資源簡(jiǎn)介

中小學(xué)教育資源及組卷應(yīng)用平臺(tái)
信息技術(shù) 三單元—活動(dòng)一 探究電熱水壺系統(tǒng)中的控制過程
課題 探究電熱水壺系統(tǒng)中的控制過程 單元 第三單元 學(xué)科 信息技術(shù) 年級(jí) 六年級(jí)
教材分析 《探究電熱水壺系統(tǒng)中的控制過程》該課時(shí)教材編排了“考察電熱水壺?zé)目刂七^程—探究電熱水壺的保溫控制過程”的系列學(xué)習(xí)活動(dòng)，了解學(xué)習(xí)開環(huán)控制和閉環(huán)控制，了解了家用電器常使用的控制情況。教材編排合理，教學(xué)環(huán)節(jié)注重實(shí)踐與理論相結(jié)合，教材內(nèi)容貼近學(xué)生生活實(shí)際，符合六年級(jí)學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)。
教學(xué)目標(biāo) 1、信息意識(shí)：能夠掌握如何識(shí)別和獲取相關(guān)信息，如電熱水壺的工作原理、溫度控制機(jī)制等。 2、計(jì)算思維：能夠掌握優(yōu)化加熱效率。學(xué)會(huì)使用基本原理來解決問題和設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 3、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：能夠使用數(shù)字工具和技術(shù)來探索電熱水壺系統(tǒng)，從而促進(jìn)創(chuàng)新思維的發(fā)展。 4、信息社會(huì)責(zé)任：能夠使用技術(shù)創(chuàng)新減少這些負(fù)面影響。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)。
重點(diǎn) 一、考察電熱水壺?zé)目刂七^程二、探究電熱水壺的保溫控制過程
難點(diǎn) 1、探究電熱水壺的保溫控制過程
教學(xué)過程
教學(xué)環(huán)節(jié) 教師活動(dòng) 學(xué)生活動(dòng) 設(shè)計(jì)意圖
導(dǎo)入新課 前面單元中，我們嘗試對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行逐層分解，認(rèn)識(shí)了子系統(tǒng)和組成系統(tǒng)的各個(gè)模塊。接下來，我們將一起來探究在控制系統(tǒng)中增加反饋后的變化。 為什么空調(diào)啟動(dòng)后，可以讓室內(nèi)溫度保持在設(shè)定的溫度上下 為什么冰箱啟動(dòng)后，冷藏室的溫度也能保持在設(shè)定的溫度左右呢 是反饋的作用。學(xué)習(xí)目標(biāo)了解反饋是控制的重要手段。初步了解反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用。小茗的爺爺想讓小茗幫忙在網(wǎng)上訂購(gòu)一個(gè)電熱水壺。小茗上網(wǎng)瀏覽時(shí)，發(fā)現(xiàn)有兩款電熱水壺(圖3-1-1)，一款只能燒開水，另一款不僅能燒開水，還具有自動(dòng)保溫功能，小茗建議爺爺購(gòu)買具有保溫功能的電熱水壺。那么，這兩款電熱水壺分別是怎樣工作的 控制過程有何區(qū)別 讓我們來一探究竟吧，活動(dòng)向?qū)Э疾祀姛崴畨責(zé)目刂七^程探究電熱水壺的保溫控制過程你將學(xué)到★開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)有什么區(qū)別 ★反饋是如何影響控制過程的 ★反饋的作用是什么 知識(shí)拓展 通過老師講解和學(xué)生之間的相互討論什么開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 幫助學(xué)生了解課堂學(xué)習(xí)和了解什么是開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
