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从复杂到简单——系统与子系统教学设计
课题 从复杂到简单——系统与子系统 单元 描述系统 学科 信息科技 年级 六年级
教材分析 本课是六年级信息科技“描述系统”单元内容，承接上节课简单系统知识，以环境监测装置为载体，讲解系统与子系统的关系。教材借助实例，引导学生理解复杂系统可拆解为具备输入、计算、输出模块的子系统，结合硬件传感器、图形化编程实践，落实系统分解的思想。教材将理论概念与项目实践结合，通过案例分析、表格梳理、编程实操、反思改进等活动，帮助学生学会把复杂功能拆解为子系统，培养系统思维，为后续学习复杂系统设计打下基础。
学习目标 1.信息意识能识别生活中复杂系统与子系统，认识环境监测装置传感器的信息采集作用，学会从系统视角观察科技产品，区分系统和子系统。2.计算思维掌握系统拆解为子系统的思路，理解子系统输入 计算 输出结构，会拆分环境监测装置功能，形成模块化分解问题的思维。3.数字化学习与创新借助主控板、传感器和图形化编程完成环境监测装置设计，能调试程序，并从输入、计算、输出角度反思装置，提出改进设想。4.信息社会责任规范使用硬件与编程工具，客观认识监测设备的优势与局限，体会系统思想的实用价值，树立理性看待数字化技术的意识。
重点 理解系统与子系统的关系，知道复杂系统可拆解为多个具备输入、计算、输出模块的子系统。掌握划分子系统简化复杂系统的方法，能够分析环境监测装置各子系统组成，了解多子系统并列协同工作的原理，结合硬件与图形化编程，实现多个子系统组合运行。
难点 理解多个子系统并列同时运行的工作逻辑，能够将复杂系统功能合理拆解成独立子系统。能结合输入、计算、输出模型分析各个子系统，在编程实践中处理多传感器数据采集输出，从系统角度反思、评估装置的优缺点并提出改进思路。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 本课中你将学习：系统与子系统是什么关系设计子系统的目的和方法是什么上节课，我们学习了生活中的简单系统，还有许多功能强大、结构复杂的较大系统，如洗衣机、空气净化器、安全监控等系统。这些较大系统是由较简单的子系统构成的，下面我们将学习系统与子系统。 1.回顾上节课简单系统的知识；2.观察生活中复杂系统实例，思考其内部构成；3.围绕“复杂系统如何组成”交流猜想。 衔接旧知与新知，创设问题情境，激发学生探究复杂系统构成的兴趣，引出本课主题。
讲授新课 环节1：从单一系统到多个子系统第一单元我们尝试制作了噪声提醒装置，对楼道里的声音进行了实时监测，是否可以模仿噪声提醒装置的设计方案，分别设计实时监测温度、湿度、噪声、PM2.5、气压、光强等功能的装置？如果我们将这些具有独立功能的、相对完整的装置系统组合起来，就得到了一个实时环境监测装置系统。而温度、湿度、噪声、PM2.5等装置系统就是实时环境监测系统的子系统。先参考噪声监测装置，它采集外界的声音信号，经过计算，将声音值作为输出，显示在屏幕上。噪声监测装置是环境监测装置系统的一部分，它拥有独立的功能，是环境监测装置系统的子系统。制作环境监测装置系统的关键是将温度监测、气压监测、湿度监测等功能独立的子系统组成一个较大的系统。环节2：设计具有子系统的环境监测装置按照“输入”“计算”“输出”三个功能模块，将构成环境监测装置的子系统及其要素分类列出，如表2-4所示。子系统名称输入部分计算部分输出部分系统状态噪声监测子系统用声音传感器输入外界声音主控板和程序计算声音数值显示屏显示当前环境数据温度监测子系统用温湿度传感器输入外界温度主控板和程序计算温度数值湿度监测子系统用温湿度传感器输入外界湿度主控板和程序计算湿度数值子系统名称输入部分计算部分输出部分系统状态PM2.5监测子系统用PM2.5粉尘传感器输入外界粉尘浓度主控板和程序计算粉尘浓度数值显示屏显示当前环境数据气压监测子系统用气压传感器输入大气压强主控板和程序计算气压数值光强监测子系统用光线传感器输入外界光线主控板和程序计算光强数值控制过程与状态变化：当环境监测装置开始工作，噪声、温度、湿度、PM2.5、气压、光强等子系统分别开始获取外界数据，各子系统属于并列关系，同时运行，分别把外界输入的数据交给计算部分，计算部分将数据整理好交给输出设备显示在屏幕上，成为环境监测装置的一部分。