第2单元第2课 《设计简单的计算机控制系统》教案【湘科版】《信息科技》六年级上册
文档属性
| 名称 | 第2单元第2课 《设计简单的计算机控制系统》教案【湘科版】《信息科技》六年级上册 |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 2.3MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 湘科版 | ||
| 科目 | 信息技术（信息科技） | ||
| 更新时间 | 2025-09-01 11:41:22 | ||
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文档简介
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第2.2课《设计简单的计算机控制系统》教学设计
课题 设计简单的计算机控制系统 单元 第二单元 学科 信息科技 年级 六年级
核心素养目标 信息意识：了解基于时间的控制方式，能认识到时间控制在控制系统中的信息价值，理解时间参数是系统运行的关键信息。计算思维：学会制作简单的控制系统，通过计算视角分析时间控制问题，将物理时间转化为可计算的逻辑，并设计算法解决控制逻辑。数字化学习与创新：能够制作出简单的操作系统，并通过创新设计解决实际问题，实现知识的深度融合与拓展。信息社会责任：了解现实中存在的控制方式的案例，认识到时间控制系统在社会中的应用价值与潜在风险。
教学重点 了解基于时间的控制方式和现实中存在的案例。
教学难点 学习完相关原理后能够制作出简单的操作系统，并加以完善。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第2.2课 设计简单的计算机控制系统1、观看视频。2、活动背景：计算机控制系统在日常生活中应用非常广泛。它不仅提高了人们的生活质量，还降低了生产成本，提高了工作效率。举例来说，智能控制冰箱比传统冰箱更好用，智能控制农业灌溉比传统人工控制灌溉更节水，智能控制工业生产线比人工流水线更高效。那么，如何设计简单的计算机控制系统来解决生活中的问题呢 3、活动目标（1）了解基于时间的控制方式。（2）学会制作简单的控制系统。 课程新知导入。学习本课学习目的。 帮助学生初步理解本课研究内容。帮助学生学习更有目标性。
讲授新课 新知讲解：一、基于时间的控制方式在生活中,有许多计算机控制系统是使用时间变量来实现控制的。例如，电子闹钟、学校自动打铃系统、微波炉、路灯控制系统等。这些系统在芯片内置时钟达到设定值时，就会触发响铃或执行其他控制命令。学校自动打铃控制示意图开动脑筋1想一想：生活中还有哪些采用时间控制的系统 描述它们的控制过程。答：自动车库门车主通过遥控器发送开门信号后，车库门控制系统接收到信号，启动电机，驱动车库门上升。当车库门上升到顶部后，系统会控制电机停止运行；关闭时，按下遥控器关门按钮，电机反向转动，车库门下降，到达底部后电机停止。自动晾衣架用户可通过手机 APP 或遥控器设定晾衣架的升降时间。晾衣架内部的计时模块会根据设定时间，控制电机的运转，实现晾衣架的自动升降，方便用户晾晒和收纳衣物。二、制作时间提醒器模型在生活学习中，我们要合理安排时间，既要按时按量完成学习任务，也要保证充足的休息，做到劳逸结合，保护身体健康。我们可以采用时间控制方式，制作时间提醒器，提醒自己合理安排学习和休息时间。探究实践1.实验目的制作时间提醒器模型，体验时间控制方式。2.实验设计3.实验准备主控板、编程计算机。4.实验过程(1)设计算法，编写程序。(2)将程序上传到主控板，按下A键测试控制功能。