1、干扰因素板书设计

《技术与设计2》第四单元第三节

“闭环控制系统的干扰与反馈”的教学设计

2012-7-16 李锋

高中通用技术课程，是依据教育部《普通高中技术课程标准（实验）》新增设的一门文、理兼备的综合性课程，它有着全新的目标、全新的理念、全新的内容和全新的教材。如何上好课、怎样使学生产生学习兴趣、如何实现通用技术课程教育价值，成为每一位通用技术老师迫在眉睫之虑。

笔者在认真分析《课标》和教材的基础上，深入研究了通用技术课程的教学策略，针对苏教版《技术与设计2》第四单元第三节的教学内容，谈谈自己的观点与做法。

教材分析：

第四单元第三节“闭环控制系统的干扰与反馈”总共有4个节点：第一节点干扰因素；第二节点反馈；第三节点功能模拟方法；第四节点黑箱方法。教学建议安排3课时。由于第一节点内容较少，第二节点内容较多，第三节点和第四节点内容比较抽象，故建议第一课时安排干扰与反馈、第二课时安排闭环控制系统、第三课时安排功能模拟法与黑箱法；在课堂活动方面，为了适应教学，学生实践活动有一定变化，并在第三课时增加了一个学生实践活动，教师可以根据实际情况，合理选用。

教学重点：学会分析闭环控制系统中的干扰因素，熟悉反馈环节的作用。

教学难点：熟悉闭环控制系统的工作过程。

教学设计：

1、通过“乒乓球模拟投篮”等实践活动和小型辩论会，了解技术分析的方法，培养技术语言的表达能力。

2、通过“水位自动控制系统”

等实践活动，学会简单的技术试验方法，形成初步的技术试验能力。

3、通过对比

“饮水机”和“加热炉”

的工作过程，学生可以初步形成基本的技术学习和技术探究方法，发展学生的技术创新能力和终身学习能力。

知识与技能：

1、通过“乒乓球模拟投篮”等实践活动，找出影响控制系统运行的主要干扰因素并加以分析。

2、通过“水位自动控制系统”等实践活动，熟悉闭环控制系统反馈环节的作用和闭环控制系统的工作过程。

3、通过试验对比和数据分析，了解技术生活中的功能模拟方法和黑箱方法。

情感与价值：

1、通过“乒乓球模拟投篮”等实践活动和开展辩论会，提高学生相互配合、共同学习的能力，提高学生的技术语言表达能力。

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2、通过

“水位自动控制系统”

等学生实践活动，激发学生好奇心、求知欲，使学生领略技术世界的奥秘与神奇，关注技术世界的发展。

3、通过

“饮水机”试验，学生可以感受解决问题时的艰辛与曲折，体验成功时的欢欣与喜悦。

教学准备：

第一课时：干扰与反馈

1、500ml的烧杯一只，若干个乒乓球，水少许。

2、一台收音机和一只手机。

3、

“视力保护提醒器”示教板或组件。

第二课时：闭环控制系统

1、“抽水马桶水位自动控制系统”

示教板或组件。

2、“数字温度自动控制系统”示教板或组件。

第三课时：功能模拟法与黑箱法

干电池E（组）、小灯泡L一只（代表饮水机加热器）、普通开关K1一只、常闭型温度控制器K2一只、导线若干；500ml烧杯两只、酒精灯一只、温度计一只、滴管一只、搅拌棒一只和水。

教学思路：

一、新课引入

通过上一节课的学习，我们知道，任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为控制系统；控制系统通常又分为开环控制系统和闭环控制系统，其中闭环控制系统在日常生活和生产中有着广泛的应用。

教师事先准备好一个500ml的烧杯，若干个乒乓球，并从高处尝试将乒乓球投入烧杯。由于各种因素的影响，乒乓球不能全部投入烧杯，这里到底蕴涵着什么样的技术知识呢？这里面实际就存在着一个干扰与反馈的问题，即“闭环控制系统的干扰与反馈”问题。（点题）

