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第四节：系统的设计
一、学习目标
1.理解系统设计的基本方法，能综合运用所学知识按要求进行系统设计。
2.能分析、总结、归纳处系统设计的方法。
二、素养目标
技术意识：能综合运用所学知识按要求进行系统设计，并在技术实践活动中，能整合应用人文、科学、社会等方面的知识。能针对系统技术问题解决实例，设计试验方案，撰写试验报告，掌握系统设计的一般方法，形成基本的系统设计能力，具有良好的整体观念和亲近技术的情感。
工程思维：能分析、总结和归纳出系统设计的方法，并能运用系统原理和系统分析方法，进行简单的技术设计活动；在进行系统设计时，尝试运用模拟试验或数学模型来考虑各种影响因素，并开展决策分析和性能评估。能在系统设计实践活动中，绘制规范的设计图，形成良好的设计习惯；根据设计方案选择材料和工具，确定方案实现的时序和工序，能完成模型或原型的制作，并对其进行简单的技术指标检测。
三、重点、难点
重点：了解系统设计的基本方法。
难点：运用系统设计的基本方法，对纸火箭系统进行设计制作。
四、教材情况
本节要求学生通过水火箭的设计、制作、测试和发射活动，初步学会运用系统设计的基本方法，并把系统的思想和方法延伸到生活与学习当中，培养学生科学分析的态度和勇于创新的精神。本节是整章的总结，也是前面三节内容的综合运用。
五、学生情况
通过这一段时间的学习，学生已经掌握了系统的思想和方法，为进行系统设计奠定了基础，学生也有了进行系统设计实践的愿望。这节课主要介绍系统设计的方法，并通过具体的系统设计实践活动，引导学生进一步运用系统设计的方法去解决实际问题。
六、教学过程
1.新课引入
播放中国“天眼”的建造过程。思考：研制“天眼”的目标是什么 科技工作者是怎样实现这一目标的
是在系统分析的基础上设计出满足预定目标的系统的过程。除了遵循设计的一般过程、原则和标准外，还强调分析思维和综合思维相结合，注重在考虑整体的前提下具体研究解决局部问题。系统设计特别强调：
（1）以实现系统整体功能最优为目的。
（2）设计好系统的个要素和子系统。
（3）综合考虑统各个部分（要素）之间的联系，合理解决它们之间的冲突，注重系统与环境、部分（要素）与整体之间的协调。
（4）设计方案的分析、比较和优化。
思考：神舟七号载人航天飞船的成功发射和回收，是在对整个载人航天系统进行分析的基础上设计的结果，其中运载火箭起到关键性作用。今天，我们通过水火箭的设计和制作，简单地重现这一系统设计过程(出示纸火箭实物模型)。
2.系统设计的基本方法（水火箭的设计与制作）
（1）水火箭设计的总体目标及性能。
要求：用一个容量为2L的饮料瓶制作气压式喷水推进火箭。火箭射高(即上升到最高点时的高度 )大于8m，射程大于22m。对水火箭飞行的外部环境调查分析：受力状况：重力、空气动力(包括空气阻力)。天气状况：风向、风速、雨、雪等。地理环境：发射点高度、目标点高度等。
（2）水火箭飞行的基本原理分析
动力来源：水火箭发射时，加压的水从箭体尾部高速喷出产生反冲推力，推动水火箭飞行。
飞行轨迹：在各种力(主要是推力、重力、空气动力)的作用下，水火箭飞行速度不断变化，并形成了一定的轨迹—弹道，以上分析可知，增大水火箭飞行的反冲推力，减少水火箭飞行的空气阻力，是提高水火箭飞行效果的关键。
（3）影响水火箭飞行的主要因素分析
动力舱内气压、水量与水火箭射程及飞行高度的关系。动力舱气压越大，水喷射的速度越大，反冲推力也越大，水火箭飞行速度就越快，飞行高度就越高，射程也越远。但如果气压过大，超出舱体的承受能力，就会引起爆裂，必须十分注意安全。
在一定的范围内，动力舱内水越多，水火箭获得的能量就越大，射程就越远，飞行高度也越高。但如果水量过大，当动力舱内、外气压差降至零，喷射停止时，舱体仍残留一定的水量，会增加水火箭的质量，使水火箭受重力的影响提前坠落。所以，只有当水火箭动力舱内的气压与水量恰当时，水火箭才能飞得更高、更远。通过多次实验、比较，获得气压和水最合适量如下表。
（4）组装与测试：按照设计方案组装水火箭并进行飞行测试。
（5）系统的优化：分析影响系统优化的主要因素，提高系统的整体运行效果；设计方案不断验证和完善，系统的评价及改进。
（6）发射仰角对射程及飞行高度的影响
水火箭发射弹道与抛体运动理论密切相关。在理想的情况下、发射仰角为45°时射程最远。但在实际发射中，必须考虑空气动力和其他因素的影响。当发射仰角太小时，水火箭向上的分力不大、爬升高度不大，由于重力影响，容易坠落、使射程缩短。而当发射仰角太大时，水火箭向上的分力虽大，但向前分力太小，致使出现“高而不远”的情况。实际上最优的发射仰角往往比45°要大。
2.简单系统的设计
通过具体的设计活动，进一步理解和运用系统设计的基本方法，增强运用系统思考和工程思维解决实际问题的能力。
绘制简单的设计图纸。
以小组为单位，分工合作完成。每3-5人为一组，明确任务分工及设计时间进度。
设计分析
设计目标及要求：讨论并列出总体目标和具体性能指标。
调查研究，收集相关资料。
（1）了解设计对象可利用的资源、条件。
（2）收集、整理有关技术资料。
设计初步方案。
（1）综合考虑。
每个子系统的功能、子系统和系统整体的相互联系。
各元素选择、比例和配置(船壳、电动机、螺旋桨、电池等的选择)。
周围环境和条件对系统的制约。
安全、环保因素，避免设计的隐患及系统对人体健康和环境的不良影响。
节能、经济原则。
绘制气垫船模型的简单设计图纸，有条件可运用计算机软件CAD绘制。
列出所用材料(器材)清单。
收集意见，优化设计方案。
七、教学反思
本节内容以实践活动为主，由于内容的技术性比较强，需要教师进行较详细的讲解，讲授过程中应该结合技术实例展开教学，步步推进，以达到教学目标，让学生在思考、讨论和相互交流的过程中学会系统设计方法的应用。
水火箭设计与制作是学生比较感兴趣的活动主题，但对部分学生来说难度较大，需要用到物理和数学等方面的知识，其原理和制作过程都需要教师的详细讲解与指导。所以，在任务的布置和落实上，教师要根据学生的实际水平，灵活安排和适当处理课时内容。

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