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第2.2课《探究控制系统的输入和输出》教学设计
课题 探究控制系统的输入和输出 单元 第二单元 学科 信息科技 年级 六年级
核心素养目标 信息意识：学生能意识到“输入—计算—输出”的通用模式，并迁移到其他系统（如智能家居、交通信号灯）的分析中。计算思维：学会将声控灯的控制过程抽象为“声音检测→阈值判断→灯光控制”的流程图，提高解决实际问题的能力。数字化学习与创新：研究声控灯电路系统时，能够在具体的案例研究中分析各个环节的作用和特点，提高创新思维和实践能力。信息社会责任：在探究控制系统的输入和输出时，了解网络安全的重要性，遵守网络法律法规。
教学重点 认识控制系统的输入、计算、输出三个典型环节。
教学难点 能够在具体的案例研究中如声控灯控制系统下分析三个环节的作用和特点。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第2.2课 探究控制系统的输入和输出1、观看视频。2、活动背景：壮壮知道了控制系统由输入、计算和输出三个典型环节构成，同时也了解了常见控制系统的工作过程。让我们跟随壮壮去探究控制系统的输入、输出方式吧。 课程新知导入。 帮助学生初步理解本课研究内容。
讲授新课 新知讲解：一、议一议照明灯也包含输入、计算、输出三个典型环节，当按下手动控制的照明灯开关后，内部线路接通或断开，灯亮或灯灭。这里的输入是开或关，输出是灯亮或灯灭。请分组讨论：照明灯控制系统的输入和输出还分别有哪些方式 照明灯的输入方式：开关、遥控器、定时器、智能手机应用。照明灯的输出方式：灯亮或灯灭、颜色变化、反馈信号。问：所有控制系统都是由输入、计算、输出环节构成的吗？答：虽然大多数控制系统都包含输入、计算和输出环节，但有些系统可能不需要计算环节。例如：简单的开关控制系统：只需输入（开关状态）和输出（灯的状态），没有复杂的计算过程。机械控制系统：如某些机械装置的直接控制，可能仅依赖于输入信号直接驱动输出。二、案例分析声控灯是我们非常熟悉的一种照明灯，适用于楼道、门口等不需要长时间照明的场所。晚上，有声音时，照明灯会自动打开，一段时间后自行关闭，这样能更好地节约电资源。请使用自然语言和流程图描述声控灯的工作过程。1.使用自然语言描述：如果环境中的声音特别大，那么声控灯会亮起，否则声控灯保持熄灭。2.使用流程图描述:三、做一做了解了声控灯的工作过程后，让我们按照以下步骤一起来体验一下吧!1.打开文件“模拟声控灯程序”，点击左侧模拟器的“开始”按键。2.用鼠标调节声音响度(0~255 )，模拟发出不同响度的声音。3.至少记录5次不同声音响度数值，观察 LED 灯亮或灭的情况，并将结果记录在下表。测试次数声音响度数值LED灯(亮/灭)137灭245灭358亮462亮540灭经过多次测试，声音响度达到50时，LED 灯正好亮。控制系统不管以哪种方式输入或输出，其输入量和输出量的类型一般只有两种，即连续量与开关量。声控灯的输入量即声音响度数据，是在一定范围内变化的连续数值,我们把这种量叫作连续量。温度0~100℃、压力0~10MPa、液位1~5m等都是连续数值，是连续量。声控灯的输出量即 LED灯的亮或灭，只有“亮”和“灭”两种状态我们把这种量叫作开关量。开关的导通和断开、继电器的打开和闭合电磁阀的通和断、电平的高和低等都只有两种状态，像这样只有两种状态的量便是开关量。在声控灯中，当声音响度达到某个值时，LED灯刚好亮起来，这个值称为阈值。阈值是事物在两种不同状态之间的临界值。在该控制系统中，声音响度连续量就经由阈值判断形成了LED灯亮或灭的开关量。问：你在体验中有没有遇到什么困难 你是如何解决的 感应灯的控制系统输入部分： 传感器：如红外线传感器或超声波传感器，能够检测到人的运动或环境光线变化。计算部分： 控制单元：接收传感器信号，判断是否需要开启或关闭灯光。可以是简单的逻辑电路或微控制器。输出部分： 灯光：根据控制单元的指令，打开或关闭灯光。 反馈机制：如指示灯，显示灯的工作状态。四、想一想结合生活经验，思考身边控制系统的输入、输出方式，它们输入、输出的是开关量还是连续量。制系统案例输入输出开关照明灯开关量开关量楼道声控灯连续量开关量家用空调遥控器开关量连续量洗衣机水位控制连续量开关量自动感应水龙头连续量开关量五、查一查流量、压力、液位等都可以作为控制系统的变量，请查找资料，尝试了解这些变量在某一控制系统中的应用。