控制与设计

　　本单元从学生熟悉的生活事例入手，运用案例分析方法，由浅入深在展开控制的概念、控制的应用、开环控制系统和闭环控制系统的工作过程以及简单控制系统的设计等。

　　一、教学目标

　　1、理解控制的含义及其在生产和生活中的应用。

　　2、分析典型的案例，了解手动控制、自动控制，熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。

　　3、能画出一个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。

　　4、能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析。

　　5、了解简单的被控制对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制设计的方案。

　　二、设计思路

　　本单元所研究的控制与设计，是在前一单元系统与设计基础上的延伸。

　　无论是自动机器，还是神经系统、生命系统，以至经济系统、社会系统，撇开各自的质态特点，都可以看作是一个自动控制系统。在这类系统中有专门的调节装置来控制系统的运转，维持自身的稳定和系统的目的功能。控制机构发出指令，作为控制信息传递到系统的各个部分（即控制对象）中去，由它们按指令执行之后再把执行的情况作为反馈信息输送回来，并作为决定下一步调整控制的依据。

　　在社会生活中，控制具有十分重要的实践意义，通过对控制系统中控制的目标、控制的过程和控制的机理等的理解，有助于学生运用简单的控制方法解决现实生活中遇到的相关问题，发展学生良好的逻辑思维品质。

　　本单元从学生熟悉的生活事例入手，运用案例分析方法，由浅入深在展开控制的概念、控制的应用、开环控制系统和闭环控制系统的工作过程以及简单控制系统的设计等，有利于学生掌握控制系统的基本知识与运用。

　　本单元的内容有：

　　1、控制的手段与应用

　　通过大禹治水、射手射击等控制的事例，说明人们要实现自己的意愿或目的，就要通过一定的控制手段。通过控制在人们日常生活和生产中运用的实例分析，进一步明确控制应用的广泛和重要。

　　2、控制系统的工作过程与方式

　　通过水泵抽水、自动门等案例，理解开环控制系统的特点是输出量直接受输入量的控制，从游泳场的水位控制案例理解闭环控制的关键是增加了一个对输出量的检测装置，使输出量能反馈到输入端并与给定量比较，从而使输出量稳定在一定范围内。

　　3、闭环控制系统的干扰与反馈

　　干扰因素和反馈是闭环控制系统中的两个重要的核心概念，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。

　　功能模拟方法和黑箱方法是控制论的主要方法。功能模拟法以功能行为相似为基础而建立模型，为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法，黑箱方法是通过考察系统的输入与输出关系认识系统功能的研究方法，是探索复杂大系统的重要工具。

　　4、控制系统的设计与实施

　　分别通过简单的开环控制系统和闭环控制系统的设计案例，使学生了解控制系统设计的一般思路和步骤，通过自动升旗控制装置的设计强化学生对设计的多方案的理解。

　　三、教学准备

　　1、相关学科知识

　　本单元要求学生具有初中物理学科电学基础知识。

　　2、教学器材和材料

　　本单元需要的教学设备和器材主要有，学生技术试验用齿轮、齿条、硬纸板、线、剪刀、可调光台灯的试验电路板和配套电器元件等。

　　若教师选择其他试验载体，则应准备相应器材、材料和工具。

　　四、课时安排

　　本单元建议使用10学时，具体安排可参考下表。

　　节次 内容 　　　　　　　　　　　建议学时数

　　第一节 控制的手段与应用　　　 　　　2

　　第二节 控制系统的工作过程与方式　　　　 2

　　第三节 闭环控制系统的干扰与反馈 　　　　3

　　第四节 控制系统的设计与实施 　　　　　　　3

　　合计　　　　　　　　　　　　　　 　　　　10

　　五、教学建议

　　1、教师需查阅有关自动控制方面的书籍，重点对开环控制系统和闭环控制系统其及它们之间的异同进行研究和分析。

　　2、教师除了选择教科书中的试验和设计案例外，还可根据学生对控制系统的理解水平，有针对性地选择其他小试验和设计载体，并指导学生收集资料和实物。

　　3、教师在教学设计中，应恰当安排课内时间，对于学生方案设计的讨论和点评，可放在课内进行，而方案设计的思考过程以及设计作品的制作形成过程，则可以“家庭作业”的形式放在课外，以解决课时不够的问题。

　　六、教学评价

　　1、对学生技术试验的评价，应注意紧扣试验目标和试验要求进行，例如制作小猴动作控制的小试验，教师评价学生试验是否成功的首要标准应该是小猴的动作是否与线的拉动有对应关系，也就是这一控制系统的输入与输出之间的对应关系，而非小猴做得是否逼真可，进而还可进一步评价当给以较小的输入量时，是否有输出动作对应。

　　2、对学生设计制作的作品评价也应如此。通过观察学生在完成实际的设计制作任务时的表现，来评价其知识技能和方法的掌握程度、运用技术解决问题的能力等。

　　表现性评价强调的是做，而不是知道，一般较少有单一正确的答案，多种行为表现和问题解决的方案都可以认为优秀。

　　3、本单元结束后，将面临着学生的学分认定。学分认定当然是过程评价与终结评价相结合。

　　过程性评价可以根据学生在本模块学习过程中的表现记录进行衡量。终结评价不排除书面测试这种方式，关键是教师应事先规划测试的内容、目标、不同内容所要求的能力层次和恰当的题量，并设计有效的测试题目。教师在终结评价时还应设计1——2道操作试题，试题的设计一定是使学生在一定时间内可做完，并能客观地反映学生操作水平的题目。

　　七、参考资料

　　1、《控制论》，罗伯特•维纳，科学出版社

　　2、《自动控制与系统工程》，宋健，中国大百科全书出版社

　　3、《控制控制基础》，王积伟，高等教育出版社