资源简介

中小学教育资源及组卷应用平台
控制就是改变状态——控制系统的目的教学设计
课题 控制就是改变状态——控制系统的目的 单元 控制系统 学科 信息科技 年级 六年级
教材分析 本课是第三单元第二课，承接第一课控制回路、开环与闭环控制系统知识，以改变系统状态为核心，借助空调、感应垃圾桶实例，讲解改变系统状态的两种方式。教材通过硬件拆解、算法设计、反思改进的活动，落实输入 计算 输出控制模型，引导学生分析感应垃圾桶的控制流程。注重联系生活实际，在实践中体会控制系统的目的，为后续学习控制逻辑、多条件智能系统打下知识与思维基础。
学习目标 1.信息意识：能观察生活控制系统，识别系统输入输出，感知控制系统改变设备状态带来的生活便利。2.计算思维：能够运用输入 计算 输出模型分析系统状态变化，读懂感应垃圾桶控制算法逻辑。3.数字化学习与创新：借助主控板案例，尝试分析、反思感应垃圾桶不足，提出简单优化改进方案。4.信息社会责任：体会智能设备服务生活，懂得考虑不同人群需求，树立技术以人为本的设计观念。
重点 理解控制系统的目的是改变系统状态，掌握改变系统状态的两种方法。能够使用输入 计算 输出模型拆解感应垃圾桶系统，识别传感器、主控板、执行器各自功能，梳理感应垃圾桶完整控制过程，区分系统盖子打开、关闭两种工作状态。
难点 区分系统物理状态与逻辑状态，读懂感应垃圾桶算法逻辑，理解延时判断对于减少误判的作用。能够从输入、计算、输出三个环节，多角度分析智能控制系统存在的不足，并提出合理改进思路。
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 如何改变系统的状态 如何制作感应垃圾桶上节课我们已经学习了空调的控制回路。控制系统使生活更轻松、使工业生产更安全，这节课我们继续探究控制系统的多种工作状态以及如何改变控制系统的状态。 学生回顾上节课空调控制回路相关知识，浏览本课学习要点。 复习旧知搭建新旧知识桥梁，抛出本课学习任务，借助生活实例引发学生思考，激发探究欲望，自然引出本节课 “改变系统状态” 核心主题。
讲授新课 环节1：如何改变系统的状态下面我们以制冷功能为例，继续分析一下空调系统的工作状态。◎开启状态：空调系统正常运行，传输冷气到室内，保持室内凉爽。◎关闭状态：空调系统停止运行，不再传输冷气，室内温度可能逐渐升高。◎自动调节状态：空调系统根据预设的温度值自动调节，以保持室内温度在设定范围内。在日常生活中我们怎么样改变空调系统的工作状态呢 我们以操作空调遥控器为例：拿到空调遥控器，按下开关键，空调进入开启状态；可以通过按键调节温度，将温度调低或调高，空调进入自动调节状态。这就是空调系统状态的改变，我们可以用“输入一计算一输出”的模式这么描述，见表3-4。部分过程输入使用空调遥控器改变预设温度计算将输入的信息发送给控制器，控制器计算是否输送冷气输出室内温度达到输入的预设温度改变系统状态的方法有两种：①找到控制该状态变换的“输入”或者“开关”,通过改变“输入”改变状态。例如，在一个简单的电路系统中，开关的开合状态会直接影响电路的通断，从而改变系统的状态。②设计系统“计算”部分的逻辑功能，通过“计算”控制“开关”改变状态。例如，在软件系统中，通过编写或修改算法和程序逻辑，可以控制系统在不同条件下的行为和状态。环节2：分析制作感应垃圾桶垃圾桶的盖子是为防止蚊蝇滋生、减少气味污染而设计的。但扔垃圾时需要手动打开盖子，导致人们和垃圾桶直接接触，增加了细菌感染的风险。如果有一款自动开关盖子的感应垃圾桶就能很好地解决这个烦恼了，扔垃圾的时候垃圾桶盖子可以自动打开，扔完垃圾后，盖子可以自动关闭。回忆一下空调状态改变的情景，你们能发现感应垃圾桶改变状态的规律吗 感应垃圾桶有两种状态，只要精准地控制垃圾桶盖子的打开状态和关闭状态，就能解决垃圾桶现存问题。垃圾桶盖子的打开状态由哪些输入控制呢 关闭状态又由哪些输入控制呢 计算部分又如何区分是有人来扔垃圾，还是有动物靠近，抑或只是单纯有人靠近呢 是否需要采用闭环控制方式呢 根据想法和需求，按照控制回路的思想设计感应垃圾桶系统，如下页图所示。将感应垃圾桶系统要素按照输入、计算、输出三个功能模块划分出来，如表3-5所示。