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必修2 第三章 《系統與設計》學習資料
學習目標：
⒈掌握系統的概念、系統的特性。
⒉能用系統分析的方法解決實際問題。
⒊知道系統優化的意義，掌握系統優化的一般性步驟。
⒋知道系統設計的基本原則，學會簡單系統設計的基本方法。
⒌學做簡單系統的方案設計。
學習材料：
同學們都知道，神舟六號飛船已經把聶海勝費俊龍送上太空，載人航天工程是一個很大的系統。它包括七大子系統：航天員系統、飛船應用系統、載人飛船系統、運載火箭系統、發射場系統、測控通信系統、著陸場系統。
人體是高級、精密的系統，主要有八大子系統：消化系統、呼吸系統、循環系統、運動系統、內分泌系統、泌尿系統和生殖系統。
一、系統概述
（一）系統的含義與分類
1.什么是系統
系統是由相互依存的若干個部分組成的，具有特定功能的有機整體。或者說，此貼視由相互依存、相互作用的若干元素構成的，并完成特定功能的統一體。
例：課本中的塑料大棚是系統，智能大樓是系統，一本書是系統，大到浩瀚的銀河系，小到原子它們都是系統。
2.系統的分類
（1）自然系統和人造系統：人體系統是自然系統；人造地球衛星，橋梁（不包括天生橋）房舍等，屬于人造系統。
由自然系統與人造系統復合的系統稱為復合系統。如：城市系統、村落系統。
（2）實體系統和抽象系統。
（3）靜態系統和動態系統：相對的
（4）開放系統和封閉系統
（5）系統的其他分類：簡單系統與復雜系統黑色系統與白色系統。
由此可知構成系統的三要素：
（1）至少要有兩個或兩個以上的要素（或部分）；
（2）各要素之間互相聯系、互相作用有一定的結構。
（3）系統的功能是組成要素所不具備的。
（二）系統的基本特性
1.整體性:系統的整體性也稱為集合性，是系統的最基本屬性。系統是一個整體，即具有整體的特性功能，目標和作用的有機整體。系統不是各元素的簡單集合，也不是簡單的數量相加。
系統要求它的局部服從整體，強調整體觀點，整體目標和整體利益。
2.相關性：系統的相關性也稱為關聯性。構成系統的各元素之間是相互聯系、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：系統的目的性也稱為功能性，每個系統都具有特殊的功能。這是區別不同系統的主要標志。
4.系統適應性：
系統都存在于一定的環境之中，并不斷的與外界環境進行物質的能量的和信息的交換，系統必須適應外部環境的變化。
5.動態性：物質都是不斷變化，因此系統是一個動態的系統，處在運動變化和發展之中。
（三）典型系統的認識
1.棚室環境系統 5.載人航天系統
2.智能化大樓系統 6.教室系統
3.人體系統 7.洗衣機系統
4.龍賽艇系統
二、系統的分析
⒈系統的思想
作為系統，它們都具有整體性、相關性、目的性和環境適應性。系統的這些基本特性就構成了系統的基本思想。
在前面典型系統中，就體現了運用系統的思想來分析處理問題。
⒉系統分析及其一般步驟
⑴什么是系統分析
⑵系統分析的基本方法
運用系統的思想和定性定量相結合的方法，對系統進行分析就是系統分析的基本方法。該方法包括以下三個階段：
①闡明問題：分析的對象（系統）、系統的整體功能、系統的組成
②分析研究：系統內部機理，如洗衣機采用波輪方法旋轉激起水流；系統內部各子系統的關聯、配合；系統與其外部環境的關系；基本的定量分析。
③評價比較：系統性能、品質評價、系統運行效果評價、同類系統間比較。找出優劣。
⑶系統分析的一般步驟
⑷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子系統整體，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用說服力。
③綜合性原則：
系統分析時還要注重總和性原則，要總和分析，統籌兼顧，不可顧此失彼，因小失大。
⒊學寫簡單的系統分析報告
簡單的系統分析報告的內容包括：系統的分析過程，如功能、構成、特性的定性、定量分析說明；依據，如系統的內部關系，系統與外部環境關系的挖掘；結論和建議。如評價與小結。報告的形式不拘一格。
三、系統的優化
1.影響系統優化的因素：
首先，優化追求的目標適度。目標選得低，達不到優化。目標選得太高，脫離實際，實現不了，等于沒優化。如修筑致富路，路的級別不能定的太高。
