3、功能模拟方法公开课参赛课教案

功能模拟方法

教学目标

知道功能模拟方法是研究控制系统的常用方法；

了解功能模拟方法在控制系统中的应用；

将功能模拟方法有意识的渗透到今后的问题分析当中。

教学重点

功能模拟方法在控制系统的设计与分析中应用。

教学难点

1. 功能模拟方法的理解。

2. 功能模拟方法在控制系统的设计与分析中应用。。

设计思想

本课是《技术与设计2》的第四单元“控制与设计”的第三节“闭环控制系统的干扰与反馈”中的第三课时的内容。功能模拟方法是以功能行为的相似性为基础建立模型，用模型模拟原型的功能和行为的一种方法。教材内容的顺序编排也是比较合理的。在前几课时分别介绍了“控制”“开环控制系统”“闭环控制系统”“干扰因素”“反馈”等内容，而这些都是学习探讨功能模拟方法的前提基础。

功能模拟方法是仿生学中的一种常用研究方法，在控制领域应用广泛，它也为人工智能研究的提供了科学方法。在平时进行方案构思时采用的模仿法与本课探讨的功能模拟法很相近，模仿法的范畴更大一些，这一点在上课时是一定要学生清楚的。本节教学的主体任务是使学生理解并掌握功能模拟方法分析、设计控制系统的思想方法，最终能对功能模拟方法做简单的应用。为了让学生易于理解就必须尽可能的多使用案例，且是学生熟悉的案例，案例既有文字性也有图片式的。

在此前，学生学过了开环与闭环控制系统，对开环与闭环控制系统的组成也都有了一定的认识，这些再加上学生的生活经历都是学习本节的前提基础。“人工驾驶汽车”“恒温箱”以及“机器人”都是学生熟悉的案例，正是以这些熟悉的案例做分析铺垫，才有可能降低理解难度。本课主要通过大量的生活案例让学生在分析案例的过程中逐步掌握功能模拟方法思想的，但还是有一定难度的，所以在实施教学时需要想办法去突破。

教学策略

先以“人工驾驶汽车”的方向控制问题做导入，分析汽车的行驶方向是如何受到控制的，接着投影“全自动驾驶汽车”案例，提问学生复习控制系统、开环控制系统与闭环控制系统知识点，然后是比较前后两种行驶方向的控制，知道“全自动驾驶汽车”中控制器代替了人脑的转向控制功能，执行器代替了人手实现车把转向功能，检测装置代替了人眼实现路况识别功能。说明象这种以功能和行为的相似性为基础，用模型模拟原型的功能和行为的方法就是功能模拟方法。然后再次以书本上的案例“加热炉自动与手段作比较”，让学生划出相关系统方框图，巩固对功能模拟方法的理解。之后再介绍教材列举的“下象棋机器人”，也请学生试列举类似的案例，（人工智能阿尔法狗、刀削面机器人、会骑自行车的机器人、会拉提琴的机器人……）接着让学生阅读第115页的“阅读”材料，以加深对“功能模拟方法”的认识。下来就是对功能模拟方法与模仿法的区分，深刻领会该方法的思想意义重要性，接着设置一道与功能模拟方法相关的练习题试做。

教学准备

1. 教学资源的准备

多媒体教学设备、教学课件PPT、（教室的）扩音设备等。

2. 教学课件的准备

教学课件力求简洁，抓住关键知识点，突出中心。

教学过程

1.引入

教师：上一课我们专门探讨过闭环控制系统的反馈问题，反馈可以使控制系统的控制精度更高、稳定性更好。下面我们来看一个视频案例：

（投影：无人自动驾驶汽车视频）

看了这个视频，结合前边所学内容，请同学们回答以下问题：

无人自动驾驶汽车是一个控制系统吧？

它是闭环控制？还是开环控制？ 师生共同分析案例，讨论得出答案。无人自动驾驶汽车是一个控制系统，它是由多个环节构成的组成来实现对汽车的控制，这些环节所涉及的装置就构成了一个系统。它是一个闭环控制系统，无人自动驾驶汽车，要对路面情况做出判断，然后根据反馈回的信息来及时改变航行路线，这是一个有检测装置有反馈的闭环控制系统。

a. 手动驾驶汽车 b.

“斯坦利”无人自动驾驶汽车

大家说说这两种驾驶汽车的方式中，汽车的行驶方向分别是怎样实现控制的？

学生：（在手动驾驶的案例中，人眼检查路面的信息反馈给大脑处理，大脑控制手去把转方向盘；在自动驾驶案例中，检测装置检测路面信息并将信息送给控制器，控制器控制执行器去调整方向盘从而实现行驶方向的控制）

教师：请同学们画出手动驾驶模式系统方框图。

学生自主画出汽车手动驾驶模式系统方框图，并邀请一个学生把答案展示在黑板上。

2.新课

学生和老师共同对比两种模式下系统方框图，在这两案例中，相应的自动驾驶系统的检测装置代替人眼检测路面状况的功能，控制器代替了大脑的功能，执行器代替了人手的功能。象这个有用有相似功能的机器模块代替了人来实现对汽车行驶方向的控制就是一种功能模拟方法。

