苏教版2019 高中通用技术 第三单元 系统及其设计（教案）

二系统分析与设计

任务一 探究系统分析的一般过程和基本方法（两课时）

一、教学目标

1.通过案例分析和讨论，说出系统分析的一般过程，归纳系统分析的基本方法。
 

二、教学重点、难点

系统分析的一般过程，归纳系统分析的基本方法

三、教学方法

讲授法，演示法，任务引导法

四、教学过程

1、情境导入

在解决了水龙头没关或漏水而造成的浪费问题后，大家认为由于学校所处城市雨水很多，可在学校屋面和校园硬化地面及塑胶操场等处做集兩面，对雨水进行收集、净化处理，以满足校园绿化、公共卫生方面的用水需求，以期达到节约用水的目的。
    系统分析是系统设计的重要环节，我们可以把-一个复杂的设计项目看成系统T程，通过对系统目标、要素、环境、资源、管理和维护等的分析，可以准确地发现问题，深刻地揭示问题的本质，从而分析并有效地提出解决问题的设计方案。

2、新课学习

在现实生活中，我们每个人都会面临各种各样的选择和决策。决策方法有经验决策和科学决策，经验决策是人们惯用的方法，有时可能会导致失误;科学决策则可以最大限度地减少失误。系统分析就是一种科学决策的方法。
    例如，在人口规模很小的县城，道路状况简单，公共交通线路的决策也简单。
设计者凭借经验，可以完成公交线路的设计。在人口规模巨大的城市，道路状况复杂，市民对交通的需求趋于多样化。这时若仅凭经验规划公交线路，容易顾此失彼，出现失误。如果把大城市的公共交通看作一个系统，综合考察全市的道路状况、人口密度的分布、不同区域的居民对公共交通的要求等，运用科学的方法进行综合分析和研究，就能设计出城市公交线路规划的最佳方案。
    这种为了发挥系统的功能，实现系统的目标，运用科学的方法对系统加以周详的考察、分析、比较、试验，并在此基础上拟订一套有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案的过程，就是系统分析。系统分析的显著特点是整体地而不是零星地处理问题，考虑各种主要变化因素及其相互的影响，全面地思考和解决问题。

借助于系统分析，可以正确地提出整体目标，恰当地选择方案，科学地确定行动的方略。

系统分析的一般过程

系统分析的出发点是为了发挥系统的整体功能，目的是寻求解决问题的最佳决策，而生产和生活中的-些问题，往往存在着许多相互关联的因素和一些不确定的因素，所以最佳决策只是在若干方案中寻求的相对令人满意的方案。

系统分析的一般过程可以描述为:

明确问题   设立目标

明确所分析的系统及其结构，确定所要研究问题的性质和范围，提出所要达到的日标，明确约束条件

收集资料  制订方案

收集相关资料，制订解决问题的各种备选方案，进行多日标的权衡与分析，并明确技术实股路线

分析计算  评价比较

对系统进行整体分析，对各子系统进行分析，对系统进行建模与推演，将各种方案进行评价对比

检验核实  做出决策

通过实证对方案的实施效果做出评判。如果对方案不够满意，还可按上述程序进行反复，直到获得满意的方案为止

系统分析方法一建模

系统分析方法是指把要解决的问题作为一个系统，对系统各要素及其之间的相互关系进行综合分析，找出解决问题的可行方案。用建模的形式对系统进行分析和研究的方法是系统科学的基本方法。建模的基础是找到不同事物或现象之间的相似性，这种相似性包括外形相似、结构相似、行为相似、功能相似或逻辑关系相似等。

复杂系统的分析和研究尤其重视模型方法。

模型可以说是现实系统的抽象与合理简化，利用模型可以用较少的时间和费用对实际系统进行研究和试验,并且可以进行反复演示和研究，因此更易于洞察系统的行为，但是在运用该模型时必须考虑这种简化对现实系统的影响。

模型有三个特征:

(1) 它是现实系统的抽象或模仿;

(2) 它是由那些与所分析问题有关的要素构成的;

(3) 它表明了有关要索间的相互关系。

通常，技术领域系统分析中较为常用的是系统的数学模型和框图模型等。

数学模型用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型，称为数学模型。数学模型是系统分析中经常用到的一种工具，人们将现实世界中的原型抽象概括成数学语言，运用已有数学方法分析求解，得出结论。数学模型突出事物的主要因索，舍齐事物的次要因素，便于抓住事物的本质进

