資源簡介

通用技術 必修 技術與設計2
第三章　系統及其設計
第四節　系統的設計
教學背景
黨的二十大報告指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略”。
通用技術是一門與科學技術息息相關的學科。回顧人類的發展歷程，從石器時代、青銅時代、蒸汽機時代直到當今的信息時代，技術進步改變著人類的生活和生產方式。我們的生活、工作、生產處處都要用到技術，例如我們手中拿的圓珠筆和鋼筆就是多次技術改造的結果，使我們足不出戶就可以了解世界的電視機也是技術發明的成果。認識技術、善用技術，已成為現代人必須具備的素質。
教學目標：
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。
能分析、總結、歸納處系統設計的方法。
經歷將基礎知識應用于技術實踐和創新的過程，同學們會養成實事求是、精益求精的習慣，能運用規范的技術語言和設計制作方法去解決一些實際的技術問題。
教材分析
這節課內容主要介紹系統設計的基本方法。
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。
學情分析:
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。
教學重難點:
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。
教學策略:
本節課教學主要由教師通過實物圖片和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中自主探究、自主建構設計原則知識并形成能力。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習通用技術 必修 技術與設計2第三章系統及其設計
第四節系統的設計。
被譽為“天眼”的500m口徑射電望遠鏡(簡稱FAST)(圖3-36)于2016年9月25日在貴州省平塘縣大窩凼洼地正式落成啟用。
FAST的首要目標是尋找脈沖星。通過建立脈沖星鐘實現深空探測和星際自主導航，同時還可以應用于探索宇宙起源、測控空間飛行器、搜尋地外文明等。為此，“天眼” 必須符合大、活、精三個要求。FAST是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡，口徑達500 m，反射面面積達25萬m2，它可以捕捉到遠在137億光年以外微弱的電信號；FAST是世界上第一個可主動變位的望遠鏡，500 m口徑的結構要控制在毫米級的精度。
FAST建成，承載了我國科學技術工作者22年艱苦卓絕的努力。首先是找一個合適的“眼窩”。科學家們提出利用天然的喀斯特洼地作為臺址的大膽設想，然后從上萬個“窩”開始，通過大量查閱資料、建模分析、實地勘察等方法層層篩選，最后確定在地理位置、地貌和地質結構都符合要求的大窩函。
FAST由主動反射面、饋源接收、測量與控制等子系統組成。主動反射面是“天眼”的核心組成部分，圈梁是“眼眶”，周長1.6km，它被50根長度不等的鋼柱支在半空。6670根主索組成巨大的格構式索網，網格向上延伸“咬住”圈梁，索網有2225個主索節點及數量相等的下拉索。織完巨網，再把精心設計、制作好的4 450個反射面板鋪滿索網上面。圈梁與杜子之間通過可動的支座連接，有利于望遠境調整角度。主索節點下方連接著下拉索以及用地錨周定的促動器，控制著索網的形狀，帶動4 450個反射單元使“天眼”聚焦，整個變形過程由激光定位校準。
主動反射面是FAST自主創新的系統，索網是目前世界上跨度最大、精度最高、第一個采用變位工作方式的索網體系。FAST這一大科學工程的落成使用，對我國在科學前沿實現重大原創突破，加快創驅動發展具有重要速義。
導學思考
研制FAST的目標是什么 科學工作者怎祥實現這一目標
系統設計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向題。
系統設計特別強調：
1.以實現系統整體功能最優為目的。
2.設計好系統的每個要點和子系統。
3.綜合考慮系統各個部分（要素）之間的聯系，合理解決它們之間的矛盾沖突；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。
一、系統設計的基本方法
在教師的指導下，運用物理和數學等有關知識，分析水火箭發射、飛行的基本原理，設計、制作及發射水火箭，并由此歸納簡單系統設計的基本方法。
實踐
水火箭的設計
水火箭設計的總目標及性能指標
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。
調查研究，對水火箭進行系統分析。
1.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。
系統設計的基本方法
確定系統設計的總體目標及性能指標
基本的設計分析
1.系統設計的約束條件。
2了解系統設計的基本原理。
2.水火前飛行的基本原理分析
（1）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。
（2）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，如圖3-37所示。
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。
初步方案設計
水火箭系統如圖3-38所示（參見教材P110）。
制訂設計方案
1.確定系統的結構組成
2.子系統設計及功能確定。
思考:
(1)什么形狀的箭體能減少水火箭飛行時所受的空氣阻力
(2)箭頭應設計成什么形狀 為什么
(3)箭頭越輕越好嗎
(4)為何要裝上箭翼
(5)箭翼的形狀、大小怎樣才合適 為什么
