3.3 系统设计的优化与实现 教学设计

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3.3 系统设计的优化与实现 教学设计

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三 系统设计的优化与实现
教学目标
1.知识和技能:
(1)理解系统优化的意义
(2)能分析影响系统优化的因素
(3)初步掌握系统最优化的方法
(4)能够对一个简单系统运用最优化的方法进行分析
2.过程和方法:
通过对案例的分析过程,使学生懂得用所学的知识解决有关问题
3.情感态度价值观
(1)体验系统优化的意义,指导学生把系统优化的思想延伸到整个生活和学习当中。
(2)培养学生解决问题的方法,以用合作精神
教学重点
系统最优化方法和一般性步骤
教学难点
系统优化的过程分析
教学方法
讲授法、小组讨论法、案例分析法
教学媒体
多媒体教室
教学过程
一、案例导入
案例一:丁谓的绝招
传说宋朝时,一次皇宫失火,宫殿和亭台楼阁都化为废墟,大臣丁谓奉命主持重建。要在短期内清理堆积的废墟垃圾,运输木材和石材,还需要准备大量的新土,时间不够,怎么办呢?
【马上行动】将学生进行分组(5人/组),以小组为单位进行交流与分享,并回答问题:
1、分组讨论,如果让你主持重建你会怎么做?
2、通过网络查找资料,看看历史上的丁谓是怎么做的?有没有更好的改进方法?
师:让我们看一看历史上丁谓的方案是怎样的?首先,从施工现场向城外挖一条沟,挖出的新土作为施工需要的新土备用。然后从城外把河水引入沟内,使之成为一条人工河,用来运输建筑用的木材和石材。完成运输任务后,把沟里水排空,将剩下的废弃物及垃圾统统填入沟内,重新平整为平地。这个施工方案节约了人力物力,缩短了工期,工地秩序井然,都城交通和百姓生活没受影响。
案例二:鸟巢的优化调整
师:我们再来看2008奥运会的主会场“鸟巢”,“鸟巢”采用是什么结构?
生:框架结构
师:使用的主要材料是?
生:钢
师:它采用是大跨度重型钢结构体系,它在设计过程中也在不断的优化调整,其中有一项调整是取消了可开启屋盖、扩大了屋顶开孔,优化后方案,减少用钢量1.2万吨,造价减少了约4亿元。
师:鸟巢去盖后,在哪方面得到改善?
生:成本降低
师:虽然去掉了盖子,但鸟巢的外观、设计理念都不会改
二、系统优化及其意义
师:作为一个系统,通常就会有这样或那样的问题。如:效果不佳;或是投入的人力、物力、财力不是最小;或是某种性能不理想等等。因此系统需要改善,需要优化。
在现实生活中,由于受环境和条件的限制,不可能找出一切方案,也不可能对所有方案进行全面比较,漫无边际地去研究所有方案,无论在时间上还是人力上都不允许,运用科学的方法就更为重要,缺乏资料,缺少对资料的科学计算和分析,只靠拍脑袋无法寻找到最优方案。
【思考】:系统的优化有什么意义呢?
系统优化的意义就是以最小的投入,获取系统的最佳效益或最佳功能。
系统的优化是指在给定的条件(或约束)下,根据系统的优化目标,采取一定的手段和方法,使系统的目标值达到最大化(或最小化)。
【案例分析】:建造隔音墙改善车流噪音污染
浙江天台县高速噪音超标80%,66户村民告上法庭
核心事件:上三高速建成通车已有6年,6年来车流日增,在接近高速天台出口处,距离高速公路10米左右就有一排民房,这就是天台县桥下村。村民说,高速上车来车往的声音太大了,这几年来他们最大的愿望是能睡个安稳觉。于是,他们将高速公路公司告上法庭。天台县桥下村位于上三高速天台出口处,一共有250户人家,房子多是80年代造的。 2000年底,上三高速公路通车,刚好在桥下村旁边经过。
1、问题:车到附近噪声污染较严重。
声源处减弱
2、选择合适的优化方法: 传播过程中减弱
接收处减弱
经讨论分析,选择较合理的一种优化方法:建隔音墙
3、建隔音墙的技术要点:
(1)实地测量噪声的严重程度。
(2)建立隔音墙防噪声的数学模型,求其数学解。