环节3：利用编程实现多个子系统组成的较大系统根据设计思路，模拟制作环境监测装置。使用主控板通过编程制作一个简易环境监测装置。按照前面的方案设计，我们需要按照输入、计算、输出、其他四部分准备设备，如下图和表2-5所示。部分设备功能输入声音传感器、温湿度传感器、光线传感器、气压传感器、PM 5粉尘传感器收集环境数据计算主控板计算处理收集的数据输出OLED屏显示数据的计算结果其他电源、连接线提供电能、连接设备算法描述只有硬件无法实现环境监测，需要在计算部分设计相配套的算法，对整个系统进行控制。1.一直循环下列操作：2.在屏幕上按格式显示声音值3.在屏幕上按格式显示光强值4.在屏幕上按格式显示PM 5值5.在屏幕上按格式显示温度值6.在屏幕上按格式显示湿度值7.在屏幕上按格式显示气压值8.结束循环程序实现已经初步确定环境监测装置的设计思路，下面在主控板环境下编写计算部分的程序。首先，加载温湿度、气压、PM2.5等传感器扩展功能，如下图所示。主控板集成声音传感器和光线传感器，可直接使用图形化编程软件的“输入”指令获取“声音值”和“光线值”。编写程序，输出环境数据，如下图所示。反思与改进为了让设计更加实用，可以从输入、计算、输出三个环节，系统、全面地考虑当前环境监测装置的优点和不足，如表2-6所示。环节优点不足输入同时获取多个环境数据，反应灵敏获取数据信息有空间局限性，监测范围小计算逻辑简单声音值和光线值格式不好理解输出分屏显示很清晰屏幕小，提示效果差拓展学习（一）创意升级——完善环境监测装置围绕环境监测装置不足，以小组为单位开展设计优化：1.为现有系统新增1个功能子系统（如超标报警子系统、数据存储子系统、风速监测子系统等）；2.参照“输入-计算-输出”模型，梳理新子系统的组成与运行逻辑，绘制简易设计框图。（二）编程进阶——优化监测程序在环境监测程序的基础上，自主选择完成一项进阶操作：基础层：修改程序等待时长，调整数据刷新间隔，观察显示效果变化；进阶层：添加逻辑判断指令，当环境噪声超过设定值时，点亮主控板RGB灯给出提示。环节4：设计子系统的目的和方法用系统思想设计和制作产品时，经常会用到子系统。复杂系统通常由具有独立输入、计算、输出功能模块的子系统组成。例如计算机系统由电源子系统、输入子系统、运算子系统、存储子系统、输出子系统等组成；再例如人体由消化系统、呼吸系统、泌尿系统、神经系统、生殖系统、内分泌系统等组成。这些都提示我们：在设计和实现复杂系统时，可以通过划分子系统的方法简化复杂系统，将复杂功能分解成独立的小功能，小功能具有明确的输入、计算、输出环节，这样的小功能就可以设计成子系统。环节5:探 索说一说，使用环境监测装置监测环境中的噪声、温度、湿度时，需要用到哪些电子模块 所需电子模块按功能分为三类：- 输入模块：声音传感器、温湿度传感器- 计算模块：主控板- 输出模块：OLED 显示屏- 辅助模块：电源、连接线环节6：拓 展智能手表是一种集报时、导航、监测、交互多项功能于一体的电子科技产品，每一项功能都是智能手表系统的子系统，请同学们说一说智能手表有哪些子系统，并尝试深入了解这些子系统是如何运 行的。1.常见子系统：时间显示子系统、心率监测子系统、定位导航子系统、触控交互子系统、消息提醒子系统、运动计步子系统等。2.运行逻辑：每个子系统均遵循 “输入 - 计算 - 输出” 结构。以心率监测子系统为例：输入为光学心率传感器采集的皮肤光信号，计算为主控芯片换算出心率数值，输出为屏幕显示心率数据；各子系统并列协同运行，共同实现智能手表的整体功能。 1.回忆噪声提醒装置的结构与运行逻辑；2.思考多种环境监测功能的实现思路；3.观察系统结构图，识别环境监测系统的子系统，理解二者的包含关系。1.参照“输入-计算-输出”模型，自主填写各子系统的组成表格；2.小组讨论多子系统的运行方式，理解并列协同、同时运行的工作逻辑。