闭环控制系统工作过程与方式的实验创新

闭环控制系统工作过程与方式的实验创新

董 爽

摘　要：采用互联网教学方式开展控制系统的工作过程与方式学习。根据两个实验分别对开环控制系统进行了复习，对闭环控制系统的新知进行了学习。实验的关键是既能保证知识的获取，又要确保实验的安全性和材料易取。关键词：闭环控制；自动浇花器；学科核心素养；反馈

一、研究背景控制无处不在，从学习到生活，从生产到管理，都离不开控制。学习一些控制技术可以提升学生的思维能力，提高学习和工作效率，对学科核心素养的养成乃至今后的成长与发展都是十分重要的。从本节课的知识结构角度来说，对控制的进一步了解，有助于锻炼学生解决生活中遇到的相关实际问题。我校高一学生具有良好的学习习惯和各学科知识储备，对发现问题与解决问题有强烈的探索欲和积极性，且已学习系统、控制概念，已具备开环控制系统知识。

原有教学案例的弱点：教材采用游泳池、电动门、活动猴等案例分析开环控制系统的工作过程。这些案例与学生课堂距离较远，且无法看到其工作过程，学生理解分析起来比较困难。闭环控制系统的工作方式是较难的知识点，学生对反馈环节的作用理解有一定难度，是本节课学习中的难点。教材用游泳池的案例进行讲解，讲解概念后，用希罗的自动门等距离学生更远的案例巩固新知，学生难以对知识深入理解。

因此，在教学过程中，笔者以贴近学生学习生活的“自动浇花系统”项目，让学生根据花卉生长特性，设计一个适时适量为花卉浇水的自动控制系统，使学生在技术实践中提高学科核心素养。

二、创新实验的用品学生所需准备的工具：植物、自动浇花器等材料、器材、热熔胶等，如图1所示。

图2　自制开环控制系统自动浇花器三、创新实验介绍1.自制开环控制系统自动浇花器(1)实验用品

550 mL矿泉水瓶1个，输液管1根，铁架台1个，瓶塞(6号)一个，绿萝1盆，储水盘1个。

(2)制作及使用方法

将矿泉水瓶装满水，用胶塞封口，在瓶底用锥子打一个孔。再将输液管上的针头穿过胶塞，让水从输液管流出，调节输液管的调节阀控制出水量(如图2所示)。

图1　学生所需准备的工具

作者简介：董爽，本科，二级教师。北京市丰台第二中学，100071

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(3)科学原理

瓶内压强为大气压强，瓶内水位的压强大于出水口的压强，因此将水从输液管压出，调节阀可起到调节水流大小的作用。开环控制系统自动浇花器的工作流程见图3。

图3　开环控制系统自动浇花器工作流程图(4)优点及存在的问题

优点：一是浇花过程中双手，实现了自动控制；二是短时间外出可以保持植物所需水分。

存在的问题：这款自动浇花器在浇花过程中无法满足适时适量浇水，无论植物是否需要水分，浇花器只能等瓶内的水流完，才能结束工作。

此环节通过对开环控制系统自动浇花器进行实验探究，学习其科学原理，总结出了开环控制系统的工作过程与方式，并以“适时、适量”为设计要求，提出改良已有浇花器的任务。

2.自制闭环控制系统自动浇花器

旨在探究闭环控制系统的工作过程，理解其反馈作用。

(1)实验用品

绿萝植物、矿泉水瓶、吸管、储水盘、锥子、剪刀、热熔胶等。

(2)制作及使用方法

在储水盘边缘设定一条水位线，在矿泉水瓶的底部2 cm和4 cm处各打一个孔，分别安装一根吸管，并用热熔胶密封。将更靠底部的吸管作为出水管，较高处的吸管作为进气管(如图4所示)。

图4　闭环控制系统自动浇花器

将制作好的浇花器放满水，放在储水盘上，当瓶内水位高于水位线，瓶内水位的压强大于出水口的压

2020年10月强，出水口出水。当进气管口被储水盘里的水封住，瓶内水位的压强小于出水口压强，浇花器停止工作。当储水盘里的水被植物吸收或蒸发，液面低于设定的水位线时，进气口再次进气，如此构成一个循环往复的过程。

