方法。 教材內(nèi)容的順序編排也是比較合理的。在前幾課時(shí)分別介紹了“控制”“開環(huán)控制系統(tǒng)”“閉環(huán)控制系統(tǒng)”“干擾因素”“反饋”等內(nèi)容，而這些都是學(xué)習(xí)探討功能模擬方法與黑箱方法的前提基礎(chǔ)。 2. 設(shè)計(jì)理念 功能模擬方法是仿生學(xué)中的一種常用研究方法，在控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它也為人工智能研究的提供了科學(xué)方法。在平時(shí)進(jìn)行方案構(gòu)思時(shí)采用的模仿法與本課探討的功能模擬法很相近，模仿法的范疇更大一些，這一點(diǎn)在上課時(shí)是一定要學(xué)生清楚的。本節(jié)教學(xué)的主體任務(wù)是使學(xué)生理解并掌握兩種分析、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的思想方法，最終能對(duì)兩種方法做簡(jiǎn)單的應(yīng)用。為了讓學(xué)生易于理解就必須盡可能的多使用案例，且是學(xué)生熟悉的案例，案例既有文字性也有圖片式的。 3. 學(xué)情分析 在此前，學(xué)生學(xué)過了開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成也都有了一定的認(rèn)識(shí)，這些再加上學(xué)生的生活經(jīng)歷都是學(xué)習(xí)本節(jié)的前提基礎(chǔ)?！叭斯ゑ{駛汽車”“中醫(yī)看病”“挑選西瓜、椰子、電視機(jī)”以及“機(jī)器人”都是學(xué)生熟悉的案例，正是以這些熟悉的案例做分析鋪墊，才有可能降低理解難度。本課主要通過大量的生活案例讓學(xué)生在分析案例的過程中逐步掌握功能模擬方法與黑箱方法的思想的，但對(duì)于功能模擬方法的理解還是有一定難度的，所以在實(shí)施教學(xué)時(shí)需要想辦法去突破。 4.教學(xué)策略設(shè)計(jì) 先以“人工駕駛汽車”的方向控制問題做導(dǎo)入，分析汽車的行駛方向是如何受到控制的，接著投影“全自動(dòng)駕駛汽車”案例，比較前后兩種行駛方向的控制，知道“全自動(dòng)駕駛汽車”中控制器代替了人腦的轉(zhuǎn)向控制功能，執(zhí)行器代替了人手實(shí)現(xiàn)車把轉(zhuǎn)向功能，檢測(cè)裝置代替了人眼實(shí)現(xiàn)路況識(shí)別功能。說明象這種以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用模型模擬原型的功能和行為的方法就是功能模擬方法。之后再介紹教材舉的“下象棋機(jī)器人”，也請(qǐng)學(xué)生試列舉類似的案例，（會(huì)騎自行車的機(jī)器人、會(huì)拉提琴的機(jī)器人……）接著讓學(xué)生閱讀第115頁(yè)的“閱讀”材料，以加深對(duì)“功能模擬方法”的認(rèn)識(shí)。接著設(shè)置一道與功能模擬方法相關(guān)的練習(xí)題試做。 在“黑箱方法”部分用教材的“挑西瓜”“中醫(yī)看病”案例做簡(jiǎn)單分析，可得知不用打開事物直接看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以通過觀察外部或試驗(yàn)等方法就可以認(rèn)識(shí)事物，這種方法就是黑箱方法。接著請(qǐng)三位同學(xué)上臺(tái)試判別兩個(gè)椰子的老嫩情況，這是跟挑西瓜類似的一個(gè)試驗(yàn)，旨在提升學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。之后再請(qǐng)全體同學(xué)一起討論“如何簡(jiǎn)單判別一臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能”、“試判別教室中的擴(kuò)音機(jī)的擴(kuò)音是否正?！?，這都是黑箱方法的具體應(yīng)用。最后的再安排教材P116頁(yè)的“馬上行動(dòng)”作為課后作業(yè)。 六、教學(xué)準(zhǔn)備 1. 教學(xué)資源的準(zhǔn)備 多媒體教學(xué)設(shè)備、教學(xué)課件PPT、椰子（2個(gè)）、（教室的）擴(kuò)音設(shè)備等。 