资源简介

通用技术 必修 技术与设计2
第三章　系统及其设计
第二节 系统分析
教学背景
党的二十大报告指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略”。
通用技术是一门与科学技术息息相关的学科。回顾人类的发展历程，从石器时代、青铜时代、蒸汽机时代直到当今的信息时代，技术进步改变着人类的生活和生产方式。我们的生活、工作、生产处处都要用到技术，例如我们手中拿的圆珠笔和钢笔就是多次技术改造的结果，使我们足不出户就可以了解世界的电视机也是技术发明的成果。认识技术、善用技术，已成为现代人必须具备的素质。
教学目标：
理解系统分析的基本方法，知道系统分析的主要步骤，理解系统分析的一般原则。
学会运用系统分析的基本方法分析和解决问题。
能通过调查和参与等方式，体验分析、解决技术问题的愉悦感。
经历将基础知识应用于技术实践和创新的过程，同学们会养成实事求是、精益求精的习惯，能运用规范的技术语言和设计制作方法去解决一些实际的技术问题。
教材分析
这节课内容主要为系统分析的基本方法，其中“系统分析的基本方法”是这一节的重点和难点，是将书本知识与实际应用相连接的一个重要途径，使学生能够运用系统的思想和方法处理与研究问题。
学情分析:
经过前面的学习，学生对系统的含义和特性有了基本认识，对具体系统实例已有所了解，对事物也有了一定的判断能力。但他们对系统方法的运用并不了解，在日常生活中还不会有意识地用系统的方法去分析问题、解决问题。
教学重难点:
重点:理解、掌握系统分析的基本方法。
难点:能开始运用系统分析的基本方法去分析和解决实际问题。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物图片和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中自主探究、自主建构设计原则知识并形成能力。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
　　教学过程:
　　情景导入:
老师：本节课我们学习通用技术 必修 技术与设计2第三章系统及其设计
第二节 系统分析。
德国大教学家高斯上小学的时候，老师在课堂上出了一道数学题:求1+2+3+4+……+100= 老师写完后不久，高斯就算出了答案:5050。为什么高斯能这么快就算出答案呢
教室里的小朋友们拿起石板开始计算：“1加2等于3,3加3等于6,6加4等于10……”一些小朋友加到一个数后就擦掉石板上的结果，再加下去，数越来越大，很不好算。有些孩子的小脸儿涨红了，有些孩子的手心、额上渗出了汗来。
还不到半个小时，小高斯就拿起了他的石板走上前去：“老师，答案是不是这样？”
老师头也不抬，挥着那肥厚的手，说：“去，回去再算!错了。”他想，小孩子们不可能这么快就算出答案了。
可是高斯却站着不动，把石板伸到老师面前：“老师!我想这个答案是对的。”
数学老师本来想怒吼起来，可是一看石板上整整齐齐写了这样的数：5050。他惊奇起来，因为他自己曾经算过，得到的数就是5050，这个8岁的小孩子怎么这样快就算出了得数呢？
高斯就向老师解释说：“如果把从1到100这100个数首尾相加，1+100=101,2+99=101,3+98=101……这样，每两个数的和都是101，100个数两两相加，就会有50个结果，而每个结果都是101，那么50个101加起来就等于5050。”
高斯解题的方法体现了整体性、综合性、最优化的特点。
导学思考
高斯为什么能快地算出答案
一、系统的思想方法
通过前面的学习，大家知道掌握系统的特性可以帮助我们全面、深入地认识事物，从而提高分析、处理问题的能力和工作效率。系统的特性构成了系统的基本思想。
案例
丁谓修复皇宫
宋朝真宗年间，京城失火，皇宫被烧成废墟。火灾后，真宗皇帝命丁谓主持皇宫修复工程。丁谓首先下令在皇宫前大街挖沟取土烧砖，没几天大街就成了一条宽大的水渠。接着，他又下令将汴水引入水渠，用竹筏和船把建筑材料运至宫门。京
皇宫修复完毕，水渠排水后，又把瓦砾灰土填入其中，复为大街。丁谓修皇宫的方案不仅节省了大量资金和劳力，而且大大加快了工程进度。丁谓修皇宫是我国古代运用系统思想和方法的著名范例。
立即行动
丁谓修复皇宫方案有哪些优点 为什么说他运用了系统的思想方法 我们在学习中，常常会运用系统的思想方法，请举出1-3个例子，并说明思考、分析、解决问题的过程。
知识窗
系统科学的发展
系统科学是以系统为研究和应用对象的一门科学。古代人们就在哲学、科学、军事、工程、天文历法等领城中广泛进行了系统科学的实践。在我国数千年的文明历史发展长河中，可以寻找到许多蕴藏着系统思想的瑰宝，如闻名于世的儒家经典《周易》所描述的八卦，春秋末期著名军事家孙武所著的《孙子兵法》，战国期间修筑的长城、都江堰，还有成书于在春秋战国时期的医学典籍《黄常内经》等，无不闪烁着系统思想的光辉。