我收集到的信息：1、液位控制在水箱系统中的应用 ：变量：液位高度（连续量）。应用：通过液位传感器监测水位，当水位低于设定值时，自动开启水泵补水；达到高水位时关闭水泵。系统类型：闭环控制系统（反馈调节）。2、压力控制在汽车制动系统中的应用 ：变量：刹车油压（连续量）。应用：驾驶员踩踏板产生压力信号，经液压系统放大后传递至刹车片，实现精准制动。六、试一试除了声控灯，生活中还有如感应门等其他控制系统，与小组同学一起选择一种控制系统进行探究吧。控制系统名称感应门控制系统探究的主题感应门的触发灵敏度与响应速度关系探究过程人员及分工:A负责记录数据，B操作传感器，C测试门体响应。材料准备:感应门模型、红外传感器、计时器、障碍物模拟工具。时间安排:第1天搭建系统，第2天测试不同距离下的响应时间和分析数据。探究结论感应门在0.5米内触发灵敏度最佳，响应时间≤1秒七、课堂练习完成课件23—24页的课堂练习题。八、拓展延伸1、误差分析与输入输出关系误差分析是评估控制系统性能的重要方法，能够揭示系统在实际操作中与期望目标之间的偏差。常见的误差包括稳态误差和瞬态误差。稳态误差指的是当控制系统达到稳定状态时，输出与期望输出之间的偏差。在声控灯系统中，稳态误差可以指系统对音量信号的识别精度，是否在信号停止后准确维持灯的开关状态。例如，假设声控灯系统对特定的音量信号触发灯开关，如果在声音消失后灯的开关状态依旧不符合预期，那么这个差异即为稳态误差。瞬态误差是系统响应变化过程中，输出与目标之间的短暂偏差。瞬态误差通常出现在系统初次响应输入时，例如声音信号突然变化时，灯的开关可能会有短暂的过渡或延迟。在声控灯系统中，瞬态误差可以体现在声音变化的初期，灯开关响应的“过冲”（Overshoot）或“下冲”（Undershoot）。2、控制系统的动态响应控制系统在不同输入信号作用下的动态响应。时间响应分析是评估系统对输入信号变化（如从静止到开灯或关灯）时，输出的变化过程。对于声控灯系统，时间响应可以包括系统从接收到声音信号到灯状态变化所需的时间。这通常会通过阶跃响应（Step Response）来测试，检测系统从一个状态到另一个状态所经历的过渡时间（如声音的触发到灯开关的延迟时间）。频率响应分析是考察系统在不同频率输入下的表现。例如，声控灯系统可能对不同频率的声音有不同的响应速度或灵敏度，频率响应分析有助于评估系统对不同频率信号的响应能力。这可以通过伯德图（Bode Plot）等工具来表示频率响应，帮助理解系统在不同频率下的增益和相位变化。评估系统响应特性：输入输出分析能帮助我们理解和评估系统响应的快慢、稳定性以及对不同信号的适应能力。例如，在不同音量或频率的声音刺激下，控制系统是否能够迅速并准确地控制灯的开关状态，是否存在延迟、过度响应等问题。 认识输入、计算、输出三个典型环节。完成思考。进行声控灯控制系统案例分析研究。完成做一做。学习感应灯的控制系统。完成填空。完成查一查。完成试一试。完成课堂练习。进行知识拓展。 结合具体的例子，介绍控制系统的三个典型环节。引入所学知识点。在问答互动中，答疑解惑，拓宽所学。引导学生结合声控灯系统具体案例进行知识点讲解，逐步讲述声控灯系统工作过程、工作原理和流程，帮助学生更好的理解和掌握本课知识点。在老师的引导下进行实践体验，将理论与实践相结合，进一步强化所学知识点。引导学生认识其他灯光系统工作过程，完善所学知识点，明确各种灯光系统下的区别。引导学生结合具体的案例进行表格填空，帮助学生更生动形象的理解开关量、连续量的作用和含义。引导学生围绕流量、压力、液体三者进行控制系统变量思考和分析，考察学生举一反三的能力。安排学习进行举一反三的调查和研究，强化本课知识点，调动学生课堂参与度。考察学生对本课知识内容的理解和掌握。拓宽学生所学知识。
课堂小结 探究控制系统的输入和输出1.进行新知引入2.明确照明灯的输入输出方式3.研究声控灯的系统工作过程4.完成课堂练习5.进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 研究并总结不同类型的照明灯控制系统（如手动控制、遥控控制、智能控制等）的优缺点，并进行比较。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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