资源简介

土壤湿度报警装置的设计与制作
——《开环控制系统的工作过程》教学设计
【课标内容要求】
理解控制、控制系统的含义及在生产和生活中的应用。
熟悉简单的开环控制系统的基本组成与工作过程，理解其中的控制器、执行器的作用。
【教学内容分析】
本章位于通用技术学科苏教版教材《技术与设计2》的第四章第二节，主要要求同学们能够理解控制系统以及分析开环控制系统的工作过程。
【教学目标】
1. 通过技术体验活动，理解控制系统的含义，熟悉简单开环控制系统的基本组成和工作过程，理解其中控制器、执行器等的作用，辨析开环控制系统的特征。
2. 会用方框图表达简单开环控制系统工作过程。
重点：简单开环控制系统的基本组成和工作过程
难点：辨析开环控制系统的特征
【核心素养指向】
对于技术意识需要达到：
能够运用趋势分析等评估技巧，对某一技术的未来发展作出判断；
具有进行技术决策和对技术的选择能力；
对于工程思维需要达到：
理解系统的基本特性，考察并解释输入、过程、输出及各种因素是如何影响系统的。
能确定影响系统的因素，尝试通过改变输入对系统进行优化设计。
【学情分析】
在学习这部分内容之前，学生已经完成了《技术与设计1》整本书和《技术与设计2》前三章的学习，能够达到之前所学习内容的知识目标和能力要求。但是，本节课中还设计到了选修教材《电子控制技术》的电子知识，需要在课堂上把握好知识的深度和广度，以免超出本堂课的知识内容。
【设计构想】
1．整体设想
1.经历土壤湿度报警装置的造作，理解开环控制系统的基本组成与工作过程，理解控制器、执行器在控制系统工作过程中的作用。
2.经历操作具体控制系统的过程,学会根据控制系统的控制要求,确定被控量、控制量,会设计简单的控制系统方案,初步掌握简单控制系统的设计过程与分析方法。
3.通过操作简易的土壤湿度报警装置,学会根据方案搭建简单控制系统,并进行技术试验与调试,感悟技术试验在控制系统设计中的重要性,学会通过技术试验发现问题,并进行改进创新,形成创新设计素养等。
2.教法学法
教法：任务驱动法、项目教学法
学法：动手实践法
3．情境与任务
任务一 画出湿度控制系统的“输入——输出模型”
任务二 写出开环控制系统的方框图
任务三 土壤湿度报警装置的操作
4．学生活动
土壤湿度报警装置的制作和改进
5．核心素养的落实
对于技术意识需要达到：
能够运用趋势分析等评估技巧，对某一技术的未来发展作出判断；
具有进行技术决策和对技术的选择能力；
对于工程思维需要达到：
理解系统的基本特性，考察并解释输入、过程、输出及各种因素是如何影响系统的。
能确定影响系统的因素，尝试通过改变输入对系统进行优化设计。
6.评价设计
过程性评价：通过课堂中层层设疑来完成阶段性的评价以便更好的进行下一步教学。
终结性评价：通过动手实践项目检验教学目标的完成度
【教学活动设计】
教学环节 教学过程 设计意图（写出一个环节的设计意图，包括：本环节学生学习情况的检测，核心素养的渗透，重难点的落实）
教师活动 学生活动
活动情景导入 1.讲台的桌子上有三杯土壤，请一位同学上来，按照这三杯土壤的湿度从高到低进行排序。 2.询问这位学生，刚才是如何对土壤湿度进行判断的？ 3.判断土壤湿度的方法非常快速和简单，但是如果要求你每隔几天、不定时地检查土壤的湿度，将整个过程长期进行下去，请问还可以保证做到而不会忘记吗？ 4.我们来看看小明同学有没有做到，为了给家里增添一些自然的气息，小明同学买了一盆绿植，刚开始小明同学把绿植照顾得非常好，枝繁叶茂的，但是过了一段时间，由于平时自己忙于学业而父母又忙于工作，经常忘记浇水，绿植逐渐枯萎了。现在再去补救也于事无补了。 既然不能让枯死的植物起死回生，那能不能避免此类情况地再次发生。 请问各位，可以怎么做？ 设计一款“土壤湿度报警控制装置” 学生通过观察土壤的颜色或用手触摸土壤的方法，按照这三杯土壤的湿度从高到低进行排序，并回答问题 从情境导入，带入日常生活中会遇到的问题，根据问题走进任务，引导学生用技术知识解决问题。
新授内容 1.这款装置本质上就是一个系统。 在第三章学习“系统与设计”的时候，我们知道可以用“框图模型”来表示系统。用方框表示系统的组成部分，箭头线代表输入、输出，现在请你完善该系统的最简框图模型。 完善土壤报警控制系统的最简框图模型。 通过最简框图模型的完善，明确土壤湿度报警控制系统的输入和输出