(3)工作原理

在系统的输入端(设定水位)和输出端(实际水位)之间，除了有从输入端到输出端的信息传递，还有从输出

端返回到输入端的信息传递，即控制系统可以把输出端的给定值返回到输入端进行比较，构成一条闭合回路——闭环控制系统。

在这个系统中，输出端(实际水位)通过检测装置(进气管口)返回到输入端(设定水位)并进行比较，对控制过程产生影响。因此，进气管口是整个系统里的反馈(如图4所示)。

图4　闭环控制系统自动浇花器工作流程图(4)优点及存在的问题

优点：闭环控制系统自动浇花器适合给喜水性植物使用，能够实现自动浇花工作。

存在的问题：这款自动浇花器只能针对喜水性植物，不适用于多肉植物。

(5)课后任务延伸

根据多肉植物的生长特性，以“适时、适量”为设计要求，让学生课后设计一款自动浇花器。

四、实验反思本节课设计了多组实验来提高学生对知识学习的直观性，使学生能够准确理解并应用开闭环控制系统的工作原理和过程的相关知识，具体效果如下。

1.实验科学　效果直观

开环和闭环控制系统自动浇花器两个实验，科学严谨，现象简单明确，说服力强，不仅使学生直观理解开

环和闭环控制系统的工作方式，而且将多学科知识融合运用于产品制作，学习了科学实验方法，培养了学生科学严谨的实验态度和精神，这种培养对学生的成长更加重要，对学生的影响是长期的、深远的。

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39实验设计与改进

2.多学科融合探究　从“重结果”转向“重过程”整个教学过程以学生为主体，突出其主体作用，提高了学习兴趣，设计了多学科融合解决实际问题的探究实验。

任务探究的安排，体现从“重结果”到“重过程”的转变，让学生知道怎样去获取有用的知识和技能，而不是直接把知识和技能灌输给他们。学生通过完成教师安排的制作与探究任务，了解了闭环控制系统的基本组成、工作过程以及反馈的作用，使学生更加深刻地理解了知识，养成了科学严谨的实验态度。

3.围绕载体　学以致用

学生在“自动浇花器的设计与制作”大项目中，认知从“原有经验浇花”提升到“科学精确浇花”；强化

了环保、节约用水的意识，锻炼了对生活环境技术问题的敏感性和探究欲望，培养了对待技术的积极态度和正确使用技术的能力。

在提升阶段，引入智能控制浇花器的学习思路，扩展了视野，培养了学生的技术意识和工程思维，将技术知识应用到生活中，将通用技术学科要求的核心素养落到实处。参考文献[1] 普通高中课程标准实验教科书通用技术必修2:技

术与设计2[M].南京:江苏教育出版社,2012.[2] 中华人民共和国教育部.普通高中通用技术课程标

准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018.

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(4)统计实验结果：两种颜色的牙签组合分别有多少种？每种组合的数量是多少？计算牙签组合类型之间的数量比。

(5)统计全班的实验结果，得出结论。实验记录表见表1。

表1　实验记录表(样表)

组合序号

123......100合计组合数量比

D+d(红+绿)

D+D(红+红)

d+d(绿+绿)

签瓶体积小、容量大、成本低，空间、时间条件都能满足，可保证全班学生两人一组完成实验，样本数量足够，全班学生都能参与。

(2)学生只需将牙签涂成红或绿色即可(也可以将其中部分涂色，另一部分保留原色)，用品准备便捷容易。

(3)实验过程中压按钮让牙签随机弹出来，使结果更加客观，还增加了趣味性，能让学生在游戏中体验科学。

2.实验设计的合理性

(1)实验统计样本足够多是孟德尔能够分析实验结果的前提之一，每组学生的实验有足够多的实验数据，符合要求，实验结果得到了优化。

(2)在实验过程中，牙签数目的设定更符合客观事实，使得实际雄配子的数目远远大于雌配子的数目，弥补了教材实验中雌雄配子数量相等的不足，让学生的学习和认知更加科学。

(3)将生活中的物品用于生物学习中。通过此次实验，鼓励学生按照科学、简约的原则自行设计并进行模拟实验，培养学生的实践创新能力，提高学生的生物学学科核心素养。

3.改进实验结果

统计发现，每个小组实验结果基本上都接近预期结果，将全班所有小组实验的结果汇总后发现更接近预期结果，即牙签颜色的组合数量比为：DD:Dd:dd = 1:2:1。

三、改进实验设计的优点1.实验用品的选择

(1)用牙签来完成实验方便、科学，优势明显。牙

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