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第三單元 系統及其設計 課件(共42張PPT)-2023-2024學年高中通用技術蘇教版(2019)必修《技術與設計2》

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  1. 二一教育資源

第三單元 系統及其設計 課件(共42張PPT)-2023-2024學年高中通用技術蘇教版(2019)必修《技術與設計2》

資源簡介

(共42張PPT)
第三單元 系統及其設計
課標導引
考點 課標要求 學業水平要求
系統及其特性 (1)認識系統及其構成 (2)辨析系統的基本特性 從技術應用的角度理解系統的含義、基本構成及主要特性
水平二
水平二
系統分析與設計 (1)探究系統分析的一般過程和基本方法 (2)體驗簡單系統設計的過程 通過對簡單系統的設計實踐,學會簡單系統設計的一般過程,結合實例學會系統分析的基本方法,增強系統與工程思維的能力
水平三
水平二
系統設計的優化與實現 (1)優化系統設計的方案 (2)實現校園雨水收集與利用系統的設計方案 通過技術探究,分析影響系統優化的因素
水平三
水平二
教材研析
知識點一 系統及其構成
1.含義
由相互聯系、相互作用、相互依賴和相互制約的若干要素或部分組成的具有特定功能的有機整體,稱為系統。
2.構成系統的三個條件
(1)至少要有兩個或兩個以上的要素(部分)才能組成系統;
(2)要素(部分)之間相互聯系、相互作用,按照一定方式形成一個整體;
(3)整體具有的功能是各個要素(部分)所不具備的。
3.子系統和要素
系統有大有小,有復雜有簡單。對于大型的復雜系統,根據需要,按照一定的標準可以劃分為若干子系統。
(1)子系統:相對大系統而言,是大系統中相對獨立且具有一定功能的組成部分。如地球生態系統由海洋生態子系統、森林生態子系統、陸地生態子系統等子系統構成。
任何系統又是更大系統的子系統。
(2)要素:組成系統的最主要元素。
知識點二 系統的基本特性
1.整體性
整體性是系統最基本的特性,也是觀察和分析系統最基本的思想和方法,它側重于“要素(部分)影響整體”。
系統是一個整體,它不是各個要素(部分)的簡單相加,系統的整體功能是各要素(部分)在孤立狀態下所沒有的。系統的任何一個要素(部分)發生變化或出現故障,都會影響其他要素(部分)或整體功能的發揮。系統的整體功能大于組成系統的各部分的功能之和。系統的要素配合好才能發揮系統的整體功能,換句話說,要素好,系統整體性能未必好。
2.相關性
側重于“在整體完好的情況下,要素(部分)與要素(部分)之間的關聯”,構成系統的各要素(部分)之間是相互聯系、相互作用、相互依賴、相互影響的關系,是彼此相關的。
3.目的性
任何系統都服務于某種目的,都要實現一定的功能,這是區別不同系統的標志。
4.動態性
物質都是不斷變化的,因此系統是動態的,處在運動變化和發展之中。
5.環境適應性
一個系統與其所處的環境之間通常都有物質、能量和信息的交換,系統必須適應外部環境的變化。
知識點三 系統分析的一般過程和基本方法
1.系統分析一般步驟
(1)決策方法:經驗決策和科學決策。
(2)系統分析的含義:為了發揮系統的功能,實現系統的目標,運用科學的方法對系統加以周詳的考察、分析、比較、試驗,并在此基礎上擬定一套有效的處理步驟和程序,或對原有的系統提出改進方案的過程,就是系統分析。
(3)一般步驟
步驟 要求
明確問題 設立目標 明確所分析的系統及其結構,確定所要研究問題的性質和范圍,提出所要達到的目標,明確約束條件
收集資料 制訂方案 收集相關資料,制訂解決問題的各種備選方案,進行多目標的權衡與分析,并明確技術實踐路線
分析計算 評價比較 對系統進行整體分析,對各子系統進行分析,對系統進行建模與推演,將各種方案進行評價對比
檢驗核實 作出決策 通過實證對方案的實施效果做出評判。如果對方案不夠滿意,還可按上述程序進行反復,直到獲得滿意的方案為止
