資源簡介

第四節：系統的設計
一、學習目標
1.理解系統設計的基本方法，能綜合運用所學知識按要求進行系統設計。
2.能分析、總結、歸納處系統設計的方法。
二、素養目標
技術意識：能綜合運用所學知識按要求進行系統設計，并在技術實踐活動中，能整合應用人文、科學、社會等方面的知識。能針對系統技術問題解決實例，設計試驗方案，撰寫試驗報告，掌握系統設計的一般方法，形成基本的系統設計能力，具有良好的整體觀念和親近技術的情感。
工程思維：能分析、總結和歸納出系統設計的方法，并能運用系統原理和系統分析方法，進行簡單的技術設計活動；在進行系統設計時，嘗試運用模擬試驗或數學模型來考慮各種影響因素，并開展決策分析和性能評估。能在系統設計實踐活動中，繪制規范的設計圖，形成良好的設計習慣；根據設計方案選擇材料和工具，確定方案實現的時序和工序，能完成模型或原型的制作，并對其進行簡單的技術指標檢測。
三、重點、難點
重點：了解系統設計的基本方法。
難點：運用系統設計的基本方法，對紙火箭系統進行設計制作。
四、教材情況
本節要求學生通過水火箭的設計、制作、測試和發射活動，初步學會運用系統設計的基本方法，并把系統的思想和方法延伸到生活與學習當中，培養學生科學分析的態度和勇于創新的精神。本節是整章的總結，也是前面三節內容的綜合運用。
五、學生情況
通過這一段時間的學習，學生已經掌握了系統的思想和方法，為進行系統設計奠定了基礎，學生也有了進行系統設計實踐的愿望。這節課主要介紹系統設計的方法，并通過具體的系統設計實踐活動，引導學生進一步運用系統設計的方法去解決實際問題。
六、教學過程
1.新課引入
播放中國“天眼”的建造過程。思考：研制“天眼”的目標是什么 科技工作者是怎樣實現這一目標的
是在系統分析的基礎上設計出滿足預定目標的系統的過程。除了遵循設計的一般過程、原則和標準外，還強調分析思維和綜合思維相結合，注重在考慮整體的前提下具體研究解決局部問題。系統設計特別強調：
（1）以實現系統整體功能最優為目的。
（2）設計好系統的個要素和子系統。
（3）綜合考慮統各個部分（要素）之間的聯系，合理解決它們之間的沖突，注重系統與環境、部分（要素）與整體之間的協調。
（4）設計方案的分析、比較和優化。
思考：神舟七號載人航天飛船的成功發射和回收，是在對整個載人航天系統進行分析的基礎上設計的結果，其中運載火箭起到關鍵性作用。今天，我們通過水火箭的設計和制作，簡單地重現這一系統設計過程(出示紙火箭實物模型)。
2.系統設計的基本方法（水火箭的設計與制作）
（1）水火箭設計的總體目標及性能。
要求：用一個容量為2L的飲料瓶制作氣壓式噴水推進火箭。火箭射高(即上升到最高點時的高度 )大于8m，射程大于22m。對水火箭飛行的外部環境調查分析：受力狀況：重力、空氣動力(包括空氣阻力)。天氣狀況：風向、風速、雨、雪等。地理環境：發射點高度、目標點高度等。
（2）水火箭飛行的基本原理分析
動力來源：水火箭發射時，加壓的水從箭體尾部高速噴出產生反沖推力，推動水火箭飛行。
飛行軌跡：在各種力(主要是推力、重力、空氣動力)的作用下，水火箭飛行速度不斷變化，并形成了一定的軌跡—彈道，以上分析可知，增大水火箭飛行的反沖推力，減少水火箭飛行的空氣阻力，是提高水火箭飛行效果的關鍵。
（3）影響水火箭飛行的主要因素分析
動力艙內氣壓、水量與水火箭射程及飛行高度的關系。動力艙氣壓越大，水噴射的速度越大，反沖推力也越大，水火箭飛行速度就越快，飛行高度就越高，射程也越遠。但如果氣壓過大，超出艙體的承受能力，就會引起爆裂，必須十分注意安全。
在一定的范圍內，動力艙內水越多，水火箭獲得的能量就越大，射程就越遠，飛行高度也越高。但如果水量過大，當動力艙內、外氣壓差降至零，噴射停止時，艙體仍殘留一定的水量，會增加水火箭的質量，使水火箭受重力的影響提前墜落。所以，只有當水火箭動力艙內的氣壓與水量恰當時，水火箭才能飛得更高、更遠。通過多次實驗、比較，獲得氣壓和水最合適量如下表。
（4）組裝與測試：按照設計方案組裝水火箭并進行飛行測試。
（5）系統的優化：分析影響系統優化的主要因素，提高系統的整體運行效果；設計方案不斷驗證和完善，系統的評價及改進。
（6）發射仰角對射程及飛行高度的影響
水火箭發射彈道與拋體運動理論密切相關。在理想的情況下、發射仰角為45°時射程最遠。但在實際發射中，必須考慮空氣動力和其他因素的影響。當發射仰角太小時，水火箭向上的分力不大、爬升高度不大，由于重力影響，容易墜落、使射程縮短。而當發射仰角太大時，水火箭向上的分力雖大，但向前分力太小，致使出現“高而不遠”的情況。實際上最優的發射仰角往往比45°要大。
2.簡單系統的設計
通過具體的設計活動，進一步理解和運用系統設計的基本方法，增強運用系統思考和工程思維解決實際問題的能力。
繪制簡單的設計圖紙。
以小組為單位，分工合作完成。每3-5人為一組，明確任務分工及設計時間進度。
設計分析
設計目標及要求：討論并列出總體目標和具體性能指標。
調查研究，收集相關資料。
（1）了解設計對象可利用的資源、條件。
（2）收集、整理有關技術資料。
設計初步方案。
（1）綜合考慮。
每個子系統的功能、子系統和系統整體的相互聯系。
各元素選擇、比例和配置(船殼、電動機、螺旋槳、電池等的選擇)。
周圍環境和條件對系統的制約。
安全、環保因素，避免設計的隱患及系統對人體健康和環境的不良影響。
節能、經濟原則。
繪制氣墊船模型的簡單設計圖紙，有條件可運用計算機軟件CAD繪制。
列出所用材料(器材)清單。
收集意見，優化設計方案。
七、教學反思
本節內容以實踐活動為主，由于內容的技術性比較強，需要教師進行較詳細的講解，講授過程中應該結合技術實例展開教學，步步推進，以達到教學目標，讓學生在思考、討論和相互交流的過程中學會系統設計方法的應用。
水火箭設計與制作是學生比較感興趣的活動主題，但對部分學生來說難度較大，需要用到物理和數學等方面的知識，其原理和制作過程都需要教師的詳細講解與指導。所以，在任務的布置和落實上，教師要根據學生的實際水平，靈活安排和適當處理課時內容。

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