在古布腊，德谟克利特 (Demokritus)最早提出和使用了“系统”一词。哲学家、科学家亚里士多德 (Aristotle)提出了“整体大于它的各部分的总和”的观点。古代的系统思想强调对自然界整体性、统一性的认识，但由于历史条件的局限，这种认识仍然是表面的、不完全的。
20世纪40年代，生物学家贝塔朗菲 (Ludwig Von Bertalanffy) 创立了一般系统论。一般系论是运用逻辑和数学的方法，考察整体和各部分的属性、功能以及它们之间的相互制约的关系，并采用最优化方法协调部分和整体的关系，求得系统的最住结果。但一般系统论阐述定量的结果较少。人们为了适应生产规模不断扩大、生产技术和管理模式日趋复杂的情况，提出了系统分析和系统工程方法。
美国兰德公司倡导的系统分析方法以大量数学分析为手段，在全面考察决策面临问题的基础上，提出不同的目标和解决方案，供决策者选择。美国科学家霍尔(A D.Hall) 的系统工程方法论，提出了三维结构方法体系。三维结构由时间维、逻辑维、知识维组成。时间维表示系统工程实施过程按时间顺序安排的工作阶段；逻辑维表示运用系统工程方法分析解决问题应遵循的一般程序；知识维是指实施系统工程需要综合运用的各种专业知识。
二、系统分析的基本方法
系统分析是系统思想与分析方法的结合，即把要解决的向题作为一个系统加以详尽地考察，并采用科学合理的方法对系统进行综合分析、试验和比较，从而提出可行性方案.使系统发挥整体功能，达到理想的总体目标。系统分析是当今决策分析的核心内容。
案例
城市交通
某市是经济发展较快的城市之一，尽管该市政府在城市交通设础设施方面加大了投入，但随着经济的高速发展，城市规模的不断扩大，人流、物流、车流急剧膨胀，交通供需矛盾加剧。交通拥堵(图3-21）日益严重，直接影响了市民的正常生活、工作，成为制约该市社会、经济可持续发展的“瓶颈”。为推动经济社会绿色化发展，该市政府将迅速解决交通拥堵问题、调整优化交通结构摆上了重要议事日程。
该市有关部门组织专家，为该市交通治“堵”。专家们对该市的交通状况进行了充分的调查研究，认为造成该市交通拥堵的原因很复杂，但突出问题是道路和车、车和人的供需矛盾。主要表现为:
1.道路容量滞后，道路通行力低。
从2017年到2021年，该市的常住人口由725万增长到1004.58万，汽车总量由58万增长到104.9万，而道路建设只从4571 km增长到5459km( 增长率见图3－22）。而且城市道路可建设空间有限，老城区已经基本饱和。加上路网分布、路网结合不合理等因素，造成道路通行能力低下，交通供需矛盾凸显。
2.公共交通相对滞后，交通方式结构不合理。
公共交通是该市市民出行的一种重要交通工具。但该市公共交通发展缓慢，公共交通承担的出行率低。Z017年拥有营运公共汽车9424辆，公交车占机动车的比例仅为052% （图3一23）。尤其是染乏容量大、速度快的公共交通，而小型客车、私人小客车却大幅度增加。大量小运量的机动车占用了城市交通的道路资源，对于本来已不顺畅的路面交通更是雪上加霜。
针对该市交通状况，借鉴国内外发达城市交通管理的经验，专家们开出了治理交通拥堵的“处方”:进一步落实“公交优先”发展战略，优化公共交通结构，减少个体出行，从而提高城市客运系统的道路容量。针对改善公共交通结构，提出三个方案:
方案一: 加大公共汽车投入，增开公交专用道。
方案二:修建地铁。
方案三:建设快速公交系统（BRT）。
实践
你认为优先采用哪一种方案比较适合该市实际 并说说你的依据，通过生活实践、走访有关交通部门、查阅相关资等，了解三种方案的利弊，结合该市交通状况，加以综合分析、比较，从而做出判断。
可从以下方面考虑三种方案的利弊:
1.乘客的需求:费用、便捷性。
2.对城市环境影响:噪声、废气排放等。
3.社会、经济条件的约束:资金、建设周期等。
4.其他:运载量、运营速度、准点率、能耗、受路面干扰（车辆、行人）程度等。
知识窗
快速公交系统
快速公交系统（Bus Rapid Transit），简称BRT， 是一种介于快速轨道交通与常规公交之间的新型公共客运系统，其投资及运营成本比轨道交通低，而运营效果接近于轨道交通。它是利用现代化公交技术配合智能运输和运营管理，开辟公交专用道和建造新式公交车站，实现轨道交通式运营服务，达到轻轨服务水准的一种独特的城市客运系统。
1974年，巴西库里奇巴（Curitiba）市建成世界上第一条快速公交线。之后，世界上许多城市仿效它的经验，开发改良了不同类型的快速公交系统。昆明是我国最早开通BRT的城市，之后，北京、郑州、杭州、广州等地也陆续建成BRT系统。