说明:为了缩短实验时间，在验证模型时，可以用1秒钟代替10分钟。开动脑筋小组讨论:从实际应用来看，时间提醒器模型还有哪些需要改进的地方 传统时间提醒器仅具备单一的提醒功能，可与智能家居系统联动，例如提醒时间到达时，自动打开相应的灯光、调节空调温度，实现场景化智能控制。部分时间提醒器在长时间使用后，会出现时间误差。三、模拟洗衣机控制过程基于时间的控制应用非常广泛。例如，自动洗衣机按照设定的时间参数，控制进水、洗衣和排水等步骤，自动完成洗衣过程。探究实践1.实验目的模拟洗衣机洗衣的控制过程，体验基于时间的控制方式。2.实验设计3.实验准备主控板、编程计算机。4.实验过程(1)设计算法，编写程序。(2)将程序上传到主控板，按下A键测试程序控制功能。执行器的分类与工作原理（按能量转换方式分类）类型典型产品工作原理电动执行器伺服电机接收电信号（如 PWM 或模拟电压），通过电磁感应将电能转换为旋转机械能，精度高、响应快。电磁阀线圈通电产生磁场吸引阀芯，改变流体通路（开 / 关或调节流量），常用于气动 / 液压系统。气动执行器气缸压缩空气推动活塞运动，输出直线推力，结构简单、抗环境干扰（如粉尘、潮湿）。气动薄膜阀气压作用于薄膜产生推力，通过连杆带动阀芯调节阀门开度，适用于化工管道流量控制。液压执行器液压缸高压油液推动活塞，输出大推力（可达数十吨），用于重型机械（如注塑机合模机构）。液压马达将液压能转换为旋转机械能，扭矩大、转速平稳，常见于工程机械行走系统。四、提升练习电脑小闹钟、学校打铃系统都是通过 预设程序/定时控制来实现自动控制的。进一步改进时间提醒器，增加计时和闹钟功能。 可在时间提醒器中增加 倒计时功能、多组闹钟设定、自定义铃声选择、重复提醒设置（如工作日循环） 等功能。五、开拓视野控制系统中的系统时钟在控制系统中，系统时钟就像一个指挥官，发挥着重要作用。对于特别复杂的控制系统，各个子系统经常要校对自己的系统时钟，这样才能保证大家步调一致，相互准确配合，共同实现系统控制功能。 六、课堂练习完成课件24—25页的课堂练习题。七、拓展延伸1、如何通过控制信号实现对执行器的精确控制模拟量控制原理：控制器输出 0-10V 电压或 4-20mA 电流信号，执行器内部通过运算放大器将电信号转换为电机驱动电压。精度控制：通过提高 D/A 转换器分辨率（如 16 位 DAC），配合精密电压 / 电流转换电路，实现 0.1% 级控制精度。案例：伺服电机驱动器接收 PLC 输出的 0-10V 速度给定信号，通过 PID 调节使转速波动≤0.5%。脉冲控制（PWM/SVPWM）：原理：控制器输出高频脉冲信号（如 10kHz PWM），通过调节占空比控制平均功率，进而控制电机转速或阀门开度。精度优化：采用硬件 PWM 模块（如 STM32 的高级定时器），配合死区时间设置，减少功率器件开关损耗，提升控制线性度。案例：3D 打印机的挤出电机通过 20kHz PWM 信号控制转速，定位精度达 0.01mm。电 - 气 / 液转换控制：原理：控制器输出电信号（如 4-20mA）至电 - 气转换器，将电流信号转换为气压信号（如 0.02-0.1MPa），驱动气动执行器。精度提升：采用比例阀（而非开关阀），配合压力传感器反馈，构成闭环控制。案例：注塑机合模力控制中，电液比例阀根据 PLC 输出的电流信号调节液压压力，控制精度 ±1%。2、常见干扰源分类及特性电磁干扰（EMI）：来源：周边高频设备（如变频器、射频发射器）、电力电子器件开关动作、雷电感应等。干扰形式：通过空间辐射或导线耦合进入系统，导致信号波形畸变、数据传输错误。案例：工厂中变频器运行时，附近 PLC 控制器的通信信号常出现丢包现象。电源干扰：来源：电网电压波动（如启动大型电机时的电压跌落）、浪涌电流、谐波污染（非线性负载产生）。