资源简介

第二单元 控制系统中的运算
【单元整体构想】
一、单元内容简介
数据的逻辑运算是数据运算中的重要内容。通过逻辑运算可以实现对系统的灵活控制,满足复杂的控制需求,这是设计过程与控制方案的基础。本单元响应《课程标准》“过程与控制”模块内容要求的第四条“了解系统的输入与输出可以是开关量或连续量,了解连续量可以经由阈值判断形成开关量,掌握开关量的简单逻辑运算”和第五条“了解计算机可用于实现过程与控制,能在实验系统中通过编程等手段验证过程与控制系统的设计”。在第一单元了解控制系统形态,以及用反馈实现过程与控制优化的基础上,本单元将学习如何通过数据运算实现控制系统的复杂控制。
通过本单元的学习,学生能够理解数据在过程与控制中的作用,知道如何通过逻辑运算实现复杂控制。通过“小型开关系统”的跨学科主题学习,学生能够在抽象建模、算法设计、验证优化等一系列环节中培养计算思维。
二、单元设计的望远镜思维
《义务教育教科书信息科技五年级下》第三单元“控制系统的计算”中,对什么是计算、计算对控制的作用、常见的计算类型进行了阐述。这里的计算是广义的计算,或者说是系统层面的计算,是从系统的角度理解计算,旨在帮助学生初步了解控制系统如何通过计算实现过程与控制。而《义务教育教科书信息科技六年级下》第二单元“控制系统中的运算”则是具体的计算,要求通过数值运算和逻辑运算来实现系统计算。《义务教育教科书信息科技五年级上》中介绍的计算原理可以迁移到本单元,通过本单元学习可以继续加深学生对计算的理解。反馈是实现系统计算环节的基本形式。《义务教育教科书信息科技六年级下》第一单元只是简单介绍了反馈的原理和硬件实现,而本单元要介绍的是软件实现。本单元的任务是通过连续量阈值判断生成开关量,以及利用开关量逻辑运算等方式实现反馈和其他比较复杂的控制需求。本单元还为下一单元“扩音系统”——利用反馈原理和数据运算设计扩音系统打下基础。
三、单元设计的放大镜思维
本单元共6课,围绕“数据”这个逻辑主线展开。第5课“控制系统中的数据”呈现控制系统各环节产生和涉及的数据,剖析数据的作用,进一步认识控制系统中的数据。在这些数据中,有些参与运算,有些不参与运算。第6课“连续量与开关量”对参与运算的数据进行分析,根据形态和取值分为连续量和开关量,为学习开关量逻辑运算做好准备。第7课“开关量的生成”通过连续量阈值判断生成开关量,将连续量变成可逻辑运算的开关量。第8课和第9课主要介绍如何通过开关量逻辑运算实现控制需求。第10课通过跨学科主题 ——小型开关系统,对前面所学内容进行综合应用。综上所述,本单元内容环环相扣,从易到难,由表及里,逐渐深入,通过清晰的“数据”主线将内容串联起来,帮助学生掌握本模块核心内容。
本单元各课内容如下表所示。
课序 课题 主要内容
第5课 控制系统中的数据 控制系统中数据的类型、控制系统中数据的作用。
第6课 连续量与开关量 控制系统中的连续量、控制系统中的开关量。
第7课 开关量的生成 认识阈值、开关量的生成。
第8课 开关量的与运算 控制系统中的逻辑运算、开关量的与运算。
第9课 开关量的或运算 开关量的或运算、开关量的非运算。
第10课 开关量与控制 小型开关系统的设计与实现。
【单元目标设计】
素养目标
通过分析具体控制系统,知道控制系统数据类型和作用,了解系统的输入、输出可以是连续量或开关量,了解连续量可以经由阈值判断形成开关量,掌握开关量的简单逻辑运算。
数据 数据存在多种形式,数据的组织和呈现需要一定的规则。 1．了解系统的输入、输出可以是连续量或开关量。 2．了解连续量可以经由阈值判断形成开关量。 3．掌握开关量的简单逻辑运算。
算法 解决问题的一般步骤包括抽象、分解、建模和制订解决方案
【单元评价设计】
本单元的评价可以基于生活中常见控制系统的实例,围绕“用逻辑运算实现控制系统复杂控制需求”展开。
一、最终评价任务设计
参照智能楼道灯光控制系统,为家里的风扇设计一个能够自动启动的控制系统。
二、评价量规设计
评价内容 评价指标（5分） 得分
描述问题 能清晰地描述问题,提出控制系统的控制需求。
分解问题 对需求进行分解,分解出影响风扇开关的因素。
抽象建模 能利用表格梳理关系,建立控制模型。
硬件搭建 会合理选择硬件,并对硬件进行连接与搭建。
编程实现 会设计算法并用编程实现控制需求。
总计
【单元过程设计】
一、单元问题设计
问题一::空调面板显示的数据是当前设定的温度,空调运行中还有哪些类型的数据？
设计意图::考虑到在日常生活中学生广泛接触空调的控制,有较多的经验,可以通过空调显示屏了解当前设定的温度,通过这个问题引导学生发现空调运行过程中更多的数据,如室内的温度、制冷及制热模式、出风速度等,并引发对这些数据作用的进一步思考。最终引导学生深入思考和研究控制系统的各种数据（可见和不可见）,以及这些数据对系统运行的影响。
