第1单元第3课 《控制的改进与优化》教案【湘科版】《信息科技》六年级上册

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第1.3课《控制的改进与优化》教学设计
课题 控制的改进与优化 单元 第一单元 学科 信息科技 年级 六年级
核心素养目标 信息意识：能够识别、分析和处理系统中的信息流和反馈。通过理解如何获取和处理反馈信息，优化控制策略，从而提高系统性能。计算思维：在研究开关量、连续量和分析控制过程问题时，能精准思考和分析，快速并准确的找出正确的答案，提高解决问题的能力。数字化学习与创新：在研究控制中的逻辑运算实践中，能够进行创新思考和对比分析，实现知识的深度融合与拓展。信息社会责任：学习控制系统的改进与优化时,确保控制系统的安全性和隐私保护，避免其被滥用或带来不利影响。
教学重点 了解开关量和连续量的基本含义以及算法运算基本准则。
教学难点 能够分析并理解实现反馈控制的基本原理。
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1.3课 控制的改进与优化1、观看视频。2、活动背景：在日常生活中，我们需要各种不同的过程控制。有时需要按照事先输入的指令顺序完成某项任务，例如学校的音乐电铃按照设定好的作息时间表响铃;有时则需要将系统控制在一个设定的范围之内，例如将空调设定在舒适的 26 ℃左右，让储水箱的水位维持在合理的高度范围内，让台灯保持适宜的亮度。这些控制是如何实现的呢 3、活动目标（1）了解开关量和连续量的基本含义。（2）了解简单逻辑运算规则。（3）理解实现反馈控制的基本原理。 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、开关量与连续量过程控制的输入主要有开关量与连续量两种。开关量只有“开”或“关”两种状态。在系统控制中，常常使用开关量作为输入，实现系统的启动或停止。连续量则是可以连续变化的变量如温度、水位、风力和光线强度等。连续量可以转化为开关量，也是控制的主要输入形式。例如，电热水壶将水的温度加热到预设温度后，可以自动断开电源停止加热;抽水马桶水箱里的水位达到一定高度后，进水阀门会被自动关闭。信息链接生活中有很多通过将连续量转化为开关量来实现控制的案例。比如小球沿两根“八”字形木杆滚下，两杆距离是连续量，当小球滚到两杆距离大于其直径的位置时，小球会掉入桶中。利用这个原理，可以实现将橙子按大小自动分拣，提高工作效率。在电子控制系统中，连续量转化为开关量更为常见。例如，水龙头与手之间的距离是一个连续量，当探测器感测到两者的距离小于设定距离时输出一个开关量，控制电水阀打开水龙头。这个设定值叫作值。开动脑筋1.在我们的生活中，你还发现了哪些开关量和连续量 答：开关量电灯开关：电灯的开与关可以视为开关量。门的开关：门是否打开可以看作开关量。按钮操作：手机的电源按钮、电视遥控器按钮等。连续量温度：例如室温，水的温度等是连续变化的。速度：汽车的行驶速度、风速等。电流和电压：电力系统中的电流和电压通常是连续的，可以有多个取值。2.判断以下哪些是开关量，哪些是连续量，并描述控制过程。场景输入类型 连续量 开关量开关量 （假设按键输入）或 连续量 （若支持密码滑动输入）控制过程描述通过旋转水龙头把手调节水流大小或开关，旋转角度为连续值，控制水流的流量或开闭状态。用户按下开关后，电路导通或断开，触发设备（如灯）的开启或关闭。用户通过刷卡/密码/指纹等方式输入信息，系统验证后显示结果（如绿灯通行/红灯拒绝），控制门锁开闭。二、控制中的逻辑运算不同的应用和场景，需要使用不同的控制形式。例如，银行提供保险柜业务，客户和银行员工各有一把钥匙，需要同时转动才能打开保险柜;为了提高可靠性，智能门锁可以有多种打开方式;为了应对意外情况自动扶梯设置了紧急停止按钮。这些不同的控制形式可以通过开关量的逻辑运算来表示。开关量“开”和“关”，逻辑值的“真”和“假”，都可以用数字“1”和“0”代表。1.“与”运算只有开关量 A 和B都为“1”时，“与”运算结果才为“1”。2.“或”运算开关量 A 和B只要有一个为“1”，“或”运算的结果为“1”。3.“非”运算开关量的值经过“非”运算后，其结果取相反值。“与”运算、“或”运算、“非”运算的区别与（AND）运算：两个输入都为“真”时，输出才为“真”。例如：A AND B，只有A和B都为1时，结果才为1。或（OR）运算：只要有一个输入为“真”，输出就为“真”。例如：A OR B，A或B只要有一个为1，结果就是1。非（NOT）运算：取反操作，输入为“真”时，输出为“假”，反之亦然。即：NOT A，当A为1时，结果为0，A为0时，结果为1。探究实践1.用简单电路模拟三种逻辑运算。2.想一想，连一连。三、通过反馈优化控制在天气炎热的夏季，假设空调没有温度控制，打开电源开关后，空调制冷压缩机会持续工作，温度会持续下降，浪费电能。因此，需要对控制过程进行优化，将房间温度维持在设定的温度附近。要实现这个功能，需要在输出与输入之间建立关联。通过温度传感器对房间温度进行检测，并将结果反馈到控制输入端，构成一个有反馈的控制闭环，从而实现系统自动控制。