資源簡介

§3.2 系統(tǒng)分析與設計
第1課時
學 科 通用技術 年 級 高二 班 級 授課教師
章 節(jié) 第三章第三節(jié) 課題名稱 系統(tǒng)分析與設計
課 型 新授課 授課時間
課標要求 通過技術探究，分析影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素，并通過對簡單系統(tǒng)的設計實踐，初步學會簡單系統(tǒng)設計的基本方法，增強系統(tǒng)與工程思維的能力。
教學目標（核心素養(yǎng)） 1.結合案例，理解系統(tǒng)優(yōu)化的意義，掌握影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素。（技術意識） 2.基于“校園雨水的收集和利用系統(tǒng)”，發(fā)現新問題，提出新策略，得到優(yōu)化的新方案。（創(chuàng)新設計） 3. 結合案例學習，體悟系統(tǒng)的思想和方法并加以運用，理解約束條件和影響因素。（工程思維） 4.能夠應用技術圖樣表達自己的設計方案。（圖樣表達）
教材分析 教材中主要引入“校園雨水收集與利用”的系統(tǒng)設計項目，引導學生歷經系統(tǒng)設計實現的全過程，理解系統(tǒng)設計的基本方法，增強系統(tǒng)分析的思維與意識。本節(jié)課的立足點是帶領學生展開基于問題的簡單系統(tǒng)的設計實現。在實現過程中，教會學生如何去運用知識，發(fā)揮學生的創(chuàng)造力，為學生注入技術思想。 本節(jié)課是一節(jié)在設計基礎之上的延伸設計課，旨在設計中發(fā)現問題，解決問題，并優(yōu)化方案。在設計過程中，體會優(yōu)化在系統(tǒng)設計中的意義，把握好系統(tǒng)優(yōu)化的因素，比如材料、工藝、原理等。同時，系統(tǒng)優(yōu)化的約束條件和影響因素是本節(jié)課的教學重點和難點。
學情分析 通過上節(jié)課的學習，學生對系統(tǒng)的設計已經有了初步的了解，再加上以前所繪制的設計圖內容和生活經驗，開展本節(jié)課的實操難度不是很大，但學生的實操能力較弱，工具的使用對學生的要求較高，學生接受略有困難；本節(jié)課專業(yè)知識要求較高，學生接受略有困難，要想分析透，時間可能稍緊，所以對有些內容可以利用多媒體進行展示，這樣可以減少寫和改的時間。
教學重點 （1）闡明系統(tǒng)優(yōu)化的意義，理解系統(tǒng)優(yōu)化的含義。 （2）能夠準確探究影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素，并提出可靠的解決方案。
教學難點 （1）能夠學會系統(tǒng)設計實現中對實體系統(tǒng)設計優(yōu)劣的評價。 （2）能夠理解并運用系統(tǒng)和工程思維分析解決問題。
教學方法 講授法、案例分析教學法
教學過程
教師活動 學生活動 二次備課
新 課 引 入 一、走進情景 針對校園雨水的收集與利用系統(tǒng)。同學們通過系統(tǒng)的設計分析與討論，基本形成了多個比較成熟的設計方案。如何讓系統(tǒng)能更好滿足學校實際需求且加工制作過程簡單，為此同學們展開了討論，各有千秋。 那么，校園雨水的收集與利用系統(tǒng)是否還有改良的可能性呢？引出本節(jié)課內容——系統(tǒng)優(yōu)化與實現。 學生閱讀情景
教 學 環(huán) 節(jié) 新課講解 任務一：探析系統(tǒng)分析的一般過程和基本方法 1、系統(tǒng)的優(yōu)化 案例：農作物種植系統(tǒng)的優(yōu)化——農業(yè)間作套種 根據農作物的生長特性、天氣、氣候等，利用農作物生長的季節(jié)差、時間差，把相同或不同類的農作物種植在一起，有“麥、棉、菜”“麥、瓜、棉、玉米”等多種套種模式供選擇，實現增產、增收，提高土地利用率。 某地區(qū)因地制宜地選擇了“麥、棉、瓜、紅薯”的套種模式，在正常天氣條件下，按照套種的技術要求操作，夏季可收小麥350-400千克/畝、紅薯2500千克/畝、無籽西瓜5000千克/畝，秋季產籽棉225千克/畝，平均每畝收入超過3000元，比原先提高了近五成。 約束條件：農作物的生長特性、天氣、氣候 目標：增產、增收，提高土地利用率 目標的體現：土地單位面積農作物收益總和 例如：果園套種蔬菜、玉米套種大豆（展示圖片） 總結：系統(tǒng)改良就是發(fā)現問題、解決問題，使系統(tǒng)變得更加完美，即系統(tǒng)的優(yōu)化。 系統(tǒng)優(yōu)化：在給定的條件（或約束條件）下，根據系統(tǒng)的優(yōu)化目標，采取一定的手段和方法，使系統(tǒng)的目標值達到最大化（或最小化）。 目標：最小成本獲得最大利潤、最少能耗生產更多產品、單位面積上收獲更多的作物、最短時間掌握更多的知識等。 影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素 ①約束條件：對系統(tǒng)的目標函數產生顯著影響，并且可以認為調節(jié)的因素。例如：套種的技術水平、套種的田間管理、病蟲害防治等 ②影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素：對系統(tǒng)優(yōu)化產生限制作用，并且不可人為調節(jié)的因素。