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第3.3课《节能风扇与反馈闭环控制》教学设计
课题 节能风扇与反馈闭环控制 单元 第三单元 学科 信息科技 年级 六年级
核心素养目标 信息意识：能敏锐感知温度传感器在闭环控制系统中的信息传递作用，了解温度传感器在现实生活中的应用。计算思维：了解温度传感器的基本原理和功能，并能够通过建立数学关系简化问题，并优化参数减少误差。数字化学习与创新：理解反馈闭环控制的基本原理，能够设计简单的节能风扇模型，在实践中创新传感器与控制器的连接方式。信息社会责任：确保传感器数据的真实性，合理选用节能型传感器减少能耗，以及遵守技术规范。
教学重点 了解温度传感器的基本原理和现实生活中的应用。
教学难点 能够设计简单的节能风扇模型并理解其中的反馈闭环控制。
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3.3课 节能风扇与反馈闭环控制1、观看视频。2、活动背景：为了在炎热的夏天创造适宜的学习环境，教室里通常会安装电风扇或空调来调节温度。当气温过高时，可以增加电风扇的转速或提高空调的制冷能力，当温度降下来后，可以降低电风扇的转速或调低空调的制冷能力，保持室温在相对稳定的范围内，实现节约能源的目的。那么，如何实现这种自动控制的过程呢 3、活动目标（1）了解温度传感器的基本原理和功能。（2）初步理解反馈闭环控制的基本原理。 课程新知导入。学习本课学习目标。 帮助学生初步理解本课研究内容。帮助学生学习更有目标性。
讲授新课 新知讲解：一、了解温度传感器在日常生活中,人们通过皮肤感受外界的温度，并对温度变化做出反应。比如，如果身体感觉到热，可以打开风扇开关或调高风扇转速;如果身体感觉到冷，可以关闭风扇或调低风扇转速。要让电风扇根据温度变化，对转速进行自我调节，首先必须有像皮肤一样可以感知温度变化的传感器。温度传感器能感知温度变化，将温度值转化为电信号，这样就可以根据温度变化实现自动控制。温度传感器种类繁多，广泛应用于农业、工业等各个领域。温度传感器在生活中的应用空调：内置温度传感器检测室内温度，当温度达到设定值时，控制空调启停或调节运行模式，维持室内恒温。冰箱：通过温度传感器监测冷藏室和冷冻室的温度，确保温度在设定范围内，防止食物变质。智能热水器：实时检测水温，当水温低于设定值时启动加热，达到设定温度后停止，保证用水温度适宜。由于主控板一般没有集成温度传感器，所以需要借助IO扩展板连接温度传感器模块。IO扩展板能将主控板的输入、输出接口引出，方便主控板连接更多传感器、电机等外部设备，扩展控制功能。温馨提示注意:要在断开电源的情况下，插接模块和连接线路。确认连接无误后才能接通电源。探究实践1.实验目的：熟悉温度传感器的使用。2.实验设计读取温度传感器数值，显示在显示屏上。在不同温度条件下，记录温度传感器输出的数值。3.实验准备：主控板、I/0扩展板、温度传感器、编程计算机。4.实验过程(1)硬件搭建。将主控板插入I/0扩展板，通过连接线将温度传感器模块接入扩展板相应接口。(2)程序编写。在编程软件中，添加扩展板和传感器模块，编写程序。(3)运行程序，记录不同情况下的温度值。序号条件温度值1温度传感器正常放置25℃2用手捂住温度传感器32℃3冷风15℃二、设计制作节能型电风扇模型空气流动会加速物体表面水分蒸发，从而降低温度。节能型电风扇通过温度传感器检测温度变化。当气温高于值时，可提高叶的转速，实现降温效果;当气温降低到阈值时,可降低扇叶的转速,从而实现自动控制，达到节约能源的目的。注意事项选择低功耗电机，降低能量消耗，确保节能效果的基础。温度传感器的安装位置要合理，能准确感知环境温度，避免因位置不当导致检测误差。控制电路的设计要简洁稳定，减少电路自身的能量消耗，同时保证控制的准确性。在这个控制过程中,输入与输出之间建立了反馈,构成一个闭环系统。闭环系统应用广泛，常用的电热水器、自动储水箱、空调等都采用了带反馈的闭环控制系统。我们可以使用温度传感器感知环境温度，使用直流风扇模拟教室的电风扇，设计制作节能型电风扇模型。探究实践1.实验目的：制作节能型电风扇模型，体验带反馈的闭环控制。2.实验设计控制环节事件硬件装置输入采集环境温度温度传感器处理将环境温度与阈值进行比较主控板输出控制风扇转速风扇3.实验准备：主控板、扩展板、温度传感器、风扇、编程计算机。4.实验过程(1)硬件搭建将主控板插入I/0扩展板，通过连接线将温度传感器模块和直流风扇模块连入扩展板。