資源簡介

《閉環控制系統的干擾與反饋—反饋》教學設計
《閉環控制系統的干擾與反饋—反饋》選自高中通用技術蘇教版必修2第四單元《控制與設計》第三節。反饋及閉環控制系統的工作原理和過程，這既是本節的核心和重點，也是本單元的核心和重點。教材首先對控制系統的“反饋”概念進行了界定：將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程。為了更好地理解這個界定，教材對多個實例的控制過程進行了分析，有人工控制系統也有自動控制系統，并進一步說明了反饋是閉環控制系統形成的必備條件。教材又用了“水位控制”和“爐溫控制”這兩個簡單而又典型的控制實例，使學生能比較好地理解閉環控制的基本工作過程：測量輸出量，并將其反饋到輸入端并與輸入指令進行比較，得到誤差信號，系統根據誤差信號進行相應的控制去改變系統的輸出，使之向期望值趨近，直到系統的實際輸出與期望的輸出量相符，誤差信號為零時，控制過程結束。在閉環系統與開環控制系統的比較中，需要從多方面進行權衡，選擇合適的控制系統。最終，達到讓學生熟悉閉環控制系統中反饋環節的作用，掌握這一核心概念。
二、學習者分析
本節課的授課對象設定為高一學生。學生在生活中已經對于控制系統有所了解，并且剛完成了系統控制方式和手段的學習，具備了足夠的基礎知識去更深刻地理解反饋概念。同時經過“溫度控制”和“水位控制”等多個實例的學習，對于閉環控制系統有了一定的了解，基本具備了閉環控制系統主要環節和工作工程的知識。而反饋作為一獨立概念初次與學生接觸，對學生的認知能力或多或少做出一定的要求。不過學生的通用技術核心素養已經有了一定的發展，思維方式已經較為嚴謹，對通用技術在生活生產中發揮的作用有著濃厚的興趣，將具有較高的探究熱情及學習興趣。
三、教學目標
結合通用技術學科課程深化改革，以及教學觀念的發展，以通用技術核心素養的培養為出發點，本節內容教學目標制定如下：
【知識與技能】
1．熟悉閉環控制系統中反饋環節的作用。
2．熟悉閉環控制系統的工作過程。
3. 知道閉環控制系統的核心是反饋。
【過程與方法】
1．通過實例演示，借助直觀感受鍛煉技術意識。
2．在參與到閉環控制系統工作過程的分析中，物化能力得到提升。
【情感態度價值觀】
由合作探究反饋原理，滲透通用技術方法教育，培養團結合作精神、協作意識，及敢于積極探索的嚴謹學習品質。
通過對閉環控制系統在生活和生產中應用的認識，感受技術帶來的社會變革，體會到通用技術在社會發展歷程中的巨大作用。
四、教學重難點
基于上述教材分析和學習者分析，依據高中通用技術課程標準，確定教學重難點如下：
【重點】反饋與閉環系統的工作原理；開環控制系統與閉環控制系統的選用。
【難點】閉環系統的工作原理。
教學方法
為把握重點，化解難點，完成教學目標，培養學生通用技術學科核心素養，本課將主要采用實踐、講授法、問題教學法、小組討論法等教學方法，從夏日常用的冰箱溫度控制系統的生活實踐出發，結合學生自己的觀察及試驗操作，引人眼球，設置疑問，引發學生學習興趣，初步了解閉環控制系統的工作過程；通過水位控制和爐溫控制兩個實例分析，得出反饋這一核心概念。接著，通過實驗讓學生自主探究光的干涉所遵循的規律。最后由學生很據光的干涉規律揭秘引入情境，前后呼應，增加趣味，又使學生對光的干涉的規律加以鞏固和提高。
教學過程
1.真實演示，趣味導入新課
在課堂中與學生共同演示冰箱溫度控制系統，增加趣味性。以學生在生活中常見的冰箱溫度控制系統，產生疑惑，激發尋求答案的強烈學習、探究欲望。教師需要詳細介紹冰箱控制系統的主要組成部分，比如感溫包隨溫度如何變化、壓縮機在怎樣的條件下接通等。
【實驗名稱】冰箱溫度控制系統演示
【實驗原理】當電路斷開時，壓縮機停止工作，壓縮機停止工作時，冰箱內氣溫升高，傳動膜片向左運動，導致壓縮機工作。壓縮機工作時，連續制冷，冰箱內溫度降低，氣體體積縮小到一定值，壓縮機停止工作。如此反復，使電冰箱內溫度保持在設定范圍內。