1.认识主控板、各类传感器等硬件，明确各部分功能分工；2.跟随操作加载传感器扩展，编写图形化程序并调试运行；3.从输入、计算、输出维度分析装置优缺点，思考优化方向。1.结合计算机、人体系统等案例，归纳划分子系统的作用；2.总结系统分解的基本方法；3.联系生活举例，分享子系统的应用场景。1.结合本课“输入-计算-输出”的系统模型，独立思考监测噪声、温度、湿度所需的电子模块；2.小组内交流讨论，按功能分类梳理模块清单；3.小组代表分享结论，全班共同补充完善。1.结合生活使用经验，列举智能手表的核心功能，对应划分出不同子系统；2.小组合作，选取1-2个子系统，用“输入-计算-输出” 模型分析其运行逻辑；3.全班交流分享，互相补充拓展认知。 以已知的单一系统为载体，通过类比迁移引出子系统概念，帮助学生建立“复杂系统由独立子系统构成”的初步认知通过表格梳理强化子系统的通用结构模型，落实系统拆解方法，培养学生模块化分析问题的思维。将理论拆解转化为实践操作，让学生直观感受多子系统协同运行的效果，提升编程实践与反思优化的能力。拓展案例范围，深化对系统分解思想的理解，实现知识迁移，培养学生的系统思维。检验学生对环境监测装置硬件组成的掌握程度，强化系统结构模型与实物模块的对应关系，巩固系统拆解的分析方法。将系统分解方法迁移到生活智能产品场景，深化系统思维，提升知识迁移应用能力，拓展学生科技视野。
课堂练习 一、选择题1.下列选项中，属于环境监测装置系统子系统的是（）A.电源连接线B.温度监测系统C.OLED显示屏D.主控板硬件2.具备独立功能的子系统，核心功能模块不包含以下哪一项（）A.输入B.计算C.存储D.输出3.环境监测装置运行时，各子系统之间的工作关系是（）A.按先后顺序运行B.并列同时运行C.随机交替运行D.同一时间仅一个子系统运行二、判断题1.子系统是大系统的组成部分，自身不具备独立的完整功能。（）2.噪声监测、温度监测等子系统，都遵循“输入—计算—输出”的运行逻辑。（）3.设计复杂系统时划分子系统，会增加系统复杂度，不利于问题解决。（）4.用主控板编程实现环境监测功能前，需要先加载对应传感器的扩展功能。（）三、简答题1.结合本课的环境监测装置，简要说明系统与子系统的关系。2.设计复杂系统时，划分子系统的主要目的是什么？参考答案一、选择题1.B2.C3.B二、判断题1.×.子系统拥有独立功能，是相对完整的装置系统。2.√.每个子系统均由输入、计算、输出三个功能模块构成。3.×.划分子系统可以简化复杂系统，将复杂功能拆解为独立小功能。4.√.编程前需加载温湿度、气压、PM . 等传感器的扩展功能。三、简答题1.环境监测装置是完整的大系统，由温度监测、湿度监测、噪声监测等多个具备独立功能的子系统组成；子系统是大系统的组成部分，各自独立运行、协同工作，共同实现大系统的整体功能。2.目的是简化复杂系统，将复杂功能分解为多个有明确输入、计算、输出环节的独立小功能，通过子系统的组合协作，降低复杂系统的设计与实现难度。 1.独立完成选择、判断、简答三类习题；2.对照答案自查订正，梳理易错点；3.参与答题交流，完善简答题表述。 及时巩固本课核心知识点，检验学习成效，强化对系统与子系统核心概念的理解。
课堂小结 本节课我们学习了系统与子系统的知识，理解了划分子系统的目的与方法，认识到复杂系统可拆解为多个具备独立功能的子系统，每个子系统都遵循输入—计算—输出的运行逻辑。我们以环境监测装置为载体，分析了温度、湿度、噪声等并列协同的子系统组成，并通过图形化编程实践了多子系统的协同运行。希望大家掌握系统分解的思路，用系统思维观察身边的科技产品，为后续的系统设计学习筑牢基础。 1.跟随教师回顾核心知识，梳理知识脉络；2.总结系统与子系统的关系、子系统结构及分解方法；3.交流本课学习收获与体会。 整合本课知识体系，强化系统思维培养，促进知识内化，为后续系统设计学习铺垫基础。
板书
21世纪教育网www.21cnjy.com精品试卷·第2页（共2页）
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