高中通用技术《闭环控制系统的干扰与反馈》教案 新人教版

浙江省衢州市仲尼中学高中通用技术《闭环控制系统的干扰与反馈》教案

新人教版

一、教材分析

本课是《技术与设计2》的第四单元“控制与设计”的第三节“闭环控制系统的干扰与反馈”中的第三课时的内容，包括“功能模拟方法”和“黑箱方法”两部分内容。功能模拟方法是以功能行为的相似性为基础建立模型，用模型模拟原型的功能和行为的一种方法。教材首先以“加热炉温度的手工控制与自动控制”的比对案例来说明功能模拟方法。温度能自动控制的加热炉系统在上一课时是已经分析探讨过的案例。在这里重提就可以很好的与“手工控制加热炉”配对比较。但考虑到“加热炉”对学生来说还是比较陌生，所以在上课时不采用这个案例，而是改用“人工驾驶与自动驾驶汽车”的案例做比对。教材在后面又举了根据模型与人脑在功能行为上相似而实现对人脑的模拟的“国际象棋人机对弈”案例，从而使功能模拟方法更清晰的展现在我们面前。在“黑箱方法”部分教材使用“中医看病”“挑西瓜”等贴切生活的案例把黑箱方法分析得非常的清晰明了。教材引用这些生活化的案例就一子就把理论与人的距离拉近了，陌生感也没有了。利用黑箱方法事物进行分析，可使许多繁杂的问题简单化，它是认识事物的一种有效方法。

教材内容的顺序编排也是比较合理的。在前几课时分别介绍了“控制”“开环控制系统”“闭环控制系统”“干扰因素”“反馈”等内容，而这些都是学习探讨功能模拟方法与黑箱方法的前提基础。

二、学情分析

在此前，学生学过了开环与闭环控制系统，对开环与闭环控制系统的组成也都有了一定的认识，这些再加上学生的生活经历都是学习本节的前提基础。“人工驾驶汽车”“中医看病”“挑选西瓜、椰子、电视机”以及“机器人”都是学生熟悉的案例，正是以这些熟悉的案例做分析铺垫，才有可能降低理解难度。本课主要通过大量的生活案例让学生在分析案例的过程中逐步掌握功能模拟方法与黑箱方法的思想的，但对于功能模拟方法的理解还是有一定难度的，所以在实施教学时需要想办法去突破。

三、教学目标

通过“汽车全自动驾驶”与“人工驾驶”的类比分析理解功能模拟方法和“挑椰子”“判别计算机性能”等案例的分析，了解黑箱方法的应用。知道功能模拟方法与黑箱方法都是研究控制系统的常用方法，了解功能模拟方法与黑箱方法在控制系统中的应用懂得功能模拟方法与黑箱方法在控制领域的重要作用；将功能模拟方法特别是黑箱方法有意识的渗透到今后的问题分析当中。

四、教学重点

功能模拟方法与黑箱方法在控制系统的设计与分析中应用。

五、教学难点

1. 功能模拟方法的理解。

2. 功能模拟方法与黑箱方法在控制系统的设计与分析中应用。。

六、教学方法

教授、案例分析、任务驱动。

七、设计思想

1. 设计理念

功能模拟方法是仿生学中的一种常用研究方法，在控制领域应用广泛，它也为人工智能研究的提供了科学方法。在平时进行方案构思时采用的模仿法与本课探讨的功能模拟法很相近，模仿法的范畴更大一些，这一点在上课时是一定要学生清楚的。本节教学的主体任务是使学生理解并掌握两种分析、设计控制系统的思想方法，最终能对两种方法做简单的应用。为了让学生易于理解就必须尽可能的多使用案例，且是学生熟悉的案例，案例既有文字性也有图片式的。

2.教学策略设计

先以“人工驾驶汽车”的方向控制问题做导入，分析汽车的行驶方向是如何受到控制的，接着投影“全自动驾驶汽车”案例，比较前后两种行驶方向的控制，知道“全自动驾驶汽车”中控制器代替了人脑的转