其次，實施系統優化，總要有付出，或稱投入。希望取得效果（如經濟效益）達到最大，而投入（如經費）最小。二看三比，稱為效/耗（即效率/耗費）比。顯然，效/耗比越大，就越接近或達到最優化。以修路實例而言，如效/耗比趨于最大，那么，修路就達到最優化。對此，在不同場合有不同提法，如性/耗（即性能/耗費）比、性/價（即性能/價格）比等。
再次，系統優化是離不開條件的。比如，修筑致富路，實測中心必須要勘測，調查，準備數據資料，使修出的路符合技術規范；要預算，校驗，是為了準備修路所需要的人力、物力、財力等資源條件，條件欠缺的，要創造條件。條件是否具備直接影響優化。
最后，還應注意的是，某些不確定性的或不可預見的因素也會影響系統優化。因此在優化實施過程中，要及時調整計劃與方法，回到優化之路。
2、最優化原則和步驟
⑴最優化原則：
①要定性和定量分析相結合的方法使系統最優化。這就是說，不僅要對系統進行科學的定性分析和決策，還要對系統進行準確的定量分析，并且將二者結合起來交替進行，使系統最優化。例如：在修筑致富路實例中，預算、校驗都需要進行定量計算和分析。
②堅持系統整體的最優化。這就是說在處理優化過程中，在做優化決策時，要用好權衡的理念，權衡得與失，權衡當前與長遠，權衡局部與整體。如舍卒保車，棄車保帥，正是為了對弈時的最終勝利。又如，在筑路工程中，通過增加少量的經費多投入一些人工從而獲得修路的質量較大的提高或少占耕地。這樣做，可以保證“致富”這個“整體”。
③不間斷的尋求系統最優化。系統的發展具有階段性，系統的最優化是相對的。例：由于受當前的需求和條件的約束，修出一條等級不太高的公路，就已經算是最優化了；待到真正富裕了原來修路不再能滿足需求時，那么，我們在更高的路，以實現更高層次的最優化。新的系統不斷替代舊的系統，新的優化不斷出現。因此，在最優化的同時，要遵循系統的動態，觀點，推動系統不斷進步。
⑵最優化一般步驟：
①提出需要最優化的問題，收集有關資料和數據；
②確定變量，建立定量計算方程（有關數字模型如用線性規劃解決問題）和有關約束條件；
③選擇合適的最優化方法；
④解方程，校驗解的最優性；
⑤實施。
四、系統的設計
⒈系統的設計
⑴系統設計應考慮的主要問題
①系統設計的目的與要求。系統設計要從整體出發，以系統整體功能的最優化為目的。
②系統各部分之間的相互聯系與相互作用。系統設計要運用系統的思想綜合考慮各部分之間的關聯、沖突問題，注意各部分的橫向、縱向聯系。依據系統的動態性、環境適應性，既要考慮當前，也要考慮長遠。
③系統設計方案的優化。首先從系統整體考慮優化，統籌兼顧，再在此基礎上完善各部分的設計。
⑵系統設計的一般步驟
系統設計的步驟主要包括：將系統分解為若干子系統，確定各子系統的目標、功能及相互關聯，對子系統進行技術設計和評價，對系統進行總體技術設計和評價等。
五、本章練習題
1.“丟卒保車”“一招不慎，全盤皆輸”是我們日常生活中的常用語言，它們說明了系統基本特性的（ ）
A.整體性 B.相關性 C.動態性 D.目的性
2.自行車是由若干主要部件組成的，這些部件相互聯系，相互作用，形成了自行車，可以代步的功能。其中任何一個主要部件出現問題，都有可能導致自行車無法正常工作。這說明了系統的什么特性？試說明車把、車蹬，鏈輪和鏈條，前后車輪，車閘等的作用？
（提示：說明自行車是由幾大部分組成，幾大部分相互聯系、相互作用、相互依賴和相互制約，自行車是一個具有特定功能的有機整體。
車把：控制自行車的方向。腳蹬：將人腳踩的力傳遞到鏈條上。鏈輪和鏈條：將動力傳遞到后輪，驅動自行車行走。前后車輪：車輪的滾動帶動自行車整體行進，承受人和車的重力。車閘：控制自行車的速度。）
3．自行車在下列情況下，可能導致什么后果？
（1）車閘與車圈結合部位的橡皮筋松了。（容易導致剎車不靈）
（2）車把的固定螺釘松了。（可能使自行車的方向把不準，釀成事故）
（3）鏈條斷了。（使自行車無法行進）
（4）車輪的輻條斷了幾根。（容易使車圈受力不均而變形，增大摩擦阻力）
4．一堆沙子、鋼筋、水泥等材料散放在一起沒什么意義，但是如果將它們按照一定的結構形式造成一座橋梁，就具有了交通的功能，這個案例說明系統最基本的特性是（ ）
A．目的性 B．動態性 C．整體性 D．適應性
5．下列說法錯誤的是（ ）
A．系統設計要從整體出發，以系統整體功能的最優化為目的
B．系統是一個整體，它是各個要素（部分）的簡單相加
C．系統分析的顯著特點是完整地而不是零星地處理問題，考慮各種主要變化因素及其相互的影響，全面地思考和解決問題
