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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：（鳳凰國標教材）普通高中課程標準實驗教科書 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 第三節(jié) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋 課 時：第3課時 一、教學目標 1. 知識與技能目標 (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)中的應用。 2. 過程與方法目標 (1) 通過“汽車全自動駕駛”與“人工駕駛”的類比分析理解功能模擬方法。 (2) 通過“挑椰子”“判別計算機性能”等案例的分析，了解黑箱方法的應用。 3. 情感態(tài)度和價值觀目標 (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的滲透到今后的問題分析當中。 二、教學重點 功能模擬方法與黑箱方法在控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析中應用。 三、教學難點 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)計與分析中應用。。 四、教學方法 教授、案例分析、任務(wù)驅(qū)動。 五、設(shè)計思想 1. 教材分析 本課是《技術(shù)與設(shè)計2》的第四單元“控制與設(shè)計”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控制”的比對案例來說明功能模擬方法。溫度能自動控制的加熱爐系統(tǒng)在上一課時是已經(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”配對比較。但考慮到“加熱爐”對學生來說還是比較陌生，所以在上課時不采用這個案例，而是改用“人工駕駛與自動駕駛汽車”的案例做比對。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現(xiàn)對人腦的模擬的“國際象棋人機對弈”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行分析，可使許多繁雜的問題簡單化，它是認識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，而這些都是學習探討功能模擬方法與黑箱方法的前提基礎(chǔ)。 2. 設(shè)計理念 功能模擬方法是仿生學中的一種常用研究方法，在控制領(lǐng)域應用廣泛，它也為人工智能研究的提供了科學方法。在平時進行方案構(gòu)思時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，這一點在上課時是一定要學生清楚的。本節(jié)教學的主體任務(wù)是使學生理解并掌握兩種分析、設(shè)計控制系統(tǒng)的思想方法，最終能對兩種方法做簡單的應用。為了讓學生易于理解就必須盡可能的多使用案例，且是學生熟悉的案例，案例既有文字性也有圖片式的。 3. 學情分析 在此前，學生學過了開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，對開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成也都有了一定的認識，這些再加上學生的生活經(jīng)歷都是學習本節(jié)的前提基礎(chǔ)。“人工駕駛汽車”“中醫(yī)看病”“挑選西瓜、椰子、電視機”以及“機器人”都是學生熟悉的案例，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，但對于功能模擬方法的理解還是有一定難度的，所以在實施教學時需要想辦法去突破。 4.教學策略設(shè)計 先以“人工駕駛汽車”的方向控制問題做導入，分析汽車的行駛方向是如何受到控制的，接著投影“全自動駕駛汽車”案例，比較前后兩種行駛方向的控制，知道“全自動駕駛汽車”中控制器代替了人腦的轉(zhuǎn)向控制功能，執(zhí)行器代替了人手實現(xiàn)車把轉(zhuǎn)向功能，檢測裝置代替了人眼實現(xiàn)路況識別功能。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“下象棋機器人”，也請學生試列舉類似的案例，（會騎自行車的機器人、會拉提琴的機器人……）接著讓學生閱讀第115頁的“閱讀”材料，以加深對“功能模擬方法”的認識。接著設(shè)置一道與功能模擬方法相關(guān)的練習題試做。 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等方法就可以認識事物，這種方法就是黑箱方法。接著請三位同學上臺試判別兩個椰子的老嫩情況，這是跟挑西瓜類似的一個試驗，旨在提升學生的感性認識。之后再請全體同學一起討論“如何簡單判別一臺計算機的性能”、“試判別教室中的擴音機的擴音是否正?！?，這都是黑箱方法的具體應用。最后的再安排教材P116頁的“馬上行動”作為課后作業(yè)。 六、教學準備 1. 教學資源的準備 多媒體教學設(shè)備、教學課件PPT、椰子（2個）、（教室的）擴音設(shè)備等。 2. 教學課件的準備 教學課件力求簡潔，抓住關(guān)鍵知識點，突出中心。 七、教學過程 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。