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通用技术


第四单元 一、教学内容分析

控制与设计第一节 控制的手段与应用

本节是本章的第一节,可以说是本章的开始,也是本章的基础,对于本节知识的掌握有 助于后面几节的学习。

二、教学对象分析
学生正处于高中阶段, 对于生活中的一些控制虽然见过, 但是由于生活经验不是很丰富, 所以必须要老师引导才能发现问题。

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三、教学目标
知识与技能
1.通过分析社会各领域的具体例子,理解控制的涵义及其在生产和生活中的应用。 2.通过学习,培养学生注意观察问题,发现问题,帮助学生了解控制的作用。

过程与方法:
通过视频导出新课, 通过案例分析和课堂讨论理解控制的含义和了解控制的手段, 并知道控 制的应用。

情感态度与价值观:
激发学生了解控制,研究控制的兴趣与热情。

四、教学重点和难点
重点:理解控制的含义 难点:理解控制的含义

五、教学策略
采用多媒体进行教学,引导学生理解控制的含义和了解控制的手段及应用

六、教学准备
典型案例图片收集,课件制作,收集相关视频材料

七、教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 学生观看 [录像]通过卓别林的《摩登时代》录像片段,引入 导入新课 新课。

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一、控制是普遍存在。 用一些典型的、 生活中的例子让学生了解控制是普 遍存在,对控制有初步的认识,打破其神秘感。 现代社会中的例子: 生产、生活中的例子(图片) 古代社会中的例子: 案例 1:大禹治水(图片) 学生讲述《大禹治水》的故事 问题: 大禹治水过程中, 通过什么手段实现治理好 让学生思考并回答 水患的目的? 答案:通过“疏通河道,泄洪为主” 手段实现治 理好水患的目的。 案例 2:木牛流马: 请学生讲述《木牛流马》的故 事 据研究: 木牛和流马是汉代独轮手推车的两种改进 设计, 通过改进使人的负重有所减轻。 木牛是一种 轮子稍小一些的独轮手推车,载重大,前由人拉、 后由人推, 运行较慢; 流马载重小, 轮子稍大一些, 由一人推, 运行速度很快。 诸葛亮所说 “木牛流马” 应是比喻它们运行的灵便程度和载重量的大小: 木 牛行动较笨而慢, 像牛; 流马行动敏捷而快, 像马。 不是说它们外形像牛像马。 新课讲授 目的:帮助军队运送战略物资。 案例 3:希罗自动门(图片) 观看图片,并思考 希罗自动门的相关材料见教参 P66 或江苏版 P107。 希罗自动门说明了什么道理? 道理是: 利用气压和液压动力装置, 实现自动开门、 关门。 总结: 事物发展的结果可能是人们预先期望的, 也 可能与预期的目标不相符,甚至是不希望得到的。 如果人们想达到某一特定的目的, 就必须运用适当 的手段来实现。 那么,运用什么手段来实现呢? (引入控制的概念) 二、控制的涵义 控制是根据自己的目的, 通过一定的手段使事 物沿着某一确定方向发展的行为和过程。 结合事例(用音乐喷泉的事例),重点阐明控 制的对象是什么; 控制要达到什么目的; 采取什么 控制手段。 [探究活动] 请同学们说说你在生活学习中所见到的应用控制 的事例。

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如: 学校:学校的音乐铃声、多媒体教学系统、足球场 草地自动喷淋系统、体育馆的自动伸缩坐椅等。 家庭:冰箱、电饭煲、微波炉等。 社会:交通信号灯、电子警察、电梯、程控电话交 换机等 三、控制的分类 从控制过程中人工干预的情形来分: ?人工控制:人工纺纱、普通自来水龙头,旋转按 钮打开电灯、驾驶汽车等; ?自动控制:数控机床、饮料自动装罐生产线、花 房恒温控制、十字路口红绿灯的转换等 按照执行部件的不同,控制分为:机械控制、气动 控制、液压控制、电子控制等 对于自动控制 按控制方式分为: 开环控制、 闭环控制和复合控制。

