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让系统听话——系统的控制教学设计
课题 让系统听话——系统的控制 单元 控制系统 学科 信息科技 年级 六年级
教材分析 本课是第三单元控制系统的开篇课，以生活中常见的空调、温控排风扇为载体，引出控制回路的核心概念，拆解“输入-计算-输出”的系统结构。内容从生活实例切入，逐步延伸到方案设计、编程模拟与系统分类，兼顾理论认知与实践探究，既为后续深入学习控制系统的状态、逻辑奠定基础，也着力培养学生的系统思维与工程设计意识。
学习目标 信息意识：感知生活中控制系统的普遍应用，认识控制回路组成，能准确识别输入、计算、输出三大功能模块。计算思维：能运用“输入-计算-输出”模型分析温控系统逻辑，梳理控制回路流程，形成结构化系统分析思路。数字化学习与创新：能借助图形化编程模拟温控排风扇工作，尝试优化控制方案，设计简单闭环控制装置。信息社会责任：体会自动控制技术的生活价值，关注控制技术发展，树立严谨务实的工程设计意识。
重点 教学重点为控制回路的组成与工作原理，输入、计算、输出三大模块的功能划分；闭环与开环控制系统的概念及区分方法；温控排风扇的控制逻辑与运行过程，以及运用“输入-计算-输出”模型分析生活常见控制系统的方法。
难点 教学难点为理解控制回路的反馈机制，准确区分开环与闭环控制系统；能独立拆解温控排风扇的控制逻辑，将实际控制问题转化为“输入-计算-输出”的结构化分析模型。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 大家是否见过在工厂流水线上工作的机器人 是否见过餐厅里的送餐机器人 是否见过医院里的接待机器人 这些设备都是由控制系统指挥的，都可以分为输入、计算、输出三个部分。科技正在飞速发展，控制系统越来越受到重视。本单元我们将运用“输入一计算—输出”这一普遍模式，分析、设计控制系统的运行过程和控制过程。你将学习◎控制系统的分类有哪些◎如何描述系统的运行过程和控制过程◎控制系统的目的是什么你知道吗？自动控制是控制系统的一种形式。自动驾驶已成为人类发明汽车以来的重大颠覆性创新，不仅影响了汽车工业，还对社会发展、出行体系等产生了巨大影响。2022年12月22日，中国首个低速自动驾驶系统性能测试认证在北京经济技术开发区举行颁布仪式。学习热身请和小伙伴一起讨论一下，如果让你设计生活中的自动化产品，你会设计什么呢 它们又有哪些特殊功能呢 本课中你将学习：◎什么是控制回路◎如何描述系统控制的过程◎控制系统的分类有哪些控制系统在日常生活中随处可见，如家中的洗衣机、马路上的红绿灯、学校里的铃声系统……通过理解和应用各种控制方法，我们可以让系统“听话”,实现预期的目标。这不仅是科技的奇迹，更是智慧与创新的结晶。 学生观看机器人相关实例，跟随教师思考控制系统作用；小组开展讨论交流，畅想自己想要设计的自动化产品，分享产品功能；阅读本课学习要点，初步感知控制系统在生活当中的广泛应用。 借助生活机器人实例激发学生学习兴趣，通过小组讨论调动学生主动性，引出单元主题，让学生初步建立控制系统的感性认知。
