技術課程標準中通用技術部分的「內容標準」是從課程理念和目標出發,依據通用技術的特點和我國教育現狀提出的學生學習內容及其要求的基準。該部分所規定的學生的課程學習內容及應達到的基本水平,是教材編寫者編寫教材、任課教師設計教學過程以及對學生的學業成就評價的重要依據。
第一節 內容標準的結構與陳述方式
《普通高中技術課程標準(實驗)》是新中國建國以來第一次全面而系統地闡述普通高中技術課程的標準性文件。考慮到國內技術課程教師的現實狀況,本著「內容清晰、層次分明、語言簡潔、易於閱讀」的原則,在反覆研討和不斷探索的基礎上,形成了技術課程標準中信息技術與通用技術相統一的內容標準結構與陳述方式。
一、內容標準的結構
由必修模塊的內容標準和選修模塊的內容標準兩部分組成,以模塊中的每一個主題(單元)為基本的陳述單位,每個主題的標準又由若干具體的條目組成。必修模塊和選修模塊的內容標準陳述之前,有一段關於「必修模塊」和「選修模塊」的總體說明。它一方面說明必修模塊和選修模塊的內容性質、意義及各模塊之間的關係,另一方面對「必修模塊」和「選修模塊」進行扼要說明。
每個模塊的內容標準陳述之前,有幾小段簡要的文字分別說明該模塊的教育價值、學習目標、內容結構及教學過程中應注意的問題。內容結構都採用圖示的方式呈現,一般呈現到模塊內容結構的一級主題。之所以這樣安排,主要基於以下考慮:①模塊是教師進行教學規劃、學生進行課程內容選擇並通過學習獲取學分的基本單位,它具有相對完整的目標與內容,其模塊的教育價值、學習目標、內容結構及教學過程應注意的問題的陳述有助於教師整體上理解模塊內容,進行教學規劃和組織教學實施。②模塊的內容結構採取圖示方式有助於標準閱讀者一目了然地了解模塊內容及其結構。
每個模塊的內容標準陳述以模塊內的每個主題(專題)為基本單位,其結構由標準內容和活動建議兩部分組成。標準內容則又由標準句和例舉兩部分組成。其中標準句是整個課程標準的核心,是標準閱讀者理解和掌握的重點,而例舉是從技術的特性出發,對標準句的解釋和說明,是為使標準閱讀者更好地理解標準而設立的,它不具有標準本身的性質,不構成教材編寫、教師教學和對學生學業成就評價的絕對依據。至於活動建議,則是根據標準句所提出的內容及其要求提出的相應的實施意義上的具體活動建議,供標準閱讀者、使用者選擇或參考。
二、內容標準的陳述
標準句是內容標準的核心語句,一般有三種形式:
(1)行為動詞 + 行為對象。如「知道工藝的含義和常用工藝的種類」;
(2)行為條件 + 行為動詞 + 行為對象。如「在設計過程中和設計過程後,能用恰當的方式與他人交流設計想法和成果;
(3)複合句。如「通過對典型的工作流程和生產工藝流程案例的分析,理解流程中的時序和環節的意義,學會閱讀簡單的流程圖」;
分析標準句的結構有助於我們深刻理解和準確把握標準的要求。這裡值得注意的是:①標準句的行為主體是學生;②很多標準句是由能願動詞「能」與「行為內容」綜合而成的能願結構,表明了標準的明確要求。
「標準句」就其行為動詞的意義歸屬來說,有兩類:一類是「結果性要求」,另一類是「體驗性要求」。「結果性要求」陳述方式明確表述學生的學習結果是什麼,所採用的行為動詞要求明確,並且可以測量和評價。如「能按照裝配圖樣安裝簡單的齒輪裝置,並進行調試」。「體驗性要求」陳述方式描述學生所經歷的過程及其心理感受,所採用的行為動詞往往是體驗性和過程性的,較多地應用於「過程與方法」、「情感態度與價值觀」維度的要求。如「能從技術和文化的角度欣賞並評價典型結構設計的案例」。
體現學生學習水平與行為的目標動詞的使用舉例具體見標準。
值得說明的是,內容標準中所使用的行為動詞並不完全與上述所列的學生學習水平對號入座。有時同一個行為動詞在不同的使用場合標誌著不同的學習水平要求,如「認識」可能有時體現了「了解水平」,而有時體現了「理解水平」,又如「分析」有時可能體現了「理解水平」,而有時則體現了「遷移應用水平」。總之,應根據行為動詞的具體使用情境和意義確定其學習水平,從而準確理解標準句的含義。
