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
第四节　系统的设计
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。
能分析、总结、归纳处系统设计的方法。
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
这节课内容主要介绍系统设计的基本方法。
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。
学情分析:
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。
教学重难点:
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。
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
第四节系统的设计。
被誉为“天眼”的500m口径射电望远镜(简称FAST)(图3-36)于2016年9月25日在贵州省平塘县大窝凼洼地正式落成启用。
FAST的首要目标是寻找脉冲星。通过建立脉冲星钟实现深空探测和星际自主导航，同时还可以应用于探索宇宙起源、测控空间飞行器、搜寻地外文明等。为此，“天眼” 必须符合大、活、精三个要求。FAST是目前世界上最大的单口径射电望远镜，口径达500 m，反射面面积达25万m2，它可以捕捉到远在137亿光年以外微弱的电信号；FAST是世界上第一个可主动变位的望远镜，500 m口径的结构要控制在毫米级的精度。
FAST建成，承载了我国科学技术工作者22年艰苦卓绝的努力。首先是找一个合适的“眼窝”。科学家们提出利用天然的喀斯特洼地作为台址的大胆设想，然后从上万个“窝”开始，通过大量查阅资料、建模分析、实地勘察等方法层层筛选，最后确定在地理位置、地貌和地质结构都符合要求的大窝函。
FAST由主动反射面、馈源接收、测量与控制等子系统组成。主动反射面是“天眼”的核心组成部分，圈梁是“眼眶”，周长1.6km，它被50根长度不等的钢柱支在半空。6670根主索组成巨大的格构式索网，网格向上延伸“咬住”圈梁，索网有2225个主索节点及数量相等的下拉索。织完巨网，再把精心设计、制作好的4 450个反射面板铺满索网上面。圈梁与杜子之间通过可动的支座连接，有利于望远境调整角度。主索节点下方连接着下拉索以及用地锚周定的促动器，控制着索网的形状，带动4 450个反射单元使“天眼”聚焦，整个变形过程由激光定位校准。
主动反射面是FAST自主创新的系统，索网是目前世界上跨度最大、精度最高、第一个采用变位工作方式的索网体系。FAST这一大科学工程的落成使用，对我国在科学前沿实现重大原创突破，加快创驱动发展具有重要速义。
导学思考
研制FAST的目标是什么 科学工作者怎祥实现这一目标
系统设计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向题。
系统设计特别强调：
1.以实现系统整体功能最优为目的。
2.设计好系统的每个要点和子系统。
3.综合考虑系统各个部分（要素）之间的联系，合理解决它们之间的矛盾冲突；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。
一、系统设计的基本方法
在教师的指导下，运用物理和数学等有关知识，分析水火箭发射、飞行的基本原理，设计、制作及发射水火箭，并由此归纳简单系统设计的基本方法。
实践
水火箭的设计
水火箭设计的总目标及性能指标
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。
调查研究，对水火箭进行系统分析。
1.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。
系统设计的基本方法
确定系统设计的总体目标及性能指标
基本的设计分析
1.系统设计的约束条件。
2了解系统设计的基本原理。
2.水火前飞行的基本原理分析
（1）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。
（2）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，如图3-37所示。
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。
初步方案设计
水火箭系统如图3-38所示（参见教材P110）。
制订设计方案
1.确定系统的结构组成
2.子系统设计及功能确定。
思考:
(1)什么形状的箭体能减少水火箭飞行时所受的空气阻力
(2)箭头应设计成什么形状 为什么
(3)箭头越轻越好吗
(4)为何要装上箭翼
(5)箭翼的形状、大小怎样才合适 为什么
系统总体技术设计
合理解决子系统（要素）之间的矛盾冲突，加强系统内部、 系统与环境之间的协调配合。
组装及测试
按设计方案组装水火箭并进行飞行测试。
影响火箭飞行的主要因表分析
1.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。
系统的优化
1.分析影响系统优化的主要因素，提高系统的整体运行效果。
2.设计方案不断验证和完善。
系统的评价及改进
