高中苏教版闭环控制系统的干扰与反馈教案

这是一份高中苏教版闭环控制系统的干扰与反馈教案，共8页。教案主要包含了学习者分析，教学目标，教学重难点， 形成性评价， 板书设计等内容，欢迎下载使用。

《闭环控制系统的干扰与反馈—反馈》选自高中通用技术苏教版必修2第四单元《控制与设计》第三节。反馈及闭环控制系统的工作原理和过程，这既是本节的核心和重点，也是本单元的核心和重点。教材首先对控制系统的“反馈”概念进行了界定：将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。为了更好地理解这个界定，教材对多个实例的控制过程进行了分析，有人工控制系统也有自动控制系统，并进一步说明了反馈是闭环控制系统形成的必备条件。教材又用了“水位控制”和“炉温控制”这两个简单而又典型的控制实例，使学生能比较好地理解闭环控制的基本工作过程：测量输出量，并将其反馈到输入端并与输入指令进行比较，得到误差信号，系统根据误差信号进行相应的控制去改变系统的输出，使之向期望值趋近，直到系统的实际输出与期望的输出量相符，误差信号为零时，控制过程结束。在闭环系统与开环控制系统的比较中，需要从多方面进行权衡，选择合适的控制系统。最终，达到让学生熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用，掌握这一核心概念。
二、学习者分析
本节课的授课对象设定为高一学生。学生在生活中已经对于控制系统有所了解，并且刚完成了系统控制方式和手段的学习，具备了足够的基础知识去更深刻地理解反馈概念。同时经过“温度控制”和“水位控制”等多个实例的学习，对于闭环控制系统有了一定的了解，基本具备了闭环控制系统主要环节和工作工程的知识。而反馈作为一独立概念初次与学生接触，对学生的认知能力或多或少做出一定的要求。不过学生的通用技术核心素养已经有了一定的发展，思维方式已经较为严谨，对通用技术在生活生产中发挥的作用有着浓厚的兴趣，将具有较高的探究热情及学习兴趣。
三、教学目标
结合通用技术学科课程深化改革，以及教学观念的发展，以通用技术核心素养的培养为出发点，本节内容教学目标制定如下：
【知识与技能】
1．熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用。
2．熟悉闭环控制系统的工作过程。
3. 知道闭环控制系统的核心是反馈。
【过程与方法】
1．通过实例演示，借助直观感受锻炼技术意识。
2．在参与到闭环控制系统工作过程的分析中，物化能力得到提升。
【情感态度价值观】
由合作探究反馈原理，渗透通用技术方法教育，培养团结合作精神、协作意识，及敢于积极探索的严谨学习品质。
通过对闭环控制系统在生活和生产中应用的认识，感受技术带来的社会变革，体会到通用技术在社会发展历程中的巨大作用。
四、教学重难点
基于上述教材分析和学习者分析，依据高中通用技术课程标准，确定教学重难点如下：
【重点】反馈与闭环系统的工作原理；开环控制系统与闭环控制系统的选用。
【难点】闭环系统的工作原理。
教学方法
为把握重点，化解难点，完成教学目标，培养学生通用技术学科核心素养，本课将主要采用实践、讲授法、问题教学法、小组讨论法等教学方法，从夏日常用的冰箱温度控制系统的生活实践出发，结合学生自己的观察及试验操作，引人眼球，设置疑问，引发学生学习兴趣，初步了解闭环控制系统的工作过程；通过水位控制和炉温控制两个实例分析，得出反馈这一核心概念。接着，通过实验让学生自主探究光的干涉所遵循的规律。最后由学生很据光的干涉规律揭秘引入情境，前后呼应，增加趣味，又使学生对光的干涉的规律加以巩固和提高。
真实演示，趣味导入新课
抽水马桶，引发思维风暴
控制剖析，感受分析过程
温控案例，掌握核心反馈
开环闭环，比较收获体验
思维导图，归纳提升自我
直观感受温控系统
合作分析解决实际问题
自主探究验证
统筹分析各有利弊
常见闭环控制
教师引导学生观察，收获切实体验
