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2019-2020年高二通用技術(shù) 系統(tǒng)的優(yōu)化教案 一、教材內(nèi)容分析 1．教材的地位和作用 系統(tǒng)優(yōu)化是系統(tǒng)分析的深入，也是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)分析的綜合，又是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，更是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，它是是本書(shū)的重要內(nèi)容之一。 二、學(xué)情分析 進(jìn)入系統(tǒng)的內(nèi)容，學(xué)生的興趣明顯比前期活躍，顯然系統(tǒng)分析的深入符合高二學(xué)生的智力發(fā)展需求。但是，學(xué)生在對(duì)某個(gè)系統(tǒng)的分析容易陷入原有的邏輯思維，而不能很好地應(yīng)用系統(tǒng)的思想和方法分析和解決問(wèn)題，不能很好理解系統(tǒng)優(yōu)化的約束條件和影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素，并能運(yùn)用系統(tǒng)的方法分析問(wèn)題，能對(duì)當(dāng)前的系統(tǒng)提出優(yōu)化的方案。 三、教學(xué)目標(biāo) 知識(shí)與技能： 1．理解系統(tǒng)優(yōu)化的意義 2．能分析影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素 3．初步掌握系統(tǒng)最優(yōu)化的方法 4．能夠?qū)σ粋€(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)運(yùn)用最優(yōu)化的方法進(jìn)行分析 過(guò)程與方法： 1．模仿非常6+1節(jié)目，采用小組競(jìng)賽的方法，課前制作了計(jì)分牌，用來(lái)累分。 2．通過(guò)討論、案例分析，完成學(xué)生知識(shí)的自主構(gòu)建。 情感態(tài)度與價(jià)值觀： 1．體驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化的意義，指導(dǎo)學(xué)生把系統(tǒng)優(yōu)化的思想延伸到整個(gè)生活和學(xué)習(xí)當(dāng)中。 2．培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的方法，以用合作精神 3．培養(yǎng)節(jié)約能源的意識(shí) 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)： 重點(diǎn)：系統(tǒng)最優(yōu)化方法和一般性步驟 難點(diǎn)：系統(tǒng)優(yōu)化的過(guò)程分析 能結(jié)合生產(chǎn)生活中的實(shí)例，理解系統(tǒng)優(yōu)化的意義，并能結(jié)合實(shí)例分析影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素。 四、教學(xué)資源準(zhǔn)備 多媒體課件 教學(xué)課時(shí)：1課時(shí) 本節(jié)教材中分三個(gè)部分： 第一部分：案例分析 通過(guò)“小鬧鐘”案例、“鳥(niǎo)巢”和劉翔訓(xùn)練方案的優(yōu)化調(diào)整案例，目的是讓學(xué)生感受系統(tǒng)優(yōu)化的意義。從實(shí)例分析入手，在分析過(guò)程中體驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化的意義。 第二部分：第一個(gè)案例“風(fēng)力發(fā)電”采用定性的分析方法，根據(jù)案例分析總結(jié)闡述系統(tǒng)優(yōu)化方法和一般性步驟。第二案例“利潤(rùn)問(wèn)題”采用定性的分析方法，第三案例“貨物派送”采用定性和定量相結(jié)合的方法，要求學(xué)生運(yùn)用系統(tǒng)的思想和定性、定量相結(jié)合的方法，確定研究課題、進(jìn)行分析研究、評(píng)價(jià)比較、優(yōu)化方案。總結(jié)歸納出系統(tǒng)最優(yōu)化方法的含義。 