《系统优化》教学设计

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2020年11月20日23:57:43 评论 0 4537字

《系统优化》教学设计

 

一、教材分析:

系统优化是系统分析的深入和延伸,系统分析和系统优化是系统设计的基础,更是系统设计过程中的重要环节。

本节教材中分三个部分:

第一部分:案例分析

“建造隔音墙”案例,目的是为了阐述系统的意义。从实例分析入手,降低教学难度,运用系统的思想定性分析的方法,进行研究、优化,在分析过程中体验系统优化的意义。

为了让学生体会分析和优化仅仅靠定性的分析是远远不够的,还需要更多的定量计算才行,以“为江边码头选址”为例,让学生们建立数学模型并计算。

第二部分:根据案例分析总结阐述系统优化方法和一般性步骤,分析影响系统优化的因素。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:通过试一试和技术试验的活动,让学生亲自完成一个系统优化的过程,体验系统是如何优化的。

二、学情分析:

学生在具体分析过程中往往会局限在具体问题的深入探究上,不能运用系统的思想和定性、定量相结合的方法,进行优化系统。要及时对学生进行指导,帮助学生从宏观上把握系统分析和系统优化的全过程,注重学生的体验和感悟。

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

5、运用系统最优化方法的一般性步骤对简单系统进行优化

过程与方法:通过讨论、案例分析,使学生懂得用所学的知识解决有关问题

情感态度与价值观: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。

四、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

教学准备:多媒体课件

五、教学流程:

 

教学内容与过程:

★复习巩固::

教师提问:什么是系统?

学生1回答:由相互依存的若干要素组成的、具有特定功能的有机整体。

教师提问:系统的基本特性是什么?

学生2回答:系统的基本特性可归纳为:整体性、相关性、目的性、环境适应性。

教师总结:作为系统,它们就具有整体性、相关性、目的性、环境适应性,就构成系统的的基本思想。对系统分析的基本方法就是运用系统的思想和定性定量相结合的方法对系统及性分析。

★引入:

教师讲述田忌赛马的故事,引出系统优化的问题。

田忌赛马

战国时代,齐王常与他的大将田忌赛马,双方约定每场各出一匹马,分三场进行比赛。齐王的马有上、中、下三等,田忌的马也有上、中、下三等,但每一等都比不上齐王同等的马,于是田忌屡赛屡输。

一日,田忌的宾客、对军事颇有研究的孙膑给田忌出了一个主意,结果以二比一赢了齐王

田忌的赛马共有6种方案——

  田忌齐王   田忌齐王
 

(1)

上马:上马

中马:中马

下马:下马

 

(2)

上马:上马

中马:下马

下马:中马

 

(3)

上马:中马

中马:下马

下马:上马

 

(4)

上马:中马

中马:上马

下马:下马

 

(5)

上马:下马

中马:上马

下马:中马

 

(6)

上马:下马

中马:中马

下马:上马

在以上各方案中,齐王与田忌的赛马结局有以3:0赢的,也有以2:1赢的,但只有一种情况是田忌以2:1取胜于齐王的,孙膑正是把这种方案推荐给了田忌,就是上述方案(3)。

教师:作为一个系统,通常就会有这样或那样的问题。如:效果不佳;或是投入的人力、物力、财力不是最小;或是某种性能不理想等等。因此系统需要改善,需要优化。

在现实生活中,由于受环境和条件的限制,不可能找出一切方案,也不可能对所有方案进行全面比较,漫无边际地去研究所有方案,无论在时间上还是人力上都不允许,运用科学的方法就更为重要,缺乏资料,缺少对资料的科学计算和分析,只靠拍脑袋无法寻找到最优方案。

★新课教学:

一、案例分析

案例1:通过“建造隔音墙改善车流噪音污染”的案例定性的分析,体验系统优化的意义

学生朗读:

2005年的新春,南京市人大十三届三次会议上,王湘等10位代表共同提交议案,呼吁为城西干道沿线的民居和学校解决车流噪音污染问题。

“城西干道从大桥南路到赛虹桥立交桥,是南京市贯穿城市交通的大动脉。城西干道全线贯通于2000年,因为有了城西干道,许多从大桥过来的车辆不必经过市中心就可以便捷地通过包括城西干道在内的绕城公路通行。

城西干道的出现,除了带来交通便捷,也给沿线的数十万市民带来了噪音之苦。从大桥经过城西干道的大多数是重型载货车和大客车,而且城西干道的每天的车流量非常大。据调查,白天畅通时城西干道上的车辆平均时速为80迈,晚上可以达到100迈。重量大、速度快是城西干道上车辆的一大特点,车身和空气的摩擦声、发动机马达声是噪音的主要来源。

城西干道沿线分布着大量的居民区,按照国家相关环保划分标准,这些居民区属于商业、居民、文教混合区,白天最大噪音值是60分贝,晚上最大噪音值是50分贝。但是两边的居民区噪音全线超标,在离高架不到15米的重噪音区圣淘沙花城19楼的一户人家,更是测出了开窗峰值81.6分贝、谷值65.8分贝,关窗峰值66.7分贝、谷值54.2分贝的超标噪音。长期生活在噪音中,人的健康会受到损害,可能导致心血管疾病和神经系统疾病。

城西干道沿线不仅有民居还有学校,有的学生戴耳机睡觉;老师上课用喇叭讲课;有的学生说:“在城西干道边上住了4年,记得刚进校的时候整整一个星期就没睡着觉。后来终于慢慢习惯了,如今到了夜里打雷都不醒,只是时常觉得精神疲劳、头疼,还有点健忘。”噪音已经伤害到这些学生的神经系统。

