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第三章  第三节 系统的优化

作者:冯红彬 来源:未知 更新日期:2012-04-11 浏览次数:
一、教学背景分析
1、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。系统分析和系统优化,两者的目的是为了形成系统的优化设计。
总体上来说,教材本着从具体实例的分析入手,在实践中感受、体验和学习,在技术素养的培养过程中,激发学生的创造意识。两个实例的设置目的,内在含义是不一样的。
“阅读材料中”中的“最优化原则和步骤”给出了最优化原则和一般性步骤。虽然说在“阅读材料”中出现,却是系统优化的指导思想。不同的系统优化的影响因素是不同的,优化的过程也是不相同的,所以不能给学生一个模式化的纲目,让学生用这个模式化的纲目处理问题。学生重视系统优化分析的全过程,必须从系统整体上运用权衡的理念,把握好系统最优化的方法指导。切忌给学生一些条框式的结论,对于最优化的方法要因问题而异。
2、教情分析
对教材中的两个实例,学生只是从功能上对其有所了解,如“居民楼旁边的高速路上的塑料墙可以隔音”,“想致富先修路”。并没有从系统的层面上认识系统优化分析的意义和影响系统优化的因素。教师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。
可以根据学生和学校的实际情况,选择不同的教法,对案例进行讨论交流,开展讨论时的学习,最后形成比较完整的系统优化的分析报告。
3、学情分析
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。得到第一手的材料后,让学生进行讨论和交流,相互评价,自我进行评价,从中获得学习的乐趣。学生在具体分析过程中又往往会局限在具体问题的深入研究上,不能运用系统的思想和定性定量相结合的方法,进行分析优化系统。
二、设计思路
前两个实例不是学生比较熟悉的系统,所以可以选择其他的系统进行研究分析,从而得到优化的结论。让学生明确系统的优化的含义,系统优化是为了什么,知道系统优化的一般步骤是什么。
含义要详细的介绍,利用课外典型的系统案例,让学生更加明确系统优化目的。这些实例中应该更多的是学生亲身经历过的。组织一些讨论的题目来让同学们进行讨论。
三、教学目标
(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分析。
(6)体验系统优化的意思。
(7)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、重点、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。
五、教学器材
多媒体计算机、投影仪。
六、教学过程
导入:上节课我们了解了系统的四个基本特性(整体性,目的性,相关性,环境的适应性),能够对系统做出评价。
思考:
有一个农夫带着一条狼、一只羊和一筐白菜过河。如果没有农夫看管,则狼要吃羊,羊要吃白菜。但是船很小,农夫只能带一样东西过河。你帮农夫解决问题?(1、农夫带着羊首先过河,农夫回来。2、农夫与狼过河,农夫与羊回来;3、农夫搬白菜过河,农夫回来;4、农夫与羊一起过河。)
类似问题:有一对夫妇带着2个儿子和2个女儿过河,他们想过河的时候,来了1个警察,带着1个匪徒 ,他们也想过河回总部。
问题条件:
船只有一只,每次只能载2人,只有4个大人能摆渡。女儿不可以在老妈不在的情况下与老爸在一起,否则回发生家庭暴力事件。同理,儿子不可以在老爸不在的情况下与老妈在一起。匪徒不可以在警察不在的情况下与其他人在一起。问怎样可以顺利把所有人载到对岸去?(解答略)
老师问:思考:学习系统的优化有什么意义呢?
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。
1、什么是系统的优化
系统的优化是指在给定的条件(或约束)下,根据系统的优化目标,采取一定的手段和方法,使系统的目标值达到最大化(或最小化)。
案例分析:建造隔音墙改善车流噪音污染——系统优化的意义。(浙江天台县高速噪音超标80%,66户村民告上法庭,内容略)
讨论:
怎样改善噪音的污染,优化村民所处环境(系统)?(答略)
作为一个系统,通常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。
我们做任何事情都希望达到最优的效果。如希望以最小的成本获取最大的利润,以最短的工期完成更多的工程量,以最少的能耗生产更多的产品,在单位面积上尽可能提高农业产量等。
2、影响系统优化的一般性步骤
案例:农作物种植系统的优化——农业间作套种(内容略)
请同学回答问题:你认为在你所在地区,可采取哪些提高农作物产量的措施?(更具这个实例得出的两个定义,让学生分别从案例中找到相应的目标函数和约束条件。)
目标函数是系统目标与系统中的某些元素之间的关系。
提高土地利用率和土地单位面积农作物收益总和之间的关系。
约束条件是对系统的功能起着限制作用、并且是不能人为调节的因素。
农作物的生长周期、气候等因素。
从案例中我们可以看出:
①优化追求的目标要适度。
②系统优化离不开条件,条件是否具备直接影响优化。
③某些不确定的或不可预见的因素也会影响系统的优化。
④希望投入最小,而取得的效益最大。
总结案例我们可以得到影响系统优化的因素:
1、系统优化的过程中,受一定的条件影响和约束,会造成系统与环境、系统组分之间、组分与整体之间的矛盾冲突,这些矛盾冲突会影响系统的优化。
2、系统各组分之间、组分与整体之间的连接和协调状况,会影响系统的有序性和整体的运行效果。
思考:
了解了影响系统优化的因素之后,我们如何进行优化呢?
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手段描述它,进而找到合适的解决方案。
列举相应的实例:如利润问题:
某家具厂要安排一周的生产计划,产品是桌子和椅子。制作一张桌子需4m2木板及时性20小时的工时,制作一只椅子需6m2木板及18小时的工时,每周能拥有的木板是600m2,可利用的工时是400小时;每张桌子的利润是50元,每只椅子的利润是60元。按合同每周至少要交付8张桌子和5只椅子,并假定所有的产品都能够销售出去。
问:该厂每周生产桌子和椅子的数量分别是多少时,能获得最大利润?
3、最优化方法
  为使系统达到最优的目标而提出的求解方法称为最优化方法。
系统优化的方法是多样的,有的运用数学模型求解,有的通过科学的估算、试验等方法实现。但无论运用怎样的优化方法,都需要经过若干次完善和验证,才能得出最优解或满意解。
最优化方法解决问题的一般步骤:
1、提出需要优化的问题和目标,收集有关资料和数据。
2、分析影响系统优化的各种因素,确定变量,建立有关约束条件,建立求解最优化问题的有关数学模型,分析模型。
3、选择合适的最优化方法。
4、分析求解。
5、最优解的验证和实施。
案例分析:装修施工的组织优化
分析:根据装修的施工流程、资源利用、空间等要求进行分析,可以得到依次施工和平行施工两种方案,思考各自的特点。 看是否还有更优化的施工方案。(题目和表格略)
七、对课堂效果的分析:
在教学的过程中我选用了教材中技术类的案例,拓展了我们对技术的视野;但是生活案例我倾向于改用我们身边的例子,大家熟悉,分析起来有亲切感、简单易懂又激发了学生自主参与的乐趣,所以在本案例中学则了“麦、棉、瓜、玉米套种”案例,实践证明效果很好,学生很感兴趣。本节课内容较多,学生探究活动时间就比较紧。

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