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1、2022年高中通用技術(shù) 3.3系統(tǒng)的優(yōu)化教案 地質(zhì)版 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)計的基礎(chǔ)，更是系統(tǒng)設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié)，它是是本書的重要內(nèi)容之一。 二、學(xué)情分析 進入系統(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)生在對某個系統(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，并能運用系統(tǒng)的方法分析問題，能對當(dāng)前的系統(tǒng)提出優(yōu)化的方案。 三、教學(xué)目標(biāo) 知識與技能： 1．理解系統(tǒng)

2、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€簡單系統(tǒng)運用最優(yōu)化的方法進行分析 過程與方法： 1．模仿非常6+1節(jié)目，采用小組競賽的方法，課前制作了計分牌，用來累分。 2．通過討論、案例分析，完成學(xué)生知識的自主構(gòu)建。 情感態(tài)度與價值觀： 1．體驗系統(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生活和學(xué)習(xí)當(dāng)中。 2．培養(yǎng)學(xué)生解決問題的方法，以用合作精神 3．培養(yǎng)節(jié)約能源的意識 教學(xué)重點與難點： 重點：系統(tǒng)最優(yōu)化方法和一般性步驟 難點：系統(tǒng)優(yōu)化的過程分析 能結(jié)合生產(chǎn)生活中的實例，理解系統(tǒng)優(yōu)化的意義，并能結(jié)合實例分析影響系統(tǒng)優(yōu)化

3、的因素。 四、教學(xué)資源準(zhǔn)備 多媒體課件 教學(xué)課時：1課時 本節(jié)教材中分三個部分： 第一部分：案例分析 通過“小鬧鐘”案例、“鳥巢”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。從實例分析入手，在分析過程中體驗系統(tǒng)優(yōu)化的意義。 第二部分：第一個案例“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“利潤問題”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、進行分析研究、評價比較、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)生一個探究

4、任務(wù)，優(yōu)化一所小學(xué)門前的交通問題，讓學(xué)生親自完成一個系統(tǒng)優(yōu)化的過程，用系統(tǒng)分析的方法分析問題進一步得到實踐和提高。 五、教學(xué)流程 (一)情景創(chuàng)設(shè)引入新知 師：作為一個系統(tǒng)，通常會有這樣或那樣的問題，比如隨著私家車的數(shù)量迅速增多，出現(xiàn)了越來越多的城市道路交通擁擠，車位不夠停放等問題，那么就需要我們要對交通系統(tǒng)進行改善、優(yōu)化，我們進行優(yōu)化的意義是什么？我們來看幾個實例是，然后再來回答這個問題。 案例：小鬧鐘 師：大家猜猜看，懸掛上面的這個白色的物體是什么？ 學(xué)：燈、鬧鐘…… 師：是鬧鐘，當(dāng)?shù)搅宋覀冊O(shè)定的時間響了以后，我們第一反應(yīng)是什么？ 學(xué)：關(guān)掉鬧鐘，再睡一會 師：等你醒來的時候

5、，時間往往超了很多，這種情況影響我們正常的學(xué)習(xí)和工作。 師：大家遇到個問題時，我們班同學(xué)有沒有想到去改進鬧鐘的設(shè)計？ 生：發(fā)表自己的看法 師：這個鬧鐘就解決這個問題，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：這個鬧鐘和普通的鬧鐘相比較，在哪方面進行了改進？ 生：性能 師：這個鬧鐘和普通的鬧鐘價格上會不會有提高很多？ 生：不會，因為拼圖的材料成本很低。 案例：鳥巢的優(yōu)化調(diào)整 師：我們再來看xx奧運會的主會場“鳥巢”，“鳥巢”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)計過程中也在不

6、斷的優(yōu)化調(diào)整，其中有一項調(diào)整是取消了可開啟屋蓋、擴大了屋頂開孔，優(yōu)化后方案，減少用鋼量1.2萬噸，造價減少了約4億元。 師：鳥巢去蓋后，在哪方面得到改善？ 生:成本降低 師：雖然去掉了蓋子，但鳥巢的外觀、設(shè)計理念都不會改 設(shè)計意圖：精選生活中系統(tǒng)優(yōu)化的案例來導(dǎo)入新課，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望，同時通過案例，讓學(xué)生感覺到系統(tǒng)優(yōu)化的意義。 案例：飛人劉翔 師：提到奧運會的主會館，就想到飛人劉翔在08年奧運會因為腳腱受傷遺憾退出賽場的情景，今年的全運會劉翔再次天證明了自己，劉翔在這次全運會中以多少秒奪冠？ 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

7、海平教練的訓(xùn)練方法是分不開的，孫海平對劉翔的訓(xùn)練方法在不斷的優(yōu)化調(diào)整，孫海平教練說“思索出劉翔訓(xùn)練的新思路，這比什么都有意義”，你認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：對于城市道路擁擠的問題，大家會想到什么解決方案？ 生：擴建道路？ 師：但這種方法不僅造價昂貴、破壞城市環(huán)境，失去了我們優(yōu)化的意義，我們可以通過優(yōu)化交通信號的控制。 (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)模“綠色發(fā)電”的先鋒，xx年美國