反馈：反馈是指系统输出信息影响输入的过程。正反馈：当系统的输出被放大并返回输入时，称为正反馈，这通常导致系统的不稳定性或放大效应。负反馈：当输出影响输入并减弱输入时，称为负反馈，这通常有助于稳定系统。反馈控制的基本原理是通过实时监测输出并将其反馈到输入端，调整系统行为，以实现目标。例如，温控器调节室温时，实际温度反馈给温控器，调整加热或制冷设备的运行。四、提升训练1、三种基本的逻辑运算分别是与运算、或 运算和非运算。2、小组讨论,尝试列举具有反馈控制的实例,并描述其功能和控制过程。洗衣机：洗衣机根据洗涤过程中的水位、温度、洗涤时间等信号来调节电机的运转和水流的注入。反馈控制帮助确保水位适中、温度适宜，并且清洗过程达到最佳效果。五、开拓视野生活中的反馈控制带反馈的控制在日常生活中应用非常广泛，实现反馈的方式也多种多样，有机械控制反馈、电子控制反馈和混合式控制反馈等。我们常用的抽水马桶能将水箱水位控制在一个固定的高度，就是通过机械控制反馈系统来实现的。汽车巡航控制：当汽车使用巡航控制时，系统会根据车速的反馈调节油门，从而使汽车保持稳定的行驶速度。若车速降低，系统会增加油门；若车速过高，则会减少油门。体温调节：我们的身体通过出汗或缩小血管等方式来调节体温。这是一个自我调节的反馈控制过程，身体感知到温度变化后自动进行调整。六、课堂练习完成课件29—32页的课堂练习题。七、拓展延伸1、机器学习优化控制策略强化学习（RL）：在强化学习中，智能体与环境进行交互，根据奖励反馈来优化控制策略。RL可以在没有明确系统模型的情况下，通过试错机制学习最优控制策略。例如，在机器人控制中，RL被用来优化机器人的运动路径和动作策略。监督学习：通过提供带标签的训练数据，机器学习模型可以学习到输入与输出之间的关系。这种方法常用于预测系统状态，进而优化控制算法。例如，在工业自动化中，可以通过历史数据预测设备的故障，从而动态调整控制策略来避免停机。2、深度学习优化控制卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）：CNN可以用来处理涉及视觉数据的控制任务（例如机器人视觉引导），而RNN特别适用于时间序列数据或涉及长期依赖的控制问题（例如温度调节或电力系统优化）。深度强化学习（DRL）：将深度学习与强化学习结合，使得系统能够在复杂的环境中自我学习和优化。特别适用于高维、复杂、动态变化的系统，如无人驾驶、智能电网等。3、系统建模与仿真系统建模：物理建模：通常使用物理定律（如牛顿定律、热力学定律等）建立系统模型。对于机械系统，通常使用微分方程来描述其动态行为；对于电气系统，使用基尔霍夫定律（KVL和KCL）来建立电路模型。状态空间建模：状态空间模型是一种描述动态系统的方法，通常用于描述具有多个输入和输出的系统。它通过一组一阶线性或非线性微分方程来描述系统的动态变化。仿真工具：MATLAB/Simulink：Simulink是用于动态系统建模和仿真的广泛工具，能够创建控制系统的模型，并进行时间响应分析。它提供了大量的工具箱和功能模块，可以进行线性与非线性系统的建模、分析和优化。控制设计、滤波器设计、状态估计等都可以在Simulink中进行仿真。八、单元回顾与评价【单 元 回 顾】【交 流 评 价】1.同学之间相互交流，分享各自的收获。2.评一评，画一画。(最高为5颗★) 初步认识过开关量与连续量概念。学习信息链接内容。完成思考题。完成判断和表格填空内容。学习控制中的逻辑运算。进行实际探究。学习通过反馈优化控制。认识反馈。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。完成单元回顾与总结。 引入本课主要研究内容，帮助学生认识过程控制的输入内容。引导学生明确开关量与连续量之间的关系，两者可以相互转化。引导学生思考生活中与开关量和连续量相关的例子，完成举例，提高学生的兴趣和课堂参与度。引导学生进行判断分析，找出对应的类型，加深对过程控制的输入内容的理解和掌握。在具体的应用场景中认识控制在的逻辑运算，认识“与”运算、“或”运算、“非”运算分别指代什么以及各自的区别是什么。考察学生学以致用的能力。引导学生学习如何通过反馈优化控制系统，强化学生对本课知识内容的理解和掌握。进行知识拓展，完善所学知识内容。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。再一次复习单元内容，强化和加深所学知识点。
课堂小结 控制的改进与优化1.进行新知引入2.认识开关量与连续量3.学习控制中的逻辑运算4.通过反馈优化控制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 1、 选择一个日常生活中的反馈控制系统（如空调、洗衣机等），分析其工作原理，并提出优化建议。2、总结本课所学内容。 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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