通过对本节书的学习，我们就会对干扰、反馈和控制有所感悟。

从今天起，我们首先学习闭环控制系统的干扰因素。

二、新课教学

第一课时：干扰与反馈

1、干扰因素的教学：

活动项目1：乒乓球试验

活动目标：

请一位同学从高处将乒乓球投入烧杯（内部有水，防止乒乓球弹出），从中体会（各种）干扰因素的存在。

活动准备：

准备一个500ml的烧杯，若干个乒乓球，请一位爱好运动的同学从高处尝试将乒乓球投入烧杯。

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活动步骤： 1、准备一个500ml的烧杯，水少许和乒乓球若干个。

2、请两、三位投篮高手或乒乓球高手到前面来协助完成，每人投球5次。

记录分析：

1、每位同学之间投篮准确度的比较。

2、对于一个同学，其每一次投篮准确度的比较。

活动结论：

1、由于风向、心理因素或者视觉因素等各种因素的影响，乒乓球可能没有全部投入烧杯。

2、由于同学不断调整手的位置，可能一次比一次准确。

3、试验表明，干扰确实存在，但人们可以一定程度上克服干扰。

活动项目2：

手机对收音机的干扰

活动目标：

通过手机对收音机的干扰，让同学熟悉在日常生活中，干扰无处不在。

活动步骤：

1、

准备一台收音机和一只手机。

2、

将收音机调谐到一个清晰的电台，调节音量适中。

3、

将手机放到收音机附近，进行操作（开、关机或拨打电话）。

4、

将手机放到收音机附近的不同位置（如：靠近天线或喇叭和与天线垂直或平行），分别进行试验。

记录分析：

1、确认有无干扰。

2、手机和收音机距离的大小，与干扰大小的关系。

3、手机在收音机不同位置时，与干扰大小的关系。

活动结论：

1、手机对收音机确有干扰。

2、干扰与距离有关。

3、干扰与不同的位置有关。

概念：

干扰因素：在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。

拓展：

1、生活中，你还知道哪些干扰因素？（如社会干扰等）

2、凡是干扰因素都是有害的，都要克服？（如对敌方雷达、GPS的干扰等）

学生辩论：

（通过辩论会的形式，培养学生责任感和使命感，提高学生的自我表达能力）

组织学生开展“如何看待控制系统中干扰因素作用，所有的干扰都是要避免的吗？”的小型课堂辩论会，按照就近的、自愿的原则，将学生分成正、反两方，针对自己的观点、命

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题，分别提出相应的例子，并加以证明。

2、反馈的教学：

以乒乓球试验为例，讲解为什么乒乓球越投越准？

引入反馈的概念。

概念：

反馈：控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回输入端与输入量进行比较的过程。

反馈有两种不同类型的反馈：正反馈和负反馈。

正反馈的特点：通过反馈环节的作用，使误差越来越大。（类似于逆反心理）

负反馈的特点：通过反馈环节的作用，使误差越来越小。（类似于知错就改）

在乒乓球实践活动中，眼睛作为一个检测装置，观测乒乓球的实际位置，通过人的大脑来调整手的位置，逐渐误差减小，最终将乒乓球准确投入烧杯中。在此过程中眼睛作为一个测量距离的装置，通过大脑起到了负反馈的作用。

演示试验3：视力保护提醒器

试验目标：

通过“视力保护提醒器”

演示，熟悉反馈的过程。

试验准备：

“视力保护提醒器”

示教板或组件，一盏调光台灯和一间有窗帘的教室

试验过程：

将“视力保护提醒器”放在台灯的下面，调节台灯的亮度，分别演示当光线过暗或过强时，该装置能够自动报警的功能。

试验结论：

注意：提醒同学该装置只能起到检测光线强度的作用，离开人的配合，无法自动调节光线的强弱。

第二课时：闭环控制系统

教师首先复习上一节闭环控制系统与开环控制系统的知识，然后分析指出：在“乒乓球投篮”等试验中，如果系统离开了人的调整，就无法完成准确的“投篮”任务，即系统就无法自动的纠正错误，这时的系统是一个开环控制系统。

而当某种干扰因素影响系统时，如果反馈环节能够将输出结果，及时反馈到输入端，使

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系统自动克服外界干扰，控制被控量在给定值附近，即系统能够自动地减小误差，这就是一个闭环自动控制系统。

