资源简介

3.3 系统设计的优化与实现
【学科核心素养】
工程思维：通过对“校园物资运送智能车”的技术试验活动，发现有待完 善的问题，并运用系统原理和系统分析方法，进行简单的系统设计活动，尝试 解决技术问题。
创新设计：根据“校园物资运送智能车”的设计要求和现有的设备材料， 制定解决问题的一个或多个方案。
物化能力：对“校园物资运送智能车”的优化实践，培养学生的工程思维 和物化能力。
【课标内容要求】
1.通过技术探究，分析影响系统优化的因素。
2.通过对简单系统的设计实践，增强系统思考和工程思维的能力。
【教材分析】
本单元作为《技术与设计 2》的第三单元，研究的是系统及其设计，分成 “系统及其特性、系统分析与设计、系统设计的优化与实现”三部分， 3.3 系 统设计的优化与实现，主要从应用的角度阐明系统优化的意义，影响系统优化 的因素及系统设计的基本方法。
“3.3 系统设计的优化与实现”一节是以“物资运送智能车”的优化为情 景导入，学生在预先设定的设计要求的基础上，对多个方案进行比较和权衡， 探究影响系统优化的因素，并通过“学生物质运送智能小车”这一简单系统设 计方案的实现，学习系统设计的基本方法，增强系统与工程思维的能力。
【学情分析】
年龄特征：高中生好奇心强，乐于探索，具备一定的分析问题和解决问题 的能力。
已有知识：学生对系统的概念有基本的理解、但对系统的设计、分析、优 化缺少实践，他们对系统的理解大都停留在经验决策的水平上，不会运用系统 的思想与方法解决问题。
【教学目标】
1.阐明系统优化的意义，探究影响系统优化的因素；
2.能通对学生物质运送智能小车的优化，概述系统设计的基本方法，增强 系统创新设计与工程思维的能力。
【教学重点和难点】
教学重点：阐明系统优化的意义，理解系统优化的目标函数、影响因素、 约束条件。
教学难点：运用系统的思想对“校园物质运送智能车”进行优化，落实 “工程思维”的学科素养。
【课时安排】
本节课： 1 课时
【教学准备】
学案准备：教师设计的导学案；
教具准备：校园物资运送智能车模型；
材料准备：智能小车套件和制作辅材、工具等 。
【教学实施】
回顾大单元问题情境： “疫情期间， 为了尽量避免接触，家长不能进入校 园，看着返校日校门口同学们手上的大包、小包， 你是否想到尝试去设计一款 能帮助他们完成从校门口到宿舍楼进行物资运送的货物车，以减轻他们的负
担？”
项目主题：设计制作“校园物资运送智能车”模型。
在前面的教学中，同学们已经设计、组装完成了“校园物资运送智能车” 的模型，并对智能车进行了技术测试，现在我们通过视频观看测试效果：
播放：两组智能小车的技术测试过程。
通过测试发现每组小车模型都存在一些有待改进的地方，那么如何改进才 能使“智能车”在使用时达到最佳的效果呢？这就是我们今天要完成的项目活 动：校园物资运送智能车的优化。
设计意图：术测试环节，我通过视频展示小车测试过程，找到待解决的问 题，在此基础上以问题串和技术活动的形式完成项目教学。
任务一 设计系统优化方案
问题 1：根据小车模型的测试效果，观察本组小车模型还有哪些系统目标 没有很好的达成？
活动 1：参考系统分析框图，完成导学案的相关问题。
问题 2：本组“小车模型 ”最需要优化的目标是什么？实现该目标的优化 与哪些要素有关？（以小组为单位，参考所给的案例，完成导学案相关内容）。
优化目标：
人为不可控要素
人为可控要素
教师分析：
优化目标：储物
人为不可控要素 材料的性能 约束条件
人为可控要素 储物盒的造型 影响因素
约束条件：对系统的目标函数起着限制作用，并且不能人为调节的因素。 影响因素：对系统的目标函数产生显著影响，并且可以人为调节的因素。
教师归纳：在约束条件的基础上，通过改变影响因素，即可实现系统的优 化。
系统的优化：在给定的条件（或约束条件）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）。
由于不同的目标对应着不同的优化结果，所以每个小组选择不同的优化目 标就会有不同的优化方案。
活动 2：完成智能车模型的优化方案设计。（补充框图，可以借助草图、 文字等表达设计想法）
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设计意图：发现问题环节，通过设计问题 1 和问题 2，并配合导学案
内容，找出本组小车模型需要优化的目标，并通过对人为可控因素及不可控因 素的分析，帮助学生理解本节课的教学重点。
问题 3：我们在解决原有问题的过程中有没有产生新的问题？该如何决策 和权衡呢？