向控制功能，执行器代替了人手实现车把转向功能，检测装置代替了人眼实现路况识别功能。说明象这种以功能和行为的相似性为基础，用模型模拟原型的功能和行为的方法就是功能模拟方法。之后再介绍教材举的“下象棋机器人”，也请学生试列举类似的案例，（会骑自行车的机器人、会拉提琴的机器人……）接着让学生阅读第115页的“阅读”材料，以加深对“功能模拟方法”的认识。接着设置一道与功能模拟方法相关的练习题试做。

在“黑箱方法”部分用教材的“挑西瓜”“中医看病”案例做简单分析，可得知不用打开事物直接看内部结构，也可以通过观察外部或试验等方法就可以认识事物，这种方法就是黑箱方法。接着请三位同学上台试判别两个椰子的老嫩情况，这是跟挑西瓜类似的一个试验，旨在提升学生的感性认识。之后再请全体同学一起讨论“如何简单判别一台计算机的性能”、“试判别教室中的扩音机的扩音是否正常”，这都是黑箱方法的具体应用。最后的再安排教材P116页的“马上行动”作为课后作业。

八、教学准备

1. 教学资源的准备

多媒体教学设备、教学课件PPT、椰子（2个）、（教室的）扩音设备等。

2. 教学课件的准备

教学课件力求简洁，抓住关键知识点，突出中心。

九、教学过程

1.引入

教师：上一课我们专门探讨过闭环控制系统的反馈问题，反馈可以使控制系统的控制精度更高、稳定性更好。下面我们来看两个案例：

（投影：手动驾驶汽车和自动驾驶汽车图片）

a. 手动驾驶汽车

b. “斯坦利”无人自动驾驶汽车

大家说说这两种驾驶汽车的方式中，汽车的行驶方向分别是怎样实现控制的？

学生：（在手动驾驶的案例中，人眼检查路面的信息反馈给大脑处理，大脑控制手去把转方向盘；在自动驾驶案例中，检测装置检测路面信息并将信息送给控制器，控制器控制执行器去调整方向盘从而实现行驶方向的控制）

2.新课

教师：在这两案例中，相应的自动驾驶系统的检测装置代替人眼检测路面状况的功能，控制器代替了大脑的功能，执行器代替了人手的功能。象这个有用有相似功能的机器模块代替了人来实现对汽车行驶方向的控制就是一种功能模拟方法。

（投影：功能模拟方法----以功能和行为的相似性为基础，用模型模拟原型的功能和行为的方法。）这里说的“模型”是比较笼统的，但它一定是以功能行为的相似性为基础的。就如雷达和蝙蝠，雷达就具有可发射并可接收电磁波功能模块，这些模块就是模型，它具有与蝙蝠相似的功能和行为。

历史上曾经有过能模拟人的动作行为的各种模型，却没有解决从结构上模拟人的大脑进行思考的问题，因为人的大脑太复杂了。在没有彻底弄清人脑内部结构和机理的情况下，必须另辟一新的模拟途径，这条途径不要求从结构上去模拟人脑，而只是要求模型在功能行为上与人脑相似。也就是说，仅仅根据模型与人脑在功能行为上相似，实现对人脑的模拟。

我们来看一则报道（投影）

“据俄罗斯《莫斯科时报》6月10日报道，俄罗斯总统的首席经济顾问达瓦科维奇9日晚上战平国际象棋机器人，比赛结果为1胜1负。达瓦科维奇同时也是俄罗斯国际象棋协会主席，他承认这是他第一次有勇气和机器人比赛。参赛机器人是俄罗斯工程师用最先进的技术制作的，它能用一只长约1米的手臂移动象棋，并同时与3个人比赛。设计师很自信地说，从理论上来说它是无法被击败的。

这次机器人同时与达瓦科维奇、国际象棋大师伊戈尔和7岁的象棋女神童阿琳娜一起下5分钟的快棋赛。达瓦科维奇赛前和现场的观众及记者说：‘这个机器看起来不像人类，但棋下得比人好。’”

教师：国际象棋机器人具有与人脑类似的逻辑判断功能，能模拟棋手的思维、动作与人下棋。工程师在设计这些机器人时就使用了功能模拟法。