闭环控制系统与开环控制系统的区别：

1、开环控制系统：控制精度相对比较低，结构简单，系统不能自动纠正错误，适用于控制要求较低的场合。

2、闭环控制系统：控制精度高，系统能够自动纠正错误，它在生活和生产中有着广泛的应用。

活动项目1：演示抽水马桶水位自动控制系统

活动目标：

抽水马桶水位自动控制系统，在家庭生活中有着广泛的应用。通过剖析抽水马桶水位自动控制系统的工作过程，使学生了解闭环控制系统的工作原理。

活动步骤：

1、准备或组装一套抽水马桶水位自动控制系统。

2、打开总开关、注水，注意观测浮球的位置变化和控制阀门的状态。

3、当注水停止时，观测浮球的位置和控制阀门的状态。

4、打开放水开关，水位下降，再次观测浮球的位置变化和阀门的状态。

记录分析：

1、当水位较低时，浮球位置较低，控制阀门处于导通的状态，注水开始。

2、当水位上升到一定水位时，浮球也上浮，使控制阀门处于关闭的状态。

3、当水位再次下降时，浮球下降，控制阀门处于导通的状态，重新开始注水。

活动结论：

1、当没有水时（水位低时），浮球较低，控制阀门打开，注水。

2、随着水位的上升，浮球上升，注水开始减小。

3、当水位到达一定位置时，浮球控制阀门关闭，停止注水。

4、当水全部冲走后，水位再次降低，控制阀门打开，重新开始注水。

方框图：水位自动控制系统

概念：

从反馈来看，闭环控制系统就是在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。

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闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量（输出量）的偏差。 同时，提出：你还能设计出与这种控制不同的控制方法吗？（拓展：机械与电子型）

活动项目2：演示“数字温度自动控制系统”（加热炉）

活动目标：

教师利用“数字温度自动控制系统”示教板，通过介绍加热炉是如何将温度准确控制在528℃左右的过程（即炉温的调节过程），学生熟悉了“数控加热炉”的工作过程，对闭环控制系统中的干扰、反馈、控制等抽象含义，有一个感性的认识，再次加深对闭环控制系统工作过程的理解。

试验器材：“数字温度自动控制系统”示教板

方框图：

教师解读“数字温度自动控制系统”（加热炉）的控制原理，指出：反馈是闭环控制系统的重要环节，它将输出量与输入量有机地结合在一起，形成一个完整的控制系统，该系统具有自主调节的功能，能够克服外界干扰因素，使被控量的值在给定值附近。

活动总结：

闭环控制系统的特点是，控制精度较高，系统能够实时监控输出端，及时调整输入端，在生产和生活中应用广泛，主要用于各种自动化控制。

第三课时：功能模拟方法与黑箱法

活动项目：闭环温度自动控制系统（饮水机）

活动目标：

通过组装简单的温度自动控制系统，使学生了解饮水机的工作过程，熟悉闭环温度自动控制系统的原理。

试验器材：

干电池E（组）、小灯泡L一只（代表饮水机加热器）、普通开关K1一只、常闭型温度控制器K2一只、导线若干、500ml烧杯两只、酒精灯一只、温度计一只、滴管一只、搅拌棒一只和水。

元件分析：

教师向学生展示常闭型温度控制器（简称温控器），并简单介绍其作用是：在常温（如25℃）时，温控器的开关是闭合的；当温度升高到一定程度（如90℃）时，开关断开；温度

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降低到一定程度（如80℃）时，开关再次闭合。

试验原理图：

活动步骤：

1、将以上电路元件组成简单的串联电路，闭合开关，小灯泡L发光，表示加热器开始工作，饮水机进入加热状态。

2、用酒精灯给烧杯均匀加热，观察小灯泡L的发光状态，记录烧杯中水的的温度。

3、当温度升高到一定程度时，小灯泡L不再发光，表示加热器停止工作，这时饮水机进入保温状态，然后将酒精灯撤去，用滴管注入冷水、搅拌，直到小灯泡L重新发光，表示加热器又开始工作，饮水机再次进入加热状态。