讲授新课 环节1：什么是控制回路如果家里有空调，你可能见过如右图所示的空调遥控器，可以利用它控制空调设定一个理想的居室温度。假设你想要设定的理想温度是26℃,空调的控制过程如下。◎当按下空调开关键时，遥控器发送一条指令打开空调。◎通过温度键设置理想温度为26℃。◎温度传感器不断向空调控制器发送室内的实际温度。◎若室内温度高于设定值26℃,则输出冷气；否则，停止输出冷气。大多数空调是一个制冷兼制热的系统，室内是空调工作的环境。空调系统会时刻监测室内的温度变化，并将室内温度值作为输入，反馈给空调的计算部分进行判断。这一过程由输入、计算、输出构成了控制回路，如下图所示。这是一个控制回路，有时被称为反馈回路，传感器将信息反馈给计算部分。环节2：设计并绘制温控排风扇控制回路夏天，天气很热，爸爸或妈妈在厨房做饭的时候，厨房温度会逐渐升高，他们又经常忘记打开排风扇。看着他们在厨房又忙又热的样子，很心疼。现在请尝试制作一款温控排风扇，当厨房温度升高时，排风扇自动打开；当厨房温度降低时，排风扇自动关闭。根据我们的想法和需求，按照控制回路的思想设计温控排风扇方案，温控排风扇系统回路如下图所示。将温控排风扇系统要素按照输入、计算、输出三个功能模块划分出来，如表3-1所示。输入部分计算部分输出部分系统状态温度传感器(环境温度信息和设定温度值)主控板和程序(环境温度≥设定温度)打开排风扇排风扇转动排风温度传感器(环境温度信息和设定温度值)主控板和程序(环境温度<设定温度)关闭排风扇排风扇停止转动外接电源或者内部电源无提供电能正常工作控制过程与状态变化：当温控排风扇正常工作时，系统通过温度传感器不断监测厨房环境温度，温度传感器将温度值输入系统的计算部分，计算部分将输入的环境温度值与设定温度值进行比较，若环境温度值不低于设定温度值，则输出打开信号，打开排风扇，系统进入排风状态；若环境温度值低于设定温度值，则输出关闭信号，关闭排风扇，系统进入待机状态。环节3：利用编程模拟温控排风扇工作过程根据设计思路，在主控板环境下编程模拟温控排风扇系统，我们需要按照输入、计算、输出、其他四部分准备设备，如下图和表所示。部分设备功能输入温度传感器监测环境温度计算主控板控制排风扇开关输出排风扇排风其他电池、连接线提供电能、连接设备算法描述单有硬件无法完成温控排风扇系统，需要在计算部分设计相配套的算法，对整个系统进行控制，才能将输入和输出设备联系起来，进而作用于外界。1.创建1个存储变量，存储温度设定值2.一直循环下列操作：3.在屏幕上显示温度设定值4.在屏幕上显示外界温度值5.判断：如果外界温度值≥温度设定值，执行下列命令：6.打开排风扇7.保持60秒8.否则：9.关闭排风扇10.结束循环程序实现1.创建变量在图形化编程软件中定义一个变量my_sheding,存储温度设定值。2.添加传感器单击图形化编程软件界面左侧“扩展”中的“添加”,在“传感器”分类中加载热敏电阻，在“执行器”分类中加载风扇。3.编写程序按照算法在图形化编程软件中编写程序，如图所示。反思与改进同样地，从输入、计算、输出三个环节，系统、全面地考虑当前的温控排风扇系统的优点和不足，如表3-3所示。环节优点不足输入很灵敏，操作简单若在冬天设定温度过高，则会有延时，建议改用烟雾传感器计算逻辑严谨，考虑到了输出延时60秒建议根据具体环境调整延时时间输出准确排风扇有点小环节4：生活中的闭环控制系统和开环控制系统具有控制回路的系统在生活中普遍存在，这类系统最大的特点是将系统对环境的影响作为反馈信息，再输入系统内部作为再次控制的重要依据，这类系统叫做闭环控制系统，常见的有电冰箱、微波炉、电烤箱等。还有一类如大炮、手枪、弓箭等没有反馈信息的控制系统，它们叫做开环控制系统。环节5：探索尝试补充电冰箱的回路控制过程图。参考：环节6：拓展根据温控排风扇系统的不足，改进自动排风扇系统方案，并尝试实现这套方案。改进方案：系统采用温度传感器 + 烟雾传感器双检测信号，任一指标达到设定阈值即可启动排风，冬天炒菜产生烟雾就能立刻启动风扇，解决冬季温度触发延迟的问题；增加按键模块，可根据厨房大小、油烟多少，手动调整停机延时的长短；将原有小排风扇更换为大风量排风扇，提升排风效果；以掌控板作为控制器，继电器作为执行器，构成闭环控制系统，传感器持续采集环境信号反馈回控制器，实现自动控制。 