行分析研究。

案例分析

简易雨水收集与利用系统中储水装置的设计

雨水储存装置设计得过大或过小都会造成浪费，所以其容量大小的设计需要先建立合适的数学模型，再依据当地的年平均降雨量来进行估算。

储水装置数学建模:

1.计算年收集雨水量(屋顶面积180m2)。当地年平均降雨量为1 000 mm,假设每年每平方米可收集975 kg水，以屋顶面积180 m2计每年收集雨水量为: 975 kg/m2 x 180 m-=175.5t。

2.储水装置最小容量的计算。

设计要求:储水装置要能满足按年平均降雨量连续3天降雨的情况下,收集雨水的储水量。每年按365天计算，每天的雨水收集量是:175.5t+ 365≈0.48t。

3天收集雨水量: 3x0.48t=1.44t， 换算成容积即为1.44 m。所以这个储水装置的容量最小需要达到1.44 m2

3.储水装置的尺寸设计。

若在地面建长1.2 m、宽0.8 m的长方体水池，那么高度就是1.44 m2=1.5m,满

1.2mx0.8 m足最小容量1.44m'2若建横裁面积为0.8 m2的圆柱形水罐，其长度就是1.44m'=1.8m,满足最小容0.8 mt量1.44 m'。

思考:

1.如果从用水量的大小来对储水装置进行设计，应该如何建立数学模型?

2.从结构受力的角度来分析，你认为这个装置是设计成圆柱体好还是长方体好?请说说你的理由。

框图模型

用- 个个封闭的小框图代表系统的各个要索或子系统，在框图内或框图边注明要素或子系统的名称，按照系统的结构模式把它们排列安置于适当位置，用无向线段或有向线段把这些小框图连接起来，以表示系统的基本结构框架，再用无向线段或有向线段表示系统与环境的联系，这样形成的图形就叫系统的框图模型。

最简单的系统框图模型是输入一输出模型，也叫系统的概念模型，如图3-9所

示。它把系统内在的要素与结构简化为一一个矩形方框，把环境对系统的作用统称为输入，把系统对环境的作用统称为输出。

从系统运行的角度来看，系统和环境之间是一-种 刺激和响应关系，输人是环境对系统的刺激，输出是系统对这种刺激做出的响应，描述系统就是在描述这种刺撤和响应的关系。外部刺激是条件，响应是系统回应环境的行为对策，人们描述系统所关注的就是条件与对策之间的各种可能的对应关系，即如果外部出现什么情况，系统就回应以什么行动。

案例分析

火力发电站系统框图模型火力发电企业的火力发电系统要能够有效运

行，就需要建立一个直观的概念模型和系统框图模型对其进行设计分析，如图3-10、3-11 所示。

思考:

1.请对这个火力发电站系统框图模型进行分析，分析该火力发电站系统按功能来分可以分为哪几个子系统，简述各子系统之间的相互关系。

2该火力发电站系统中节能的环节是哪-部分?说说它们是如何实现节能这一日的。

马上行动

从校园屋面雨水的收集与利用系统设计要求来看，该系统的输人为雨水，输出对应的是供水。如果把校同屋面雨水的收集与利用系统当作一个整体来看，可以画出如图3-12所示的概念模型。

经过分析可知，该校阿屋面雨水的收集与利用系统中的子系统有:屋面雨水收集子系统、雨水净化与储存子系统、自动补水子系统、益水子系统、供水子系统等。

建立模型不仅需要科学理论和工程技术知识，还需要实践的经验和技艺。模型是对系统的理想化抽象或简化表示，描绘了现实系统的某些主要特点，是为了客观地研究系统而发展起来的。

系统分析的主要原则

运用系统分析的方法处理具体问题时要遵循整体性原则、科学性原则、综合性原则三个主要原则。

整体性原则

系统分析首先要着眼于 系统整体，要先分析整体，再分析部分;先看全局，后看局部;先看全过程，再看某一个阶段;先看长远，再看当前。

案例分析

丁谓修复皇宫

北朱真宗年间，皇城失火，宫殿被烧毁，大臣丁谓主持了皇宫修复工程。他采用了这样一套施工方案:先在需要重建的大道上就近取土烧砖，在取土后的深沟中引人汴水，形成人工河，再由此水路运输建筑材料，从而加快了工程进度。在皇宫修复后，又将碎砖废土填入沟中，重修大道

丁谓在皇宫修复工程的建设施工中，运用了整体的解决方案，使烧砖、运输建筑材料和处理废物三项繁重的工程任务协调起来，在总体上得到了最佳解决，一举三得，节省了大量劳力、费用和时间:

讨论:丁谓所采用的方案为什么能一举三得?

