資源簡介

3.3 系統設計的優化與實現
【學科核心素養】
工程思維：通過對“校園物資運送智能車”的技術試驗活動，發現有待完 善的問題，并運用系統原理和系統分析方法，進行簡單的系統設計活動，嘗試 解決技術問題。
創新設計：根據“校園物資運送智能車”的設計要求和現有的設備材料， 制定解決問題的一個或多個方案。
物化能力：對“校園物資運送智能車”的優化實踐，培養學生的工程思維 和物化能力。
【課標內容要求】
1.通過技術探究，分析影響系統優化的因素。
2.通過對簡單系統的設計實踐，增強系統思考和工程思維的能力。
【教材分析】
本單元作為《技術與設計 2》的第三單元，研究的是系統及其設計，分成 “系統及其特性、系統分析與設計、系統設計的優化與實現”三部分， 3.3 系 統設計的優化與實現，主要從應用的角度闡明系統優化的意義，影響系統優化 的因素及系統設計的基本方法。
“3.3 系統設計的優化與實現”一節是以“物資運送智能車”的優化為情 景導入，學生在預先設定的設計要求的基礎上，對多個方案進行比較和權衡， 探究影響系統優化的因素，并通過“學生物質運送智能小車”這一簡單系統設 計方案的實現，學習系統設計的基本方法，增強系統與工程思維的能力。
【學情分析】
年齡特征：高中生好奇心強，樂于探索，具備一定的分析問題和解決問題 的能力。
已有知識：學生對系統的概念有基本的理解、但對系統的設計、分析、優 化缺少實踐，他們對系統的理解大都停留在經驗決策的水平上，不會運用系統 的思想與方法解決問題。
【教學目標】
1.闡明系統優化的意義，探究影響系統優化的因素；
2.能通對學生物質運送智能小車的優化，概述系統設計的基本方法，增強 系統創新設計與工程思維的能力。
【教學重點和難點】
教學重點：闡明系統優化的意義，理解系統優化的目標函數、影響因素、 約束條件。
教學難點：運用系統的思想對“校園物質運送智能車”進行優化，落實 “工程思維”的學科素養。
【課時安排】
本節課： 1 課時
【教學準備】
學案準備：教師設計的導學案；
教具準備：校園物資運送智能車模型；
材料準備：智能小車套件和制作輔材、工具等 。
【教學實施】
回顧大單元問題情境： “疫情期間， 為了盡量避免接觸，家長不能進入校 園，看著返校日校門口同學們手上的大包、小包， 你是否想到嘗試去設計一款 能幫助他們完成從校門口到宿舍樓進行物資運送的貨物車，以減輕他們的負
擔？”
項目主題：設計制作“校園物資運送智能車”模型。
在前面的教學中，同學們已經設計、組裝完成了“校園物資運送智能車” 的模型，并對智能車進行了技術測試，現在我們通過視頻觀看測試效果：
播放：兩組智能小車的技術測試過程。
通過測試發現每組小車模型都存在一些有待改進的地方，那么如何改進才 能使“智能車”在使用時達到最佳的效果呢？這就是我們今天要完成的項目活 動：校園物資運送智能車的優化。
設計意圖：術測試環節，我通過視頻展示小車測試過程，找到待解決的問 題，在此基礎上以問題串和技術活動的形式完成項目教學。
任務一 設計系統優化方案
問題 1：根據小車模型的測試效果，觀察本組小車模型還有哪些系統目標 沒有很好的達成？
活動 1：參考系統分析框圖，完成導學案的相關問題。
問題 2：本組“小車模型 ”最需要優化的目標是什么？實現該目標的優化 與哪些要素有關？（以小組為單位，參考所給的案例，完成導學案相關內容）。
優化目標：
人為不可控要素
人為可控要素
教師分析：
優化目標：儲物
人為不可控要素 材料的性能 約束條件
人為可控要素 儲物盒的造型 影響因素
約束條件：對系統的目標函數起著限制作用，并且不能人為調節的因素。 影響因素：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。
教師歸納：在約束條件的基礎上，通過改變影響因素，即可實現系統的優 化。
系統的優化：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）。
由于不同的目標對應著不同的優化結果，所以每個小組選擇不同的優化目 標就會有不同的優化方案。
活動 2：完成智能車模型的優化方案設計。（補充框圖，可以借助草圖、 文字等表達設計想法）
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設計意圖：發現問題環節，通過設計問題 1 和問題 2，并配合導學案
內容，找出本組小車模型需要優化的目標，并通過對人為可控因素及不可控因 素的分析，幫助學生理解本節課的教學重點。
問題 3：我們在解決原有問題的過程中有沒有產生新的問題？該如何決策 和權衡呢？