在深入调查研究、广泛征集意见、充分论证的基础上，该市市交委酝酿出改善城市交通状况的决策思路，将传统公交退出长距离的运营模式，远程运输让给地铁、中速公交来完成，从而减少地面长距离运输，缓解交通拥堵。
某市在治理城市交通拥堵问题的决策过程中，运用了系统分析的方法。系统分析所研究的对象各种各行，不可能套用一种不变的模式，但是都有基本的步骤和原则。系统分析的基本方法一般包括几个步骤，如图3-27所示。
阐明问题 确定目标
明确分析对象的性质和范围，分析系统运行的约束条件，确定系统要达到的总体目标。
分析研究 制订方案
分析系统内部与外部环境（包括制约条件）的关系、系统的结构组成及相互关系、子系统目标与总体目标的关系。提出可行性方案。
评价比较 确定最住方案
对系统性能指标、运行效果等进行分析和评价，比较各方案，选择最佳方案。
系统分析一般遵循内部组成与外部条件相结合，局部与整体相结合、当前目标与长远目标相结合、定性分析与定量分析相结合的原则。
分析
前面关于城市交通问题的讨论，是怎样体现系统分析的基本原则的
表3-5 系统分析的基本原则
分析问题 系统分析的基本原则
为什么公共汽车便宜、便捷，但不一定是优化公共交通结构的首选 （从公共交通与城市交通的关系考虑） 系统局部与整体相结合
为什么公共交通专用道造价比较低廉，该市还要考虑采用其他交通方式 （考虑增开公交专用道的制约条件） 系统内部组成与外部环境相结合
为什么地铁造价昂贵，许多大城市还加快地铁建设 （考虑地铁建设对加快城市化进程的意义） 当前目标与长远目标相结合
如果专家们不掌握充分的资料数据，能找出该市交通拥堵的症结吗 定性分析与定量分析相结合
拓展与应用
为了使决策依据更科学可靠，系统分析往往会借助数学工具，对可行性方案进行综合分析、全面评价和优化。
运筹学是从系统总体角度寻求系统最优解的数学工具，动态规划则是运筹学的一个重要分支，是解决多阶段决策问题的一种数学方法。一项决策往往需要经过多阶段的决策过程，动态规划就是把多阶段过程转化为系列单阶段问题，利用各阶段之间的关系，逐个求解，依次判断，从而组成一个决策序列。它广泛应用于工程建设、企业管理、科研项目的决策过程。
案例
从A城运送一批货物到Z城，两城之间有多个站点，各站点之间有公路相连，连线上的数宇表示距离( 图3-2)。如果用枚举法找出一条最短的路径，计算量会很大。若我们使用阶段决策的方法，就可以比较简单、快速地选择出最住的运输路径。
这个例子中我们是分阶段一步一步地依次进行评判，其实就是运用了运筹学中动态规划的方法。利用这种方法，我们就可以轻而易举地解决图3－28中多站点运输路线选择的问题了。
讨论、思考、形成小论文。
每位同学组织一篇小作文，可以从不同的方面进行展开。
完成后，与同学们进行讨论、分享。
课后作业
1.我国古书上记载了一则这样的故事:临河的寺庙崩塌，门口的一对花岗岩石狮子坠落到河中。几年后僧人重修庙宇，求河工打捞石狮了。这是一条沙底河，河工在寺庙附近的河段内努力搜寻却找不到石狮子。你觉得河工应该继续在附近找寻，还是往河的上游或是沿河往下游搜寻呢
(1)系统的组成部分，由石狮了、沙和流水组成的一个流体力学系统。
(2)系统组成部分的特点:沙“轻浮”（密度较小），石狮子“坚实”（密度较大）。
故事的结果是河工在离寺庙几百米的上游河段找到这对石狮子。你能说明其中的道理吗
2.冬季的某天上午8时30分，14名摄影爱好者乘坐一架小型民航客机飞往北方的一个城市。飞行15min后，飞机的通信设备突然出现故障，导致飞机与地面失去联系。此时驾驶员发现已经迷航，但无法返航，只好降低高度继续向北飞行。直到燃料将尽，机组人员只好决定迫降。驾驶员选择前方一个带状小湖作为迫降点，他说着陆地的正北方约30km处有一个小村庄。飞机在已结成冰的湖面上硬着陆，冰层破裂，正、副驾驶员当场不幸身亡。14名乘客中只有2人脸部和手上皮肤被划破，其余12人毫发无损。他们迅速登上了湖的岸边，并以飞机上取出一些可随身带走的物品。这些物品是：磁罗盘、地图、温度计、3包有锡纸包装的口香糖、8块巧克力、3小块黄油、1叠报纸、1捆麻绳、一大张帆布、摄影器材和一些普换的衣服。之后，飞机迅速沉入湖底。
14名幸存者缓过气来环视四周，只见一片茫茫白雪，雪深至小腿，附近散布着一丛丛灌木，地上散落着一些飞机的碎片。周围没有无线通信信号。当时已是中午12时10分，太阳时隐时现，吹北凤，气温为-28°C，所有人身穿的只是北方城市里的一般防寒衣服。身处绝境，假设你是14名幸存者之一，为了尽快脱离危险，你将如何决策
(1)用头脑风暴法提出决策方案。
(2)评价哪个方案最合理。

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