【實驗器材】電冰箱溫度控制系統演示板（自制），電吹風機（升高溫度），酒精棉（揮發散熱）
【實驗步驟】
如圖1所示，教師介紹演示板主要部件的功能，一位學生協助演示，其他學生做好準備觀察指示燈以及連桿運動情況。
圖1.電冰箱溫度控制演示板（自制）
教師講解主要控制過程，指導學生展開演示過程。
學生利用電吹風升高感溫包（針筒）溫度，用手指快速感受溫度變化；利用酒精棉擦拭針筒降低溫度，并再次用手指感受溫度變化。
教師引導其他學生描述冰箱溫度控制過程。
課堂開始先讓學生大致了解冰箱溫度控制，介紹準備好的演示板教具，并找一位同學配合，一邊操作，一邊介紹溫度控制系統的關鍵特點。教師詳細指導，協助的同學在儀器旁邊仔細觀察。其他同學仔細觀察試驗現象，確保演示的參與。
教師通過此控制系統提問：感溫包（針筒）部分如果沒有了還會將溫度控制在一定范圍內嗎？既然如此，這一部分有什么作用呢？通過課堂展現生活情境，并對情境進行剖析，運用學生挑戰、解密心理，激發學生興趣，自然引入課題的同時，使學生產生強烈學習動力。豐富課堂中的教材情景，學生密切接觸閉環控制系統，大致了解閉環控制特點，從而進入課題探究。
2.抽水馬桶，引發思維風暴
對于學生已有的檢測反饋觀點進行再次實例認證，產生認知加強。水位控制是之前教學過程中多次出現的控制系統，在已有的基礎上，繼續開展探究，多類型和實物演示可以拓展豐富學生的感受。抽水馬桶的水位控制以及電子控制的水位控制系統這兩組實例可以通過多媒體制作的微課和實物演示的方式進入課堂，學生可以自找觀察角度，得到最佳感受，引起疑惑。學生通過觀察可以自己驗證觀點：將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程。
【微課名稱】閉環控制系統——抽水馬桶
【微課思路】當今世界上，抽水馬桶已被公認為“衛生水準的量尺”。英國人發明抽水馬桶是對人類社會的一大貢獻。其基本原理是利用水的重力，將水的勢能轉換為水的動能，從而裹挾著排泄臟物進入下水管道。抽水馬桶儲水桶水位控制在控制過程中就顯得尤為重要。
【微課演示】
教師首先簡單介紹抽水馬桶也具有水位控制系統，要求學生在觀看的同時簡單思考其控制方框圖。
圖2. 抽水馬桶
觀看結束后，教師組織學生以學習小組為單位開展討論方框圖。
學生代表上臺為大家介紹自己的思路。
學生在必修1和必修2的學習過程中有相當大的思維鍛煉，獲得較強的探究能力，故可以比較容易地獲得結論。學生代表講述分析可以幫助其他同學也捋順思路，并提高加入課堂學習活動當中去。
3.控制剖析，感受分析過程
帶領學生進行理論推導，加深對于反饋概念的理解。而閉環系統中的反饋能夠有效克服控制過程中干擾的影響，因此通過實物的控制系統排除干擾因素的直觀因素的過程顯得十分必要。
【理論推導】
簡單的閉環控制系統的方框圖，理解其中的控制器、執行器等環節的作用，熟悉反饋環節的作用。閉環控制系統就是系統的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產生影響的控制系統。閉環控制系統是通過反饋環節克服干擾因素而使系統達到穩定。
圖3. 水位控制系統
教師的推導過程是十分有利于學生們加強鞏固，在教師的合理引導下，根據自主探究、合作交流的教學方法，激發學生學習興趣，使學生能積極主動地去探索、學習控制過程。學生學會求知、學會學習的核心是自主學習能力，在此次探究活動中將得到提升。
4.溫控案例，掌握核心反饋
在充分認識水位控制系統之后，自主整理微課及教材給出的資料，完成加熱爐溫控方框圖的補充，并且能夠將自己的分析思路講解給組內其他同學理解：在加熱鍋爐的溫度控制系統中，可能有那些干擾因素，系統如何克服干擾使爐溫穩定在給定范圍內？