注意：试验过程中，要及时记录水的温度、对应观察小灯泡L的发光状态和酒精灯的加热状态。

试验记录：

数据分析：

（通过对数据分析，学生养成分析、判断和处理信息的能力，逐步养成科学的人文素养）

学生总结温度自动控制系统的工作过程：

①当温度较低时（如25℃），小灯泡L发光，表示加热器正在工作，饮水机处于加热状态。

②当温度升高到90℃时，小灯泡L停止发光，表示加热器停止工作，饮水机进入保温状态。

③随着烧杯内冷水的加入，当烧杯内水的温度降低到80℃时，小灯泡L再次发光，表示加热器重新工作，饮水机又进入加热状态。

活动结论：

1.

家用饮水机可以将冷水最高加热到90℃。

2. 家用饮水机可以将水温保持在80～90℃。

7 温度（℃）

酒精灯状态

小灯泡状态

饮水机状态

……

3.

家用饮水机是一个简单的闭环温度自动控制系统。

方框图：家用饮水机

学生通过组装饮水机试验，熟悉了家用饮水机的工作过程，对闭环控制系统的干扰、反馈、控制等抽象含义，有了一个感性的认识，再次加深了对闭环控制系统的了解。

归纳总结：（教师启发引导，使学生具有正确分析、合理归纳和及时总结问题的能力，具有终身学习的愿望和能力）

1、对比工作数据，得到功能模拟法

家用饮水机作为一个简单的温度自动控制系统，可以将饮水机的温度自动控制在80～90℃之间，它的控制原理与上一节课提到的

“数字温度自动控制系统”是一样的，虽然他们在控制精确度上有着较大的差异，但是却有着相似的功能，这就是我们所要了解的功能模拟方法。

功能模拟方法：是用模型来实现一定功能和行为的方法。

2、研究温控器，得到黑箱法

对于温控器来说，虽然我们没有拆开温控器，不能看到其内部结构，但是我们知道，当温度较低时，它是导通的、闭合的；而当温度升高到一定时，它能够自动断开。由此可以推测、判定：它是一个受温度控制的自动开关。结合我们以前初中学习过的知识：当双金属片受热膨胀时，会产生向一边弯曲的现象，我们可以猜想，其内部很有可能是由一个双金属片组成的，在低温时开关闭合，高温时开关断开的自动温控开关。而这种研究问题的方法，就是黑箱方法。

黑箱方法：把要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。

三、单元小结：

1、干扰因素：在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。

2、反馈：控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回输入端与输入量进行比较的过程。

反馈有两种不同类型的反馈：正反馈和负反馈。

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3、功能模拟方法：用模型来实现一定功能和行为的方法。

4、黑箱方法：把要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。

《通用技术》课程的设立是我国高中课程改革的亮点。技术作为一个独立的领域，出现在普通高中课程方案中，突破了技术课程的历史形态，是这次课程改革创新的标志之一，具有划时代的进步意义。作为“新生课程”，现阶段由于教材内容的特殊性和缺乏专门的师资力量，许多学校都出现了这样的尴尬局面：一是专业知识不对口，文科教师无法进行该课程的教学；二是教材内容难以把握，理科教师也感到心有余力不足。

本文是笔者对平日教材及教学的一些研究思考与心得体会，希望得到各位专家的批评指正，希望有更多的教师作进一步的探索与创新。

参考书目：

1.

顾建军

《高中通用技术教学参考书

技术于设计2》

江苏教育出版社

2005 2.

《普通高中技术课程标准》

人民教育出版社

2003 3.

《普通高中新课程研修手册

新课程的教学实施》

高等教育出版社

2005 4.

吴惟粤

《高中新课程

通用技术优秀教学设计与案例》

广东高等教育出版社

2005

作者简介：

李锋，男，43岁，徐州市第一中学，中学高级教师，邮编：221002。

1987年06月毕业于徐州师范学院物理系，本科，学士学位。

2005年07月参加国家级通用技术课程骨干教师培训班学习。

2007年11月，在南师附中开设江苏省高中通用技术教学观摩课。

2012-7-16 李锋

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