第二節 技術與設計2
一、關於本模塊的簡要說明
(一)本模塊的教育價值
本模塊是繼「技術與設計1」之後的必修內容。學習本模塊內容將使學生在進一步鞏固和掌握技術設計的過程的基礎上,提升對技術設計的思想和方法的理解和應用能力,使他們具備利用和評價技術的方法和策略,以及受用終身的技術管理能力。
本模塊的價值主要體現在:
1. 本模塊所學習的技術的思想和方法,將使學生終身受益。「結構與設計」「流程與設計」「系統與設計」「控制與設計」這4個主題是具有典型意義的、與技術發展密切相聯繫的內容。當然,從技術角度來講,它們分屬不同的專業,而我們從課程角度把它們集中放在這一個模塊中作為學生技術與設計的學習內容,正是因為它們在技術的思想和方法方面的典型性和代表性。模塊內容所體現的整體、協調、關聯、控制、穩定、比較選擇、改進優化等思想和方法,具有廣泛的應用價值和可遷移性,它使技術與設計由經驗上升到了理性,由單純的展現設計技巧提升到了形成設計的思想和方法。
2.模塊內容中,多處對技術設計的改進和優化的強調,將促進學生批判、反思等思維習慣的養成,培養他們的創新意識和能力。技術設計的內核是創造,在技術設計中,「每一個問題在被技術解決的同時,總是又生長出一些新的問題,這些問題又進一步要求技術加以解決」[[1],模塊內容本身知識的綜合性、趣味性和應用性,使學生可以在不斷生長出的新的技術問題中,實現技術與科學的橫向共通,實現問題解決的個性化技術表達和設計的創新。
3.模塊內容所蘊含的技術與生活、技術與社會、技術與科學、技術與文化等內容,有助於強化學生對技術的理解和使用。高中學生對技術與設計的學習,已經不是僅僅停留在傳藝或傳術的層面,應該走向理解和關注設計與社會、設計與科學、設計與人、設計與生活環境和生活方式的開放境界,追求技術與生活、技術與科學、設計與文化的完美結合、設計與人的需求的完美結合。恩格斯曾說過,在一切方法的背後,要有一種生氣勃勃的精神,如果沒有這種精神,再好的方法,也不過是一堆笨拙的工具。我們理解,在技術設計的方法背後,「精神」應該是技術設計的社會觀和人文觀。
(二)本模塊的內容設置
本模塊共設「結構與設計」「流程與設計」「系統與設計」「控制與設計」等四個主題。「結構與設計」強調從力學的角度理解結構、結構的強度和穩定性等問題,關注簡單的結構設計;「流程與設計」強調對流程和流程優化的理解,以及簡單流程和流程改進的設計;「系統與設計」則重在對系統的理解,以及運用系統的思想解決一些生活中問題的設計;「控制與設計」應注重理解控制的涵義和控制的應用,以及生活生產中的簡單控制系統的設計。
四個主題之間具有一定的獨立性,因為它們涉及的是不同的技術領域;同時,它們又具有一定的關聯性,例如,「系統與設計」中整體與部分、獨立與關聯、優化的思想和方法,「控制與設計」中反饋調節的方法,「流程與設計」中流程改進的思想等等均可運用在其他主題的一些技術問題的解決中。模塊中這些技術與設計的思想和方法,與「技術與設計1」共同構成了本課程的選修模塊的基礎。
二、具體內容標準及相關活動的說明
(一)結構與設計
結構的設計在我們日常生活中隨處可見,課桌椅、自行車、立交橋等等都是結構設計的結果。
學習結構的強度和穩定性,體驗簡單結構的設計過程以及結構的和諧、簡練和經典,其意義除了解決簡單結構設計的問題以外,更有利於幫助學生清晰地把握生活中各類問題解決的主要架構,拓寬思維和想像空間。
本主題共有5條標準。
1.了解結構的涵義,能從力學的角度理解結構的概念和一般分類
從廣義上講,結構是指物體各個組成部分之間的搭配和排列。結構決定了事物的性質和形態。
