資源簡介

三 系統設計的優化與實現
教學目標
1．知識和技能：
（1）理解系統優化的意義
（2）能分析影響系統優化的因素
（3）初步掌握系統最優化的方法
（4）能夠對一個簡單系統運用最優化的方法進行分析
2．過程和方法：
通過對案例的分析過程，使學生懂得用所學的知識解決有關問題
3．情感態度價值觀
（1）體驗系統優化的意義，指導學生把系統優化的思想延伸到整個生活和學習當中。
（2）培養學生解決問題的方法，以用合作精神
教學重點
系統最優化方法和一般性步驟
教學難點
系統優化的過程分析
教學方法
講授法、小組討論法、案例分析法
教學媒體
多媒體教室
教學過程
一、案例導入
案例一：丁謂的絕招
傳說宋朝時，一次皇宮失火，宮殿和亭臺樓閣都化為廢墟，大臣丁謂奉命主持重建。要在短期內清理堆積的廢墟垃圾，運輸木材和石材，還需要準備大量的新土，時間不夠，怎么辦呢？
【馬上行動】將學生進行分組（5人/組），以小組為單位進行交流與分享，并回答問題：
1、分組討論，如果讓你主持重建你會怎么做？
2、通過網絡查找資料，看看歷史上的丁謂是怎么做的？有沒有更好的改進方法？
師：讓我們看一看歷史上丁謂的方案是怎樣的？首先，從施工現場向城外挖一條溝，挖出的新土作為施工需要的新土備用。然后從城外把河水引入溝內，使之成為一條人工河，用來運輸建筑用的木材和石材。完成運輸任務后，把溝里水排空，將剩下的廢棄物及垃圾統統填入溝內，重新平整為平地。這個施工方案節約了人力物力，縮短了工期，工地秩序井然，都城交通和百姓生活沒受影響。
案例二：鳥巢的優化調整
師：我們再來看2008奧運會的主會場“鳥巢”，“鳥巢”采用是什么結構？
生：框架結構
師：使用的主要材料是？
生：鋼
師：它采用是大跨度重型鋼結構體系，它在設計過程中也在不斷的優化調整，其中有一項調整是取消了可開啟屋蓋、擴大了屋頂開孔，優化后方案，減少用鋼量1.2萬噸，造價減少了約4億元。
師：鳥巢去蓋后，在哪方面得到改善？
生:成本降低
師：雖然去掉了蓋子，但鳥巢的外觀、設計理念都不會改
二、系統優化及其意義
師：作為一個系統，通常就會有這樣或那樣的問題。如：效果不佳；或是投入的人力、物力、財力不是最小；或是某種性能不理想等等。因此系統需要改善，需要優化。
在現實生活中，由于受環境和條件的限制，不可能找出一切方案，也不可能對所有方案進行全面比較，漫無邊際地去研究所有方案，無論在時間上還是人力上都不允許，運用科學的方法就更為重要，缺乏資料，缺少對資料的科學計算和分析，只靠拍腦袋無法尋找到最優方案。
【思考】：系統的優化有什么意義呢？
系統優化的意義就是以最小的投入，獲取系統的最佳效益或最佳功能。
系統的優化是指在給定的條件（或約束）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）。
【案例分析】：建造隔音墻改善車流噪音污染
浙江天臺縣高速噪音超標80%，66戶村民告上法庭
核心事件：上三高速建成通車已有6年，6年來車流日增，在接近高速天臺出口處，距離高速公路10米左右就有一排民房，這就是天臺縣橋下村。村民說，高速上車來車往的聲音太大了，這幾年來他們最大的愿望是能睡個安穩覺。于是，他們將高速公路公司告上法庭。天臺縣橋下村位于上三高速天臺出口處，一共有250戶人家，房子多是80年代造的。 2000年底，上三高速公路通車，剛好在橋下村旁邊經過。
1、問題：車到附近噪聲污染較嚴重。
聲源處減弱
2、選擇合適的優化方法： 傳播過程中減弱
接收處減弱
經討論分析，選擇較合理的一種優化方法：建隔音墻
3、建隔音墻的技術要點：
（1）實地測量噪聲的嚴重程度。
（2）建立隔音墻防噪聲的數學模型，求其數學解。
（3）怎樣做到效果最好而又成本最低，即優化。
（4）作必要的實驗驗證。可以做模型，有條件的可用計算機仿真。
4，實施優化