在实际生活中，经常遇到对系统中各个局部考总得很仔细，却忽略或较少考虑全局的事例，这样就很难得到良好的效果。

马上行动

赵明给自己家设计制造了一个雨水收集储水罐。为了防止收集到的雨水受到二次污染，他把储水罐设计成全封闭的。可是在实际使用过程中发现.在雨水稀少的季节里，常常会出现无水可用的情况，面在雨水多的季节里，储水继由于受压过大，有时会被撑裂。赵明设计的雨水收集储水罐存在什么问题?该如何进完善?

科学性原则

系统分析一方面要 有严格的工作步骤，另- -方面应尽可能地运用科学方法和数学工具进行定量分析，使决策的过程和结果更具说服力。例如，在比较种稻是一一年三季划算还是一年两季划算时，有人就提出“是三三得九好，还是二五一十好?”这就是一种朴索的定量分析。当然，在处理复杂系统的分析与优化

问题时，往往需要使用比较复杂的数学工具。

拓展阅读

优选法

优选法是快速寻找最佳方案的科学方法。具体的优选法有很多，如黄金分割法、分数法、对分法等。这里只介绍黄金分制法，也称0.618法。以技术试验为例，先把整个试范围看作1,然后在整个试验范围的0.618处选点做第一次试验，再在这个点的对称点，也就是倒过来的0.618处选点做第二次试验。比较两次试验的结果，去掉效果差的那个试验点以外的那部分范围;再在余下的包括好点在内的范围内继续采用这种方法，再比较试验结果，这样逐渐缩小试验范围，迅速找到试验日标。例如，要在某种合金钢中加人某元素以提高它的强度，假设试验范围足每吨加人量为1 0-2000g，那么究竞应加入多少?若用一-般试验方法，每隔5g试验--次需要做200次，每隔10g试验-次需要做100次。若用0.618法，只需做11次，就可以找到最佳加入量了。

综合性原则

系统分析 总是为实现系统目标服务的。当系统存在若干个目标时，应将目标排出优先次序，首先实现最优先的目标，然后尽可能在不损害第一个目标的前提下完成下一个目标。这就需要综合分析，统筹兼顾，不可顾此失彼，因小失大。例如，工业生产既要求产量大，又要求质最好、成本低，如果片面强调一方面

就会产生偏差，城市公交系统既要强化公共交通的安全，又要缩短车辆行驶的时间，兼顾社会效益和经济效益。又如，雨水回收和利用系统的设计既要做到雨水的有效回收和利用，又要考虑该系统的投入和运行过程中的效益;既要考总雨水的收集,又要考总雨水的净化等。

系统分析还需要考总设计方案出台所带来的后果。有的工厂在生产产品的同时，也向周围环境排放出“三废”，造成污染;毁林开荒虽然能收获农产品，但会造成水土流失，贻害很大。

某些情况下，综合若干方案的优点，会取得意外效果。现代医学采用中西医

结合的方法攻克了许多疑难杂症;农业中则综合了地面水库、地下水库、土壤水库、绿色水库(山区造林种草，每亩地可蓄水20m2)等不同的方案进行保水。

案例分析

青藏铁路当雄特大桥

青藏铁路当雄特大桥的修建创新了施工工艺，采用了科学环保的施工方法。当雄县的沼泽湿地地表水丰富，地质条件差，沼泽深4~7 m。特大桥墩396根,总桩基长1154 m,钻孔桩施工难度大。传统的钻孔桩施工采用现场挖设泥浆池处理泥浆，不仅破坏草地，而且在钻孔中泥浆到处排放，严重污染沼泽湿地。为此，建设者们自行研究设计，将泥浆池改进成泥浆钢箱，在封闭的制箱里循环利用泥浆进行钻孔，有效地避免了因泥浆排放对沼泽湿地的污染，解决了钻孔泥桨污染环境的一一大难题。

恩考:你认为青藏铁路当雄特大桥的设计综合考虑了哪些日标?

思维碰撞

在系统分析过程中,整体分析和综合分析有什么不同?可以只做整体分析而不做综合分析吗?

3、课堂小结

说出系统分析的一般过程，归纳系统分析的基本方法。

五、教学反思