2.系統分析方法——建模
系統分析方法是指把要解決的問題作為一個系統,對系統各要素及其之間的相互關系進行綜合分析,找出解決問題的可行方案。用建模的形式對系統進行分析和研究的方法是系統科學的基本方法。
模型的三個特征:①它是現實系統的抽象或模仿;②它是由那些與所分析問題有關的要素構成的;③它表明了有關要素間的相互關系。技術領域系統分析中較為常用的是系統的數學模型和框圖模型等。
(1)數學模型
用數學公式、圖表等描述客觀事物的特征模型,稱為數學模型。數學模型突出事物的主要因素,舍棄事物的次要因素,便于抓住事物的本質進行分析研究。
(2)框圖模型
用一個個封閉的小框圖代表系統的各個要素或子系統,在框圖內或框圖邊注明要素或子系統的名稱,按照系統的結構模式把它們排列安置于適當位置,用無向線段或有向線段把這些小框圖連接起來,以表示系統的基本結構框架,再用無向線段或有向線段表示系統與環境的聯系,這樣形成的圖形就叫系統的框圖模型。最簡單的系統框圖模型是輸入—輸出模型,也叫系統的概念模型,如下圖所示。
3.系統分析的主要原則
(1)整體性原則:系統分析首先要著眼于系統整體,要先分析整體,再分析部分;先看全局,后看局部;先看全過程,再看某一個階段;先看長遠,再看當前。
(2)科學性原則:系統分析一方面要有嚴格的工作步驟,另一方面應盡可能地運用科學方法和數學工具進行定量分析,使決策的過程和結果更具說
服力。
(3)綜合性原則:當系統存在若干個目標時,需要綜合分析,統籌兼顧,不可顧此失彼,因小失大。
知識點四 簡單系統設計的過程
1.系統設計
系統設計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。它既包含了對某個系統進行技術設計本身的內容,同時又需要運用系統的思想和方法對其設計過程進行分析和設計。
2.系統設計應考慮的主要問題
(1)系統設計的目的與要求。要從整體出發,以系統整體功能的最優為目的。
(2)系統各部分之間的相互聯系與相互作用。運用系統的思想綜合考慮各部分之間的關聯、沖突,注重各部分的橫向、縱向聯系。
(3)系統設計的步驟。把系統分解為若干子系統,確定各子系統的目標、功能及其相互關系,對子系統及系統進行技術設計和評價等。
知識點五 優化系統設計的方案
1.含義
系統的優化是指在給定的條件(或約束條件)下,根據系統的優化目標,采取一定的手段和方法,使系統的目標值達到最大化(或最小化)。
2.影響系統優化的因素和約束條件
(1)影響系統優化的因素:對系統的目標函數產生顯著影響,并且可以人為調節的因素。
(2)約束條件:對系統優化起著限制作用,并且不能人為調節的因素。
3.系統優化的方法
為使系統達到最優的目標而提出的求解方法稱為最優化方法。
系統優化的方法是多樣的,有的運用數學模型求解,有的通過科學的估算、試驗等方法實現。
(1)最優化方法通常是指在一定的人力、物力和財力資源條件下,使經濟效益(如產值、利潤等)達到最大,并使投入的人力、物力和財力達到最小的方法。
利用最優化方法解決問題的一般步驟:提出需要進行最優化處理的問題,收集有關資料和數據;建立求解最優化問題的有關數學模型,確定變量,列出有關約束條件,分析模型;選擇合適的最優化方法;求解方程;最優解的驗證和實施。
(2)數學描述是系統分析常用的一種方法。對于比較復雜的系統,人們對其特性了解不夠,所以需要運用一定的數學方法,將系統的原型抽象為數學模型,并運用已知的數學方法分析求解得出數學結論,再運用這一結論來解決實際系統中的問題,進而找到合適的解決方案。
問題詳解
典例1 系統的特性的理解
典例2 系統中某個概念
典例3 系統分析、設計、概念
典例4 運用系統知識進行系統設計分析
典 例 1
(2022年浙江1月學考)如圖所示,土壤
濕度控制系統示意圖。濕度傳感器采
集土壤濕度信息,當土壤濕度低于設定
值時,噴頭打開,噴淋一段時間后自動關
閉。從系統的角度分析,下列說法不正
確的是(  )
A.系統由控制器、濕度傳感器和噴頭等組成,體現了系統的環境適應性
