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高二通用技术 系统的优化教案


3.2.2 系统的优化
一、教材内容分析 1.教材的地位和作用 系统优化是系统分析的深入, 也是系统的结构和系统分析的综合, 又是系统设计的基础, 更是系统设计过程中的重要环节,它是是本书的重要内容之一。 二、学情分析 进入系统的内容, 学生的兴趣明显比前期活跃, 显然系统分析的深入符合高二学生的智 力发展需求。但是,学生在对某个系统的分析容易陷入原有的逻辑思维,而不能

很好地应用 系统的思想和方法分析和解决问题, 不能很好理解系统优化的约束条件和影响系统优化的因 素,并能运用系统的方法分析问题,能对当前的系统提出优化的方案。 三、教学目标 知识与技能: 1.理解系统优化的意义 2.能分析影响系统优化的因素 3.初步掌握系统最优化的方法 4.能够对一个简单系统运用最优化的方法进行分析 过程与方法: 1.模仿非常 6+1 节目,采用小组竞赛的方法,课前制作了计分牌,用来累分。 2.通过讨论、案例分析,完成学生知识的自主构建。 情感态度与价值观: 1.体验系统优化的意义,指导学生把系统优化的思想延伸到整个生活和学习当中。 2.培养学生解决问题的方法,以用合作精神 3.培养节约能源的意识 教学重点与难点: 重点:系统最优化方法和一般性步骤 难点:系统优化的过程分析 能结合生产生活中的实例,理解系统优化的意义,并能结合实例分析影响系统优化的 因素。 四、教学资源准备 多媒体课件 教学课时:1 课时 本节教材中分三个部分: 第一部分:案例分析 通过“小闹钟”案例、“鸟巢”和刘翔训练方案的优化调整案例,目的是让学生感受 系统优化的意义。从实例分析入手,在分析过程中体验系统优化的意义。 第二部分:第一个案例“风力发电”采用定性的分析方法,根据案例分析总结阐述系 统优化方法和一般性步骤。第二案例“利润问题”采用定性的分析方法,第三案例“货物派 送”采用定性和定量相结合的方法,要求学生运用系统的思想和定性、定量相结合的方法, 确定研究课题、进行分析研究、评价比较、优化方案。总结归纳出系统最优化方法的含义。 第三部分:提供学生一个探究任务,优化一所小学门前的交通问题,让学生亲自完成 一个系统优化的过程,用系统分析的方法分析问题进一步得到实践和提高。 五、教学流程 (一)情景创设引入新知 师:作为一个系统,通常会有这样或那样的问题,比如随着私家车的数量迅速增多,
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出现了越来越多的城市道路交通拥挤, 车位不够停放等问题, 那么就需要我们要对交通系统 进行改善、优化,我们进行优化的意义是什么?我们来看几个实例是,然后再来回答这个问 题。 案例:小闹钟 师:大家猜猜看,悬挂上面的这个白色的物体是什么? 学:灯、闹钟?? 师:是闹钟,当到了我们设定的时间响了以后,我们第一反应是什么? 学:关掉闹钟,再睡一会 师:等你醒来的时候,时间往往超了很多,这种情况影响我们正常的学习和工作。 师:大家遇到个问题时,我们班同学有没有想到去改进闹钟的设计? 生:发表自己的看法 师:这个闹钟就解决这个问题,它叫拼图闹钟,当闹铃响后,你要把它底部的图拼好, 它的铃声才能停止。 师:这个闹钟和普通的闹钟相比较,在哪方面进行了改进? 生:性能 师:这个闹钟和普通的闹钟价格上会不会有提高很多? 生:不会,因为拼图的材料成本很低。 案例:鸟巢的优化调整 师:我们再来看 2008 奥运会的主会场“鸟巢”,“鸟巢”采用是什么结构? 生:框架结构 师:使用的主要材料是? 生:钢 师:它采用是大跨度重型钢结构体系,它在设计过程中也在不断的优化调整,其中有一 项调整是取消了可开启屋盖、扩大了屋顶开孔,优化后方案,减少用钢量 1.2 万吨,造价减 少了约 4 亿元。 师:鸟巢去盖后,在哪方面得到改善? 生:成本降低 师:虽然去掉了盖子,但鸟巢的外观、设计理念都不会改 设计意图: 精选生活中系统优化的案例来导入新课, 激发学生学习欲望, 同时通过案例, 让学生感觉到系统优化的意义。 案例:飞人刘翔 师:提到奥运会的主会馆,就想到飞人刘翔在 08 年奥运会因为脚腱受伤遗憾退出赛场 的情景,今年的全运会刘翔再次天证明了自己,刘翔在这次全运会中以多少秒夺冠? 生:13 秒 34 师:刘翔创造了亚洲田径的的奇迹,除了和他本身的身体条件和天赋外,还和孙海平教 练的训练方法是分不开的,孙海平对刘翔的训练方法在不断的优化调整,孙海平教练说“思 索出刘翔训练的新思路,这比什么都有意义”,你认为孙海平教练思索出训练的新思路的意 义是什么? 生:发挥刘翔的最大潜能 师:那么我们优化的意义是什么? 生:低成本、高效益?? 师:以最小的投入,获取系统的最佳效益或最佳功能。 师:对于城市道路拥挤的问题,大家会想到什么解决方案? 生:扩建道路?