(3)怎样做到效果最好而又成本最低,即优化。
(4)作必要的实验验证。可以做模型,有条件的可用计算机仿真。
4,实施优化
(1)墙体结构与材料(牢固性)。
(2)外观效果(美观性)。
(3)降噪效果(功能性)。
修建隔音墙,以较小的投入,获得了好的治理噪音污染的效益,使社会环境大系统的整体得以优化。系统被改善了,就是系统被优化了。获得系统的最佳效益或最佳功能,就是系统优化的意义。
【分析总结1】系统优化的一般性步骤
(1)确定需要进行优化的问题
(2)收集有关资料和数据,选择合适的优化方法——优化方略与筹谋
(3)验证与实施
条件校验
实施与调整
【分析总结2】影响系统优化的因素
(1)优化追求的目标要适度。
(2)系统优化离不开条件,条件是否具备直接影响优化。
(3)某些不确定的或不可预见的因素也会影响系统的优化。
(4)希望投入最小,而取得的效益最大。
三、最优化及最优化方法
为了使系统达到最优的目标所提出的各种解决方法,称为系统的最优化方法
系统优化分析的一般步骤
【案例分析】在江边一侧有A、B两个工厂,它们到江边的距离分别是2km和3km,设两工厂沿江方向的距离是3.5km,现在要在江边修建一个码头,使得两厂的产品能够顺利过江,问码头应建在什么位置,才能使运输路线最短?
【学生活动】根据所学数学知识,求解本题,并总结最优化方法解决问题的一般步骤
过A点作关于直线DE的对称点A1,连接A1B与DE相交于C,这一点既为所求的码头的地点。
  根据相似三角形原理,求得 DC=1.4km,码头建在与A厂到江边垂直距离位置相距1.4km处,运输路线最短。
最优化方法解决问题的一般步骤
1、提出需要优化的问题和目标,收集有关资料和数据。
2、分析影响系统优化的各种因素,确定变量,建立有关约束条件,建立求解最优化问题的有关数学模型,分析模型。
3、选择合适的最优化方法。
4、分析求解。
5、最优解的验证和实施。
【案例分析】最优配送路线
师:在最优化问题中,我们经常是定性和定理分析相结合的方法,我们看这个案例
某配送中心位于A点,现在将一批电视机等家用电器配送到B、C、D处的3家商场,运货车从A点出发,送完货后返回,配送路线如图,图中带箭头的线分别表示两地往返的方向,无箭头的线表示可以往返的线路。
师:说说你的解决思路
生:学生讨论
方案 路线 路程(km)
1 ABCDA 51
2 ABDCA 46
3 ACBDA 59
4 ACDBA 47
5 ADCBA 51
6 ADBCA 58
师:这个案例,我们制定好方案后,再用数学的方法计算,就是定性和定量相结合的方法。
四、拓展探究
【学生探究1】改善学校周边环境
思考:我校周边环境现状是什么,哪些需要改进?请同学们思考后提出自己的见解。
1、学校附近有车道,噪音污染较严重。
2、学校周围的无证摊贩多,占道经营。
3、交通设施不完善
乱停车(接送学生车辆,社会车辆)
4、校园面积小,开展活动不方便。
【学生探究2】你觉得咱们学校的餐厅有哪些不足或不便之处?如何优化?
我校设有两个学生食堂,近两年,随着学校办学规模的扩大,就餐人数随之增加,每到中午就餐时间,学生们排着长队等待就餐。如何减少学生就餐排队时间?请提出解决这一问题的几种方案,运用系统分析方法选择一种经济、最有效可行、最容易实现的办法。
从中选择方案,制定最适宜方案
1、增加窗口和食堂人员
2、分时段就餐
3、增加一个食堂
4、增加食堂的面积
5、提前分发好饭菜
6、提倡学生回家吃
7、增加就餐座位
8、提供饭盒打包
9、学生两人一组,分工合作
10、分批到两个食堂就餐
11、外卖服务
12、限制就餐时间(15分钟)
13、提高食堂人员素质
14、送餐上门服务
五、课堂小结
1、系统的优化与系统优化的意义
2、系统优化的一般性步骤
3、影响系统优化的因素
4、最优化及最优化方法
6

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