学生合作回顾控制系统，权衡分析
教学过程
1.真实演示，趣味导入新课
在课堂中与学生共同演示冰箱温度控制系统，增加趣味性。以学生在生活中常见的冰箱温度控制系统，产生疑惑，激发寻求答案的强烈学习、探究欲望。教师需要详细介绍冰箱控制系统的主要组成部分，比如感温包随温度如何变化、压缩机在怎样的条件下接通等。
【实验名称】冰箱温度控制系统演示
【实验原理】当电路断开时，压缩机停止工作，压缩机停止工作时，冰箱内气温升高，传动膜片向左运动，导致压缩机工作。压缩机工作时，连续制冷，冰箱内温度降低，气体体积缩小到一定值，压缩机停止工作。如此反复，使电冰箱内温度保持在设定范围内。
【实验器材】电冰箱温度控制系统演示板（自制），电吹风机（升高温度），酒精棉（挥发散热）
【实验步骤】
如图1所示，教师介绍演示板主要部件的功能，一位学生协助演示，其他学生做好准备观察指示灯以及连杆运动情况。
图1.电冰箱温度控制演示板（自制）
教师讲解主要控制过程，指导学生展开演示过程。
学生利用电吹风升高感温包（针筒）温度，用手指快速感受温度变化；利用酒精棉擦拭针筒降低温度，并再次用手指感受温度变化。
教师引导其他学生描述冰箱温度控制过程。
课堂开始先让学生大致了解冰箱温度控制，介绍准备好的演示板教具，并找一位同学配合，一边操作，一边介绍温度控制系统的关键特点。教师详细指导，协助的同学在仪器旁边仔细观察。其他同学仔细观察试验现象，确保演示的参与。
教师通过此控制系统提问：感温包（针筒）部分如果没有了还会将温度控制在一定范围内吗？既然如此，这一部分有什么作用呢？通过课堂展现生活情境，并对情境进行剖析，运用学生挑战、解密心理，激发学生兴趣，自然引入课题的同时，使学生产生强烈学习动力。丰富课堂中的教材情景，学生密切接触闭环控制系统，大致了解闭环控制特点，从而进入课题探究。
2.抽水马桶，引发思维风暴
对于学生已有的检测反馈观点进行再次实例认证，产生认知加强。水位控制是之前教学过程中多次出现的控制系统，在已有的基础上，继续开展探究，多类型和实物演示可以拓展丰富学生的感受。抽水马桶的水位控制以及电子控制的水位控制系统这两组实例可以通过多媒体制作的微课和实物演示的方式进入课堂，学生可以自找观察角度，得到最佳感受，引起疑惑。学生通过观察可以自己验证观点：将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。
【微课名称】闭环控制系统——抽水马桶
【微课思路】当今世界上，抽水马桶已被公认为“卫生水准的量尺”。英国人发明抽水马桶是对人类社会的一大贡献。其基本原理是利用水的重力，将水的势能转换为水的动能，从而裹挟着排泄脏物进入下水管道。抽水马桶储水桶水位控制在控制过程中就显得尤为重要。
【微课演示】
教师首先简单介绍抽水马桶也具有水位控制系统，要求学生在观看的同时简单思考其控制方框图。
图2. 抽水马桶
观看结束后，教师组织学生以学习小组为单位开展讨论方框图。
学生代表上台为大家介绍自己的思路。
学生在必修1和必修2的学习过程中有相当大的思维锻炼，获得较强的探究能力，故可以比较容易地获得结论。学生代表讲述分析可以帮助其他同学也捋顺思路，并提高加入课堂学习活动当中去。
3.控制剖析，感受分析过程
带领学生进行理论推导，加深对于反馈概念的理解。而闭环系统中的反馈能够有效克服控制过程中干扰的影响，因此通过实物的控制系统排除干扰因素的直观因素的过程显得十分必要。
【理论推导】
简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器等环节的作用，熟悉反馈环节的作用。闭环控制系统就是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统。闭环控制系统是通过反馈环节克服干扰因素而使系统达到稳定。
图3. 水位控制系统