6．飛機在空中飛行時，時常看到大氣對流的影響而產生顛簸，當飛機的檢測裝置接收到這一信號后，經過控制器的調節，能在很短的時間內調整好飛行狀態，克服大氣對流對飛機飛行的影響，保持平衡飛行。這個現象說明了系統的什么基本特征？（ ）
A．整體性 B．相關性 C．環境適應性 D．動態性
7．在下列關于系統相關性的理解中，你認為正確的是（ ）
A．一個系統往往存在多個目標，這些目標還常常不一致，需要進行協調。
B．系統通常都是由若干部分組成的。
C．系統各組成元素之間，部分和整體之間不進相互關聯、相互作用，而且任何一個組成部分發生變化，都會影響其它部分和整體任務的完成。
D．系統包含子系統，它又是更大系統的子系統。
8.2003年10月我國自行研制的載人飛船“神舟五號”飛入太空。飛船和運載火箭共有幾百個零部件，這些零部件本身都很一般，但它們按照一定的結構組合在一起就構成了性能優異的航天飛船，從而體現了系統的（ ）
A．動態性 B.目的性 C.整體性 D.相關性
9.合金鋼材料中，碳含量的高低影響著鋼的強度、硬度和韌性，從而影響鋼的耐磨性。碳含量高則硬度高，韌性差；碳的含量低則硬度低，耐磨性差。這反映了系統的什么基本特性（ ）
A.相關性 B.環境適應性 C.動態性 D.整體性
10.臺式計算機的CPU上安裝的小風扇有時轉的快，有時轉的慢，這個現象說明了系統的什么基本特性（ ）
A.整體性 B.相關性 C環境適應性 D.動態性
11.黑色系統是指（ ）
A.全部由黑色的材料組成的系統 B.信息完全明確的系統
C.在夜晚生產制造出的系統 D.信息不完全明確的系統
12.“泰坦尼克”號游輪，在當時該游輪各項技術性能是世界最先進的。但是為什么觸冰后全沉沒？請從系統的結構的角度理解，它主要反映了系統的什么基本特性（ ）
A.整體性 B.相關性 C目的性 D.環境適應性
13.“系統論”是研究的一般模式、結構和規律的學問，“系統論”是一門跨學科的很橫斷科學是由哪位科學家創立的？（ ）
A.馬克思 B.霍爾 C.貝塔郎菲 D.維納
14.填空：
（1）系統工程的霍爾三維結構是指在運用系統工程時從三個側面來考慮問題的方法。第一個側面叫__________維，第二個側面叫_________維，第三個側面叫_________維。
（2）系統作為黑箱，通過對_________與_________關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法，就是黑箱方法。
15.系統分析的目的是（ ）
A.為了減少實驗的失敗 B.為了減少系統內子系統的要素
C.為了減少設計決策的風險 D.為了減少設計過程的不確定因素
16.走鋼絲的人手上拿著一根長棒的目的是（ ）
A.美觀 B.重心低 C.保護 D.支撐
17.法國雕塑家羅丹給巴爾扎克雕像，人們都說雙手太逼真，羅丹聽到后就砍去雙手，這一行為給你怎樣的啟示？
（羅丹砍去雕塑雙手的目的在于使人們注意雕塑的整體，而不會再去注意這雙手。這給我們一個啟示：做任何事情，都要重視系統的整體性，必要的時候，要舍得拋棄部分而保存整體。）
18.“木桶理論”認為，木桶的盛水量取決于最短的那塊木板的長度。請用系統分的觀點解釋。
（提示：木桶有若干塊木板組成，若把木桶看做一個整體，每塊木板就是部分，“木桶理論”實際上反映了系統的部分與整體的關系，部分影響整體）
19.構成系統必須具備哪三個條件？
20.某村，人力興旺，資源充足，但不富裕。經分析發現，由于交通閉塞，本地的資源優勢不能輸出利用，外地的新技術，新物流也難以輸入本村，嚴重影響了本村脫貧致富。假如你是村長，怎樣為本村筑好一條致富路？
（提示：首先，根據本地區的地理情況，擬定幾條修路的路線，然后，權衡當前的需求與將來發展的因素，結合籌集到的人力，物力和財力的情況制定出具體的修路方案。
為保證方案切實可行，須做好以下幾方面的工作：
①勘測：調查本村附近已有公路的方位與距離，預測筑路可能遇到的山水路障，收集資料和數據
②預算：根據勘測選定的筑路路線，路長，預算出修筑路基、路面、穿山開洞，修筑橋梁等工程需要的a土方量、石方量；b筑路器材種類和數量；c人力數量；d經費數。
③選擇合適的筑路方法和計劃：筑路的方法很多，如從這一端開始向另一端推進；或分段同時推進，再對接；或邊開通隧道，建橋梁，邊修路。不同的方法和計劃，需同時投入的人力多少是不一樣的，效率也不一樣。采用什么方法和計劃好，要根據本村人力、物力、財力可能到位情況綜合考慮后確定。）