跟随教师分析空调工作案例，观察空调控制回路示意图，梳理空调控制流程；尝试识别案例里输入、计算、输出模块，理解反馈含义。结合厨房实际需求，研读温控排风扇案例，对照示意图划分三大模块，梳理系统两种工作状态，独立梳理完整控制过程。认识系统硬件设备，读懂算法步骤；跟随教学加载传感器、风扇扩展模块，搭建图形化程序，观察模拟运行效果并记录现象。对比案例，辨析闭环、开环控制系统，抓住有无反馈这一核心区分点；列举生活实例，区分两种不同类型控制系统。迁移空调、温控排风扇的分析方法，自主思考电冰箱工作逻辑，尝试补全电冰箱控制回路图，小组内互相交流核对思路。反思原有温控排风扇优缺点，研读改进方案，理解双传感器优化思路；小组探讨还可以有哪些优化控制系统的想法。 以空调熟悉实例为载体，借助示意图拆解控制回路，帮助学生理解反馈，建立输入 计算 输出模型概念。联系生活真实问题，落实模型迁移应用，训练学生拆解控制系统、梳理控制流程的分析能力。将理论模型落地编程实践，让学生体验控制系统实现过程，提升数字化实践探究能力。对比实例提炼两类系统本质差异，巩固反馈概念，提升学生辨别控制系统类型的能力。巩固控制回路分析模型，训练学生知识迁移，检验学生对闭环控制工作原理掌握程度。引导学生批判性看待现有方案，培养工程优化意识，启发学生创新设计简单控制装置。
课堂练习 一、选择题1.空调控制系统中，温度传感器属于控制回路的哪个部分？（）A.输入部分B.计算部分C.输出部分D.供电部分答案：A2.下列属于闭环控制系统的是？（）A.手枪B.电冰箱C.弓箭D.大炮答案：B3.温控排风扇系统中，负责判断温度并输出开关指令的是？（）A.温度传感器B.主控板与程序C.排风扇D.电源答案：B二、判断题1.控制回路也可称为反馈回路，核心是将输出结果反馈给计算部分。（）答案：√2.开环控制系统具备完整的反馈信息，可以根据输出调整控制逻辑。（）答案：×3.温控排风扇的系统状态包括排风状态和待机状态两种。（）答案：√4.所有控制系统都可以划分为输入、计算、输出三个基本部分。（）答案：√三、简答题1.请简述空调温度控制的完整回路过程。答案：设置理想温度后，温度传感器持续采集室内实际温度并反馈给控制器；控制器对比实际温度与设定值，若高于设定值则输出冷气，反之停止制冷，形成闭环反馈控制。2.举例说明开环控制系统与闭环控制系统的核心区别。答案：核心区别是有无反馈：闭环系统有反馈，如电冰箱会监测内部温度并自动调节制冷；开环系统无反馈，如大炮发射后无法根据落点调整发射参数。 学生独立完成选择、判断、简答习题，完成后核对答案；简答题梳理控制回路流程，同桌之间互相交流答题思路，纠正理解误区。 通过分层习题巩固本课核心知识点，检测学习效果，查漏补缺，强化控制相关概念记忆。
课堂小结 本节课我们认识了控制回路的基本概念，通过空调、温控排风扇两个生活案例，掌握了控制系统“输入-计算-输出”的基本结构，明确了反馈在控制回路中的作用，区分了有反馈的闭环控制系统和无反馈的开环控制系统，还了解了用图形化编程模拟控制过程的思路。课后大家可以观察身边的自动控制设备，试着用今天的知识分析它们的控制逻辑。 学生跟随教师回顾本节课知识，梳理控制回路结构、开环闭环区别；自主举例身边自动控制设备，口头分析设备控制逻辑。 梳理本课知识框架，巩固输入 计算 输出模型，引导学生学以致用，把课堂知识延伸到现实生活观察。
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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