8、就安裝了約16億美元的風(fēng)力發(fā)電場，并還在逐漸加大投入，來了解一下風(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：殺蟲劑、方案2：種植殺蟲的植物……… 師：我們首先要對這個系統(tǒng)進行分析，系統(tǒng)分析的第一個環(huán)節(jié)就是明確問題設(shè)定目標(biāo)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)在遇到什么問題？ 生:葉片上的蟲子，使渦輪發(fā)電機的發(fā)電量由750千瓦降低到450千瓦。 師：問題明確了，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)電機上的蟲子， 師：我們明確目標(biāo)后，開始制定方案，我們來看一下我們班同學(xué)制定的方案， 我們這些方案有沒有條件的約束呢？ 方案1：噴灑殺蟲

9、劑，人工噴灑嗎？有沒有考慮到渦輪發(fā)電機的高度 師：我們還要充分考慮到這個系統(tǒng)的約束條件 1．氣候：全美風(fēng)力最強的地方 2．地勢：發(fā)電場位于沙漠的邊緣 師：制定這些方案后，我們現(xiàn)在就開始實施這些方案嗎？ 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，先用幾臺渦輪機進行試驗 明確問題 設(shè)定目標(biāo) 制定方案 推理試驗 最滿意解 驗證實施 明確約束條件件 師：試驗后，我們可以得到最滿意方案，我們就可以進行實施階段，每臺渦輪機實施最優(yōu)方案。這就是我們優(yōu)化的基本過程是： 師：我們來看一下，工程師們采用了哪種方案 師：播放視頻 生：觀看視頻

10、 師：工程師發(fā)電機上添加了清洗設(shè)備 設(shè)計意圖：通過分析“風(fēng)力發(fā)電”的案例，引導(dǎo)學(xué)生理解了系統(tǒng)優(yōu)化的一般過程，同時也理解的系統(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，同時也培養(yǎng)了他們節(jié)約能源的意識。 2.案例：利潤問題 師：剛才“風(fēng)力發(fā)電”的案例我們是采用推理、實驗的方法，是屬于定性的分析方法。在生活中，純定性分析是不夠的，我們來看第二個案例“利潤問題”。 生：閱讀書上的案例 師：同學(xué)們看到這個問題，馬上想到用什么方法來解決 生：用數(shù)學(xué)上的函數(shù)(線性規(guī)化) 明確問題 設(shè)定目標(biāo) 設(shè)定約束條件

11、目標(biāo)函數(shù) 求解 驗證 實施 獲得最大利潤 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，請你將最主要的約束條件與目標(biāo)函數(shù)式聯(lián)系起來，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)椅子所需工時少利潤大，生產(chǎn)桌子所需工時多利潤反而??！生產(chǎn)的椅子越多利潤越大。 教師：那我們干脆不生產(chǎn)桌子了，專門生產(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)多少張？ 學(xué)生：13張！

12、 教師：8張桌子，13張椅子。把你們經(jīng)過一番分析計算選擇的這兩個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)計意圖：“利潤問題”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)會用線性規(guī)劃的方法來解決這個問題，所以在這個案例主要讓學(xué)生要用系統(tǒng)的分析方法分析問題，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，我們看這個案例 某配送中心位于A點，現(xiàn)在將一批電視機等家用電器配送到B、C、D處的3家商場，運貨車從A點出發(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

13、的方向，無箭頭的線表示可以往返的線路。 師：說說你的解決思路 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：這個案例，我們制定好方案后，再用數(shù)學(xué)的方法計算，就是定性和定量相結(jié)合的方法。 設(shè)計意圖：這是流程優(yōu)化中的一案例，這個案例是通過優(yōu)化流程來優(yōu)化案例，通過這個案例，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 問題：隨著汽車普通率的提高，我們周圍的交通逐級逐漸惡化，一所小學(xué)門前的

14、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，說明這所小學(xué)的特殊位置，播放一段小學(xué)放學(xué)時的一段片段。 生：分組對系統(tǒng)進行分析，并且討論可行的方案 生：展示方案，教師精講點撥 師：對其他組的方案進行推理、判斷，選出可行的方案 生：對其他的組的方案進行推理 師：展示現(xiàn)在正實施的方案，現(xiàn)在的方案偶爾還會出現(xiàn)堵車的現(xiàn)象，所以大家提供的方案也是非常有價值的，回到連云港后我一定將大家的方案推薦給有關(guān)部門。 (四)總結(jié) 最優(yōu)化方法是系統(tǒng)學(xué)中的一個重要方法，它通常是指在一定的人力、物力和財力資源的條件下，使取得的效果(如生產(chǎn)產(chǎn)值、利潤、效益等)達到最大，而投入(如能源、資金、人力、時間等)達到最小的一種方法。 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 堅持系統(tǒng)整體的最優(yōu)化。運用好權(quán)衡理念，舍卒保車，棄車保帥，這是為了保證對弈的最終勝利。 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)化是具有相對性的，要遵循系統(tǒng)的動態(tài)觀點，推動系統(tǒng)不斷進步。