第三部分：提供學(xué)生一個(gè)探究任務(wù)，優(yōu)化一所小學(xué)門(mén)前的交通問(wèn)題，讓學(xué)生親自完成一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化的過(guò)程，用系統(tǒng)分析的方法分析問(wèn)題進(jìn)一步得到實(shí)踐和提高。 五、教學(xué)流程 (一)情景創(chuàng)設(shè)引入新知 師：作為一個(gè)系統(tǒng)，通常會(huì)有這樣或那樣的問(wèn)題，比如隨著私家車的數(shù)量迅速增多，出現(xiàn)了越來(lái)越多的城市道路交通擁擠，車位不夠停放等問(wèn)題，那么就需要我們要對(duì)交通系統(tǒng)進(jìn)行改善、優(yōu)化，我們進(jìn)行優(yōu)化的意義是什么？我們來(lái)看幾個(gè)實(shí)例是，然后再來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。 案例：小鬧鐘 師：大家猜猜看，懸掛上面的這個(gè)白色的物體是什么？ 學(xué)：燈、鬧鐘…… 師：是鬧鐘，當(dāng)?shù)搅宋覀冊(cè)O(shè)定的時(shí)間響了以后，我們第一反應(yīng)是什么？ 學(xué)：關(guān)掉鬧鐘，再睡一會(huì) 師：等你醒來(lái)的時(shí)候，時(shí)間往往超了很多，這種情況影響我們正常的學(xué)習(xí)和工作。 師：大家遇到個(gè)問(wèn)題時(shí)，我們班同學(xué)有沒(méi)有想到去改進(jìn)鬧鐘的設(shè)計(jì)？ 生：發(fā)表自己的看法 師：這個(gè)鬧鐘就解決這個(gè)問(wèn)題，它叫拼圖鬧鐘，當(dāng)鬧鈴響后，你要把它底部的圖拼好，它的鈴聲才能停止。 師：這個(gè)鬧鐘和普通的鬧鐘相比較，在哪方面進(jìn)行了改進(jìn)？ 生：性能 師：這個(gè)鬧鐘和普通的鬧鐘價(jià)格上會(huì)不會(huì)有提高很多？ 生：不會(huì)，因?yàn)槠磮D的材料成本很低。 案例：鳥(niǎo)巢的優(yōu)化調(diào)整 師：我們?cè)賮?lái)看xx奧運(yùn)會(huì)的主會(huì)場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”，“鳥(niǎo)巢”采用是什么結(jié)構(gòu)？ 生：框架結(jié)構(gòu) 師：使用的主要材料是？ 生：鋼 師：它采用是大跨度重型鋼結(jié)構(gòu)體系，它在設(shè)計(jì)過(guò)程中也在不斷的優(yōu)化調(diào)整，其中有一項(xiàng)調(diào)整是取消了可開(kāi)啟屋蓋、擴(kuò)大了屋頂開(kāi)孔，優(yōu)化后方案，減少用鋼量1.2萬(wàn)噸，造價(jià)減少了約4億元。 師：鳥(niǎo)巢去蓋后，在哪方面得到改善？ 生:成本降低 師：雖然去掉了蓋子，但鳥(niǎo)巢的外觀、設(shè)計(jì)理念都不會(huì)改 設(shè)計(jì)意圖：精選生活中系統(tǒng)優(yōu)化的案例來(lái)導(dǎo)入新課，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望，同時(shí)通過(guò)案例，讓學(xué)生感覺(jué)到系統(tǒng)優(yōu)化的意義。 案例：飛人劉翔 師：提到奧運(yùn)會(huì)的主會(huì)館，就想到飛人劉翔在08年奧運(yùn)會(huì)因?yàn)槟_腱受傷遺憾退出賽場(chǎng)的情景，今年的全運(yùn)會(huì)劉翔再次天證明了自己，劉翔在這次全運(yùn)會(huì)中以多少秒奪冠？ 生：13秒34 師：劉翔創(chuàng)造了亞洲田徑的的奇跡，除了和他本身的身體條件和天賦外，還和孫海平教練的訓(xùn)練方法是分不開(kāi)的，孫海平對(duì)劉翔的訓(xùn)練方法在不斷的優(yōu)化調(diào)整，孫海平教練說(shuō)“思索出劉翔訓(xùn)練的新思路，這比什么都有意義”，你認(rèn)為孫海平教練思索出訓(xùn)練的新思路的意義是什么？ 生：發(fā)揮劉翔的最大潛能 師：那么我們優(yōu)化的意義是什么？ 生:低成本、高效益…… 師：以最小的投入，獲取系統(tǒng)的最佳效益或最佳功能。 師：對(duì)于城市道路擁擠的問(wèn)題，大家會(huì)想到什么解決方案？ 生：擴(kuò)建道路？ 師：但這種方法不僅造價(jià)昂貴、破壞城市環(huán)境，失去了我們優(yōu)化的意義，我們可以通過(guò)優(yōu)化交通信號(hào)的控制。 (二)系統(tǒng)優(yōu)化的基本方法 1.