干扰形式：造成控制系统电源电压不稳定，导致芯片工作异常、程序跑飞。案例：居民区电压不稳时，家用智能温控器常出现显示错乱或控制失灵。3、抗干扰措施详解屏蔽技术：采用金属屏蔽盒包裹控制器，内壁喷涂导电漆；信号线缆使用双层屏蔽电缆，两端可靠接地。案例：工业现场温度传感器信号线穿金属波纹管，减少电磁辐射干扰。滤波技术：电源端加装 EMI 滤波模块（抑制共模 / 差模干扰），信号端根据频率特性设计 RC 或 LC 滤波器。案例：在开关电源输入端并联 X 电容和 Y 电容，降低高频噪声。数字滤波算法：均值滤波（适用于周期性干扰）：对同一信号连续采样 N 次取平均值；中值滤波（抑制脉冲干扰）：排序后取中间值。案例：温湿度采集系统中，用滑动平均滤波消除随机抖动。 初步认识计算机控制系统是使用时间变量来实现控制的方式。完成思考题。学习如何制作时间提醒器模型。完成思考内容。学习洗衣机控制过程。完成实践探究。完成提升练习。学习更多知识内容。完成练习题。进行知识拓展。 认识本课主要研究内容，帮助学生认识基于时间控制的基本方式.引导学生思考生活中与时间控制相关的例子，完成举例，提高学生的兴趣和课堂参与度。在实践操作中领悟时间控制模式的原理过程，加深所学。思考可以优化改进的地方，提高学生解决问题和反思能力。结合洗衣机洗衣服的例子再次讲解计算机控制系统的更多情况，帮助学生了解更多相关的控制原理。理论与实践相结合，补充讲解更多符合的案例，强化学生对本课知识内容的理解和掌握，在操作中认识所学。考察学生学以致用的能力，深化对本课知识内容的理解和掌握。完善所学知识。巩固所学知识，考察学生对本课内容的掌握情况。拓宽学生知识面。
课堂小结 设计简单的计算机控制系统1.进行新知引入2.基于时间的控制方式3.制作时间提醒器模型4.模拟洗衣机控制过程5.进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 设计一个温度控制系统的抗干扰方案，需说明传感器选型、线缆屏蔽措施、电源滤波电路（画出电路图），并解释接地设计原则。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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第2.2课《设计简单的计算机控制系统》教学设计
课题 设计简单的计算机控制系统 单元 第二单元 学科 信息科技 年级 六年级
核心素养目标 信息意识：了解基于时间的控制方式，能认识到时间控制在控制系统中的信息价值，理解时间参数是系统运行的关键信息。计算思维：学会制作简单的控制系统，通过计算视角分析时间控制问题，将物理时间转化为可计算的逻辑，并设计算法解决控制逻辑。数字化学习与创新：能够制作出简单的操作系统，并通过创新设计解决实际问题，实现知识的深度融合与拓展。信息社会责任：了解现实中存在的控制方式的案例，认识到时间控制系统在社会中的应用价值与潜在风险。
教学重点 了解基于时间的控制方式和现实中存在的案例。
教学难点 学习完相关原理后能够制作出简单的操作系统，并加以完善。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第2.2课 设计简单的计算机控制系统1、观看视频。2、活动背景：计算机控制系统在日常生活中应用非常广泛。它不仅提高了人们的生活质量，还降低了生产成本，提高了工作效率。举例来说，智能控制冰箱比传统冰箱更好用，智能控制农业灌溉比传统人工控制灌溉更节水，智能控制工业生产线比人工流水线更高效。那么，如何设计简单的计算机控制系统来解决生活中的问题呢 3、活动目标（1）了解基于时间的控制方式。（2）学会制作简单的控制系统。 课程新知导入。学习本课学习目的。 帮助学生初步理解本课研究内容。帮助学生学习更有目标性。