通过多次实验，比较（表3-9），获得气压和水最合适量。
表3-9 水平射程与水量、气压的关系（发射仰角45°）
实验序号 水量／ｍｌ 气压／ｐａ 水平射程／ｍ
2.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（图3-40）。
通过多次实验、比较，获得最佳发射仰角（表3-10）
表3-10 水平射程与发射仰角的关系（规定水量和气压）
实验序号 发射仰角／（°） 水平射程/m
方案实施及改进
发射水火箭，并对其安全性、功能性等方面进行评价。在完善单级水火箭的基础上，进一步设计多级水火箭，并实现自动脱落，多级水火箭完好回收。
案例
简单的雨水收集系统方案设计
水是生命之源，人类的生存和发展都离不开水。然而水资源短缺已成为全球关注的严峻问题。为了坚持可持续发展，为了坚持节约优先、节能减排，某学校组织了雨水收集利用方案的征集活动。
一个学习小组的同学经过调查发现，学校附近的公园在大雨过后，路面常有大量积水，于是决定设计收集雨水灌溉公园绿地的方案。他们分头查阅雨水收集的技术资料，请教专业人士，进行基本的设计分析，提出了设计方案。
方案包括雨水收集、雨水净化、雨水存储、雨水利用四个部分。
1.雨水收集
在道路下面的草地上设置沉沙井，上面盖上水篦子，沉沙井与就近暗沟相连。道路雨水经过集水沟，由水篦子流入沉沙井，再进入暗沟，最后流入蓄水池（图3－41）。
2.雨水净化
路面雨水中会带有泥沙和垃圾，对雨水净化时，首先使雨水经过水篦子进入沉沙井，经过初步过滤后，再流入暗沟进一步进行过滤、净化。过滤、净化方式是在暗沟内部按照水的流动方向，依次填充渗透系数递减的粗砾、沙砾、石英砂对雨水进行过滤、净化。暗沟除了具有雨水净化的功能之外，还有排水的功能，是连接沉水井与蓄水池的唯一途径。水流是否畅通，与暗沟的设计有很大关系。设计小组成员分别提出了三种暗沟设计方案。
方案一：暗沟设计呈现柱状体，水平设置与蓄水池上部相连接（图3－41）。
方案二：暗沟底部设计呈一定坡度向下逐渐扩展，与蓄水池相连（图3－42）。
方案三：暗沟设计得向两侧逐渐扩展，底部呈一定坡度向下逐渐扩展，与蓄水池相连（图3－43）。
大家对三个方案进行分析比较，认为方案一只考虑了暗沟与蓄水池的连接，忽略了暗沟对水流的阻力。方案二中暗沟设计的底部有一定的坡度，有利于雨水流向蓄水池。同时还考虑了填弃物对水流的阻力，设计增大了暗沟的横截面积。方案三暗沟设计横截面面积更大，比方案二更优，所以决定采用方案三进行设计。
3.雨水存储
为了不影响绿地的景观，在地下设置蓄水池，蓄水池体积大小根据四周路面面积、降水量等因素来确定。
4.雨水利用
在蓄水池下面设蓄水池，当需要灌溉时将收集的雨水抽到地上，用于绿地的灌溉。
初步设计方案完成后，同学们进一步讨论研究，对系统加以改进。由于当地夏天雨量特别大，容易造成蓄水池溢水，于是在蓄水池上安装水位监控系统。当蓄水池水位过高时，则开始排水，利用于公厕冲洗等。
立即行动
试从“简单的雨水收集系统方案设计”中理解简单系统设计的基本方法，并填写在表3-11中。
表3-11 系统设计的基本方法
明确设计总体目的及要求
调查研究，进行基本的设计分析
系统的设计 系统整体组成
子系统的设计
系统总体技术设计
系统的优化
系统的评价
实践
气垫船模型设计及制作
目的及要求
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，增强运用系统思维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同进度。
设计过程
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
(1)每个子系统的功能、子系统和系统整体的相互联系。
(2)各元素选择，比例和配置（船壳、电动机、螺旋桨、电池等的选择）。
(3)周围环境和条件对系统的制约。
(4)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。(5)节能、经济原则。
2.绘制气垫船模型的简单设计图纸，有条件可运用计算机教件CAD绘制。
3.列出所用材料（器材） 清单。
收集意见，什化设计方案。
评价与小结
1.以班级为单位，分别刘各小组的设计方案进行评价。
表3-12 设计力案评价参考
评价指标 小组自评 小组互评 教室评价
团队合作
功能实现
元素选择、比例和配置
安全、环保
经济、节能
美观
设计特色(创意)
设计图纸
其他
说明：
师生共同讨论到出评价指标，并对评价指标进行细化、完善。
为不同的指标确定不同的权重。
2.比较各小组的设计方案，分别列出各个方案的优点（创新点）和不足，并提出改进建议。
表3-13 各小组设计方案的评价
方案序号 优点(创新点) 不足 改进建议
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.看一个房间的平面图，要在其中摆放床、写字台、书衣柜等家具（尺寸附后)，请合理安排摆放合置，并说明这行摆放的合理性。
2.仔细观看某校园的布局设计图，你觉得合理吗 如有不合理之处，请说明理由并进行设计优化。
3.设计并用木板制作一个三叶形（或者香蕉形）回旋镖（飞去来器）。

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