3、控制的应用 控制的应用自古就有, 并在近代得到迅速发展, 在 社会生产生活的各个领域都有极其广泛的应用。 通过事例说明控制在社会生产生活的各个领域的 应用。 案例 1:汽车自动化生产线。(图片) 案例 2:农业现代化设施。(图片) 案例 3:现代网络家电。(图片)

1、控制是普遍存在。要求学生能列举事例。 2、控制的涵义。要求学生在理解的基础上掌 课堂小结 握好其控制的涵义。 3、控制的应用。

第二节 控制系统的工作过程与方式
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一、教学内容分析
控制系统的工作过程与方式》 选自普通高中课程标准实验教科书 《通用技术-技术与设 计 2 》的第四单元第二节(江苏教育出版社)。 《控制系统的工作过程与方式》这节的内容是有关“控制系统的工作过程与方式”的学 习和掌握,包含“控制系统”、“开环控制”和“闭环控制”等三个内容。它是学生在学习 控制在我们的生活和生产中的应用后, 进一步学习有关控制系统的组成、 工作方式以及两种 重要的控制系统:开环控制和闭环控制,并熟悉它们工作原理和作用。 根据学生已经学习的内容和认知特点,我们利用两个课时来完成本节的教学,让学生通 过对相关典型控制应用案例的深入分析, 引导学生在对控制系统的生活生产应用分析, 进而 熟悉控制系统的基本组成和工作过程,通过对开环和闭环控制基本组成和其工作机理的学 习,进而掌握和理解这两种控制方式的重要作用。

二、教学对象分析
学生在前面的学习中已经学习和分析了控制在生活生产中的应用, 获得了有关控制及其 应用的初步感性认识和体验, 但是对控制的基本工作方式和工作机理还缺乏了解, 他们对进 一步了解控制系统的知识是有探究的欲望的。 结合前面的应用案例分析, 进一步分析案例中 控制是如何工作的,以及有怎样的工作方式,是学生学习的最近发展区。

三、教学目标
知识与技能 熟悉简单的开环控制系统的基本组成和简单的工作过程 熟悉闭环控制系统的基本组成,能画出一个简单的闭环控制系统的方框图 理解闭环控制系统中的控制器、执行器的作用 初步理解开环与闭环系统的区别 过程与方法 经历“回想—分析—联想—猜想”的思维过程,与同学和老师充分沟通和交流,将前面 所学的结构、流程、系统与控制的基本知识应用于具体问题的分析,发展创新精神。 情感态度与价值观 提高对生活中技术问题的敏感度和引发出探究欲望,并能保持积极审慎的态度。

四、教学重点和难点
重点:开环控制系统的工作过程分析 难点:用方框图描述开环控制系统的工作过程

五、教学策略
教法: 本章的教学结合具体的教学内容和目标我们采用“案例情景—机理分析—总结归纳- 认识提升”的模式展开。 在教学中把知识点的教与学置于具体的案例情景当中, 通过丰富而 贴近生活的案例使学生从生活体验到理性分析的思维升华过程。 同时关注学生能否用不同的 语言表达、交流自己的体验和想法。通过富有吸引力的现实生活中的问题,使学生回想和体

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会控制系统的工作过程, 激发学生的好奇心和主动学习的欲望。 让学生本着“回想—分析— 联想—猜想”的思维过程, 对教学内容进行步步展开, 使学生亲历自主探索和思维升华的过 程。 学法: 鼓励学生自主探究和合作交流,引导学生自主观察、总结,在与他人的交流中丰富自己 的思维方式, 获得不同的体验和不同的发展。 注意引导学生体会控制系统的工作过程和方式, 特别是理解闭环控制的工作过程以及其构成的作用。