输入部分计算部分输出部分系统状态超声波传感器(监测距离)主控板和程序(监测距离≤设定距离)舵机旋转打开盖子盖子打开主控板和程序(监测距离>设定距离)舵机旋转关闭盖子盖子关闭控制过程与状态变化：当感应垃圾桶正常工作时，系统通过超声波传感器不断监测与垃圾桶上沿成45°夹角的斜上方是否有物体靠近，如有物体靠近，超声波传感器将监测到的物体与垃圾桶的距离输入系统的计算部分，计算部分将输入的距离值与30cm进行比较。如果监测到的距离小于或等于30cm,且保持2秒，则输出打开信号，舵机旋转打开盖子，系统进入盖子打开状态；如果监测到的距离大于30cm,则输出关闭信号，舵机旋转关闭盖子，系统进入盖子关闭状态。环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程根据设计思路，使用主控板编程模拟感应垃圾桶系统，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。部分设备功能输入超声波传感器监测物体靠近计算主控板判断是打开还是关闭盖子输出舵机打开或关闭盖子其他电池、连接线提供电能、连接设备算法描述为将输入、输出设备联系起来，实现系统控制，需要在计算部分设计配套的算法。1.创建1个距离变量，存储设定值30cm2.创建1个时间变量，存储设定值2秒3.创建1个状态变量，记录系统当前状态4.初始化舵机5.设置舵机角度为0°6.状态变量设置为0,垃圾桶处于关闭状态7.一直循环下列操作：8.在屏幕上显示距离变量的设定值9.在屏幕上显示状态变量10.判断：如果监测距离≤距离变量，执行下列命令：11.等待时间变量12.判断：如果监测距离≤距离变量，执行下列命令：13.舵机角度设置为90°14.状态变量设置为1,垃圾桶处于打开状态15.否则：16.舵机角度设置为0°17.状态变量=0,垃圾桶处于关闭状态18.结束循环程序实现1.创建变量在图形化编程软件中创建变量my_juli、my_shijian、my_zhuangtai,分别存储距离变量设定值、时间变量设定值、状态信息。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”分类中加载超声波传感器，在“执行器”分类中加载舵机。3.编写程序按照算法描述编写程序，感应垃圾桶程序如图所示。反思与改进试从输入、计算、输出三个环节，系统、全面地分析当前的感应垃圾桶的优点和不足，如表3-7所示。环节优点不足输入符合实际要求感应范围有局限计算逻辑严谨，有停留时间设定，减少了误判在垃圾桶盖子处于关闭状态时，重复设置舵机，造成多余输出输出快捷没有备用脚踏开关，不方便小朋友扔垃圾环节4：控制系统有多种状态控制系统的状态反映了系统在不同时间的行为特性。它可以是系统的物理状态(如位置、速度、温度等),也可以是系统的逻辑状态(如开关的通断状态、程序的执行状态等)。控制系统的目标是使系统的状态能够按照预定的轨迹或模式变化，以达到期望的性能指标或实现特定的功能。控制系统在生活中的应用非常广泛，几乎涵盖了我们日常生活的各个方面。例如，洗衣机利用控制系统自动控制洗涤过程中的各参数，包括水温、水量、洗涤时间和转速等，以达到最佳洗涤效果；智能交通信号灯利用控制系统，根据交通流量情况自动调整红绿灯的切换时间，提高交通效率，减少拥堵等。通过本节课的学习，同学们会发现，控制系统的最终目的就是改变系统的状态。环节5：探索尝试改进程序，避免垃圾桶在处于关闭状态时反复设置舵机。核心方案：只有状态发生变化时，才去设置舵机。逻辑原理1.定义变量my_zhuangtai：0= 关闭；1= 打开2.读取超声波距离： 距离≤30cm：需要开盖 如果当前my_zhuangtai==0（原本关着）→ 执行舵机开盖，更新my_zhuangtai=1 如果当前my_zhuangtai==1（已经开着）→ 不执行舵机指令 距离>30cm：需要关盖 如果当前my_zhuangtai==1（原本开着）→ 执行舵机关盖，更新my_zhuangtai=0 如果当前my_zhuangtai==0（已经关着）→ 不执行舵机指令环节6：拓展尝试设计并制作更加灵敏的感应垃圾桶，避免落叶、下雨等外界环境的影响。