從力學角度的理解是:結構是指可承受一定應力的架構形態,結構可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。
通常所指的結構的一般分類有:實心結構、框架結構、殼體結構。
在我們周圍,有各種各樣不同形狀、不同用途的物體和結構。實心結構如磚石或泥砌的牆、大壩等;框架結構如大橋、自行車、鐵塔等;殼體結構如汽車、建築工人用的安全帽、氣罐、油罐等。不同的結構類型,具有不同的特徵和受力特點。
本標準不要求學生對這三種結構類型的特徵進行定性地描述,但應能對生活中常見的簡單結構實例進行歸類,並指出這三種結構的不同應用場合。教學中,教師可用簡單的材料製作的不同結構的物體給學生作演示,也可在課前布置學生自帶材料進行不同結構類型的簡單製作。
2.能結合1~2種簡單的結構案例,分析結構是如何承受應力的
對結構承受應力的分析,是指根據學生已有的知識水平,分析生活中常見結構的應力,不要求學生作進一步的定性和定量分析,不要求畫物體結構的受力圖。
當一個構件承擔負載時,它的每一種材料都可能受到張力或壓力。張力(拉力)是拉伸材料的力,組成材料的粒子被拉開;壓力是壓縮材料的力,組成材料的粒子被推近。張力和壓力都是負載的結果。
例 橋墩、房屋的柱子承受壓力;拉索橋的鋼絲承受拉力;一根兩端被託住的梁,受到彎曲力;梯子、大壩承受壓力、剪切力;當大風或冰雪等外力作用在橋上,橋則受到扭力、拉力、壓力等等。
3.能通過技術試驗分析影響結構的強度和穩定性的因素,並寫出試驗報告
一般而言,一個結構的強度取決於它對張力和壓力兩方面的反應能力。強度取決於形狀,形狀略作改變,強度就會改變;強度還取決於材料以及材料的連接方式,了解應力對不同材料的影響可以幫助我們選擇正確的材料建造堅固的結構。
穩定性阻礙翻倒或被移動,是很多結構的重要性質之一。影響結構穩定性的因素主要有:結構的形狀、結構重心位置、結構所受的運動和力等等。例如,人們利用三角形或由三角形組成的多面體來增加結構的穩定性,底面越大、重心越低結構就越穩定。
應引導學生通過生活觀察和技術試驗,對簡單的結構進行強度、穩定性分析,解釋它的強度高或低、穩定或者不穩定的原因。試驗可以讓學生根據教師的設計來做,也可以讓學生自己根據生活經驗、興趣愛好和已有條件,自行設計和製作試驗,並得出結論。
4.能確定一個簡單對象進行結構設計,並繪製設計圖紙,做出模型或原型
日常生活中,需要進行結構設計和結構改造設計的事例很多。學生可以根據生活中的需要和個人的愛好,選擇一個設計對象或項目。在進行設計前,應從功能的角度對設計對象進行結構的強度和穩定性分析,從既滿足功能要求又做到輕便、美觀等角度思考設計方案和選擇材料。
要注意引導學生養成良好的設計習慣,在設計方案的構思時,就要學會從畫草圖開始,結構設計的草圖要能清晰地顯示出設計對象的骨架形式、尺寸比例等,然後就草圖的方案與小組同學共同商討。
設計方案確定之後,應繪製出比較規範的設計圖紙(圖紙應含通用的技術符號、精度要求、尺寸標註、文字說明等等),對於簡單的設計對象,可以依據圖紙直接製作出原型,如臺式相片架、檯燈罩、壁掛式小書架、鞦韆架、滑滑梯等;若是比較複雜的結構設計對象,如新居室的衣櫃、書櫃等,不能在短時間內做出原型,可以因地制宜地選擇材料做出其模型。
5.能從技術和文化的角度欣賞並評價典型結構設計的案例
技術設計要避免走向功利化的極端。設計不僅僅要從滿足人的物質需求出發,同時需要關注人的審美準則、民族特色、生態文化等精神領域的需要。結構設計的人文色彩尤為濃烈,古今中外,從若干經典的建築物設計中,我們就可以看到不同時期不同文化背景的烙印。
學習結構與設計,需要引導學生學會欣賞和評價經典的、有特色的結構設計的傑作。教師可以通過帶領學生參觀本地的特色建築,從各類教學資源中篩選有價值的結構設計實例介紹給學生,引導學生學習對作品進行欣賞和評價的角度和方法,比如從「形」「意」「神」等方面來評價等。