教师的推导过程是十分有利于学生们加强巩固，在教师的合理引导下，根据自主探究、合作交流的教学方法，激发学生学习兴趣，使学生能积极主动地去探索、学习控制过程。学生学会求知、学会学习的核心是自主学习能力，在此次探究活动中将得到提升。
4.温控案例，掌握核心反馈
在充分认识水位控制系统之后，自主整理微课及教材给出的资料，完成加热炉温控方框图的补充，并且能够将自己的分析思路讲解给组内其他同学理解：在加热锅炉的温度控制系统中，可能有那些干扰因素，系统如何克服干扰使炉温稳定在给定范围内？
干扰因素有加热炉外的环境温度变化、加热器的电压波动、炉壁自身温度、炉内空气温度等。首先用热电偶来代替温度计来测量温度的值，然后对温度的比较，当小于恒温箱给定时，就增大加热装置的电流；相反当大于恒温箱给定时，就减小电流。这样恒温箱就能保持给定的温度。
【讨论主题】在出现干扰的情况下，开环控制系统和闭环控制系统哪种受干扰的影响小？为什么？
图4.加热炉
学生完成方框图的总结后会对闭环控制系统的工作过程有更加大感受体会，更有兴趣去掌握闭环控制与开环控制系统的比较分析。学生实战操练，发散思维，帮助概念理解的同时，增加学习趣味，提升学习兴趣。
5.开环闭环，比较收获体验
闭环控制系统与开环控制系统各有利弊，需要多方面权衡的前提下，我们才能做出更好的选择。而在这比较的过程便是总结的过程，学生探索通用技术世界的奥秘，逐步构建自己对于控制系统的认知，会对自己的学习兴趣产生巨大影响。
【知识梳理】
闭环控制：反馈控制，偏差控制，可以抑制内、外扰动对被量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。
开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。
教师可以要求学生就开环控制系统与闭环控制系统的联系与区别，设计一个表格。表格，作为技术语言，既是一种可视化交流模式，又是一种组织整理数据的手段。人们在通讯交流、科学研究以及数据分析活动当中广泛采用着形形色色的表格。在使用图标分析总结的过程中，核心素养在此可以得到再次地加强。
6. 思维导图，归纳提升自我
学生在学习过程中，对于知识的归纳整理是自我提升的重要手段。而思维导图是表达发散性思维的有效图形思维工具 ，简单却又很有效。思维导图运用图文并重的技巧，把各级主题的关系用相互隶属与相关的层级图表现出来，把主题关键词与图像、颜色等建立记忆链接。
【思维导图】反馈、闭环控制系统
【知识概念】
①闭环控制系统中反馈环节的作用。
②闭环控制系统的工作过程。
③闭环控制系统的核心是反馈。
小组内绘制思维导图，相互小结课堂知识、试验过程、注意点及疑难解决，巩固知识点、消除学困点，增加学生学习信心及对通用技术学习的热情。
根据本节课的实例以及理论推导，学生学会分析闭环控制系统的工作过程，掌握反馈概念。教师通过课堂开始时的控制系统分析总结学生的思维导图，使得本节课的结构更加完美。学生也能在整个课堂过程中充分体会通用技术在日常生活中的重要性。
七、 形成性评价
冰箱温度控制分析：
当电路断开时，压缩机 （开始/停止）工作
压缩机停止工作时，冰箱内气温 （升高/降低），传动膜片向 （左/右）运动，导致压缩机 （工作/停止）。
压缩机工作时，连续制冷，冰箱内温度降低，气体体积 （膨胀/缩小）到一定值，压缩机 （工作/停止）。
如此反复，使电冰箱内温度保持在设定范围内。
补充完整水位控制器的方框图：
补充完整加热炉框线图并思考存在的干扰因素：
两种系统类型的比较：
思维导图：
请选择一个系统，分析其反馈检测装置，或自主设计一个检测反馈装置。
闭环控制系统的干扰与反馈 反馈
反馈的含义 两种系统类型的比较
将输出量通过适当的检测装置返回到输
入端并与输入量进行比较的过程。
二、核心
反馈
八、 板书设计
系统类型
开环控制系统
闭环控制系统
有无反馈
能否自动调节补偿
控制精度
结构
系统类型
开环控制系统
闭环控制系统
有无反馈
能否自动调节补偿
控制精度
结构