B.系統能自動調節土壤濕度,體現了系統的目的性
C.噴頭容易損壞,需要定期更換,體現了系統的動態性
D.濕度傳感器發生故障會影響噴頭開啟,體現了系統的相關性
A
解析 系統由控制器、濕度傳感器和噴頭等組成,體現了系統的整體性。環境適應性是指一個系統與其所處的環境之間有物質、能量、信息的交換,外界環境變化會引起系統特性的改變。
A.熱泵系統是供排水管路系統的子系統
B.溫控系統損壞時影響熱泵系統的運行,體現了系統的相關性
C.在不同天氣、不同季節熱水器均能正常運行,體現了系統的環境適應性
D.實現高效節能目標,體現了系統的目的性
解析 熱泵系統和供排水管路系統都是太空能熱水器系統的子系統。
變式訓練
1.一款太陽能—空氣能(簡稱太空能)熱水器如圖所示。太空能
熱水器系統由太陽能集熱系統、熱泵系統、供排水管路系統
和溫控系統組成。熱水器優先利用太陽能加熱,當陰雨天氣、
寒冷冬季水溫達不到設定要求時,熱泵自動投入運行,從而實
現高效節能目標。以下對太空能熱水器系統的說法不正確的
是(  )
A
2.太陽能光伏發電系統是將太陽能直接轉換為電能的
一種發電系統,由光伏組件、布線系統和逆變器系統
等組成,運行成本較低,易維護。太陽能光伏發電系統
常常在高溫和強紫外線的環境下工作,布線系統必須
采用有保護套的專用電纜。下列關于該系統的說法
不正確的是(  )
A.太陽能光伏發電系統應具有較好的環境適應性
B.布線系統是太陽能光伏發電系統的子系統
C.如果未能采用有保護套的專用電纜,將會影響到整個系統的使用壽命,體現了系統的整體性
D.太陽能光伏發電系統運行成本較低,易維護,體現了系統的相關性
D
解析 太陽能光伏發電系統運行成本較低,易維護,體現了系統的目的性。
典 例 2
小明同學用小方木和圓棒搭建的自承式橋梁模型如圖所示。下列關于該模型的說法不正確的是(  )
A.該模型屬于框架結構
B.該模型屬于自然系統
C.圓棒是該模型的一個要素
D.若模型的一根小方木斷裂,模型會坍塌,體現了系統的整體性
解析 該模型屬于人造系統。
B
變式訓練
方艙醫院的一種設計方案如圖所示:各病區呈放射狀布置,醫護人員辦公區設在中心,使醫護人員到病床的活動路線最短;每個病區采用不同的顏色劃分;六邊形的角落處設置衛生間,并保證通風。這使方艙醫院在總體上得到了高效應用。該方案主要體現了系統分析的(  )
A.整體性原則 B.標準化原則 C.科學性原則 D.綜合性原則
解析 先考慮整體后考慮局部屬于系統分析的整體性原則。
A
典 例 3
(2021年浙江1月學考)如圖所示,經改進的某儲油罐清洗系統,其控制部分可分為噴水控制子系統和抽水控制子系統。噴水控制子系統工作過程:PLC根據檢測裝置檢測到的污水中的含污量,控制增壓泵產生高壓水,通過噴頭沖洗油罐。抽水控制子系統中,PLC控制真空泵將油罐中的污水抽到污水箱。下列關于儲油罐清洗系統的分析不正確的是(  )
A.檢測裝置的精度影響著增壓泵的工作,體現了系統的相關性
B.能清洗大小不同的油罐,體現了系統的動態性
C.增壓泵的性能是影響該系統優化的因素
D.油罐清洗的潔凈程度是該系統的優化目標
B
解析 儲油罐清洗系統中部分(檢測裝置)對另一部分(增壓泵)的影響,體現了系統的相關性,A正確;能清洗大小不同的油罐是該儲油罐清洗系統的功能,體現了系統的目的性,B錯誤:系統優化過程中,可選擇不同性能的增壓泵,增壓泵的性能又能影響最終的優化目標,也就是清洗效果,因此屬于影響系統優化的因素,C正確;該系統的主要目的是清洗油罐,因此油罐清洗的潔凈程度就是該系統的優化目標,D正確。
變式訓練
1.我國首座“超級鏡子電站”如圖所示。在控制系統中
植入了太陽運動軌跡程序,當系統運行時,根據太陽的
位置信息,由減速機自動調整反射鏡角度,使太陽光能
夠持續地反射到集熱器上,對熔鹽進行加熱,其中一部
分熱熔鹽通過蒸汽發生器產生蒸氣進行發電,另一部
分熱量存儲在熔鹽罐中供日落后發電使用。從系統
的角度分析,下列說法不正確的是(  )
A.能經受風沙、冰雹等極端天氣考驗,有較好的環境適應性