(2)编写程序：在编程软件中，添加扩展板和传感器模块，编写程序。(3)将程序上传主控板，通过改变传感器周围的温度和调整阈值，模拟节能型电风扇的真实使用环境，观察不同情况下风扇的运行情况，检查系统是否能正确实现转速的自动调节控制。三、练习提升1、节能型电风扇是一个机电一体化的闭环控制系统。2、自动喷水灌溉系统是一种常见的带反馈的闭环控制系统。它通过土壤湿度传感器检测土壤湿度，判断是否需要喷水。当土壤湿度低于阈值时:系统会自动启动喷水泵进行喷水，直到土壤湿度达到阈值后自动停止喷水。参考节能型电风扇模型原理，尝试设计具有节水功能的自动喷水灌溉系统模型，列出所需要的设备，并画出控制流程图。开拓视野古人使用的“温度计”《吕氏春秋》记载:“见瓶中之冰而知天下之寒。”古人通过观察瓶中水结冰或冰融化，可以知道气候的寒暖变化。如果水结冰，进入寒冬;如果冰融化，则气温回升。这种瓶子被称作“冰瓶”，是中国最原始的一种温度计。四、课堂练习完成课件29—30页的课堂练习题。五、拓展延伸1、认识其他类型的传感器与闭环控制结合光照传感器 + 智能窗帘系统传感器检测室内光照强度，闭环控制逻辑为：当光照超过设定阈值（如 5000lux），控制器驱动窗帘自动关闭；低于阈值时窗帘打开。通过实时反馈调节，维持室内光照稳定。压力传感器 + 自动称重包装机压力传感器测量物料重量，闭环系统中，若实际重量低于目标值（如 100g），控制器指令加料装置继续供料；高于目标值则停止，通过动态修正确保每包物料重量误差≤1g。湿度传感器 + 恒温恒湿箱湿度传感器实时监测箱内湿度，闭环控制中，当湿度低于设定值（如 60% RH），控制器启动加湿器；高于设定值则启动除湿器，通过反馈调节维持湿度稳定，适用于实验室样品保存场景。2、闭环控制系统的稳定性设计控制器的比例（P）、积分（I）、微分（D）参数直接影响闭环系统性能，需通过调整避免震荡或响应过慢。比例参数（P）：放大温度偏差的调节作用（如 P=2 时，偏差 1℃对应调节量 2℃）。P 过大会导致系统震荡（如温度反复超调）；P 过小则响应迟缓（如温度迟迟达不到目标）。例如，家用空调 P 值过小时，从 26℃降温到 24℃可能需要 30 分钟，而 P 值适中时仅需 10 分钟且无明显波动。积分参数（I）：消除静态误差（如系统稳定后仍存在的微小偏差）。I 过大会使系统反应迟缓（积分累积需时间）；I 过小则无法消除误差（如温控系统始终差 1℃）。例如，恒温箱若 I 值合适，能将温度稳定在设定值 ±0.1℃内，否则可能长期偏离目标。微分参数（D）：提前预判偏差变化趋势（如温度快速上升时，D 参数提前加大调节力度）。D 过大可能导致调节量突变（如风扇突然高速转动）；D 过小则无法抑制突发干扰（如开门导致温度骤降时，系统来不及反应）。 六、单元回顾与评价【单 元 回 顾】【交 流 评 价】1.同学之间相互交流，分享各自的收获。2.评一评，画一画。(最高为5颗★) 初步认识温度传感器。认识温度传感器在生活中的应用。完成实践探究。完成节能风扇模型设计。学习注意事项。完成实践探究。完成提升练习。完成练习题。进行知识拓展。完成单元回顾与总结。 引入情境，帮助学生了解本课研究内容。引导学生知晓温度传感器的普遍性和使用情况。图文结合，逐步讲解实验过程，在实践过程中帮助学生熟悉温度传感器的使用方式，让所学内容更加清晰生动。在认识完温度传感器后引导学生设计节能型风扇模型，引导学生学以致用。提前明确设计模型过程中需要注意的事项，帮助更好的完成风扇模型设计。在老师的帮助下进行节能风扇模型设计体验。并在实践活动中感受风扇中反馈的闭环控制运用和原则。考察学生学以致用的能力，深化对本课知识内容的理解和掌握。巩固所学知识，考察学生对本课内容的掌握情况。拓宽学生知识面。再一次复习单元内容，强化和加深所学知识点。
课堂小结 节能风扇与反馈闭环控制1.进行新知引入2.了解温度传感器3.设计制作节能型电风扇模型4.课堂练习和单元总结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 观察家中一个包含温度传感器的闭环控制设备（如空调、冰箱），记录其在一天内的运行状态变化，分析温度传感器如何参与反馈控制，撰写一篇 300 字左右的观察报告。完成本单元知识点总结。 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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