2. 教學(xué)課件的準(zhǔn)備 教學(xué)課件力求簡(jiǎn)潔，抓住關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，突出中心。 七、教學(xué)過程 1.引入 教師：上一課我們專門探討過閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋問題，反饋可以使控制系統(tǒng)的控制精度更高、穩(wěn)定性更好。下面我們來看兩個(gè)案例： （投影：手動(dòng)駕駛汽車和自動(dòng)駕駛汽車圖片） a. 手動(dòng)駕駛汽車 b. “斯坦利”無人自動(dòng)駕駛汽車 大家說說這兩種駕駛汽車的方式中，汽車的行駛方向分別是怎樣實(shí)現(xiàn)控制的？ 學(xué)生：（在手動(dòng)駕駛的案例中，人眼檢查路面的信息反饋給大腦處理，大腦控制手去把轉(zhuǎn)方向盤；在自動(dòng)駕駛案例中，檢測(cè)裝置檢測(cè)路面信息并將信息送給控制器，控制器控制執(zhí)行器去調(diào)整方向盤從而實(shí)現(xiàn)行駛方向的控制） 2.新課 教師：在這兩案例中，相應(yīng)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的檢測(cè)裝置代替人眼檢測(cè)路面狀況的功能，控制器代替了大腦的功能，執(zhí)行器代替了人手的功能。象這個(gè)有用有相似功能的機(jī)器模塊代替了人來實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車行駛方向的控制就是一種功能模擬方法。 （投影：功能模擬方法----以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用模型模擬原型的功能和行為的方法。） 這里說的“模型”是比較籠統(tǒng)的，但它一定是以功能行為的相似性為基礎(chǔ)的。就如雷達(dá)和蝙蝠，雷達(dá)就具有可發(fā)射并可接收電磁波功能模塊，這些模塊就是模型，它具有與蝙蝠相似的功能和行為。 歷史上曾經(jīng)有過能模擬人的動(dòng)作行為的各種模型，卻沒有解決從結(jié)構(gòu)上模擬人的大腦進(jìn)行思考的問題，因?yàn)槿说拇竽X太復(fù)雜了。在沒有徹底弄清人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理的情況下，必須另辟一新的模擬途徑，這條途徑不要求從結(jié)構(gòu)上去模擬人腦，而只是要求模型在功能行為上與人腦相似。也就是說，僅僅根據(jù)模型與人腦在功能行為上相似，實(shí)現(xiàn)對(duì)人腦的模擬。 我們來看一則報(bào)道（投影） “據(jù)俄羅斯《莫斯科時(shí)報(bào)》6月10日?qǐng)?bào)道，俄羅斯總統(tǒng)的首席經(jīng)濟(jì)顧問達(dá)瓦科維奇9日晚上戰(zhàn)平國(guó)際象棋機(jī)器人，比賽結(jié)果為1勝1負(fù)。 達(dá)瓦科維奇同時(shí)也是俄羅斯國(guó)際象棋協(xié)會(huì)主席，他承認(rèn)這是他第一次有勇氣和機(jī)器人比賽。參賽機(jī)器人是俄羅斯工程師用最先進(jìn)的技術(shù)制作的，它能用一只長(zhǎng)約1米的手臂移動(dòng)象棋，并同時(shí)與3個(gè)人比賽。設(shè)計(jì)師很自信地說，從理論上來說它是無法被擊敗的。 這次機(jī)器人同時(shí)與達(dá)瓦科維奇、國(guó)際象棋大師伊戈?duì)柡?歲的象棋女神童阿琳娜一起下5分鐘的快棋賽。達(dá)瓦科維奇賽前和現(xiàn)場(chǎng)的觀眾及記者說：‘這個(gè)機(jī)器看起來不像人類，但棋下得比人好?！? 教師：國(guó)際象棋機(jī)器人具有與人腦類似的邏輯判斷功能，能模擬棋手的思維、動(dòng)作與人下棋。工程師在設(shè)計(jì)這些機(jī)器人時(shí)就使用了功能模擬法。 3.學(xué)生任務(wù)一 （1）用一分鐘閱讀P115頁(yè)的“閱讀”材料。 （2）判別下列案例是否涉及到功能模擬方法。 會(huì)騎自行車的機(jī)器人 會(huì)拉提琴的機(jī)器人 機(jī)器人保姆 4.