（投影：功能模拟方法----以功能和行为的相似性为基础，用模型模拟原型的功能和行为的方法。）

这里说的“模型”是比较笼统的，但它一定是以功能行为的相似性为基础的。就如雷达和蝙蝠，雷达就具有可发射并可接收电磁波功能模块，这些模块就是模型，它具有与蝙蝠相似的功能和行为。

教师：我们再来看一组案例，对比人工恒温箱与自动恒温箱温度控制系统差异，画出这两个系统控制的方框图。对不两者控制系统。

学生根据自己的思考认知，画出两者的控制系统方框图。

老师找同学简单从功能模拟方法的角度来说明两者的应用。

比较加热炉温度自动控制系统与手动控制系统，我们发现，控制器代替了人脑实现了控制温度的功能，

执行器代替了人手实现了调压的功能，检测装置代替了人眼实现了检测温度值得功能。同样是用机器代替了人，实现了功能的控制。这就是功能模拟方法的应用。可以这样说，功能模拟方法是避开了复杂的结构而从功能模仿入手去研究系统或事物，也就是不用研究它是怎样实现功能的，重在考虑它能做什么。

历史上曾经有过能模拟人的动作行为的各种模型，却没有解决从结构上模拟人的大脑进行思考的问题，因为人的大脑太复杂了。在没有彻底弄清人脑内部结构和机理的情况下，必须另辟一新的模拟途径，这条途径不要求从结构上去模拟人脑，而只是要求模型在功能行为上与人脑相似。也就是说，仅仅根据模型与人脑在功能行为上相似，实现对人脑的模拟。

我们来看一则报道（投影）

2017 年 5 月 23 日，“人机终极对决”在中国乌镇打响。目前，第一局比赛结束，世界排名第一的中国围棋选手柯洁，暂时以0：1落后于Google 旗下的人工智能程序 AlphaGo。第二局和第三局将分别在 5 月

25 日和 5 月 27 日举行。在

“中国乌镇围棋峰会”上，曾经三局连胜李世石的AlphaGo再度与人类棋手进行对弈。这次登台挑战的是中国围棋职业九段棋手柯洁。最终的结局是3:0AlphaGo完胜柯洁。能够战胜人类棋手，AlphaGo主要靠的是“深度学习”这个工作原理。其包含了多层的人工神经网络，是对人脑的仿效。它是一个由许多个资料中心作为效仿人类神经元的节点相连，每个节点内有着多台超级电脑的神经网路系统。

教师：国际象棋机器人具有与人脑类似的逻辑判断功能，能模拟棋手的思维、动作与人下棋。工程师在设计这些机器人时就使用了功能模拟法。想必同学们对功能模拟方法已经理解了，大家能不能列举例子呢。

学生们各抒己见，讨论并组织相关内容。看到了刀削面机器人的案例，同学讨论，并有个别学生说明案例是如何运用功能模拟方法的。

3.学生任务

（1）用一分钟阅读P115页的“阅读”材料。

（2）判别下列案例是否涉及到功能模拟方法。

会骑自行车的机器人 会拉提琴的机器人 机器人保姆

4.新课继续

教师：请同学们看这个案例，思考一下，这个是否是功能模拟方法的运用。

同学们思考讨论着。

这也是典型的功能模拟方法的应用，所以我们要明确功能模拟方法中的原型不仅仅是人，还有很多生物都是我们要学习应用的，比如我们知道的雷达与蝙蝠，摄像机与鹰眼技术这些都是功能模拟方法的实现。

因此同学们要明确：1、功能模拟方法模拟的不一定是人的功能。

2、功能模拟方法不等同于模仿法。

3、其重在功能性的实现。 从众多的案例中我们可以看出，功能模拟方法在实际的技术与设计上作用是重大的。很多的工程可以通过模拟，进行技术设计，从而使得有些不易实现的技术设计得以成功。这种整体性研究方法，为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。

5.课堂活动

同学们畅所欲言，在这个图片中找自己讲解的案例，运用控制系统所学知识，结合功能模拟方法，解释并说说自己的看法。

小组讨论，学生互动，代表发言，师生互评。

6.课堂习题

师生结合本节所学知识，回答该问题，巩固所学内容。

7.课堂小结

本课在大家的共同努力下，通过大量的案例分析探讨了功能模拟方法。功能能模拟方法是以功能和行为的相似性为基础，用模型模拟原型的功能和行为的方法。这种方法是控制系统的设计、分析常用到的方法，在我们的生产生活中应用得广泛。掌握这种方法将有助于我们分析解决许多的系统问题。

8.课后作业

教材第116页的“马上行动”

教学反思

通过对大量的生活化案例的分析来突破重难点是本课的一个设计要点，在案例选择上除了教材的“加

热炉的温度控制”案例外其余的案例全部使用到，此外还增设了“无人自动驾驶汽车”、“刀削面机器人”、“柯洁VS阿尔法狗”、“蝙蝠鱼雷达”、“飞机与飞鸟”、“扫雷游戏”等大量案例，从而使本课内容充实有加。但案例多了又变成课堂时间不足，所以还得做些调整。