案例：風(fēng)力發(fā)電 師：風(fēng)力發(fā)電正逐漸成為大規(guī)?！熬G色發(fā)電”的先鋒，xx年美國(guó)就安裝了約16億美元的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，并還在逐漸加大投入，來(lái)了解一下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 生：看風(fēng)力發(fā)電的視頻 師：大家能想出解決妙方嗎？ 小組討論 生：方案1：殺蟲(chóng)劑、方案2：種植殺蟲(chóng)的植物……… 師：我們首先要對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，系統(tǒng)分析的第一個(gè)環(huán)節(jié)就是明確問(wèn)題設(shè)定目標(biāo)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)在遇到什么問(wèn)題？ 生:葉片上的蟲(chóng)子，使渦輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電量由750千瓦降低到450千瓦。 師：?jiǎn)栴}明確了，我們要設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，我們優(yōu)化的目標(biāo)是什么？ 生：消滅渦輪發(fā)電機(jī)上的蟲(chóng)子， 師：我們明確目標(biāo)后，開(kāi)始制定方案，我們來(lái)看一下我們班同學(xué)制定的方案， 我們這些方案有沒(méi)有條件的約束呢？ 方案1：噴灑殺蟲(chóng)劑，人工噴灑嗎？有沒(méi)有考慮到渦輪發(fā)電機(jī)的高度 師：我們還要充分考慮到這個(gè)系統(tǒng)的約束條件 1．氣候：全美風(fēng)力最強(qiáng)的地方 2．地勢(shì)：發(fā)電場(chǎng)位于沙漠的邊緣 師：制定這些方案后，我們現(xiàn)在就開(kāi)始實(shí)施這些方案嗎？ 生：不行 師：我們還不知道哪一種是最優(yōu)方案呢？我們應(yīng)該如何做？ 學(xué)生：試驗(yàn)，先用幾臺(tái)渦輪機(jī)進(jìn)行試驗(yàn) 明確問(wèn)題 設(shè)定目標(biāo) 制定方案 推理試驗(yàn) 最滿意解 驗(yàn)證實(shí)施 明確約束條件件 師：試驗(yàn)后，我們可以得到最滿意方案，我們就可以進(jìn)行實(shí)施階段，每臺(tái)渦輪機(jī)實(shí)施最優(yōu)方案。這就是我們優(yōu)化的基本過(guò)程是： 師：我們來(lái)看一下，工程師們采用了哪種方案 師：播放視頻 生：觀看視頻 師：工程師發(fā)電機(jī)上添加了清洗設(shè)備 設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)分析“風(fēng)力發(fā)電”的案例，引導(dǎo)學(xué)生理解了系統(tǒng)優(yōu)化的一般過(guò)程，同時(shí)也理解的系統(tǒng)優(yōu)化的含義，掌握用定性的分析方法優(yōu)化系統(tǒng)。通過(guò)視頻的方式，激發(fā)學(xué)生探知欲望(如何用風(fēng)力發(fā)電？)，了解了風(fēng)力發(fā)電的原理，同時(shí)也培養(yǎng)了他們節(jié)約能源的意識(shí)。 2.案例：利潤(rùn)問(wèn)題 師：剛才“風(fēng)力發(fā)電”的案例我們是采用推理、實(shí)驗(yàn)的方法，是屬于定性的分析方法。在生活中，純定性分析是不夠的，我們來(lái)看第二個(gè)案例“利潤(rùn)問(wèn)題”。 生：閱讀書(shū)上的案例 師：同學(xué)們看到這個(gè)問(wèn)題，馬上想到用什么方法來(lái)解決 生：用數(shù)學(xué)上的函數(shù)(線性規(guī)化) 明確問(wèn)題 設(shè)定目標(biāo) 設(shè)定約束條件 目標(biāo)函數(shù) 求解 驗(yàn)證 實(shí)施 獲得最大利潤(rùn) 師：我們還是用我們剛剛的優(yōu)化的一般步驟 師：系統(tǒng)優(yōu)化的因素是指對(duì)優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生顯著影響？可以人為調(diào)節(jié)的因素。 