讲授新课 新知讲解：一、基于时间的控制方式在生活中,有许多计算机控制系统是使用时间变量来实现控制的。例如，电子闹钟、学校自动打铃系统、微波炉、路灯控制系统等。这些系统在芯片内置时钟达到设定值时，就会触发响铃或执行其他控制命令。学校自动打铃控制示意图开动脑筋1想一想：生活中还有哪些采用时间控制的系统 描述它们的控制过程。答：自动车库门车主通过遥控器发送开门信号后，车库门控制系统接收到信号，启动电机，驱动车库门上升。当车库门上升到顶部后，系统会控制电机停止运行；关闭时，按下遥控器关门按钮，电机反向转动，车库门下降，到达底部后电机停止。自动晾衣架用户可通过手机 APP 或遥控器设定晾衣架的升降时间。晾衣架内部的计时模块会根据设定时间，控制电机的运转，实现晾衣架的自动升降，方便用户晾晒和收纳衣物。二、制作时间提醒器模型在生活学习中，我们要合理安排时间，既要按时按量完成学习任务，也要保证充足的休息，做到劳逸结合，保护身体健康。我们可以采用时间控制方式，制作时间提醒器，提醒自己合理安排学习和休息时间。探究实践1.实验目的制作时间提醒器模型，体验时间控制方式。2.实验设计3.实验准备主控板、编程计算机。4.实验过程(1)设计算法，编写程序。(2)将程序上传到主控板，按下A键测试控制功能。说明:为了缩短实验时间，在验证模型时，可以用1秒钟代替10分钟。开动脑筋小组讨论:从实际应用来看，时间提醒器模型还有哪些需要改进的地方 传统时间提醒器仅具备单一的提醒功能，可与智能家居系统联动，例如提醒时间到达时，自动打开相应的灯光、调节空调温度，实现场景化智能控制。部分时间提醒器在长时间使用后，会出现时间误差。三、模拟洗衣机控制过程基于时间的控制应用非常广泛。例如，自动洗衣机按照设定的时间参数，控制进水、洗衣和排水等步骤，自动完成洗衣过程。探究实践1.实验目的模拟洗衣机洗衣的控制过程，体验基于时间的控制方式。2.实验设计3.实验准备主控板、编程计算机。4.实验过程(1)设计算法，编写程序。(2)将程序上传到主控板，按下A键测试程序控制功能。执行器的分类与工作原理（按能量转换方式分类）类型典型产品工作原理电动执行器伺服电机接收电信号（如 PWM 或模拟电压），通过电磁感应将电能转换为旋转机械能，精度高、响应快。电磁阀线圈通电产生磁场吸引阀芯，改变流体通路（开 / 关或调节流量），常用于气动 / 液压系统。气动执行器气缸压缩空气推动活塞运动，输出直线推力，结构简单、抗环境干扰（如粉尘、潮湿）。气动薄膜阀气压作用于薄膜产生推力，通过连杆带动阀芯调节阀门开度，适用于化工管道流量控制。液压执行器液压缸高压油液推动活塞，输出大推力（可达数十吨），用于重型机械（如注塑机合模机构）。液压马达将液压能转换为旋转机械能，扭矩大、转速平稳，常见于工程机械行走系统。四、提升练习电脑小闹钟、学校打铃系统都是通过 预设程序/定时控制来实现自动控制的。进一步改进时间提醒器，增加计时和闹钟功能。 可在时间提醒器中增加 倒计时功能、多组闹钟设定、自定义铃声选择、重复提醒设置（如工作日循环） 等功能。五、开拓视野控制系统中的系统时钟在控制系统中，系统时钟就像一个指挥官，发挥着重要作用。对于特别复杂的控制系统，各个子系统经常要校对自己的系统时钟，这样才能保证大家步调一致，相互准确配合，共同实现系统控制功能。 六、课堂练习完成课件24—25页的课堂练习题。七、拓展延伸1、如何通过控制信号实现对执行器的精确控制模拟量控制原理：控制器输出 0-10V 电压或 4-20mA 电流信号，执行器内部通过运算放大器将电信号转换为电机驱动电压。精度控制：通过提高 D/A 转换器分辨率（如 16 位 DAC），配合精密电压 / 电流转换电路，实现 0.1% 级控制精度。