新課繼續(xù) 教師：假如你要去選購(gòu)西瓜，你有什么辦法在不切開西瓜的情況下就可以選到好的西瓜？ 學(xué)生：（看、摸、敲、聽、掂……） 教師：很好！現(xiàn)在我就想請(qǐng)大家試一下，盡管我手頭沒有西瓜，但卻有兩個(gè)椰子。（展示）請(qǐng)幾位同學(xué)過來幫我判別一下哪個(gè)椰子可能會(huì)好吃一些?你是根據(jù)什么來差別的？ 學(xué)生：（試辨別……） 教師：說明大家的生活經(jīng)驗(yàn)是非常豐富的！這是好事！ 這里我們不需要把西瓜、椰子打開就可以判別它的內(nèi)部情況。像這種不需要把事物打開觀看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而是通過觀察或試驗(yàn)等方式來認(rèn)識(shí)事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能的方法就是黑箱方法。 （投影：黑箱方法---把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進(jìn)而推斷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法。） 控制系統(tǒng) 輸入 輸出 黑箱 椰子 看、搖、拍 嫩或老 黑箱 我們生活當(dāng)中也有很多用黑箱方法來解決問題的案例，就如中醫(yī)看病。中醫(yī)是我國(guó)幾千年傳承與發(fā)展下來的一門獨(dú)特醫(yī)學(xué)，是我們的國(guó)粹。中醫(yī)看病是通過什么方式來完成的呢？ 學(xué)生：（望、聞、問、切……） 教師：說得好! 了解了什么黑箱方法及其作用后，下面就讓我們?cè)囉煤谙浞椒ㄈシ治瞿承┌咐? 5.學(xué)生任務(wù)二 （1）怎樣簡(jiǎn)單判斷一臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能？ 學(xué)生：（安裝一些大型軟件，如圖像處理軟件、音視頻處理軟件、3D設(shè)計(jì)軟件、大型游戲等……觀察計(jì)算機(jī)的運(yùn)行情況） （2）試判別教室中的擴(kuò)音機(jī)的擴(kuò)音是否正常？ 學(xué)生：（請(qǐng)學(xué)生到講臺(tái)試操作再回答） <用影碟機(jī)或mp3播放器播放音樂，把音樂信號(hào)輸送給擴(kuò)音器，調(diào)節(jié)擴(kuò)音器音量，辨聽從音箱輸出的音質(zhì)；或是將擴(kuò)音器的音量調(diào)到比較大的位置，用手或鑰匙碰觸音頻輸入線，細(xì)聽音箱中是否有雜音出現(xiàn)，如有則說明擴(kuò)音器是好，否則是有問題的。> 6.課堂小結(jié) 本課在大家的共同努力下，通過大量的案例分析探討了功能模擬方法和黑箱方法。功能能模擬方法是以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用模型模擬原型的功能和行為的方法。黑箱方法是把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進(jìn)而推斷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法。這兩種方法都是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析常用到的方法，在我們的生產(chǎn)生活中應(yīng)用得廣泛。掌握這兩種方法將有助于我們分析解決許多的系統(tǒng)問題。 7.課后作業(yè) 教材第116頁(yè)的“馬上行動(dòng)” 八、 教學(xué)反思 通過對(duì)大量的生活化案例的分析來突破重難點(diǎn)是本課的一個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在案例選擇上除了教材的“加熱爐的溫度控制”案例外其余的案例全部使用到，此外還增設(shè)了“會(huì)騎自行車的機(jī)器人”、“會(huì)拉提琴的機(jī)器人”、“機(jī)器人保姆”、“選椰子”、“簡(jiǎn)單判斷計(jì)算機(jī)的性能”、“判別擴(kuò)音器擴(kuò)音功能的好壞”等案例，從而使本課內(nèi)容充實(shí)有加。但案例多了又變成課堂時(shí)間不足，所以還得做些調(diào)整。