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(shū) 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(guò)程與方法目標(biāo)(1) 通過(guò)“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(guò)“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(wèn)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(lái)說(shuō)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(guò)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(lái)說(shuō)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(méi)有了。利用黑箱方法事物進(jìn)行分析，可使許多繁雜的問(wèn)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(kāi)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(guò)了開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)開(kāi)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)。“人工駕駛汽車”“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(guò)大量的生活案例讓學(xué)生在分析案例的過(guò)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(wèn)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(shuō)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(kāi)事物直接看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以通過(guò)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)音是否正常”，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(guò)程1.引入教師：上一課我們專門(mén)探討過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋問(wèn)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(lái)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(wú)人自動(dòng)駕駛汽車大家說(shuō)說(shuō)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(pán)；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(pán)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(lái)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(shuō)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(guò)能模擬人的動(dòng)作行為的各種模型，卻沒(méi)有解決從結(jié)構(gòu)上模擬人的大腦進(jìn)行思考的問(wèn)題，因?yàn)槿说拇竽X太復(fù)雜了。在沒(méi)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(shuō)，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(lái)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(wèn)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(shuō)，從理論上來(lái)說(shuō)它是無(wú)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(shuō)：這個(gè)機(jī)器看起來(lái)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(kāi)西瓜的情況下就可以選到好的西瓜？學(xué)生：（看、摸、敲、聽(tīng)、掂）教師：很好！現(xiàn)在我就想請(qǐng)大家試一下，盡管我手頭沒(méi)有西瓜，但卻有兩個(gè)椰子。（展示）請(qǐng)幾位同學(xué)過(guò)來(lái)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(lái)差別的？學(xué)生：（試辨別）教師：說(shuō)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(kāi)就可以判別它的內(nèi)部情況。像這種不需要把事物打開(kāi)觀看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)觀察或試驗(yàn)等方式來(lái)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(guò)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(lái)解決問(wèn)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(lái)的一門(mén)獨(dú)特醫(yī)學(xué)，是我們的國(guó)粹。中醫(yī)看病是通過(guò)什么方式來(lái)完成的呢？學(xué)生：（望、聞、問(wèn)、切）教師：說(shuō)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?.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(lè)，把音樂(lè)信號(hào)輸送給擴(kuò)音器，調(diào)節(jié)擴(kuò)音器音量，辨聽(tīng)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(tīng)音箱中是否有雜音出現(xiàn)，如有則說(shuō)明擴(kuò)音器是好，否則是有問(wèn)題的。>6.課堂小結(jié)本課在大家的共同努力下，通過(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)對(duì)大量的生活化案例的分析來(lái)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。