21世纪的城市人居环境不仅要讲究安逸更要讲究健康,现在正在建的城东干道高架已经做了隔音墙的规划,希望有关部门能考虑到城西干道沿线众多居民区和学校的存在,也在这一区域安装隔音墙,免去市民的噪音之苦。”

教师:问题提出来了,怎样能够改善城西干道周围附近噪音的污染,优化居民楼、学校等大环境系统。

学生3:降低车体本身的噪音;

学生4:让车流在此路段减速通过;

学生5:让车道远离学校……

学生6:修建隔音墙√

教师:隔音墙作用的本质是改变噪音的传播途径,以达到改善污染的目的。

 

交流讨论

分小组讨论,派代表发言

隔音墙的高度、长度如何考虑?§

学生:具体测量噪音严重的程度。

通过实地调查城西干道车流附近学校、居民楼或其他建筑的规模数据来确定;

隔音墙的墙体结构及外形怎样考虑?§

学生:隔音墙的墙体结构外形因该市墙体垂直或略向车流一侧倾斜;

墙的头部形状略向内侧适度弯曲;

如果道路两侧的建筑比较高时;修建的隔音墙的高度就要很高,应该建成封闭式的;

墙体内侧表面应该做吸收声音处理。

隔音墙体的主材料怎样选用为好?§

学生:利用隔音墙可以将噪音反射到上空,但仅将噪音反射到上空也是不够的,还要使用很好的隔音材料。拿出几套采用不同材料的方案,列表比较说明,在坚固、美观、经济(造价、维修)等因素间权衡、比较、决策。

建造隔音墙的投入与改善车流噪音污染的总效果应如何评价?§

学生:从做到投入最小和效果最好;

做必要的验证试验。

教师:系统被改善了系统优化

北京市崇文区的夕照寺和幸福北里紧邻京山铁路,京山铁路进出北京站必经这个居民区,每天有140多列火车通过,在铁路两侧修建了隔音墙。共有1100m长,高度分别是4.0m和5.2m,用隔音材料制成。这一段是距铁路最近,人口最稠密的地段,做建设隔音屏障前后对比监测表明,噪音平均降至61-62分贝,比过去降低8.6-11.4分贝,低于国家规定的70分贝。

但对于类似于香港城市高楼林立的情况,再高速公路两侧如果修建隔音墙必须修得很高才可以,如果墙修得太高,那么抗风暴的能力就会大大减弱,为增加抗风暴能力,选材时就会大大提高成本,这样修建隔音墙就不是合适的优化方法。

教师:系统优化的意义就是以最小的投入,获取系统的最佳效益或最佳功能。

再举例:

如:在蔬菜、西瓜的种植中,要使蔬菜防病和提高产量,要使西瓜抗御低温的能力,就应采用嫁接技术,这是一项增产增收的栽培技术,嫁接的西瓜比自根西瓜增产1倍以上。

如:建筑材料的改进也是一项优化技术,以往建筑物的墙体多采用实心砖,现在采用了空心砖,在保证强度、隔热隔音效果的同时,节省了材料。

教师:对于比较复杂的系统,人们对其特征了解不够,所以需要运用一定的数学的手段描述它,进而找到合适的解决方案。

在前一节的学习中,我们就曾接触到数学模型的问题,比如龙舟赛艇案例分析中,可以根据牛顿第二定律进行定量描述a=F/m,这就是一个描述运动特性的数学模型。

系统建模的目的是要将系统的原型抽象为数学模型,并运用已有的数学方法分析求解得出数学结论,再运用这一结论来解决实际系统中的问题。

案例2:

在江边一侧有A、B两个厂,它们到江边的距离分别是2km和3km,设两厂沿江方向的距离是3.5km,现在要在江边修建一个码头,使得两厂的产品能够顺利过江,问码头应建在什么位置,才能使运输路线最短?

本问题属于系统的优化问题。

 

学生分析:

根据要求可画出上图,在江边DE上求一点C,使C到A、B两厂的距离之和为最短。

数学模型为:Smin=AC+BC

过A点作关于直线DE的对称点A1,连接A1B与DE相交于C,这一点既为所求的码头的地点。

根据相似三角形原理,求得DC=1.4km,码头建在与A厂到江边垂直距离位置相距1.4km处,运输路线最短。

教师:从“为江边码头选址”这个例子,可以看出优化仅仅靠定性的分析是远远不够的,还需要更多的定量计算才行。

二、总结:

1、系统优化的一般性步骤

①提出需要优化的问题;

如:城西干道噪音污染问题就是需要进行优化的问题;码头的选址也是一个系统优化问题。

②需要收集有关资料和数据,确定变量、建立定量计算方程(数学模型)和约束条件,选择合适的最优化方法

如:具体测量噪音的严重程度;为保持方案可行,必须勘测、预算;建立隔音墙防噪音的数学模型及墙体参数条件,求解数学解;墙体结构与材料与定量计算有关;经费预算包括:购买器材、设备费用;外请工程设计与施工技术人员费用民工费用、机动调动费用……

③验证和实施。

条件校验:逐项校验修路工程所需的人力、物力、财力是否具备。

实施与调整:实施计划的过程

2、影响系统优化的因素

①优化追求的目标要适度。

②希望投入最小,而取得的效益最大

效/耗比性/耗比性/价比(比值越大,就越接近或达到最优化)

③系统优化使离不开条件,条件是否具备直接影响优化。

④某些不确定的或不可预见的因素也会影响系统的优化。

3、最优化方法

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。

六、教学反思:

在教学过程中,以优化作为教学主线,以案例为载体,一步步分析展开,完成教学任务,达到教学目的。对隔音墙实例可以指导学生对确定的研究问题进行实地参观、测量、调查和向专家咨询,得到第一手材料后,再让学生进行讨论交流,在相互评价、自我评价过程中获得学习的乐趣。

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