参考：1.硬件层面改进硬件升级可增加红外人体传感器和超声波做双重判断，只有两个传感器同时检测到信号，才判定为有效，单一传感器触发不动作，大幅过滤落叶雨水。2.程序逻辑改进核心思路：多次采样滤波+持续时间判断，区分「人手停留」和「落叶雨滴瞬时干扰」落叶、雨滴穿过探测区是一瞬间；人手放到垃圾桶上方会持续一小段时间。连续多次读取超声波距离，做平均值滤波，消除单次波动噪声；增加触发时长判定：只有近距离信号持续≥0.2秒，才判定为有效触发；一闪而过的信号直接忽略。 研读空调不同工作状态案例，梳理空调状态变化过程，理解两种改变系统状态的途径，结合输入 计算 输出模型完成表格填写，记录核心知识点。结合生活痛点思考感应垃圾桶功能需求，观察系统示意图，划分输入、计算、输出模块，梳理开盖、关盖两种状态，梳理完整控制流程。识别系统硬件及功能，读懂算法步骤；在编程软件创建变量，加载传感器与舵机扩展模块，编写图形化程序，观察模拟运行效果。学习区分物理状态与逻辑状态，结合洗衣机、信号灯实例辨别两类状态，归纳控制系统最终目的，小组列举其他生活控制系统实例。读懂程序优化逻辑，理解状态判断的作用；尝试修改图形化程序，只有状态改变时才执行舵机动作，小组互相调试、核对程序思路。思考落叶、雨水造成误触发的问题，研读硬件和程序的改进方案；小组合作讨论，发散思维，提出自己对感应垃圾桶的其他优化想法。 沿用学生熟悉的空调案例，拆解状态改变的两类方法，落实模型应用，帮助学生理解控制系统改变状态的原理。立足真实生活问题，迁移旧知识分析新系统，训练学生拆解智能设备、梳理系统状态变化的分析能力。将理论转化为编程实践，体验完整控制系统实现流程，加深对延时判断减少误判作用的理解。辨析物理、逻辑状态概念，拓宽学生认知，巩固本节课核心结论，强化对控制系统目的理解。引导学生发现程序缺陷，通过修改程序优化计算逻辑，提升学生算法优化与逻辑思考能力。引导学生多角度反思系统缺陷，树立工程优化思维，体会技术设计需要结合现实环境综合考量。
课堂练习 一、选择题1.感应垃圾桶的输入设备是（）A.舵机B.超声波传感器C.主控板D.电池2.控制系统的最终目的是（）A.只采集数据B.改变系统的状态C.只进行计算D.只输出声音3.感应垃圾桶中实现开盖关盖动作的输出部件是（）A.超声波传感器B.主控板C.舵机D.连接线二、判断题1.改变系统状态，既可以改变输入，也可以修改计算部分程序逻辑。（）2.感应垃圾桶设置2秒延时，目的是让垃圾桶盖子打开得更快。（）3.系统状态只包含物理状态，不存在逻辑状态。（）4.超声波传感器负责监测物体与垃圾桶之间的距离。（）三、简答题1.请写出两种改变系统状态的方法。2.简单描述感应垃圾桶的控制过程。简要答案：选择题：1.B2.B3.C判断题：1.√2.×3.×4.√简答题1.①改变系统的输入或开关；②修改计算部分算法程序逻辑。2.超声波传感器检测距离；距离≤30cm保持2秒，舵机转动开盖；距离大于30cm，舵机关闭盖子。 独立完成选择、判断、简答题，完成后核对参考答案；简答题梳理改变状态的方法与垃圾桶控制流程，同桌交流答题思路，纠正理解误区。 借助分层习题检测本课重难点掌握情况，巩固概念，及时查漏补缺，内化系统状态相关知识。
课堂小结 同学们，今天我们学习了控制系统的目的就是改变系统状态。我们知道改变系统状态有两种途径：改变输入，或是修改程序逻辑。以感应垃圾桶为例，我们用输入 计算 输出模型拆解整个系统，超声波传感器采集距离作为输入，主控板做判断，舵机完成开盖、关盖输出。同时我们还学会从输入、计算、输出角度找系统缺点。课后大家可以想一想，怎样优化垃圾桶，解决误触发、不方便小朋友使用这些问题。 跟随教师梳理本课知识框架，复述改变系统状态的两种方式，复述感应垃圾桶系统模块划分；课后思考感应垃圾桶的更多优化思路。 梳理本节课知识脉络，巩固输入 计算 输出分析模型，引导学生将课堂知识迁移到生活技术的思考当中。
板书
21世纪教育网www.21cnjy.com精品试卷·第2页（共2页）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)

展开更多......

收起↑