下面我們來看兩個案例： （投影：手動駕駛汽車和自動駕駛汽車圖片） a. 手動駕駛汽車 b. “斯坦利”無人自動駕駛汽車 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現(xiàn)控制的？ 學生：（在手動駕駛的案例中，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；在自動駕駛案例中，檢測裝置檢測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)整方向盤從而實現(xiàn)行駛方向的控制） 2.新課 教師：在這兩案例中，相應的自動駕駛系統(tǒng)的檢測裝置代替人眼檢測路面狀況的功能，控制器代替了大腦的功能，執(zhí)行器代替了人手的功能。象這個有用有相似功能的機器模塊代替了人來實現(xiàn)對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。就如雷達和蝙蝠，雷達就具有可發(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)上模擬人的大腦進行思考的問題，因為人的大腦太復雜了。在沒有徹底弄清人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機理的情況下，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，實現(xiàn)對人腦的模擬。 我們來看一則報道（投影） “據(jù)俄羅斯《莫斯科時報》6月10日報道，俄羅斯總統(tǒng)的首席經(jīng)濟顧問達瓦科維奇9日晚上戰(zhàn)平國際象棋機器人，比賽結(jié)果為1勝1負。 達瓦科維奇同時也是俄羅斯國際象棋協(xié)會主席，他承認這是他第一次有勇氣和機器人比賽。參賽機器人是俄羅斯工程師用最先進的技術(shù)制作的，它能用一只長約1米的手臂移動象棋，并同時與3個人比賽。設(shè)計師很自信地說，從理論上來說它是無法被擊敗的。 這次機器人同時與達瓦科維奇、國際象棋大師伊戈爾和7歲的象棋女神童阿琳娜一起下5分鐘的快棋賽。達瓦科維奇賽前和現(xiàn)場的觀眾及記者說：‘這個機器看起來不像人類，但棋下得比人好?！? 教師：國際象棋機器人具有與人腦類似的邏輯判斷功能，能模擬棋手的思維、動作與人下棋。工程師在設(shè)計這些機器人時就使用了功能模擬法。 3.學生任務(wù)一 （1）用一分鐘閱讀P115頁的“閱讀”材料。 （2）判別下列案例是否涉及到功能模擬方法。 會騎自行車的機器人 會拉提琴的機器人 機器人保姆 4.新課繼續(xù) 教師：假如你要去選購西瓜，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？ 學生：（看、摸、敲、聽、掂……） 教師：很好！現(xiàn)在我就想請大家試一下，盡管我手頭沒有西瓜，但卻有兩個椰子。（展示）請幾位同學過來幫我判別一下哪個椰子可能會好吃一些?你是根據(jù)什么來差別的？ 學生：（試辨別……） 教師：說明大家的生活經(jīng)驗是非常豐富的！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等方式來認識事物的內(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，通過對系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進而推斷系統(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)是我國幾千年傳承與發(fā)展下來的一門獨特醫(yī)學，是我們的國粹。中醫(yī)看病是通過什么方式來完成的呢？ 學生：（望、聞、問、切……） 教師：說得好! 了解了什么黑箱方法及其作用后，下面就讓我們試用黑箱方法去分析某些案例。 5.學生任務(wù)二 （1）怎樣簡單判斷一臺計算機的性能？ 學生：（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)計軟件、大型游戲等……觀察計算機的運行情況） （2）試判別教室中的擴音機的擴音是否正常？ 學生：（請學生到講臺試操作再回答） <用影碟機或mp3播放器播放音樂，把音樂信號輸送給擴音器，調(diào)節(jié)擴音器音量，辨聽從音箱輸出的音質(zhì)；或是將擴音器的音量調(diào)到比較大的位置，用手或鑰匙碰觸音頻輸入線，細聽音箱中是否有雜音出現(xiàn)，如有則說明擴音器是好，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，通過對系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進而推斷系統(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、分析常用到的方法，在我們的生產(chǎn)生活中應用得廣泛。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頁的“馬上行動” 八、 教學反思 通過對大量的生活化案例的分析來突破重難點是本課的一個設(shè)計要點，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“會騎自行車的機器人”、“會拉提琴的機器人”、“機器人保姆”、“選椰子”、“簡單判斷計算機的性能”、“判別擴音器擴音功能的好壞”等案例，從而使本課內(nèi)容充實有加。但案例多了又變成課堂時間不足，所以還得做些調(diào)整。