六、教学资源准备
多媒体课件等

七、教学过程
教学 环节 教师活动 学生 活动

1 、拔动教室电灯开关,灯的亮与不亮与手动有关 导入 2 、播放图片,声光感应开关,当有声音时灯亮 新课 3 、播放图片,红外感应出水龙头,手靠近水龙头出水,离开则不出水 4 、播放图片,宾馆自动门,当有人进入,门自动打开 师生归纳、抽象以上活动的特征 1、控制系统: 【案例分析】 自行车速度的控制的实现过程、电风扇风速的控制过程、自动门的控制 过程、遥控电视频道更换的控制过程、航空模型的控制过程 (画出控制过程方框图) 【总结】 一般的控制过程都有一个输入和一个输出。 任何一种控制的实现,都要通过若干个环节,这些环节构成一个系统, 我们称之为控制系统。 控制系统的输入输出之间有一定的对应关系。 【马上行动】(课文 p102) 控制系统一般分为开环控制系统和闭环控制系统。 新课 2、开环控制: 讲授 【利用前面的案例和普通游泳池注水控制系统控制过程分别引出两个名 词:输入量和输出量】 控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响,这种控制系统成为开 环控制系统。 开环控制系统的方框图:

学生观察 思考

【案例分析】 自动门的控制系统、水泵抽水控制系统 【学生课堂举例并分析】

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公共汽车车门控制系统 (红绿灯定时控制系统、防盗报警系统、火灾报警系统、音乐喷泉控制 系统、闹钟定时控制系统等等) (要求学生能画出其控制方框图) 3、闭环控制: 【教师分析与学生讨论:在游泳池注水控制系统增加水位测量设备和改 变控制对象后,控制系统的过程与前面的开环控制过程有何区别,输出量输 入量之间产生了什么关系和作用。】 把系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭 环控制系统。 闭环控制系统方框图:

(解释方框图中的一些图标代表的含义) (让学生观察并解释闭环控制系统与开环控制系统的区别?然后教师归 纳总结) 【生活案例】保温电饭锅的保温控制、空调的温度控制等等 【生产案例】温室大棚、氨气生产的反应炉温控制等等 【复杂案例简述】导弹防空系统,战斧巡航导弹的控制 课堂 小结 练习 教师引导补充 与老师一 起归纳 学生做练 习

第三节 闭环控制系统的干扰与反馈(第一课时)
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一、教学内容分析
本节可以说是本章的难点,也是重点,这节也是对第二节内容的一个检验。本节内容在 《控制和设计》 中起到举足轻重的作用, 不仅可使学生对闭环控制系统中的反馈 (feedback) 有很深的认识,而且也为闭环控制系统的设计与实施打好基础。

二、教学对象分析
学生如果能很好的学习前面章节,将对本节的学习有所帮助。

三、教学目标
[知识与技能] 1、理解干扰因素的含义 2、理解反馈的含义 3、熟悉闭环控制系统及反馈环节的作用 4、了解功能模拟方法和黑箱方法的含义 5、了解功能模拟方法和黑箱方法的应用 [过程与方法] 1、结合案例分析影响简单控制系统运行的主要干扰因素及克服方法 2、结合案例分析闭环控制系统的反馈环节 [情感态度与价值观] 1、能具体问题,具体分析 2、能在生活中应用反馈原理,调节自身的心理、学习与生活

四、教学重点、难点
重点:干扰因素的定义 难点:1、了解干扰对控制系统的影响,并能分析克服干扰因素的合理方案;2、分析
闭环控制系统有较强抗干扰能力的机理, 能够分析一个简单闭环控制系统的克服干扰因素的 过程。

五、教学策略 六、教学资源准备
多媒体课件等。

七、教学过程
序号 教学内容 1 引入新课 教师引领 学生活动 列举日常生活中时常存在的“干扰”现象: 思考、参与讨论。 ①自然产生的:风中骑车、行船等; ②人为造成的:手机信号对电脑的干扰; 明确本节主要讨论的是干扰因素的也同样存在于 控制系统当中问题。

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什么是干扰因教师引导学生回答:我们要学习的干扰因素指的是 听讲,根据具体的控