（1）墻體結構與材料（牢固性）。
（2）外觀效果（美觀性）。
（3）降噪效果（功能性）。
修建隔音墻，以較小的投入，獲得了好的治理噪音污染的效益，使社會環境大系統的整體得以優化。系統被改善了，就是系統被優化了。獲得系統的最佳效益或最佳功能，就是系統優化的意義。
【分析總結1】系統優化的一般性步驟
（1）確定需要進行優化的問題
（2）收集有關資料和數據，選擇合適的優化方法——優化方略與籌謀
（3）驗證與實施
條件校驗
實施與調整
【分析總結2】影響系統優化的因素
（1）優化追求的目標要適度。
（2）系統優化離不開條件，條件是否具備直接影響優化。
（3）某些不確定的或不可預見的因素也會影響系統的優化。
（4）希望投入最小，而取得的效益最大。
三、最優化及最優化方法
為了使系統達到最優的目標所提出的各種解決方法，稱為系統的最優化方法
系統優化分析的一般步驟
【案例分析】在江邊一側有A、B兩個工廠，它們到江邊的距離分別是2km和3km，設兩工廠沿江方向的距離是3.5km，現在要在江邊修建一個碼頭，使得兩廠的產品能夠順利過江，問碼頭應建在什么位置，才能使運輸路線最短？
【學生活動】根據所學數學知識，求解本題，并總結最優化方法解決問題的一般步驟
過A點作關于直線DE的對稱點A1，連接A1B與DE相交于C，這一點既為所求的碼頭的地點。
　 根據相似三角形原理，求得 DC=1.4km，碼頭建在與A廠到江邊垂直距離位置相距1.4km處，運輸路線最短。
最優化方法解決問題的一般步驟
1、提出需要優化的問題和目標，收集有關資料和數據。
2、分析影響系統優化的各種因素，確定變量，建立有關約束條件，建立求解最優化問題的有關數學模型，分析模型。
3、選擇合適的最優化方法。
4、分析求解。
5、最優解的驗證和實施。
【案例分析】最優配送路線
師：在最優化問題中，我們經常是定性和定理分析相結合的方法，我們看這個案例
某配送中心位于A點，現在將一批電視機等家用電器配送到B、C、D處的3家商場，運貨車從A點出發，送完貨后返回，配送路線如圖，圖中帶箭頭的線分別表示兩地往返的方向，無箭頭的線表示可以往返的線路。
師：說說你的解決思路
生：學生討論
方案 路線 路程(km)
1 ABCDA 51
2 ABDCA 46
3 ACBDA 59
4 ACDBA 47
5 ADCBA 51
6 ADBCA 58
師：這個案例，我們制定好方案后，再用數學的方法計算，就是定性和定量相結合的方法。
四、拓展探究
【學生探究1】改善學校周邊環境
思考：我校周邊環境現狀是什么，哪些需要改進？請同學們思考后提出自己的見解。
1、學校附近有車道，噪音污染較嚴重。
2、學校周圍的無證攤販多，占道經營。
3、交通設施不完善
亂停車（接送學生車輛，社會車輛）
4、校園面積小，開展活動不方便。
【學生探究2】你覺得咱們學校的餐廳有哪些不足或不便之處？如何優化？
我校設有兩個學生食堂，近兩年，隨著學校辦學規模的擴大，就餐人數隨之增加，每到中午就餐時間，學生們排著長隊等待就餐。如何減少學生就餐排隊時間？請提出解決這一問題的幾種方案，運用系統分析方法選擇一種經濟、最有效可行、最容易實現的辦法。
從中選擇方案，制定最適宜方案
1、增加窗口和食堂人員
2、分時段就餐
3、增加一個食堂
4、增加食堂的面積
5、提前分發好飯菜
6、提倡學生回家吃
7、增加就餐座位
8、提供飯盒打包
9、學生兩人一組,分工合作
10、分批到兩個食堂就餐
11、外賣服務
12、限制就餐時間(15分鐘)
13、提高食堂人員素質
14、送餐上門服務
五、課堂小結
1、系統的優化與系統優化的意義
2、系統優化的一般性步驟
3、影響系統優化的因素
4、最優化及最優化方法
6

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