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师:但这种方法不仅造价昂贵、破坏城市环境,失去了我们优化的意义,我们可以通过 优化交通信号的控制。 (二)系统优化的基本方法 1.案例:风力发电 师:风力发电正逐渐成为大规模“绿色发电”的先锋,2003 年美国就安装了约 16 亿美 元的风力发电场,并还在逐渐加大投入,来了解一下风力发电系统。 生:看风力发电的视频 师:大家能想出解决妙方吗? 小组讨论 生:方案 1:杀虫剂、方案 2:种植杀虫的植物??? 师:我们首先要对这个系统进行分析,系统分析的第一个环节就是明确问题设定目标, 风力发电系统现在遇到什么问题? 生:叶片上的虫子,使涡轮发电机的发电量由 750 千瓦降低到 450 千瓦。 师:问题明确了,我们要设定优化目标,我们优化的目标是什么? 生:消灭涡轮发电机上的虫子, 师:我们明确目标后,开始制定方案,我们来看一下我们班同学制定的方案, 我们这些方案有没有条件的约束呢? 方案 1:喷洒杀虫剂,人工喷洒吗?有没有考虑到涡轮发电机的高度 师:我们还要充分考虑到这个系统的约束条件 1.气候:全美风力最强的地方 2.地势:发电场位于沙漠的边缘 师:制定这些方案后,我们现在就开始实施这些方案吗? 生:不行 师:我们还不知道哪一种是最优方案呢?我们应该如何做? 学生:试验,先用几台涡轮机进行试验 师:试验后,我们可以得到最满意方案,我们就可以进行实施阶段,每台涡轮机实施最 优方案。这就是我们优化的基本过程是: 明确问题 设定目标

明确约束条 制定方案 推理试验 最满意解 验证实施 件件 师:我们来看一下,工程师们采用了哪种方案 师:播放视频 生:观看视频 师:工程师发电机上添加了清洗设备 设计意图:通过分析“风力发电”的案例,引导学生理解了系统优化的一般过程,同时 也理解的系统优化的含义,掌握用定性的分析方法优化系统。通过视频的方式,激发学生探 知欲望(如何用风力发电?),了解了风力发电的原理,同时也培养了他们节约能源的意识。 2.案例:利润问题 师:刚才“风力发电”的案例我们是采用推理、实验的方法,是属于定性的分析方法。 在生活中,纯定性分析是不够的,我们来看第二个案例“利润问题”。 生:阅读书上的案例 师:同学们看到这个问题,马上想到用什么方法来解决 生:用数学上的函数(线性规化)

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师:我们还是用我们刚刚的优化的一般步骤 明确问题 设定目标 获得最大利润

设定约束条件

目标函数

求解

验证 实施 师:系统优化的因素是指对优化目标产生显著影响?可以人为调节的因素。 生:X1、X2 教师:好,请你将最主要的约束条件与目标函数式联系起来,看看你能不能发现影响因 素 X1、X2 与最优值 Smax 的关系。 学生:生产椅子所需工时少利润大,生产桌子所需工时多利润反而小!生产的椅子越多 利润越大。 教师:那我们干脆不生产桌子了,专门生产椅子,可不可以? 学生:不行,至少要生产 8 张桌子! 教师:哦,原来还有约束条件的限制。那好我们就生产 8 张桌子,算一算椅子最多可以 生产多少张? 学生:13 张! 教师:8 张桌子,13 张椅子。把你们经过一番分析计算选择的这两个变量的解代入约束 条件看看是否超出了约束条件的限制范围。 学生:都在约束条件范围内。 设计意图: “利润问题”是非常典型的用数学方法解决的案例,高二的学生在数学课上 已学会用线性规划的方法来解决这个问题, 所以在这个案例主要让学生要用系统的分析方法 分析问题,能够分析影响系统优化的影响因素。 案例 3:最优配送路线 师:在生活中,我们经常是定性和定理分析相结合的方法,我们看这个案例 某配送中心位于 A 点,现在将一批电视机等家用电器配送到 B、C、D 处的 3 家商场,运 货车从 A 点出发, 送完货后返回, 配送路线如图, 图中带箭头的线分别表示两地往返的方向, 无箭头的线表示可以往返的线路。 师:说说你的解决思路 生:学生讨论 方案 1 2 3 4 5 6
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路线 ABCDA ABDCA ACBDA ACDBA ADCBA ADBCA
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路程(km) 51 46 59 47 51 58

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师:这个案例,我们制定好方案后,再用数学的方法计算,就是定性和定量相结合的方 法。 设计意图:这是流程优化中的一案例,这个案例是通过优化流程来优化案例,通过这个 案例,让学生了解生活系统的优化通常是定性和定量相结合的方法。 (三)应用,学生探究 问题:随着汽车普通率的提高,我们周围的交通逐级逐渐恶化,一所小学门前的交通经 常出现塞车的现象 师: 展示这所小学的地图, 说明这所小学的特殊位置, 播放一段小学放学时的一段片段。 生:分组对系统进行分析,并且讨论可行的方案 生:展示方案,教师精讲点拨 师:对其他组的方案进行推理、判断,选出可行的方案 生:对其他的组的方案进行推理 师:展示现在正实施的方案,现在的方案偶尔还会出现堵车的现象,所以大家提供的方 案也是非常有价值的,回到连云港后我一定将大家的方案推荐给有关部门。 (四)总结 最优化方法是系统学中的一个重要方法, 它通常是指在一定的人力、 物力和财力资源的 条件下,使取得的效果(如生产产值、利润、效益等)达到最大,而投入(如能源、资金、人 力、时间等)达到最小的一种方法。 ① 要用定性和定量分析相结合的方法是系统最优化。 ② 坚持系统整体的最优化。运用好权衡理念,舍卒保车,弃车保帅,这是为了保证对 弈的最终胜利。 ③ 不间断地寻求最优化,系统的发展具有阶段性,系统的优化是具有相对性的,要遵 循系统的动态观点,推动系统不断进步。

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