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控制系统当中的干扰因素。 制系统,回答它们会 结合具体控制系统,使同学们了解控制系统当中的 受到那些干扰因素的 干扰因素所指的是什么。 影响。 练习 P108 马上行动 P109 思考 听讲、讨论。

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分析干扰因素 根据一个具体的控制系统分析干扰对控制系统的 影响并分析克服干扰因素的合理方案,总结出以下 三点: 1、 控制系统的稳定性能与干扰因素的控制以及 克服能力直接相关; 2、 干扰因素的个数不定; 3、 只有使被控量稳定,才能使控制系统正常操 作。

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听讲、思考。 分析控制系统 列举游泳池的开环控制系统及闭环控制系统,分析 怎样克服干扰 闭环控制系统有较强抗干扰能力。 因素 通过一些具体的控制系统的案例分析使同学们了 结合老师讲解和自己 解一个简单闭环控制系统克服干扰因素的过程。 的理解讨论一些简单 的控制系统克服干扰 因素的过程。 干扰因素的利 干扰因素在某种情况下也可以成为我们利用的对 讨论还有那些是我们 用 象,例如打狂犬疫苗。 可以利用的干扰因 素。 小结 引导学生对本节课进行整理、归纳。 对本节课内容进行整 理、归纳。

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第三节 闭环控制系统的干扰与反馈(第二课时)
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一、教学内容分析
本节内容在《控制和设计》中起到举足轻重的作用,不仅可使学生对闭环控制系统中的 反馈(feedback)有很深的认识,而且也为闭环控制系统的设计与实施打好基础。

二、教学对象分析
学生如果能很好的学习前面章节,将对本节的学习有所帮助。

三、教学目标
知识与技能: 1、 熟悉反馈环节在闭环控制系统中的作用 2、 熟悉闭环控制系统的工作过程 3、知道开环控制系统和闭环控制系统区别。 情感态度价值观 通过学习, 联系生活, 培养学生的观察能力,体验学习乐趣。渗透安全教育、德育教育、 环保等教育。

四、教学重点和难点
重点:熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用 难点:能分析闭环控制系统的工作过程,理解其中的控制器、执行器等环节的作用, 画出一个简单的闭环控制系统的方框图。

五、教学策略
用方框图分析生活中常见控制系统,通过实践、游戏、讨论、分析等方法使学生懂得反 馈在闭环控制系统中的作用

六、教学资源准备:
电线若干、水塔水位控制模型 1 套(自制)、一次性杯子、一次性筷子、乒乓球、自行 车模型、烘箱、画架等

七、教学过程:
教学 环节 教师活动 学生活动

[探究目的]: 1、引入反馈概念,分析在没有对比操作的情况下,制作的难易。 2、通过合作探究来提升同学们的团结合作精神。提高创作思维和动手操作 学生观 导入 实践能力。 察,动手 新课 3、通过教师自制的自行车模型作品来感触同学们的创作意念,用创新以发 操作,思 展和感知生活中的美,并通过习作实践交流。 考 4、用自行车工艺品来提高学生审美能力,装饰丰富摆设生活美,丰富人们 的精神享受。
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[探究内容]:鼓励学生合作探究,引导学生自主观察、总结,在与他人的交 流中丰富自己的思维方式,获得不同的体验和不同的发展。注意引导学生体 会控制系统的工作过程和方式, 特别是理解闭环控制的工作过程以及其构成 的作用。运用生活中破旧抛弃的电线进行设计制作出自行车模型。 材料:用直径 1.5 毫米---2 毫米的铜电线。 工具:剪刀、尖嘴钳和斜口钳各一把,示范作品若干,线材艺术作品图 片资料等。 内容:小组合作设计制作一件自己喜欢的线材(稍硬)自行车艺术摆设 品。引导分组探究创作思路、制作方法、色彩线调配等。 [提问引出]:人脑---手----做模型(开环) 示范教师自制的自行车模型作品并结合实物图象,通过眼睛比照,反应 到大脑,动手操作自行车作品设计制作。 [引出问题]: 为什么用眼睛观察实物或图样操作起来更方便正确 (闭环) ? 人脑-----手-----做模型 ? -----眼睛--[案例分析]:投篮 [游戏]:乒乓球投入一次性杯子 [引导学生得出结论]:投篮的工作过程