2.既然要设计系统，那么需要对“土壤湿度报警控制系统”进行扩展，写出具体的系统内部组成部分，参照刚才那位同学判断土壤湿度的过程，将四个选项填入图当中的序号处。（请一位同学上来把结果呈现在黑板上） 在刚才那位同学判断土壤湿度的活动中，感受到土壤湿度后需要由大脑做出决策判断，湿度偏低时，大脑发出指令让人手按下开关，做出相应动作，接下来灯光被点亮。 这就是一个简单的土壤报警控制系统的人工控制过程。 像这种，通过若干环节来实现控制功能构成的装置称之为控制系统。 看一下这个系统的输入量和输出量，一个是土壤湿度，另一个是LED灯发光，这两者有没有关联，是不是同一性质的物理量。 该控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响。这种系统就叫做开环控制系统。 思考并完善表格 由人工控制感受简单开环控制系统的组成部分
在开环控制系统中，我们把土壤湿度偏低看作是输入量，大脑看作是控制器，人手、开关看作是执行器、人手动作按下开关看作是控制量、LED灯看作是被控对象、LED灯发光的状态看作是输出量。将这些红字部分连在一起，就构成了开环控制系统的方框图。 实物部分用方框框起来与物理量部分以示区别。 为了简单的表示控制系统，我们采用的是画方框图的方法。 输入量是外界给系统的一个物理量，控制器是一个具备决策、判断、指挥的元器件，执行器是执行相应动作的元器件，控制量是执行器输出的信号，被控对象是所要控制的装置和生产过程，输出量是控制系统所要控制的量。 思考并理解 明确控制系统的组成部分及其作用
现在要求用自动控制来代替人工控制，把大脑用湿度传感器和三极管组合在一起的控制电路来代替，同时用三极管来代替执行器。 思考并理解 通过人工控制到自动控制的过渡，让学生更加深刻理解控制器和执行器的作用
活动一：3分钟 两位同学一组，在每组的桌子上有一个用电子元器件搭建好的土壤湿度报警控制装置。请每一组的同学把电源接上，分别比较土壤湿度传感器在空气中和浸入水中两种情形下，LED灯发光的状态。请一组同学来展示 结论： 传感器在空气中，周围环境比较干燥时，LED灯发光；传感器浸入水中，周围环境比较湿润时，LED灯熄灭。 看起来试验的结果符合我们的要求，干燥时亮灯；湿润时灭灯。 按照要求测试湿度传感器分别在空气中和在水中LED灯的发光情况。 通过动手实践，完成体验操作，深刻理解开环控制系统
活动二：5分钟 1.接下来，将湿度传感器擦干后，插入装了沙土的杯子中，用滴管吸取适量的水，滴加至土壤中，利用滴管上的刻度，记录到LED灯完全熄灭时，滴入水的总量，以毫升为计量单位,并将数据填入表格，同时观察滴加水的过程中LED灯的现象。 在沙土中滴入水，记录LED灯熄灭时滴入水的总量 培养学生的探究精神
请一两位同学描述观察到的现象。 思考：为什么不同组在灯光熄灭时滴入水的总量不同； 2.将湿度传感器插入土壤中保持不变，电路中有一个可变电阻Rp1,可以通过螺丝刀插入到白色部分的十字凹槽中，旋转旋钮，尝试调节可变电阻Rp1，观察LED产生的现象。 请一位同学描述观察到的现象。 LED灯随着可变电阻的调节亮暗程度变化 3.调节Rp1对于土壤湿度报警控制系统来说有什么实际的作用？ 请同学尝试回答 可以改变报警时的设定湿度值。 操作、思考并回答 培养学生思考能力和探究精神
通过对控制器的调节可以满足不同控制目标和控制条件的要求 小结 对控制器进行探究
1.采用灯光报警有没有什么问题？ 不易引起注意 2.除了灯光报警以外，还有什么样的报警方式？ 3. (2分钟)尝试搭建一个包含声音报警的电路 思考并回答 对被控对象进行探究
讨论交流 1.思考讨论：在日常生活中有没有常见的开环控制系统？ 2.选取一两个同学，将控制方框图在磁性贴纸写下，排布到黑板上。 思考并回答 培养学生思考能力和探究精神
课堂总结 总结开环控制系统的基本组成和工作过程 思考并回答 回顾知识点
板书设计
开环控制系统的工作过程
定义：输出量不影响系统控制
特点：输出量与输入量不一样
方框图
案例启示
通过情景教学法，在操作土壤湿度报警装置的过程中，完成对开环控制系统基本组成和工作过程的认识和理解，同时注重对学生动手实践能力、独立思考精神、团队协作意识和探究精神的培养

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