6.關於活動建議
建議1,是對某一結構進行強度和穩定性的試驗。試驗要做得能說明問題,可以設計一個表格來表示試驗的數據和結果,表中的「受力情況」可以定量描述,若不具備條件,也可定性描述。
建議2,分析典型案例的結構特點。可從所列實例的功能實現,結構的類型和文化特點等角度進行分析評價。
建議4,對產生了一定影響的建築物的坍塌、扭曲或斷裂的事件,進行分析討論,簡要說明其主要的技術問題所在。教師可以引導學生對此類問題展開討論研究,由於可能涉及的原因或問題比較複雜,故討論的深度不限。
(二)流程與設計
通過對流程的理解,培養學生優化生活和工作流程的能力,使學生體驗革新的成功感和革新可能帶來的經濟、環境等方面的收穫。
本主題共有5條標準,現分別加以說明。
1.了解流程的涵義及其對生產、生活的意義
在了解流程的涵義時,應抓住兩個關鍵點:流程的時序和環節。時序是指隨時間變化的發展經歷;環節是指事件在發展的過程中,總可以依據某種特徵或方式把它分解為若干個小的過程。
生活中的很多事件以及任何產品的生產過程,都可理解為流程,重要的是如何使得流程產生更大的效益和具有可持續發展性。
2.通過對典型的工作流程和生產工藝流程案例的分析,理解流程中的時序和環節的意義,學會閱讀簡單的流程圖
可以選擇一個有代表性的流程案例,與學生共同分析,使學生學會閱讀工藝機理不太複雜的流程圖。
例 合成氨的生產工藝流程
首先利用適當的方法,生產大量合成氨的原料——氮氣、氫氣,氮氣和氫氣的混和氣體在合成塔的6000C高溫、200帕斯卡下,通過催化劑的作用產生氨氣,再通過氨分離器不斷地把生成的氨分離出來,同時未轉化的反應氣體又進入合成塔循環加工。這就是合成氨的生產流程。
在此流程中,氮氣和氫氣的混和、氨的合成、分離、循環這幾個主要生產環節的順序是不可倒置的。
生活中,經常有需要讀懂流程圖的場合,簡單的有公共汽車或地鐵線路的上行、下行流程圖;複雜一些的有,當我們參觀發電廠或化工廠,在工廠的中控室會看到一幅生產工藝流程圖,要了解生產情況,就要讀懂這張圖;當我們走進軍營,可能看到一幅作戰流程圖等等。流程圖的表達有多種形式,有圖示、模型表示、動畫演示等等。
3.能分析流程設計中應考慮的基本因素,並畫出流程設計的框圖
生活、生產中流程的設計有兩種情況,一種是流程的若干環節是顯性的,也就是事物發展的規律較容易描述,如郵局郵件的分檢流程設計、快餐配送中心的工作流程等;另一種流程的設計要依據事物的內在屬性和規律,需要進行大量的試驗和漫長的探究才能得出的,以合成氨的工藝流程為例,在上世紀初,經過若干位化學家上萬次的實驗,最終才得出在600℃,200帕斯卡下合成出氨,但轉換率僅有2%——8%的實驗結論,後來又經過不斷試驗才得到現在工業生產上使用的、較為成熟的合成氨的工藝流程。
學生對某一簡單流程設計的分析,應根據事物的內在性質、規律和相關因素,對流程設計的時序和環節線索進行把握。
4.能解釋流程的改進與設備、材料等之間的關係,能概括某種簡單生產流程優化過程中所應考慮的主要問題。
生活生產中的技術改進或革新,多數出自對已有生產流程的整體改進或者是對其中某一環節的改進,其目的不外乎為了提高工作效益、降低生產成本、節約能耗、保護環境等。
要使學生通過具體的流程案例的分析,進一步理解流程改進的條件。從外部條件來講,是建立在設備和工藝水平提高的基礎上;從內部條件而言,是建立在對流程內在機理的進一步研究的基礎上。
流程的改進過程就是優化的過程。
例1 銀行儲蓄所顧客存取款的流程
原先是人工填單、記帳,保存的是紙質的帳單,自從引入計算機管理系統,改進了存取款的流程,減少了中間環節,提高了工作效率,降低了差錯率。
例2 用於建築結構承重的人造板的研發設計