21.阿波羅登月計劃總負責人韋伯博士認為，我們沒有使用一項別人沒有的技術。阿波羅登月飛船的每件東西都是原來已有的科學技術短程的物化，都有其特殊的功能，但就其單項技術來說，它的任何一個部件都不具有上天的功能，然而登月飛船卻具有了宇宙飛船的功能。請你根據所學的系統知識，談談你對這段話的理解。
（提示：此例主要說明了系統的整體性，即系統是一個整體，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在孤立狀態下沒有的，系統的整體功能大于組成系統的各部分的功能之和。）
22.A地區有山有水有湖泊，就是耕地面積少。20世紀50年代以來，他們的做法是毀林開荒，開湖放水，圍湖造田，并在湖水的源頭興建水庫，擴大水澆地面積，一時間，糧食生產上去了，但卻帶來了一系列災難，由于毀林開荒，亂砍濫伐造成水土流失嚴重，每年有大量泥沙流入湖中，由于圍湖造田，開湖放水，使得湖面縮小，湖水減少，而這些變化又引起這個地區氣候惡化，近30年發生了三次大旱災，每次都造成大批莊稼旱死，糧食大幅度減產，近些年，這一地區才又開始退耕還林，保湖蓄水。
B地區農村的人們耕地也比較少，他們通過調整農業結構，開發低丘緩坡，在那里建立各種經濟林基地，如在山坡上種植青棗，板栗等，有的還實行林糧間作，使荒山野嶺變成了綠色園林，這樣，不僅農業生產上去了，而且還綠化了山區，改善了環境。
請同學們用系統的方法分析以上兩個案例中做法的優缺點以及用到了系統的哪些特性。
（提示：A地區的失誤在于沒有考慮到毀林開荒和圍湖造田對生態系統和環境的影響，沒有考慮子系統各要素組成新的系統整體所產生的不良功能。
B地區農業經濟走上了良性發展的道路，從系統觀點看，就是因為他們從系統整體性出發，從全局和長遠利益出發，注意了建設經濟林與發展農業生產，保護生態環境和繁榮城鄉，注意了各要素組合成新的系統以后所產生的新的整體功能。）
23.普通高中的課程體系是包括“語言與文學”、“數學”、“人文與社會”、“科學”、“技術”、“藝術”、“體育與健康”、“綜合實踐活動”等8個學習領域組成的整體。其中每個領域都具有特定的功能。例如，數學是一門研究客觀事物的空間形式和數量關系的科學，它為自然科學和社會科學的研究提供不可或缺的定量分析方法，同時，數學對于培養人們的邏輯思維有著重要的作用，以至于有人說數學是思想的體操。又如，藝術使用形象來反應現實但比現實更具有典型性的意識形態（包括文學、音樂、繪畫、影視等），提高藝術修養對于陶冶人的道德情操豐富精神文化生活，增進人際交往有著其它學習領域不可替代的作用。總之，提供上述8個領域的學對于提升人的整體素質都是十分重要的。
用系統優化的方法設計一個合理安排各科學習的方案，以利于提高自己的整體素質。
24.日本豐田董事長——奧田碩曾講過“只有那些能夠自如的應對經營環境的變化，不斷進行自我變革的企業才能超越時代保持住自身的優勢。”試用系統特性分析之。
25.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㎡木板及20小時，制作一只椅子需6㎡木板幾及18小時的工時，每周能擁有的木材板料是600㎡，可利用的工時是400小時；每張桌子的利潤是50元，每只椅子的利潤是60元。按合同每周至少要交付8張桌子和5只椅子，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？
（提示：用數學方法，設利潤為Smax，桌子x張，椅子y張，由題意列式：
Smax=50x+60y
20x+18y≤400
x≥8
y≥5
4x+6y≤600
由題意可看出，x取最小，y取最大，Smax為最大
即x=8，y=13，Smax=1180元
26.如圖：甲乙為產糧基地，ABC為國家糧庫，運費及各糧庫能存糧食，如圖：問如何調運糧食，使運費最省？
（提示：設好參數列式：
x1+x2+x3=35
y1+y2+y3=80
x1+y1=25
x2+y2=50
x3+y3=40
S=5x1+2x2+3x3+3y1+7y2+4y3
從題意中可以看出某些信息，最后可得Smin=175萬元）
27.簡單系統的設計
（1）手電筒照明供電系統的設計
（2）室內住宅電器系統的設計
（3）教室系統的設計
（提示：搞系統設計要按照設計要求進行設計分析，定出設計方案，最后方案實施。）
明確問題、設立目標
分析計算、評價比較
檢驗核實、做出決策
收集資料、制定方案
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