系統總體技術設計
合理解決子系統（要素）之間的矛盾沖突，加強系統內部、 系統與環境之間的協調配合。
組裝及測試
按設計方案組裝水火箭并進行飛行測試。
影響火箭飛行的主要因表分析
1.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。
系統的優化
1.分析影響系統優化的主要因素，提高系統的整體運行效果。
2.設計方案不斷驗證和完善。
系統的評價及改進
通過多次實驗，比較（表3-9），獲得氣壓和水最合適量。
表3-9 水平射程與水量、氣壓的關系（發射仰角45°）
實驗序號 水量／ｍｌ 氣壓／ｐａ 水平射程／ｍ
2.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（圖3-40）。
通過多次實驗、比較，獲得最佳發射仰角（表3-10）
表3-10 水平射程與發射仰角的關系（規定水量和氣壓）
實驗序號 發射仰角／（°） 水平射程/m
方案實施及改進
發射水火箭，并對其安全性、功能性等方面進行評價。在完善單級水火箭的基礎上，進一步設計多級水火箭，并實現自動脫落，多級水火箭完好回收。
案例
簡單的雨水收集系統方案設計
水是生命之源，人類的生存和發展都離不開水。然而水資源短缺已成為全球關注的嚴峻問題。為了堅持可持續發展，為了堅持節約優先、節能減排，某學校組織了雨水收集利用方案的征集活動。
一個學習小組的同學經過調查發現，學校附近的公園在大雨過后，路面常有大量積水，于是決定設計收集雨水灌溉公園綠地的方案。他們分頭查閱雨水收集的技術資料，請教專業人士，進行基本的設計分析，提出了設計方案。
方案包括雨水收集、雨水凈化、雨水存儲、雨水利用四個部分。
1.雨水收集
在道路下面的草地上設置沉沙井，上面蓋上水篦子，沉沙井與就近暗溝相連。道路雨水經過集水溝，由水篦子流入沉沙井，再進入暗溝，最后流入蓄水池（圖3－41）。
2.雨水凈化
路面雨水中會帶有泥沙和垃圾，對雨水凈化時，首先使雨水經過水篦子進入沉沙井，經過初步過濾后，再流入暗溝進一步進行過濾、凈化。過濾、凈化方式是在暗溝內部按照水的流動方向，依次填充滲透系數遞減的粗礫、沙礫、石英砂對雨水進行過濾、凈化。暗溝除了具有雨水凈化的功能之外，還有排水的功能，是連接沉水井與蓄水池的唯一途徑。水流是否暢通，與暗溝的設計有很大關系。設計小組成員分別提出了三種暗溝設計方案。
方案一：暗溝設計呈現柱狀體，水平設置與蓄水池上部相連接（圖3－41）。
方案二：暗溝底部設計呈一定坡度向下逐漸擴展，與蓄水池相連（圖3－42）。
方案三：暗溝設計得向兩側逐漸擴展，底部呈一定坡度向下逐漸擴展，與蓄水池相連（圖3－43）。
大家對三個方案進行分析比較，認為方案一只考慮了暗溝與蓄水池的連接，忽略了暗溝對水流的阻力。方案二中暗溝設計的底部有一定的坡度，有利于雨水流向蓄水池。同時還考慮了填棄物對水流的阻力，設計增大了暗溝的橫截面積。方案三暗溝設計橫截面面積更大，比方案二更優，所以決定采用方案三進行設計。
3.雨水存儲
為了不影響綠地的景觀，在地下設置蓄水池，蓄水池體積大小根據四周路面面積、降水量等因素來確定。
4.雨水利用
在蓄水池下面設蓄水池，當需要灌溉時將收集的雨水抽到地上，用于綠地的灌溉。
初步設計方案完成后，同學們進一步討論研究，對系統加以改進。由于當地夏天雨量特別大，容易造成蓄水池溢水，于是在蓄水池上安裝水位監控系統。當蓄水池水位過高時，則開始排水，利用于公廁沖洗等。
立即行動
試從“簡單的雨水收集系統方案設計”中理解簡單系統設計的基本方法，并填寫在表3-11中。
表3-11 系統設計的基本方法
明確設計總體目的及要求
調查研究，進行基本的設計分析
系統的設計 系統整體組成
子系統的設計
系統總體技術設計
系統的優化
系統的評價
實踐
氣墊船模型設計及制作
目的及要求
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，增強運用系統思維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同進度。
設計過程
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
(1)每個子系統的功能、子系統和系統整體的相互聯系。
(2)各元素選擇，比例和配置（船殼、電動機、螺旋槳、電池等的選擇）。
(3)周圍環境和條件對系統的制約。
(4)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。(5)節能、經濟原則。
2.繪制氣墊船模型的簡單設計圖紙，有條件可運用計算機教件CAD繪制。
3.列出所用材料（器材） 清單。
收集意見，什化設計方案。
評價與小結
1.以班級為單位，分別劉各小組的設計方案進行評價。
表3-12 設計力案評價參考
評價指標 小組自評 小組互評 教室評價
團隊合作
功能實現
元素選擇、比例和配置
安全、環保
經濟、節能
美觀
設計特色(創意)
設計圖紙
其他
說明：
師生共同討論到出評價指標，并對評價指標進行細化、完善。
為不同的指標確定不同的權重。
2.比較各小組的設計方案，分別列出各個方案的優點（創新點）和不足，并提出改進建議。
表3-13 各小組設計方案的評價
方案序號 優點(創新點) 不足 改進建議
討論、思考、形成小論文。
每位同學組織一篇小作文，可以從不同的方面進行展開。
完成后，與同學們進行討論、分享。
課后作業
1.看一個房間的平面圖，要在其中擺放床、寫字臺、書衣柜等家具（尺寸附后)，請合理安排擺放合置，并說明這行擺放的合理性。
2.仔細觀看某校園的布局設計圖，你覺得合理嗎 如有不合理之處，請說明理由并進行設計優化。
3.設計并用木板制作一個三葉形（或者香蕉形）回旋鏢（飛去來器）。

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