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信息技术 三单元—活动一 探究电热水壶系统中的控制过程
课题 探究电热水壶系统中的控制过程 单元 第三单元 学科 信息技术 年级 六年级
教材分析 《探究电热水壶系统中的控制过程》该课时教材编排了“考察电热水壶烧水的控制过程—探究电热水壶的保温控制过程”的系列学习活动，了解学习开环控制和闭环控制，了解了家用电器常使用的控制情况。教材编排合理，教学环节注重实践与理论相结合，教材内容贴近学生生活实际，符合六年级学生认知特点。
教学目标 1、信息意识：能够掌握如何识别和获取相关信息，如电热水壶的工作原理、温度控制机制等。 2、计算思维：能够掌握优化加热效率。学会使用基本原理来解决问题和设计系统。 3、数字化学习与创新：能够使用数字工具和技术来探索电热水壶系统，从而促进创新思维的发展。 4、信息社会责任：能够使用技术创新减少这些负面影响。这有助于培养学生的社会责任感和可持续发展的意识。
重点 一、考察电热水壶烧水的控制过程二、探究电热水壶的保温控制过程
难点 1、探究电热水壶的保温控制过程
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 前面单元中，我们尝试对控制系统进行逐层分解，认识了子系统和组成系统的各个模块。接下来，我们将一起来探究在控制系统中增加反馈后的变化。 为什么空调启动后，可以让室内温度保持在设定的温度上下 为什么冰箱启动后，冷藏室的温度也能保持在设定的温度左右呢 是反馈的作用。学习目标了解反馈是控制的重要手段。初步了解反馈对系统优化的作用。小茗的爷爷想让小茗帮忙在网上订购一个电热水壶。小茗上网浏览时，发现有两款电热水壶(图3-1-1)，一款只能烧开水，另一款不仅能烧开水，还具有自动保温功能，小茗建议爷爷购买具有保温功能的电热水壶。那么，这两款电热水壶分别是怎样工作的 控制过程有何区别 让我们来一探究竟吧，活动向导考察电热水壶烧水的控制过程探究电热水壶的保温控制过程你将学到★开环控制系统和闭环控制系统有什么区别 ★反馈是如何影响控制过程的 ★反馈的作用是什么 知识拓展 通过老师讲解和学生之间的相互讨论什么开环控制系统和闭环控制系统。 帮助学生了解课堂学习和了解什么是开环控制系统和闭环控制系统。
讲授新课 一 、考察电热水壶烧水的控制过程用电热水壶烧水时,将其接通电源后拨动开关，此时指示灯亮起，水壶底座中的加热元件(发热管)开始加热。水烧开沸腾后，电热水壶的开关会自动断开，停止加热。使用者不需要时刻在旁照看，十分方便，如图 3-1-2所示。从电热水壶烧水的工作过程来看，开关、控制电路和发热管这三个核心部件共同协作，构成了电热水壶的烧水加热控制系统，它是电热水壶控制系统的一个子系统。这个子系统可以用一个控制系统框图来表示:输入为开关，输出为水温的升高，两者之间是控制电路和发热管，如图 3-1-3 所示。小贴士控制系统框图能准确地表达系统的功能、构成和信号传递方向。被控对象是指所要控制的设备、装置或生产过程。从图中可以发现，输入到输出是单向的，且输出(水温升高)不会反过来影响或改变系统的输入(电源)。这种控制系统被称为开环控制系统。想一想烧开一壶冷水，和烧开半壶冷水花费的时间一样吗 烧开一壶冷水和烧开一壶 40℃的温水，花费的时间一样吗 科学园地开环控制系统及其特点开环控制系统是一种输入单向控制输出的控制系统。其控制系统框图如图 3-1-4 所示可以看出，开环控制系统从输入开始，通过一个环节指向下一个环节，最终输出，没有反馈回路。输入单向控制输出，输出结果对系统的控制没有影响。例如，按下开关，电灯就亮起。按下开关的瞬间，控制活动就结束了，灯是否亮起都不会影响按开关这个活动。开环控制系统的优点是系统设计相对简单，缺点是容易受到外界干扰因素的影响。例如，水量和初始水温不同，会导致同一电热水壶把水烧开的时间也不同。你知道吗？电热水壶烧水过程中，负责水烧开自动断电的是一个子系统，即水烧开断电控制系统，其工作原理是:当水温上升到100℃时，水开始沸腾，产生的水蒸气通过手柄里的蒸汽管进行热传导，冲击手柄内的蒸汽开关。蒸汽开关内部有一个蒸汽感温元件，它是一个蝶形双金属片受热时会发生变形，推开开关触点，从而切断电源停止加热，如图3-1-5所示。这是电热水壶的第一重安全保护机制，另外还有防于烧控制系统和熔断保护控制系统两重保护机制。想一想水烧开断电控制系统是开环控制系统吗 数字化学习上网了解防于烧控制系统和熔断保扪控制系统的原理。做一做电风扇是生活中一种常见的电器，接通电源，使用调速开关选择转速，电风扇就会按选择的转速大小运行，使空气加速流通。电机是电风扇的执行器，感应磁铁构成的控制电路是控制器，如图 3-1-6所示。(1)想一想，电风扇是开环控制系统吗 分析电风扇工作过程。并画出它的控制系统框图。(2)说说电风扇的工作过程受哪些干扰因素影响(3)寻找生活中其他开环控制系统，在全班分享。知识拓展开环控制系统和闭环控制系统有什么区别 反馈是如何影响控制过程的 二、探究电热水壶的保温控制过程小茗推荐爷爷购买的是具有保温功能的电热水壶，既能烧水，又能保温。