講授新課 一 、考察電熱水壺?zé)目刂七^程用電熱水壺?zé)畷r(shí),將其接通電源后撥動(dòng)開關(guān)，此時(shí)指示燈亮起，水壺底座中的加熱元件(發(fā)熱管)開始加熱。水燒開沸騰后，電熱水壺的開關(guān)會(huì)自動(dòng)斷開，停止加熱。使用者不需要時(shí)刻在旁照看，十分方便，如圖 3-1-2所示。從電熱水壺?zé)墓ぷ鬟^程來看，開關(guān)、控制電路和發(fā)熱管這三個(gè)核心部件共同協(xié)作，構(gòu)成了電熱水壺的燒水加熱控制系統(tǒng)，它是電熱水壺控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。這個(gè)子系統(tǒng)可以用一個(gè)控制系統(tǒng)框圖來表示:輸入為開關(guān)，輸出為水溫的升高，兩者之間是控制電路和發(fā)熱管，如圖 3-1-3 所示。小貼士控制系統(tǒng)框圖能準(zhǔn)確地表達(dá)系統(tǒng)的功能、構(gòu)成和信號(hào)傳遞方向。被控對(duì)象是指所要控制的設(shè)備、裝置或生產(chǎn)過程。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，輸入到輸出是單向的，且輸出(水溫升高)不會(huì)反過來影響或改變系統(tǒng)的輸入(電源)。這種控制系統(tǒng)被稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。想一想燒開一壺冷水，和燒開半壺冷水花費(fèi)的時(shí)間一樣嗎 燒開一壺冷水和燒開一壺 40℃的溫水，花費(fèi)的時(shí)間一樣嗎 科學(xué)園地開環(huán)控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)開環(huán)控制系統(tǒng)是一種輸入單向控制輸出的控制系統(tǒng)。其控制系統(tǒng)框圖如圖 3-1-4 所示可以看出，開環(huán)控制系統(tǒng)從輸入開始，通過一個(gè)環(huán)節(jié)指向下一個(gè)環(huán)節(jié)，最終輸出，沒有反饋回路。輸入單向控制輸出，輸出結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的控制沒有影響。例如，按下開關(guān)，電燈就亮起。按下開關(guān)的瞬間，控制活動(dòng)就結(jié)束了，燈是否亮起都不會(huì)影響按開關(guān)這個(gè)活動(dòng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是容易受到外界干擾因素的影響。例如，水量和初始水溫不同，會(huì)導(dǎo)致同一電熱水壺把水燒開的時(shí)間也不同。你知道嗎？電熱水壺?zé)^程中，負(fù)責(zé)水燒開自動(dòng)斷電的是一個(gè)子系統(tǒng)，即水燒開斷電控制系統(tǒng)，其工作原理是:當(dāng)水溫上升到100℃時(shí)，水開始沸騰，產(chǎn)生的水蒸氣通過手柄里的蒸汽管進(jìn)行熱傳導(dǎo)，沖擊手柄內(nèi)的蒸汽開關(guān)。蒸汽開關(guān)內(nèi)部有一個(gè)蒸汽感溫元件，它是一個(gè)蝶形雙金屬片受熱時(shí)會(huì)發(fā)生變形，推開開關(guān)觸點(diǎn)，從而切斷電源停止加熱，如圖3-1-5所示。這是電熱水壺的第一重安全保護(hù)機(jī)制，另外還有防于燒控制系統(tǒng)和熔斷保護(hù)控制系統(tǒng)兩重保護(hù)機(jī)制。想一想水燒開斷電控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)嗎 數(shù)字化學(xué)習(xí)上網(wǎng)了解防于燒控制系統(tǒng)和熔斷保捫控制系統(tǒng)的原理。做一做電風(fēng)扇是生活中一種常見的電器，接通電源，使用調(diào)速開關(guān)選擇轉(zhuǎn)速，電風(fēng)扇就會(huì)按選擇的轉(zhuǎn)速大小運(yùn)行，使空氣加速流通。電機(jī)是電風(fēng)扇的執(zhí)行器，感應(yīng)磁鐵構(gòu)成的控制電路是控制器，如圖 3-1-6所示。(1)想一想，電風(fēng)扇是開環(huán)控制系統(tǒng)嗎 分析電風(fēng)扇工作過程。并畫出它的控制系統(tǒng)框圖。(2)說說電風(fēng)扇的工作過程受哪些干擾因素影響(3)尋找生活中其他開環(huán)控制系統(tǒng)，在全班分享。知識(shí)拓展開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)有什么區(qū)別 反饋是如何影響控制過程的 二、探究電熱水壺的保溫控制過程小茗推薦爺爺購(gòu)買的是具有保溫功能的電熱水壺，既能燒水，又能保溫。用戶可以預(yù)設(shè)期望的水溫，如82℃。