生：X1、X2 教師：好，請(qǐng)你將最主要的約束條件與目標(biāo)函數(shù)式聯(lián)系起來(lái)，看看你能不能發(fā)現(xiàn)影響因素X1、X2與最優(yōu)值Smax的關(guān)系。 學(xué)生：生產(chǎn)椅子所需工時(shí)少利潤(rùn)大，生產(chǎn)桌子所需工時(shí)多利潤(rùn)反而??！生產(chǎn)的椅子越多利潤(rùn)越大。 教師：那我們干脆不生產(chǎn)桌子了，專門(mén)生產(chǎn)椅子，可不可以？ 學(xué)生：不行，至少要生產(chǎn)8張桌子！ 教師：哦，原來(lái)還有約束條件的限制。那好我們就生產(chǎn)8張桌子，算一算椅子最多可以生產(chǎn)多少?gòu)垼? 學(xué)生：13張！ 教師：8張桌子，13張椅子。把你們經(jīng)過(guò)一番分析計(jì)算選擇的這兩個(gè)變量的解代入約束條件看看是否超出了約束條件的限制范圍。 學(xué)生：都在約束條件范圍內(nèi)。 設(shè)計(jì)意圖：“利潤(rùn)問(wèn)題”是非常典型的用數(shù)學(xué)方法解決的案例，高二的學(xué)生在數(shù)學(xué)課上已學(xué)會(huì)用線性規(guī)劃的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，所以在這個(gè)案例主要讓學(xué)生要用系統(tǒng)的分析方法分析問(wèn)題，能夠分析影響系統(tǒng)優(yōu)化的影響因素。 案例3：最優(yōu)配送路線 師：在生活中，我們經(jīng)常是定性和定理分析相結(jié)合的方法，我們看這個(gè)案例 某配送中心位于A點(diǎn)，現(xiàn)在將一批電視機(jī)等家用電器配送到B、C、D處的3家商場(chǎng)，運(yùn)貨車從A點(diǎn)出發(fā)，送完貨后返回，配送路線如圖，圖中帶箭頭的線分別表示兩地往返的方向，無(wú)箭頭的線表示可以往返的線路。 師：說(shuō)說(shuō)你的解決思路 生：學(xué)生討論 方案 路線 路程(km) 1 ABCDA 51 2 ABDCA 46 3 ACBDA 59 4 ACDBA 47 5 ADCBA 51 6 ADBCA 58 師：這個(gè)案例，我們制定好方案后，再用數(shù)學(xué)的方法計(jì)算，就是定性和定量相結(jié)合的方法。 設(shè)計(jì)意圖：這是流程優(yōu)化中的一案例，這個(gè)案例是通過(guò)優(yōu)化流程來(lái)優(yōu)化案例，通過(guò)這個(gè)案例，讓學(xué)生了解生活系統(tǒng)的優(yōu)化通常是定性和定量相結(jié)合的方法。 (三)應(yīng)用，學(xué)生探究 問(wèn)題：隨著汽車普通率的提高，我們周圍的交通逐級(jí)逐漸惡化，一所小學(xué)門(mén)前的交通經(jīng)常出現(xiàn)塞車的現(xiàn)象 師：展示這所小學(xué)的地圖，說(shuō)明這所小學(xué)的特殊位置，播放一段小學(xué)放學(xué)時(shí)的一段片段。 生：分組對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，并且討論可行的方案 生：展示方案，教師精講點(diǎn)撥 師：對(duì)其他組的方案進(jìn)行推理、判斷，選出可行的方案 生：對(duì)其他的組的方案進(jìn)行推理 師：展示現(xiàn)在正實(shí)施的方案，現(xiàn)在的方案偶爾還會(huì)出現(xiàn)堵車的現(xiàn)象，所以大家提供的方案也是非常有價(jià)值的，回到連云港后我一定將大家的方案推薦給有關(guān)部門(mén)。 (四)總結(jié) 最優(yōu)化方法是系統(tǒng)學(xué)中的一個(gè)重要方法，它通常是指在一定的人力、物力和財(cái)力資源的條件下，使取得的效果(如生產(chǎn)產(chǎn)值、利潤(rùn)、效益等)達(dá)到最大，而投入(如能源、資金、人力、時(shí)間等)達(dá)到最小的一種方法。 ① 要用定性和定量分析相結(jié)合的方法是系統(tǒng)最優(yōu)化。 ② 堅(jiān)持系統(tǒng)整體的最優(yōu)化。運(yùn)用好權(quán)衡理念，舍卒保車，棄車保帥，這是為了保證對(duì)弈的最終勝利。 ③ 不間斷地尋求最優(yōu)化，系統(tǒng)的發(fā)展具有階段性，系統(tǒng)的優(yōu)化是具有相對(duì)性的，要遵循系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)觀點(diǎn)，推動(dòng)系統(tǒng)不斷進(jìn)步。