[引出结论]:反馈---控制系统中,将输出量通过适当的检测装置返回到输 入端并与输入量进行比较的过程 [思考提问]:生活中的反馈:反馈控制是一种在计划执行一段时间或结束后 新课 进行的事后控制,主要为下一步计划的实施总结经验,但它却常常是管理控 讲授 制工作的主要形式。例如投诉与反馈、留言反馈、意见反馈、环境反馈、教 学活动、超市反馈调查表、市场信息反馈系统、工作总结、 产品性能检验、 现代酒店控制方法等。 [游戏]:在黑板上画两张大脸,“四官俱全”,没有眼睛。然后请一个同学 上来“填”眼睛,闭着眼睛画,位置不对;也不好看睁着眼睛画,漂亮。 [分析原因]:将两次画的过程来分析。画出其控制框图,得出它们的控制类 别。 1、闭着眼睛画: 人脑控制手画眼睛:人脑——手——眼睛; 控制过程中,没有反馈环节,不能对控制结果加以修正、调节。是个单 程的控制流向。这是开环控制。 2、睁着眼睛画: 人脑控制手画眼睛,在此过程中,眼睛可以把手的位置及画的效果及时 反馈给大脑,使得大脑准确精细的控制手去画好眼睛。控制过程中有反馈环

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节可以把控制结果反馈给人脑,控制流向形成了闭合回路。这是闭环控制。

[讲解]:汽车速度控制 [讲解]:反馈方法——利用反馈来分析和处理被控对象,通过系统的输出来 调整系统的行为,使系统沿着预期的目标运行的方法。 [演示]:反馈的工作过程:当人打算要拿桌子上的水杯时,人首先要看到自 己的手与杯子之间的距离,然后确定自己手的移动方向,手始向水杯移动。 同时人的眼睛不停观察手与杯子的距离(该距离就是输入与输出的差值), 而人脑(控制器)的作用就是不停控制手移动,以消除这个差值。直到手拿 到杯子为止,整个过程也就结束了。从上面的例子可以看出,由(负)反馈 形成的偏差是人准确完成拿杯子动作的关键。如果这个差值不能得到的话, 整个动作也就没有办法完成了。这就是眼睛失明的人不能拿到杯子的缘故。 [教具演示]:水位自动控制系统 接通电源后,电机工作,水泵出水,当水位升到 A 点水位传感器位置时,电 机停止工作;当水位由 A 点降止 B 点以下时,电机又开始工作,这样往复, 达到了自动控制储水器中的水位。 [学生讨论]:请同学们相互讨论一下这个水位自动控制系统的工作过程,试 用系统框图来描述。(引导学生归纳出水塔水位控制系统框图,着重推导信 息反馈与比较环节的框图表达。)

[教师总结]: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。

[闭环控制系统的工作过程]: 闭环控制系统就是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。 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。 [核心]:通过反馈来减少被控量(输出量)的偏差。
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[案例分析]:阅读书上案例 [思考设计]: 家用抽水马桶是一个典型的闭环控制系统的水位控制。 (链 接下节课用水位检测,控制电路,电磁阀来改进为自动控制,设计闭环控制 系统方框图,并用头脑风暴法获更多节水控制创造性设想。) [思考]:在水箱的水位控制系统中,控制量还可以有其他选择吗?为什 么? 控制量是进水阀的流量。放水、蒸发是干扰 闭环控制系统的特点: 1)系统输出量对控制作用有直接影响。 2)有反馈环节,并应用反馈减小误差。 3)当出现干扰时,可以自动减弱其影响。 [实物展示]: 烘箱(饮水机) 温度自动控制系统。首先用热电偶来代替温度计来测量温度的值,然后 对温度的比较,当小于恒温箱给定时,就增大加热装置的电流;相反当大于 恒温箱给定时,就减小电流。这样恒温箱就能保持给定的温度。 加热炉的温度自动控制系统的结构图:

[ 闭环与开环控制系统的比较]:[介绍]:闭环控制:反馈控制, 偏差控 制,可以抑制内、外扰动对被量产生的影响。精度高、结构复杂,设计、 分析麻烦。 开环控制:顺向作用,没有反向的联系,没有修正偏差能力,抗扰动 性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小 的情况下,这种控制方式还有一定的实用价值。 [提问回答]: 开环控制系统 能否自动调整和补偿 控制精度 结构 适用场合 [补充讨论]: 红绿灯定时控制(开),车流量控制(闭) 检测输出(闭),否则(开)例如自动门检测 人工控制,自动控制,开环控制,闭环控制之间区别联系 闭环控制系统

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[补充]:起增强输入信号作用——正反馈。 起减弱输入信号作用——负反馈。 正反馈不能进行控制,会使系统的偏差越来越大。 只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。 负反馈控制系统最大的特点:检测偏差,纠正偏差 课堂 教师引导补充 小结 练习 与老师一 起归纳 学生做练 习

第四节 控制系统的设计与实施
一、教学内容分析
本节是这一单元的最后一节,可以说是这单元的“收口”部分,让学生了解控制系统 设计的一般思路比较关键, 只有这部分内容理解了, 才能有效的进行下一个内容——控制系 统的设计与实施案例。在控制系统的设计与实施案例中,重点要让学生会分析和选择案例, 并最终会设计。

二、教学对象分析
这是本书的最后一节,学生们通过前边知识的学习,基本上知道应该怎样来设计一个

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产品, 但是在专业知识方面还是比较欠缺, 所以在这里设计练习时要注意尽量找学生身边的 容易理解的案例来进行设计。

三、教学目标
1.知识与技能:了解简单的被控对象的基本特性,能确定被控量、控制量,画出控制系 统的方框图,并形成初步的控制系统设计的方案。 2、通过讲解和实际操作是同学们加深对控制系统实施的理解与应用 3、情感态度与价值观:能根据开环控制系统的设计方法,制作一个控制装置;或者根 据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施,学会调试运行提出改进方案。

四、教学重点和难点
重点:了解简单的被控对象的基本特性,确定相关的量,会画方框图。 难点:制作

五、教学过程:
教学环节 复习提问设计的一般思路。 回答问题 引出控制也需要设计。 1、控制系统设计的一般思想 在教师的 我们知道在设计的一般过程中,首先要发现和明确问题,那么在 引导下思 对控制系统进行设计时我们要明确那些问题呢? 考并回答 给出答案(幻灯片) 问题 1,开环控制系统的设计 讲述普通风扇的控制系统设计(幻灯片) 观看 请同学快速阅读书中案例《电吹风控制系统的设计》,并思考 电吹风的被控对象、被控量以及控制量都是什么? 看书中案 2,闭环控制系统的设计 例,思考 讲述简单闭环控制系统的基本要求(幻灯片)。 后回答问 新课讲授 让学生阅读书中案例《抽水马捅水箱的自动控制系统的设计》题 认真听讲 2、控制系统的设计与实施案例 认真阅读 好,我们了解了控制系统设计的一般思路,下面我们一起来分析和了 案例并讨 解控制系统的设计与实施案例 论下边的 播放“香港回归升旗视频” 问题。 引导学生,如果我们学校的升旗也设计成这样那该多好。 阅读书中案例《自动升旗简易控制装置的设计》 观看 看书并小 组研究 课堂小结 教师引导补充 与老师一 起归纳 教师活动 学生活动

导入新课

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练习

1、晾衣控制装置 2、画自行车发电看电视的方框图并分析其中的技术和原理

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