用户可以预设期望的水温，如82℃。水烧开后，拨动单独的保温开关，可启动电热水壶的保温控制系统。保温控制系统主要包含温度传感器、温控器和保温发热管等模块。温度传感器持续检测当前实际水温，当水温降低，当前水温与预设期望水温之间存在偏差时，温控器会发出信号，指挥保温发热管对水进行加热。经过加热，当水温上升，当前水温与预设期望水温之间偏差消除时，温控器会发出另一种信号， 指挥保温发热管停止对水加热。其控制框图如图3-1-7所示。可以发现，该控制系统除了有一个前向的控制通路，还有一个从输出(实际水温)通过温度传感器反馈回输入端的反馈回路。它们共同控制着是否加热使实际水温维持在设定的期望温度附近，即水温的变化处于一个相对稳定的状态，使电热水壶能应对外界环境的影响，实现保温效果。这种具有反馈回路的控制系统，称为闭环控制系统。 小贴士水温差=期望水温一实时水温为了减少电热水壶频繁加热的次数，可以给水温差设定一个偏移范围，例如期望水温设定为82℃，偏移范围为2℃。在保温状态下，水温差大于偏移范围，即实时水温低于80℃后才会自动加热。科学园地闭环控制系统与反馈闭环控制系统是输出量通过检测装置反馈给输入环节，并对控制过程产生影响的控制系统，又称为反馈控制系统。其控制系统框图如图 3-1-8 所示。闭环控制系统的输入会影响输出，同时输出通过反馈又影响着输入。反馈是系统实现稳态或优化的重要手段。例如，当手机开启了“亮度自动调节”功能后,屏幕会通过光敏传感器自动检测周围环境光强弱指导调节屏幕亮度，从而使用户的眼睛感觉舒适。这体现了反馈的优化作用。在工业生产中，常使用闭环控制系统对被控制量(如温度、流量、浓度等)进行自动控制，使其接近给定值或保持在给定范围内，以提高产品质量，减少生产过程中的能耗，从而提高生产效率。做一做1、用两种方式玩一个双簧画图游戏，A同学露出头，能眼观八方、但不能使用手;B同学躲在A同学身后，不能看，但可以伸出双手在A同学身前的黑板上画图。请两组同学(每组两人)配合完成一幅简易图，如房子。第一组:画图过程中，A同学不能说话提示，第二组:画图过程中，A 同学能说话提示。(1)哪一组同学在双簧画图游戏中的画图成功率更高一点 为什么 (2)第一组和第二组可以分别类比为哪一种控制系统，开环控制系统还是闭环控制系统 (3)在第二组游戏中，A 同学的眼睛、大脑、嘴巴、B 同学的手可以类比为控制系统框图中的哪些部件 2、日常生活中有着各式各样的台灯，有的台灯只具备开关功能，有的台灯除了具备开关功能外，还可以通过旋钮或者触摸按键调节亮度有的台灯甚至可以根据周围环境光的变化自动调节亮度，实时匹配最佳光线。请分析以上各种台灯是否具有闭环控制系统，并尝试画出它们的控制系统框图。你知道吗？我国的天问一号火星探测器在着陆过程中，会受到火星大气环境等未知因素的影响，要进行实时高精度导航非常困难。由于火星与地球距离遥远，探测器与地球之间存在至少10分钟的通信延迟，这意味着探测器着陆时可能与地球“失去联系”，一旦失去控制就将撞毁在火星表面。因此，探测器必须在着陆阶段具有自主导航、控制和规避障碍的能力。在科研人员的努力下，探测器在着陆阶段利用光学相机获取火星表面图像，提取星表特征点、陨石坑、山脊、沟壑等作为导航标志，通过跟踪这些特征并结合惯性导航信息，对自己的位置、速度、姿态等进行实时估算，从而完成精确着陆，如图3-1-9所示。挑战时刻分析以下哪些例子存在闭环控制系统，在相应的选项前打钩，并简要说明。尝试画出其控制系统框图。知识拓展反馈是如何影响控制过程的 三、拓展延伸1、开环和闭环控制的区别2、生活中还有哪些开环和闭环控制实例呢？3、开环和闭环给我们生活带来了哪些好处？4、我们如何学好开环和闭环控制？ 了解观察寻找身边的电热水壶，考察电热水壶烧水的控制过程。学生互相讨论，探究电热水壶的保温控制过程。学生之间互相讨论，生活中有哪些常见的开环控制和闭环控制系统。 学生通过观察寻找身边的电热水壶，进一步理解电热水壶的工作过程。学生通过边分析边讨论的形式进行探究电热水壶的保温控制过程。 让学生的知识面得以加宽。
布置作业 在父母的陪同下，网络上搜索有哪些常见的闭环控制系统，选择一个闭环控制系统的电器并画出系统控制框图。 完成作业 培养学生查阅资料的能力，分析解决问题的能力
课堂小结 《探究电热水壶系统中的控制过程》课程小结： 了解了反馈机制的重要性。没有反馈的系统就像是盲目行动，很容易出错。比如，如果电热水壶没有温控器，一旦水烧开了就可能会继续加热，甚至引发危险。而有了反馈机制，系统就能及时调整自己的行为，保证安全和效率。我们用一个简单的电路模拟了电热水壶的工作过程，通过调节电阻来模拟不同的水温，观察系统的响应。这个实验让我们直观地看到了开环和闭环控制的区别。 分组总结归纳 锻炼学生的总结能力，逻辑思维、语言表达能力。
板书 一、考察电热水壶烧水的控制过程二、探究电热水壶的保温控制过程 学习、记忆及勾画知识点 明确教学内容及重点和难点
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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