B.部分反射鏡損壞,集熱器吸收到的能量減少,體現了系統的整體性
C.太陽的位置改變,反射鏡角度跟隨改變,體現了系統的相關性
D.工程師經過大量數據測定和科學計算,將太陽運動軌跡程序植入控制系統,體現了系統分析的科學性原則
C
解析 系統能夠適應不同的環境,保持系統原有的特性,體現了系統的環境適應性,A正確;系統反射鏡這一要素的損壞,影響系統集熱功能,體現了系統的整體性,B正確;太陽位置發生改變,系統隨之改變,未體現系統各個要素間的相互影響,沒有體現系統的相關性,C錯誤;工程師在系統分析的時候,采用了科學方法和數學工具,體現了系統分析的科學性原則,D正確。
2.消防機器人作為特種消防設備,可代替消防隊員完成
火場偵察、化學檢測和滅火救援等工作。下列說法正
確的是(  )
A.消防機器人系統屬于自然系統
B.消防機器人可代替消防救援人員進入有毒、缺氧等危險災害現場進行滅火
C.現場指揮人員根據消防機器人在災害現場偵察與化學檢測等的反饋,對災情作出科學判斷和正確決策的過程不屬于系統分析
D.消防機器人在高溫黑暗、有毒等災害現場均能完成滅火救援任務,體現了系統的相關性
B
解析 消防機器人系統屬于人造系統;現場指揮人員根據消防機器人在災害現場偵察與化學檢測等的反饋,對災情作出科學判斷和正確決策的過程屬于系統分析;消防機器人在高溫黑暗、有毒等災害現場均能完成滅火救援任務,體現了系統的目的性。
3.植保無人機可通過地面遙控或導航飛控,實施噴
灑藥劑種子等作業。下列關于植保無人機的說法
正確的是(  )
A.植保無人機可增加GPS姿態模式,在有風天氣懸停的精度不會受到影響,屬于系統的優化
B.通過對植株計數、土壤濕度檢測以及水分利用分析等來幫助提高土地利用效率和農作物產量,體現了系統分析的綜合性原則
C.除了可實施噴灑作業,其采集的農業數據還可以用于科研等其他方面,體現了系統分析的整體性原則
D.作業區塊的風向、風速等氣象變化,不屬于飛行控制系統的干擾因素
A
解析 通過對植株計數、土壤濕度檢測以及水分利用分析等來幫助提高土地利用效率和農作物產量,體現了系統分析的科學性原則;采集的農業數據還可以用于科研等其他方面,沒有體現系統分析的整體性原則;作業區塊的風向、風速等氣象變化,屬于飛行控制系統的干擾因素。
典 例 4
(2022年浙江7月學考)在校園農業勞動實踐中,同學們為植物栽培設計了一個營養液循環控制系統(圖a為系統框圖模型,圖b為控制系統示意圖),該系統包括微控制器、環境感知部分、調節部分等。溫度傳感器、液位傳感器、pH傳感器和流速計均安裝在栽培槽中。根據微控制器發出的指令,加熱器與制冷器、蠕動泵、水泵聯合調節栽培槽中營養液的溫度、pH、液位和流速。下列關于該系統設計與分析的說法不合理的是(  )
C
圖a
圖b
A.系統設計要從整體出發,以創建植物生長的最優營養液環境為目標
B.系統設計要考慮液位控制與pH控制之間的相互影響
C.不能將該系統分解為溫度、液位等子系統進行設計
D.系統分析過程中建立了系統框圖模型,屬于建模的分析方法
解析 可以將該系統分解為溫度、液位等子系統進行設計,一般系統都可以分解成更小的子系統。
變式訓練
(2023年浙江6月選考)如圖所示,一種給布染色的卷染機系統示意圖。將待染色的布裝在右滾筒上,電機驅動左滾筒轉動,帶動布從右滾筒卷繞到左滾筒上,經過染色池完成染色。染色前將右滾筒上布的厚度輸入工控機,染色時編碼器實時測量電機和滾筒的轉動信號,工控機根據轉動信號計算出轉速、卷繞圈數、布卷直徑,并通過變頻器來調節電機轉速,使布保持穩定的線速度。右滾筒上的阻尼器使布保持一定的張力。下列關于該卷染機的分析,不恰當的是(  )
C
A.要定時給染色池添加染液
B.電機功率的選擇需要考慮阻尼器的阻尼大小
C.染色過程中右滾筒的轉速隨著左滾筒轉速的減小而減小
D.可以對不同厚度的布進行染色
解析 染色過程中右滾筒的轉速隨著左滾筒轉速的減小而增大。

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