預設：
1、儲物功能增加，承重子系統和動力子系統就會受影響。
2、智能系統增加，小車的成本變高等。
當各個目標出現矛盾或沖突的時候，我們要運用系統分析的原則，進行整體 的分析、科學的決策、綜合的權衡和比較。不能離開整體去分析系統的子目標。 另外，同學們在對系統進行優化和改進的時候，要理解系統中的一些問題往往
存在著許多相互關聯的因素和一些不確定的因素，所以最佳決策只是在若干方 案中尋求的相對令人滿意的方案。
教師歸納：若干方案是怎么產生的呢？由流程圖可知，無論是建立數學模 型還是科學的估算和試驗，都需要經過多次的完善和驗證，從而產生多種方案， 并在這些方案中尋找最優解或滿意解。
設計意圖：幫助學生提煉系統優化的重要思想，引導學生運用系統分析的
整體性原則、科學性原則、綜合性原則解決技術問題，在此基礎上讓學生再次 驗證和完善本組的優化方案。
任務二 進行系統優化實踐
活動 3：學生根據所提供的的材料和工具，進行“校園物資運送智能車” 的優化實踐活動。
問題 4：要達到系統目標的優化，系統中的各子系統的目標必須達到最優 化嗎？
歸納：在一個系統中，即使每個要素都不是十分完善，但它們也可以協調、 綜合成為具有良好功能的系統；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，就不能稱之為最優的系統。
這就是系統優化的思想，同時也在提醒我們在對智能車進行實踐和測試的 時候，要把重點放在小車的整體效果上，注意各個子系統目標的協調性，接下 來請同學們再次完善本組小車模型的優化方案。
設計意圖：學生在完成“校園物資運送智能車”的優化實踐之后，提出問
題 4，幫助學生從整體的角度理解系統優化的思想，讓學生對學科大概念“系 統”的認識上升到一個新高度，順利化解本節課的教學難點。
同學們已經通過多種方案的選擇，確定了本組的優化方案，并再次完善和 驗證了自己的改進方案，接下來我們通過展示和評價的方式，了解各個小組優 化之后的智能車有什么特點。
活動 4、展示與評價作品：
展示：每個小組分別介紹本小組選定的優化目標、優化方案等
教師：通過剛才的展示，我們可以看到每組小車都實現了一定程度的優化， 接下來根據導學案中的評價表進行自評和互評。
評價：學生已經經歷“校園物資運送智能車 ”模型的分析、搭建和優化過 程，從項目整體出發，對學生表現、項目活動、小車模型系統目標的達成等多 角度進行科學的評價。
校園物資運送智能小車的改進和優化評價表
評價指標 A B C D
小組配合度（20 分）
系統整體功能實現（20 分）
系統強度、穩定性（20 分）
制作難易程度（20 分）
系統整體目標達成（20 分）
總分
設計意圖：通過對優化后的智能小車模型進行展示，設計與學習目標一致 的評價標準，實現“教、學、評”的一致性。
【課堂小結】
通過本節內容的學習，同學們能夠利用系統的知識解決一些真實的問題， 最終實現了小車模型的優化目標。
設計意圖：通過思維導圖，幫助學生歸納本節課的知識點。 【單元總結】
本單元通過“校園物資運送智能車 ”的項目活動，體驗系統的設計、分析、 優化等一系列過程，歸納了一些利用系統的思想解決技術問題的方法。
系統優化的思想不僅運用在復雜的技術問題上，也運用在我們的生活、工 作、學習上，同學們不斷修正自己的學習方法、探索適合自己的學習模式的過 程，就是系統優化的過程。
【單元作業】
結合本校的具體環境，創建校園模型圖，對“校園物資運送智能車 ”的使 用條件、運行路線、存放管理等子系統進行合理的規劃和布局。
設計意圖：單元總結是對整個單元的項目活動進行歸納，并讓學生把
系統的思想遷移到生活和學習中，單元作業是把“校園物資運送智能車”模型 作為子系統，放到校園系統的情景中去理解，嘗試運用系統整體的思想和方法 解決更復雜的問題，培養學生的科學決策能力。
【教學反思】
1.本節課通過對“校園物資運送智能車”模型的分析和優化活動，讓學生 理解系統優化的意義，以及影響系統優化的影響因素和約束條件，培養學生運 用系統優化的思想解決現實中問題的能力。
2.本節課主要以學生為主導開展教學，教師要對學生的課堂表現給予肯定 和鼓勵，培養學生用系統的思想分析問題、解決問題的能力，并把系統優化的 思想遷移到我們日常的生活和學習中，達到學以致用的目的。
3.課前的單元項目回顧和和課后項目總結，有利于完整知識體系的建構， 將單元問題情境、項目實施、技術體驗活動等環節緊密聯系起來，突顯單元項 目活動的整體性和連貫性。

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