如：農作物的生長特性、天氣、氣候等因素。 總結：系統(tǒng)優(yōu)化是以系統(tǒng)目標最優(yōu)化為目的的，可稱為“目標函數”。在系統(tǒng)優(yōu)化過程中，可以從材料、工藝、結構、設備等方面著手，也可以增加附屬功能。這些因素又分為兩大類：一類可以人為改變，比如技術水平、技術管理等；另一類人為不能改變，比如自然規(guī)律、天氣變化等。對優(yōu)化目標產生限制作用，不能人為調節(jié)的，稱為約束條件；可以人為調節(jié)的因素，稱為影響因素。 案例：P92——利潤問題 某家具廠要安排一周的生產計劃，產品是桌子和椅子。制作一張桌子需4平方米木板及20 h的工時，制作一把椅子需6 平方米 木板及18 h的工時；每周能使用的木材板料是600 平方米，可利用的工時是400 h；每張桌子的利潤是50元，每把椅子的利潤是60元。按合同每周至少要交付8張桌子和5把椅子，并假定所有產品都能夠銷售出去。那么，該廠每周生產桌子和椅子的數量分別為多少時，獲得的利潤最大？ 在本問題中，優(yōu)化的目標是家具銷售獲得最大利潤，約束條件是材料和勞力的限制及應遵守的合同。 其中，①式是目標函數，②③④式是約束條件，x1、x2是決策變量，也就是影響優(yōu)化的因素。要求出一組x1、x2，使得①式的目標函數取最大值，并且滿足②③④式。 求解過程略。 思考：如果其他條件不變，人工減少一半，請分析每周生產多少桌、椅獲得的利潤 最大？ 總結：系統(tǒng)優(yōu)化是以系統(tǒng)目標最優(yōu)化為目的的，可稱為“目標函數”。在系統(tǒng)優(yōu)化過程中，可以從材料、工藝、結構、設備等方面著手，也可以增加附屬功能。這些因素又分為兩大類：一類可以人為改變，比如技術水平、技術管理等；另一類人為不能改變，比如自然規(guī)律、天氣變化等。對優(yōu)化目標產生限制作用，不能人為調節(jié)的，稱為約束條件；可以人為調節(jié)的因素，稱為影響因素。 3、系統(tǒng)優(yōu)化的步驟及進行系統(tǒng)優(yōu)化應考慮的三個要素 【最優(yōu)解與滿意解】通常，我們通過優(yōu)化的目標與決策變量之間的關系(數學模型)，計算出目標值。所得到的就是最優(yōu)解，對有些問題，如果我們不能確切地描述目標函數，則可以通過定性的估計或推斷，得到較為滿意的解(也稱滿意解)。 總結：系統(tǒng)優(yōu)化的方法是多樣的，有的運用數學模型求解，有的通過科學估算、試驗等方法實現。 最優(yōu)化方法解決問題的步驟：第一，明確優(yōu)化的問題，并收集相關資料；第二，建立目標函數及有關的約束條件，分析模型；第三，選擇最合適的優(yōu)化方法；第四，獲得優(yōu)化方案，驗證并實施。 要素:目標與目標函數、約束條件、影響因素 無論什么方法都需要經過若干次完善和驗證。 馬上行動：閱讀P98馬上行動，對校園雨水的收集和利用系統(tǒng)的三個方案進行優(yōu)化，并完成以下任務。 任務二：實現校園雨水收集和利用系統(tǒng)的設計方案 系統(tǒng)設計的實現：包括設計方案的呈現和模型或原型的制作與測試。是在系統(tǒng)設計分析的基礎上，對所提出的多個方案進行比較、權衡和優(yōu)化，最終形成滿足預定目標的最佳系統(tǒng)及其物化的過程系統(tǒng)設計的實現應包括設計方案的呈現和模型或原型的制作與測試。 馬上行動：閱讀P103馬上行動，完善在第二節(jié)內容中為這所學校設計一套雨水收集與利用系統(tǒng)，并對洗手池用水進行收集和利用。畫出簡圖，并配以文字說明。 思考：“要達到系統(tǒng)的優(yōu)化目標，系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的目標必須達到最優(yōu)”，這一說法正確嗎？ 這種說法不正確。 在一個系統(tǒng)中，即使每個要素都不是十分完善，但它們也可以協(xié)調、綜合成為具有良好功能的系統(tǒng)； 反之，即使每個要素都是良好的，但作為整體卻不具備某種良好的功能，就不能稱之為最優(yōu)的系統(tǒng)。 鞏固練習： 1.（單選）系統(tǒng)優(yōu)化的意義是（ ） A、獲取系統(tǒng)的最佳效益 B、改善系統(tǒng)的環(huán)境 C、調整系統(tǒng)的結構 D、改變系統(tǒng)的特征 2.（單選）以下不屬于系統(tǒng)優(yōu)化的是（ ） A、城鄉(xiāng)規(guī)劃 B、工人師傅根據劃線制作鐵錘 C、列車提速 D、ATM自動取款機的應用 思考如何做出決策的。 閱讀案例，并思考問題 思考并回答問題 聽老師講解，明確系統(tǒng)分析的一般過程 閱讀案例，并思考回答問題 閱讀馬上行動，補全課本p91雨水收集和利用的系統(tǒng)框圖模型 閱讀案例，并思考回答問題 閱讀拓展閱讀，了解優(yōu)選法 閱讀案例，并思考回答問題 閱讀案例，并思考回答問題 完成馬上行動
板書及課 堂小 結 (
系統(tǒng)設計的優(yōu)化與實現
)
課 后 作 業(yè) 無
教 學 反 思
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