水燒開后，撥動(dòng)單獨(dú)的保溫開關(guān)，可啟動(dòng)電熱水壺的保溫控制系統(tǒng)。保溫控制系統(tǒng)主要包含溫度傳感器、溫控器和保溫發(fā)熱管等模塊。溫度傳感器持續(xù)檢測(cè)當(dāng)前實(shí)際水溫，當(dāng)水溫降低，當(dāng)前水溫與預(yù)設(shè)期望水溫之間存在偏差時(shí)，溫控器會(huì)發(fā)出信號(hào)，指揮保溫發(fā)熱管對(duì)水進(jìn)行加熱。經(jīng)過加熱，當(dāng)水溫上升，當(dāng)前水溫與預(yù)設(shè)期望水溫之間偏差消除時(shí)，溫控器會(huì)發(fā)出另一種信號(hào)， 指揮保溫發(fā)熱管停止對(duì)水加熱。其控制框圖如圖3-1-7所示。可以發(fā)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)除了有一個(gè)前向的控制通路，還有一個(gè)從輸出(實(shí)際水溫)通過溫度傳感器反饋回輸入端的反饋回路。它們共同控制著是否加熱使實(shí)際水溫維持在設(shè)定的期望溫度附近，即水溫的變化處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，使電熱水壺能應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)保溫效果。這種具有反饋回路的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 小貼士水溫差=期望水溫一實(shí)時(shí)水溫為了減少電熱水壺頻繁加熱的次數(shù)，可以給水溫差設(shè)定一個(gè)偏移范圍，例如期望水溫設(shè)定為82℃，偏移范圍為2℃。在保溫狀態(tài)下，水溫差大于偏移范圍，即實(shí)時(shí)水溫低于80℃后才會(huì)自動(dòng)加熱。科學(xué)園地閉環(huán)控制系統(tǒng)與反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是輸出量通過檢測(cè)裝置反饋給輸入環(huán)節(jié)，并對(duì)控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)。其控制系統(tǒng)框圖如圖 3-1-8 所示。閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入會(huì)影響輸出，同時(shí)輸出通過反饋又影響著輸入。反饋是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)或優(yōu)化的重要手段。例如，當(dāng)手機(jī)開啟了“亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)”功能后,屏幕會(huì)通過光敏傳感器自動(dòng)檢測(cè)周圍環(huán)境光強(qiáng)弱指導(dǎo)調(diào)節(jié)屏幕亮度，從而使用戶的眼睛感覺舒適。這體現(xiàn)了反饋的優(yōu)化作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，常使用閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)被控制量(如溫度、流量、濃度等)進(jìn)行自動(dòng)控制，使其接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少生產(chǎn)過程中的能耗，從而提高生產(chǎn)效率。做一做1、用兩種方式玩一個(gè)雙簧畫圖游戲，A同學(xué)露出頭，能眼觀八方、但不能使用手;B同學(xué)躲在A同學(xué)身后，不能看，但可以伸出雙手在A同學(xué)身前的黑板上畫圖。請(qǐng)兩組同學(xué)(每組兩人)配合完成一幅簡(jiǎn)易圖，如房子。第一組:畫圖過程中，A同學(xué)不能說話提示，第二組:畫圖過程中，A 同學(xué)能說話提示。(1)哪一組同學(xué)在雙簧畫圖游戲中的畫圖成功率更高一點(diǎn) 為什么 (2)第一組和第二組可以分別類比為哪一種控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng) (3)在第二組游戲中，A 同學(xué)的眼睛、大腦、嘴巴、B 同學(xué)的手可以類比為控制系統(tǒng)框圖中的哪些部件 2、日常生活中有著各式各樣的臺(tái)燈，有的臺(tái)燈只具備開關(guān)功能，有的臺(tái)燈除了具備開關(guān)功能外，還可以通過旋鈕或者觸摸按鍵調(diào)節(jié)亮度有的臺(tái)燈甚至可以根據(jù)周圍環(huán)境光的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度，實(shí)時(shí)匹配最佳光線。