预设：
1、储物功能增加，承重子系统和动力子系统就会受影响。
2、智能系统增加，小车的成本变高等。
当各个目标出现矛盾或冲突的时候，我们要运用系统分析的原则，进行整体 的分析、科学的决策、综合的权衡和比较。不能离开整体去分析系统的子目标。 另外，同学们在对系统进行优化和改进的时候，要理解系统中的一些问题往往
存在着许多相互关联的因素和一些不确定的因素，所以最佳决策只是在若干方 案中寻求的相对令人满意的方案。
教师归纳：若干方案是怎么产生的呢？由流程图可知，无论是建立数学模 型还是科学的估算和试验，都需要经过多次的完善和验证，从而产生多种方案， 并在这些方案中寻找最优解或满意解。
设计意图：帮助学生提炼系统优化的重要思想，引导学生运用系统分析的
整体性原则、科学性原则、综合性原则解决技术问题，在此基础上让学生再次 验证和完善本组的优化方案。
任务二 进行系统优化实践
活动 3：学生根据所提供的的材料和工具，进行“校园物资运送智能车” 的优化实践活动。
问题 4：要达到系统目标的优化，系统中的各子系统的目标必须达到最优 化吗？
归纳：在一个系统中，即使每个要素都不是十分完善，但它们也可以协调、 综合成为具有良好功能的系统；反之，即使每个要素都是良好的，但作为整体 却不具备某种良好的功能，就不能称之为最优的系统。
这就是系统优化的思想，同时也在提醒我们在对智能车进行实践和测试的 时候，要把重点放在小车的整体效果上，注意各个子系统目标的协调性，接下 来请同学们再次完善本组小车模型的优化方案。
设计意图：学生在完成“校园物资运送智能车”的优化实践之后，提出问
题 4，帮助学生从整体的角度理解系统优化的思想，让学生对学科大概念“系 统”的认识上升到一个新高度，顺利化解本节课的教学难点。
同学们已经通过多种方案的选择，确定了本组的优化方案，并再次完善和 验证了自己的改进方案，接下来我们通过展示和评价的方式，了解各个小组优 化之后的智能车有什么特点。
活动 4、展示与评价作品：
展示：每个小组分别介绍本小组选定的优化目标、优化方案等
教师：通过刚才的展示，我们可以看到每组小车都实现了一定程度的优化， 接下来根据导学案中的评价表进行自评和互评。
评价：学生已经经历“校园物资运送智能车 ”模型的分析、搭建和优化过 程，从项目整体出发，对学生表现、项目活动、小车模型系统目标的达成等多 角度进行科学的评价。
校园物资运送智能小车的改进和优化评价表
评价指标 A B C D
小组配合度（20 分）
系统整体功能实现（20 分）
系统强度、稳定性（20 分）
制作难易程度（20 分）
系统整体目标达成（20 分）
总分
设计意图：通过对优化后的智能小车模型进行展示，设计与学习目标一致 的评价标准，实现“教、学、评”的一致性。
【课堂小结】
通过本节内容的学习，同学们能够利用系统的知识解决一些真实的问题， 最终实现了小车模型的优化目标。
设计意图：通过思维导图，帮助学生归纳本节课的知识点。 【单元总结】
本单元通过“校园物资运送智能车 ”的项目活动，体验系统的设计、分析、 优化等一系列过程，归纳了一些利用系统的思想解决技术问题的方法。
系统优化的思想不仅运用在复杂的技术问题上，也运用在我们的生活、工 作、学习上，同学们不断修正自己的学习方法、探索适合自己的学习模式的过 程，就是系统优化的过程。
【单元作业】
结合本校的具体环境，创建校园模型图，对“校园物资运送智能车 ”的使 用条件、运行路线、存放管理等子系统进行合理的规划和布局。
设计意图：单元总结是对整个单元的项目活动进行归纳，并让学生把
系统的思想迁移到生活和学习中，单元作业是把“校园物资运送智能车”模型 作为子系统，放到校园系统的情景中去理解，尝试运用系统整体的思想和方法 解决更复杂的问题，培养学生的科学决策能力。
【教学反思】
1.本节课通过对“校园物资运送智能车”模型的分析和优化活动，让学生 理解系统优化的意义，以及影响系统优化的影响因素和约束条件，培养学生运 用系统优化的思想解决现实中问题的能力。
2.本节课主要以学生为主导开展教学，教师要对学生的课堂表现给予肯定 和鼓励，培养学生用系统的思想分析问题、解决问题的能力，并把系统优化的 思想迁移到我们日常的生活和学习中，达到学以致用的目的。
3.课前的单元项目回顾和和课后项目总结，有利于完整知识体系的建构， 将单元问题情境、项目实施、技术体验活动等环节紧密联系起来，突显单元项 目活动的整体性和连贯性。

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