案例：伺服电机驱动器接收 PLC 输出的 0-10V 速度给定信号，通过 PID 调节使转速波动≤0.5%。脉冲控制（PWM/SVPWM）：原理：控制器输出高频脉冲信号（如 10kHz PWM），通过调节占空比控制平均功率，进而控制电机转速或阀门开度。精度优化：采用硬件 PWM 模块（如 STM32 的高级定时器），配合死区时间设置，减少功率器件开关损耗，提升控制线性度。案例：3D 打印机的挤出电机通过 20kHz PWM 信号控制转速，定位精度达 0.01mm。电 - 气 / 液转换控制：原理：控制器输出电信号（如 4-20mA）至电 - 气转换器，将电流信号转换为气压信号（如 0.02-0.1MPa），驱动气动执行器。精度提升：采用比例阀（而非开关阀），配合压力传感器反馈，构成闭环控制。案例：注塑机合模力控制中，电液比例阀根据 PLC 输出的电流信号调节液压压力，控制精度 ±1%。2、常见干扰源分类及特性电磁干扰（EMI）：来源：周边高频设备（如变频器、射频发射器）、电力电子器件开关动作、雷电感应等。干扰形式：通过空间辐射或导线耦合进入系统，导致信号波形畸变、数据传输错误。案例：工厂中变频器运行时，附近 PLC 控制器的通信信号常出现丢包现象。电源干扰：来源：电网电压波动（如启动大型电机时的电压跌落）、浪涌电流、谐波污染（非线性负载产生）。干扰形式：造成控制系统电源电压不稳定，导致芯片工作异常、程序跑飞。案例：居民区电压不稳时，家用智能温控器常出现显示错乱或控制失灵。3、抗干扰措施详解屏蔽技术：采用金属屏蔽盒包裹控制器，内壁喷涂导电漆；信号线缆使用双层屏蔽电缆，两端可靠接地。案例：工业现场温度传感器信号线穿金属波纹管，减少电磁辐射干扰。滤波技术：电源端加装 EMI 滤波模块（抑制共模 / 差模干扰），信号端根据频率特性设计 RC 或 LC 滤波器。案例：在开关电源输入端并联 X 电容和 Y 电容，降低高频噪声。数字滤波算法：均值滤波（适用于周期性干扰）：对同一信号连续采样 N 次取平均值；中值滤波（抑制脉冲干扰）：排序后取中间值。案例：温湿度采集系统中，用滑动平均滤波消除随机抖动。 初步认识计算机控制系统是使用时间变量来实现控制的方式。完成思考题。学习如何制作时间提醒器模型。完成思考内容。学习洗衣机控制过程。完成实践探究。完成提升练习。学习更多知识内容。完成练习题。进行知识拓展。 认识本课主要研究内容，帮助学生认识基于时间控制的基本方式.引导学生思考生活中与时间控制相关的例子，完成举例，提高学生的兴趣和课堂参与度。在实践操作中领悟时间控制模式的原理过程，加深所学。思考可以优化改进的地方，提高学生解决问题和反思能力。结合洗衣机洗衣服的例子再次讲解计算机控制系统的更多情况，帮助学生了解更多相关的控制原理。理论与实践相结合，补充讲解更多符合的案例，强化学生对本课知识内容的理解和掌握，在操作中认识所学。考察学生学以致用的能力，深化对本课知识内容的理解和掌握。完善所学知识。巩固所学知识，考察学生对本课内容的掌握情况。拓宽学生知识面。
课堂小结 设计简单的计算机控制系统1.进行新知引入2.基于时间的控制方式3.制作时间提醒器模型4.模拟洗衣机控制过程5.进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 设计一个温度控制系统的抗干扰方案，需说明传感器选型、线缆屏蔽措施、电源滤波电路（画出电路图），并解释接地设计原则。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
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