目前我國生產的人造板本身的強度決定了其主要用途是室內裝修、家具製作等,若要將人造板作為建築結構承重的材料使用,就必須增加人造板的強度,就需要通過研究、改變現有人造板的材料組成結構,改變加工工藝的流程來實現。
5.能對生活、生產中的簡單對象進行流程設計或流程的改進設計,並用文字或圖表說明流程設計方案的特點,或者流程的改進方案的優越之處。
學生可以結合生活生產中已經存在的、尚有改進的可能的流程進行討論,在指出問題所在的基礎上,提出改進方案,並論證這一方案的可行性。改進的對象的選擇很關鍵,學生理解和改進工業生產中複雜的流程有一定困難,可以結合研究性學習中提出的相關問題進行討論和研究。
例1 家用燃氣爐灶在使用過程中熱能的高效利用問題。(分析略)
例2 化學課中的「氫氣在氯氣中燃燒」的實驗改進。一般實驗步驟是將氫氣在空氣中點燃,再直接伸入裝有氯氣的容器中,觀察實驗現象。這一實驗的問題是,將點燃的氫氣伸入氯氣瓶中時,會有一定量的氯氣外漏,而外洩的氯氣對人體有強烈的刺激。如何從安全環保的角度改進這一實驗流程?(分析略)
6.關於活動建議
建議1,通過對比較成熟的流程設計的事例的分析和評價,為進行下一步的流程設計和改進提供準備。
建議2,為學生的流程設計提供了若干參考項目,也可根據當地條件另作選擇。
(三)系統與設計
系統的概念來源於人類的長期社會實踐,運用系統的思想和定性定量相結合的系統方法分析和處理生產和生活中的問題,是大家都可能遇到的。
學習和掌握系統的思想並運用系統的方法解決問題,有助於減少處理問題過程中的盲目性,學會對事件的理性分析和科學決策。
本主題共有5條標準。對系統分析和設計中專業性的內容在此不作更多要求。
1.從應用的角度理解系統的含義
系統的概念,看似抽象,其實是很具體的。系統即由相互依賴的若干組成部分結合而成的具有特定功能的有機整體。系統中的各個部分都可被看為該系統的子系統。
學生對系統的理解,可以從系統的實例開始。如一臺電冰箱可以看作是一個系統,學校的一間多媒體教室也可看作是一個系統,人體本身同樣是一個複雜而精密的系統。一般而言,系統可分為:自然系統和人造系統、實體系統和抽象(概念)系統、靜態系統和動態系統、開放系統和封閉系統等。
2.通過簡單的系統的案例分析,理解系統的基本特性,初步掌握系統分析的基本方法
系統的基本特性可從以下幾點來歸納:
◎ 整體性
◎ 相關性
◎ 目的性
◎ 環境適應性
僅從概念來理解系統的特性,是比較抽象的。在教學中,可以引導學生從一、兩個典型系統的案例入手,把握系統的特性,也可以讓學生自己總結出這些特性。
系統的特性構成了系統的基本思想。系統分析的方法就是運用系統的思想和定性定量相結合的方法分析處理問題的基本思路,整個過程可歸納為闡明問題、分析研究、評價比較三個階段。本標準只要求學生掌握初淺的系統分析的基本方法。
需要注意的是,第一,在系統分析的過程中,每個環節不一定一次就順利地完成任務,需要在反饋信息的基礎上反覆進行;第二,在系統分析的過程中,要學會與不同角色的人對話,如與實施者、決策者等的對話;第三,對系統分析中的建模問題,在此不作過多要求;第四,學寫簡單的系統分析報告,對系統的分析過程、依據、結論和行動建議進行說明。
3.理解系統優化的意義,能結合實例分析影響系統優化的因素
為了使系統達到最優的目標所提出的各種解決方法,稱為最優化方法。通常是指在一定人力、物力和財力資源條件下,使經濟效果(如產值、利潤等)達到最大,並使投入的人力和物力達到最小的方法。
最優化方法解決問題一般可分為以下幾個步驟:
(1)提出需要進行最優化的問題,收集有關資料和數據;
(2)建立求解最優化問題的有關數學模型,確定變量,列出有關約束條件,分析模型;
(3)選擇合適的最優化方法;
(4)求解方程;
(5)最優解的驗證和實施。
本條標準對第(2)、(4)步驟不作過高要求。
4.通過簡單的系統設計案例的分析,初步學會簡單系統設計的基本方法