干擾因素有加熱爐外的環境溫度變化、加熱器的電壓波動、爐壁自身溫度、爐內空氣溫度等。首先用熱電偶來代替溫度計來測量溫度的值，然后對溫度的比較，當小于恒溫箱給定時，就增大加熱裝置的電流；相反當大于恒溫箱給定時，就減小電流。這樣恒溫箱就能保持給定的溫度。
【討論主題】在出現干擾的情況下，開環控制系統和閉環控制系統哪種受干擾的影響小？為什么？
圖4.加熱爐
學生完成方框圖的總結后會對閉環控制系統的工作過程有更加大感受體會，更有興趣去掌握閉環控制與開環控制系統的比較分析。學生實戰操練，發散思維，幫助概念理解的同時，增加學習趣味，提升學習興趣。
5.開環閉環，比較收獲體驗
閉環控制系統與開環控制系統各有利弊，需要多方面權衡的前提下，我們才能做出更好的選擇。而在這比較的過程便是總結的過程，學生探索通用技術世界的奧秘，逐步構建自己對于控制系統的認知，會對自己的學習興趣產生巨大影響。
【知識梳理】
閉環控制：反饋控制，偏差控制，可以抑制內、外擾動對被量產生的影響。精度高、結構復雜，設計、分析麻煩。
開環控制：順向作用，沒有反向的聯系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結構簡單、調整方便、成本低。在精度要求不高或擾動影響較小的情況下，這種控制方式還有一定的實用價值。
教師可以要求學生就開環控制系統與閉環控制系統的聯系與區別，設計一個表格。表格，作為技術語言，既是一種可視化交流模式，又是一種組織整理數據的手段。人們在通訊交流、科學研究以及數據分析活動當中廣泛采用著形形色色的表格。在使用圖標分析總結的過程中，核心素養在此可以得到再次地加強。
6. 思維導圖，歸納提升自我
學生在學習過程中，對于知識的歸納整理是自我提升的重要手段。而思維導圖是表達發散性思維的有效圖形思維工具 ，簡單卻又很有效。思維導圖運用圖文并重的技巧，把各級主題的關系用相互隸屬與相關的層級圖表現出來，把主題關鍵詞與圖像、顏色等建立記憶鏈接。
【思維導圖】反饋、閉環控制系統
【知識概念】
①閉環控制系統中反饋環節的作用。
②閉環控制系統的工作過程。
③閉環控制系統的核心是反饋。
小組內繪制思維導圖，相互小結課堂知識、試驗過程、注意點及疑難解決，鞏固知識點、消除學困點，增加學生學習信心及對通用技術學習的熱情。
根據本節課的實例以及理論推導，學生學會分析閉環控制系統的工作過程，掌握反饋概念。教師通過課堂開始時的控制系統分析總結學生的思維導圖，使得本節課的結構更加完美。學生也能在整個課堂過程中充分體會通用技術在日常生活中的重要性。
七、 形成性評價
冰箱溫度控制分析：
當電路斷開時，壓縮機 （開始/停止）工作
壓縮機停止工作時，冰箱內氣溫 （升高/降低），傳動膜片向 （左/右）運動，導致壓縮機 （工作/停止）。
壓縮機工作時，連續制冷，冰箱內溫度降低，氣體體積 （膨脹/縮小）到一定值，壓縮機 （工作/停止）。
如此反復，使電冰箱內溫度保持在設定范圍內。
補充完整水位控制器的方框圖：
補充完整加熱爐框線圖并思考存在的干擾因素：
兩種系統類型的比較：
系統類型 開環控制系統 閉環控制系統
有無反饋
能否自動調節補償
控制精度
結構
思維導圖：
請選擇一個系統，分析其反饋檢測裝置，或自主設計一個檢測反饋裝置。
八、 板書設計
系統類型 開環控制系統 閉環控制系統
有無反饋
能否自動調節補償
控制精度
結構
真實演示，趣味導入新課
抽水馬桶，引發思維風暴
控制剖析，感受分析過程
溫控案例，掌握核心反饋
開環閉環，比較收獲體驗
思維導圖，歸納提升自我
直觀感受溫控系統
合作分析解決實際問題
自主探究驗證
統籌分析各有利弊
常見閉環控制
教師引導學生觀察，收獲切實體驗
學生合作回顧控制系統，權衡分析
閉環控制系統的干擾與反饋 反饋
反饋的含義 兩種系統類型的比較
將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸
入端并與輸入量進行比較的過程。
二、核心
反饋

展開更多......

收起↑