請(qǐng)分析以上各種臺(tái)燈是否具有閉環(huán)控制系統(tǒng)，并嘗試畫出它們的控制系統(tǒng)框圖。你知道嗎？我國(guó)的天問一號(hào)火星探測(cè)器在著陸過程中，會(huì)受到火星大氣環(huán)境等未知因素的影響，要進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航非常困難。由于火星與地球距離遙遠(yuǎn)，探測(cè)器與地球之間存在至少10分鐘的通信延遲，這意味著探測(cè)器著陸時(shí)可能與地球“失去聯(lián)系”，一旦失去控制就將撞毀在火星表面。因此，探測(cè)器必須在著陸階段具有自主導(dǎo)航、控制和規(guī)避障礙的能力。在科研人員的努力下，探測(cè)器在著陸階段利用光學(xué)相機(jī)獲取火星表面圖像，提取星表特征點(diǎn)、隕石坑、山脊、溝壑等作為導(dǎo)航標(biāo)志，通過跟蹤這些特征并結(jié)合慣性導(dǎo)航信息，對(duì)自己的位置、速度、姿態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)估算，從而完成精確著陸，如圖3-1-9所示。挑戰(zhàn)時(shí)刻分析以下哪些例子存在閉環(huán)控制系統(tǒng)，在相應(yīng)的選項(xiàng)前打鉤，并簡(jiǎn)要說明。嘗試畫出其控制系統(tǒng)框圖。知識(shí)拓展反饋是如何影響控制過程的 三、拓展延伸1、開環(huán)和閉環(huán)控制的區(qū)別2、生活中還有哪些開環(huán)和閉環(huán)控制實(shí)例呢？3、開環(huán)和閉環(huán)給我們生活帶來了哪些好處？4、我們?nèi)绾螌W(xué)好開環(huán)和閉環(huán)控制？ 了解觀察尋找身邊的電熱水壺，考察電熱水壺?zé)目刂七^程。學(xué)生互相討論，探究電熱水壺的保溫控制過程。學(xué)生之間互相討論，生活中有哪些常見的開環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 學(xué)生通過觀察尋找身邊的電熱水壺，進(jìn)一步理解電熱水壺的工作過程。學(xué)生通過邊分析邊討論的形式進(jìn)行探究電熱水壺的保溫控制過程。 讓學(xué)生的知識(shí)面得以加寬。
布置作業(yè) 在父母的陪同下，網(wǎng)絡(luò)上搜索有哪些常見的閉環(huán)控制系統(tǒng)，選擇一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的電器并畫出系統(tǒng)控制框圖。 完成作業(yè) 培養(yǎng)學(xué)生查閱資料的能力，分析解決問題的能力
課堂小結(jié) 《探究電熱水壺系統(tǒng)中的控制過程》課程小結(jié)： 了解了反饋機(jī)制的重要性。沒有反饋的系統(tǒng)就像是盲目行動(dòng)，很容易出錯(cuò)。比如，如果電熱水壺沒有溫控器，一旦水燒開了就可能會(huì)繼續(xù)加熱，甚至引發(fā)危險(xiǎn)。而有了反饋機(jī)制，系統(tǒng)就能及時(shí)調(diào)整自己的行為，保證安全和效率。我們用一個(gè)簡(jiǎn)單的電路模擬了電熱水壺的工作過程，通過調(diào)節(jié)電阻來模擬不同的水溫，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓我們直觀地看到了開環(huán)和閉環(huán)控制的區(qū)別。 分組總結(jié)歸納 鍛煉學(xué)生的總結(jié)能力，邏輯思維、語(yǔ)言表達(dá)能力。
板書 一、考察電熱水壺?zé)目刂七^程二、探究電熱水壺的保溫控制過程 學(xué)習(xí)、記憶及勾畫知識(shí)點(diǎn) 明確教學(xué)內(nèi)容及重點(diǎn)和難點(diǎn)
21世紀(jì)教育網(wǎng) www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁(yè) （共 2 頁(yè)）
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