系統設計建立在對系統進行有效分析的基礎上,在學生的學習生活中,系統設計的運用事例比比皆是,例如學校運動會賽事的合理安排等。可以通過對類似系統設計案例的分析,總結和歸納簡單的系統設計的基本方法。
大千世界,物質系統千變萬化,雖有一定的規律可循,卻難說有一成不變的模式可供套用。系統的分析和設計是建立在對該事件的內部規律、外部環境(條件)、實現功能等的充分研究的基礎之上的,它是一個不斷完善、不斷改進、不斷優化的過程。優化是系統設計所追求的永恆目標。
在對系統設計的案例進行分析的基礎上,可以讓學生總結系統設計的基本原則:
◎ 基本功能的實現
◎ 子系統間關聯、衝突問題的合理解決
◎ 效益的最大化
◎ 動態調整的實現
◎ 人性化設計
◎ 戰略性思考(長期性、穩定性等)
······
5.確定一個生活或生產中的簡單對象,根據設計要求完成系統的方案設計
要求學生在對前4條標準有所掌握的基礎上,自行完成一項簡單的系統方案設計的任務。基本要求是,首先對所設計的系統進行比較詳細的定性分析,畫出分析簡圖並寫出定性的分析報告,其次,作出系統設計的技術框圖和技術設計報告,再次,根據設計方案嘗試實現這一系統的設計。
教學中應注意,對於學生的系統設計,兩種設計方式都應認可,一種是對一個簡單的系統進行設計,另一種是運用系統的思想和方法對某一對象進行設計。
6.關於活動建議
建議1,分析典型的系統設計案例,由學生作出評價,為自己將要進行的系統設計奠定基礎。
例 戰國時期的秦國太守李冰父子主持修建了都江堰工程,這一偉大水利工程巧妙地將分洪、引水和排沙結合起來,使各部分組成一個整體,實現了防洪、灌溉、行舟、漂木等多種功能,至今該工程仍在發揮著重大的經濟效益,是我國古代水利建設的一大傑出成就。
(四)控制與設計
在當今社會,控制已經深入到人們生活和工作的方方面面,如經常提到的「質量控制」、「車速控制」、「安全控制」、「人口控制」、「情緒控制」等等。
學習一點控制、控制與設計的知識,通過對控制系統中控制的目標、控制的過程和控制的機理等的理解,有助於學生運用簡單的控制方法解決現實生活中遇到的相關問題,發展學生良好的邏輯思維品質。
本主題共有6條標準。
學習本主題的主要目的在於使學生從思想和方法的角度對控制和控制設計有基本的了解。
1.理解控制的含義及其在生產和生活中的應用
人們按照自己的意願改變條件,使事物向著期望的目標發展,就形成了控制。
控制在生活和生產中的應用非常廣泛,如公共場所的紅外線自動出水龍頭裝置、紅外自動烘手機、銀行的自動取款機、農田節水灌溉的自動控制、樓宇防盜控制、十字路口紅綠燈自動控制、煉鋼爐的溫度控制、合成氨合成塔的壓力控制、精確制導武器等等。教學中,可以引導學生根據自己的生活經驗,列舉控制應用的例子,並說明自己對它們的理解。
2.分析典型的案例,了解手動控制、自動控制,熟悉簡單的開環控制系統和閉環控制系統的基本組成和簡單的工作過程
控制是為了達到人們所期望的目標。一個控制過程的實現,往往要經過若干個環節,這些環節就構成了一個系統,所以我們把它看作是一個控制系統。從不同的角度,對控制系統有不同的分類。本標準要求學生通過具體的實例,區分哪些是自動控制哪些是手動控制,哪些是開環控制哪些是閉環控制,說清楚簡單的開環控制和閉環控制系統的基本組成,以及它們是如何實現控制的。
例1 給遊泳池換乾淨水(使用普通的手動進水閥門)
遊泳池清掃乾淨後,為了給遊泳池注水,工作人員要打開進水的閥門,直到發現泳池的水注滿了,工作人員就會關閉進水閥。這是一個需要人工幹預的簡單控制系統,也就是手動控制系統,工作過程也很簡單。
工作過程可用下圖表示:
例2 全自動洗衣機
全自動洗衣機是將洗衣的洗滌、漂淨、脫水三大步驟,按照多個開關信號的邏輯關係一步步地往下執行。使用者只要事先設定好時間,把髒衣服放進去,洗衣粉備足,水管接好,啟動洗衣機的洗衣按鈕,最後等聽見洗衣結束的鈴聲,取出已經甩幹的衣服就完成了。它是一個自動的開環控制系統,其工作過程可用下圖表示:
教師可以引導學生從他們喜聞樂見、容易接受的簡單控制事例的工作過程的分析出發,使學生明白控制系統的類型、組成以及它們是如何工作的。
3.能畫出一個簡單的閉環控制系統的方框圖,理解其中的控制器、執行器等環節的作用,熟悉反饋環節的作用
控制系統的方框圖是控制系統工作過程的基本圖示,本標準要求學生能畫出簡單的閉環控制系統的方框圖。
學生應能列舉生活中所見所聞的閉環控制系統,簡要敘述其工作過程,要能通過對閉環控制系統與開環控制系統的工作過程的比較,指出各自的優越性是什麼。
在本主題中,限於學時以及高中學生現有的知識水平,對控制系統中的控制器、執行器、傳感機構和被控對象等環節只限定於一般性的理解,不作進一步的要求,不去探討其內部的工作過程,只需把它們看作黑箱,了解其輸入和輸出之間的關係就可以了。
需要強調的是,這裡所討論的帶有反饋環節的閉環控制系統的主要特點是以減少誤差的負反饋方式來達到控制目的的,正反饋控制問題在此不作研究,對於簡單的開環控制、單迴路負反饋控制系統以外的其他控制方式在此不作討論。
4.能結合案例找出影響簡單控制系統運行的主要幹擾因素,並作分析
在控制系統的設計中,對幹擾因素的分析是重要的。確定一個系統的控制方案的前提,往往是建立在對影響系統穩定的幹擾因素分析的基礎上。
例 樓宇水塔的水位控制的幹擾因素分析
分析:影響水塔水位的幹擾因素主要有:水塔的出水流量、水面蒸發的水量、水塔的進水流量和進水管的壓力等。其中出水流量是根據用戶的用水量變化的,是不可控制的變量;水面蒸發的水量很少,可以忽略;而水塔的進水流量是可以控制的。
例 風磨的轉速控制的幹擾因素分析
分析:影響風磨轉速的幹擾因素主要有風速、投料量等。當投料量一定時,風速減小,磨的轉速就變慢。
在此,僅要求學生能列出簡單控制系統的幹擾因素主要有哪些,不要求對這些幹擾因素作具體分析。
5.了解簡單的被控制對象的基本特性,能確定被控量、控制量,畫出控制系統的方框圖,並形成初步的控制設計的方案
這裡的被控對象基本特性是指在正常的工作狀態,被控對象的輸出信號與輸入參數、與主要的幹擾參數之間的關係,只需要有所了解,對被控對象的特性的數學模型的描述在此不作要求。
當需要對一個簡單的控制系統進行設計時,學生首先要學會分析這一系統中,需要控制的參數是什麼,通過改變什麼參數來實現控制,是採用開環控制還是採用閉環控制來形成控制設計方案,然後要能畫出這一系統的方框圖。
6.能根據開環控制系統的設計方案,製作一個控制裝置;或者能根據簡單閉環控制系統的設計方案進行實施或模擬實施,學會調試運行,提出改進方案
這是對控制的實施方面的要求,由於對控制器、執行機構、反饋環節和對象的特性沒有提出更多的要求,故不要求學生象專業設計師一樣進行完整的閉環控制系統設計並加以實現。所提的要求是從開環控制裝置的實施著手,比如,設計並實施一個開環的定時控制裝置,要求學生完成從方案設計到製作的整個過程,並進行測試和評價。如果裝置不能達到或不能完全達到定時的功能,要能尋找原因,提出方案設計或製作過程中出現偏差的原因所在,並加以改進。
有試驗條件的地區或學校,可以進行簡單的閉環控制系統的設計和實施。
7.關於活動建議
本主題中有4個活動建議。
建議1,要求學生參照家用抽水馬桶的水位控制原理,將一個原來是人工的水位控制系統改進為自動控制系統。學生首先要研究抽水馬桶的水位控制是如何實現的,然後再動手設計一個類似的水位自動控制方案,並實現它。
建議2,列舉出了若干控制設計的例子,要求學生學會分析已經設計好的控制系統。
建議4,這是一個擴展性建議,是工程上常見的問題。不要求每個學生都做,有條件、有興趣的學生可以通過查閱有關資料,了解和研究這一問題。
(完)