学生回答的引导方向::空调在运行时,我们可以看到当前设定的温度,还可以通过显示屏知道室内的温度、风速、模式、摆叶等数据。
问题二::智能路灯的亮与灭,与控制系统中的哪些数据有关？
设计意图::为了引导学生审视日常生活中常见的控制系统,通过控制现象猜测内部的数据控制原理,让学生明白控制系统中的有些数据在输入、输出环节比较容易观察到,有些数据虽然不易观察到,但它们是存在的,并且会影响系统的运行。
学生回答的引导方向::智能路灯的亮和灭可能跟光照数据有关,当环境光线暗到一定程度,路灯自动打开,当环境光线亮到一定程度,路灯自动关闭。日常生活中,会有出门没关空调、大白天开路灯的浪费现象,说明这些问题具有研究意义和优化调整控制的需求。
二、单元学习策略
本单元教学活动可以在普通电脑教室或信息科技实验室进行。在开展教学前,需要准备开源硬件主板、传感器套件以及可用于设计制作项目的相关材料（用于零件固定的积木零件或者用于设计制作项目的纸质、木质材料）,还需要准备开源硬件配套的相关软件。同时,要准备虚拟仿真平台或者使用Scratch设计制作一些教学仿真软件,用于学生仿真操作、实验和设计。
本单元教学中,教师可采用的教学方法有实验教学法、项目教学法等。由于本单元的概念较多,为了减轻学生理解概念的压力,建议通过“具体-抽象-具体”的概念教学策略,通过体验、分析、讨论、小结、应用等环节,增强学生对多个概念的理解。
本单元学习中,学生可采用的学习方法有实验探究法、小组合作法、项目实践法等。选择这些学习方法是为了让学生在真实的学习环境中展开学习活动,通过在真实项目实践中发现问题、分析问题、探究问题,完成知识的构建。学生通过体验各种控制系统,讨论控制实现的原理,培养利用数据运算实现复杂控制的素养和能力。
课题 第5课 控制系统中的数据
教学目标 1．通过分析真实案例,了解控制系统运行需要不同类型的数据 2．通过分析控制系统运行过程,理解各种类型的数据所起的不同作用
教学重点 了解控制系统运行中产生的数据的类型
教学难点 理解各种类型的数据在系统运行时所起的不同作用
环境与素材 1．多个开源硬件制作的控制系统仿真模型或者仿真软件 2．教学演示文稿
教学过程
一、讨论 电热水器显示屏上的数据代表什么？这些数据对电热水器的控制起到了什么作用？ 二、建构 自动控制系统在运行过程中会产生各种数据,这些数据是系统自动运行的重要依据。 1．控制系统中的数据的类型 系统运行过程中需要多种类型的数据,如系统的设置数据、环境的检测数据、设备的状态数据、系统的指令数据等。 例如,智能温室大棚系统通过多种传感器感知棚内环境数据,再根据这些数据控制风机、遮阳网、加温器、加热器等设备,为大棚内的植物提供简而言之的生长环境。 智能温室大棚系统开始工作之前,用户根据植物生长需求设置相应参数。在系统运行过程中,传感器实时检测温度、湿度、二氧化碳浓度等环境数据,同时检测棚内设备,如风机、遮阳网、加温器、加热器等的状态数据。根据检测到的数据,系统通过计算发出控制指令,控制相应设备开启或关闭。 【想一想】 智能温室大棚系统中各种类型的数据有什么不同？ 2．控制系统中数据的作用 不同的数据在控制系统运行过程中起着不同的作用。用户输入的系统设置数据,可以灵活调整系统的运行；检测到的环境数据,可以真实反映控制对象的状态；设备的状态数据,可以准确反映系统的运行状态；控制指令数据,可以实现对执行器设备的精准控制。 例如,智能温室大棚系统可以自动控制土壤的水分含量,数据贯穿了控制系统运行的全过程。 用户设定目标土壤水分含量,土壤水分传感器检测实际的土壤水分含量。根据目标水分含量数据与实际水分含量数据的比较结果,控制器发送控制指令给水泵,启动或关闭水泵,使土壤水分含量维持在合理范围内。 各种不同类型的数据对自动控制灵活、准确、安全地运行起着保障作用。 三、练习 智能温室大棚系统控制棚内湿度时会产生哪些数据？分析这些数据的作用。 【参考答案】 智能温室大棚可以自动控制棚内温度,数据贯穿了温度控制的整个过程。用户设定目标温度（系统的设置数据）,温度传感器检测实际的空气温度（环境的检测数据）。根据目标温度数据与实际温度数据的比较结果,控制器发送控制指令给风机（设备的控制数据）,启动或关闭风机,使棚内温度维持在合理范围内（夏季通常用风机进行通风降温,冬季通常用加热器进行加热增温）。
课后反思/评价标准 1．能准确说出智能温室大棚控制温度的过程中所涉及的数据,并能分析整个控制过程,详细说出不同数据的作用。 2．能说出智能温室大棚控制温度的过程中所涉及的数据并能简单分析整个控制过程,简单说出不同数据的作用。 3．能说出部分智能温室大棚控制温度的过程中所涉及的数据,不能分析整个控制过程,只了解少量不同数据的作用。

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