3、功能模拟方法优质课教案

高二通用技术《闭环控制系统的干扰与反馈》第3课时

——《功能模拟方法》教学设计

临高二中 肖珍 一、教学目标

1. 知识与技能

(1) 知道功能模拟方法是研究控制系统的常用方法。

(2) 了解功能模拟方法在控制系统中的应用。

2. 过程与方法

通过“人工开灯”与“自动感应开灯”的类比分析理解功能模拟方法。

3. 情感态度和价值观

(1) 懂得功能模拟方法在控制领域的重要作用。

(2) 将功能模拟方法特别有意识的渗透到今后的问题分析当中。

二、教学重点

功能模拟方法在控制系统的设计与分析中应用。

三、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。。

四、教学方法：教授、案例分析、任务驱动。

五、设计思想

1. 教材分析

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，主要是学习“功能模拟方法”。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。教材首先以“加热炉温度的手工控制与自动控制”的比对案例来说明功能模拟方法。温度能自动控制的加热炉系统在上一课时是已经分析探讨过的案例。在这里重提就可以很好的与“手工控制加热炉”配对比较。但考虑到“加热炉”对学生来说还是比较陌生，所以在引入教学时不采用这个案例，而是改用“人工开灯与自动感应开灯”的案例做比对。教材在后面又举了根据模型与人脑在功能行为上相似而实现对人脑的模拟的“无人自动驾驶汽车”案例，从而使功能模拟方法更清晰的展现在我们面前。

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。

2. 设计理念

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，最终能对两种方法做简单的应用。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。

3. 学情分析

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。“开灯”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，但对于功能模拟方法的理解还是有一定难度的，所以在实施教学时需要想办法去突破。

4.教学策略设计

先以“人工开灯”的控制问题做导入，分析开灯过程是如何进行的，接着投影“光控灯”案例，比较前后两种开灯过程，知道“光控灯”中控制器代替了人脑的接受光的信息并控制功能，执行器代替了人手实现打开灯的开关功能，光感应器代替了人眼识别光线功能。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。之后再介绍教材举的“下象棋机器人”，也请学生试列举类似的案例，（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。接着设置一道与功能模拟方法相关的练习题试做。

六、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。

七、教学过程

1.情境创设

教师：晚上天黑了，我们在教室学习离不开什么？那我们教室的灯是怎样实现开灯控制的？请同学去开灯演示一下。请问这是人工还是自动控制？

大脑

灯亮/灭

光线强

/弱

手

灯

（眼睛）

探究：公路上的路灯是否也是人工控制？如果开灯的工作人员忘了怎么办？能否设计一个自动开灯的控制系统？

光线强/弱

光敏传感常开触

灯

灯亮/灭

器

点

2.游泳池注水控制系统分析（简要回顾前面所学）

控

（投影：手动驾驶汽车和自动驾驶汽车图片）

2.概念介绍

教师：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。像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。

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，这些模块就是模水位型，它具有与蝙蝠相似的功能和行为。

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。

案例分析：手动驾驶汽车

与“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）

设定车的车的实际大脑

手

方向盘

行驶方向

行驶方向

手动驾驶

眼睛

设定车的车的实际行控制器

执行器

方向盘

行驶方向

驶方向

自动驾驶

检测装置

3.学生任务一：分析加热炉的温度控制系统是如何实现功能模拟的？

4.学生任务二: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

机器人保姆

会拉提琴的机器人

5.扩展探究

危险环境中要人实现一些特殊操作，但特危险怎么办？——应用功能模拟方法实现自动控制。

八. 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“自动感应灯”、“会骑自行车的机器人”、“会拉提琴的机器人”、“机器人保姆”，从而使本课内容充实有加。