任務一 探究系統(tǒng)分析的一般過程和基本方法（兩課時）


一、教學目標


1.通過案例分析和討論，說出系統(tǒng)分析的一般過程，歸納系統(tǒng)分析的基本方法。





二、教學重點、難點


系統(tǒng)分析的一般過程，歸納系統(tǒng)分析的基本方法





三、教學方法


講授法，演示法，任務引導法





四、教學過程


1、情境導入


在解決了水龍頭沒關或漏水而造成的浪費問題后，大家認為由于學校所處城市雨水很多，可在學校屋面和校園硬化地面及塑膠操場等處做集兩面，對雨水進行收集、凈化處理，以滿足校園綠化、公共衛(wèi)生方面的用水需求，以期達到節(jié)約用水的目的。


系統(tǒng)分析是系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)，我們可以把-一個復雜的設計項目看成系統(tǒng)T程，通過對系統(tǒng)目標、要素、環(huán)境、資源、管理和維護等的分析，可以準確地發(fā)現(xiàn)問題，深刻地揭示問題的本質(zhì)，從而分析并有效地提出解決問題的設計方案。


2、新課學習


在現(xiàn)實生活中，我們每個人都會面臨各種各樣的選擇和決策。決策方法有經(jīng)驗決策和科學決策，經(jīng)驗決策是人們慣用的方法，有時可能會導致失誤;科學決策則可以最大限度地減少失誤。系統(tǒng)分析就是一種科學決策的方法。


例如，在人口規(guī)模很小的縣城，道路狀況簡單，公共交通線路的決策也簡單。


設計者憑借經(jīng)驗，可以完成公交線路的設計。在人口規(guī)模巨大的城市，道路狀況復雜，市民對交通的需求趨于多樣化。這時若僅憑經(jīng)驗規(guī)劃公交線路，容易顧此失彼，出現(xiàn)失誤。如果把大城市的公共交通看作一個系統(tǒng)，綜合考察全市的道路狀況、人口密度的分布、不同區(qū)域的居民對公共交通的要求等，運用科學的方法進行綜合分析和研究，就能設計出城市公交線路規(guī)劃的最佳方案。


這種為了發(fā)揮系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的目標，運用科學的方法對系統(tǒng)加以周詳?shù)目疾?、分析、比較、試驗，并在此基礎上擬訂一套有效的處理步驟和程序，或?qū)υ械南到y(tǒng)提出改進方案的過程，就是系統(tǒng)分析。系統(tǒng)分析的顯著特點是整體地而不是零星地處理問題，考慮各種主要變化因素及其相互的影響，全面地思考和解決問題。


借助于系統(tǒng)分析，可以正確地提出整體目標，恰當?shù)剡x擇方案，科學地確定行動的方略。





系統(tǒng)分析的一般過程


系統(tǒng)分析的出發(fā)點是為了發(fā)揮系統(tǒng)的整體功能，目的是尋求解決問題的最佳決策，而生產(chǎn)和生活中的-些問題，往往存在著許多相互關聯(lián)的因素和一些不確定的因素，所以最佳決策只是在若干方案中尋求的相對令人滿意的方案。





系統(tǒng)分析的一般過程可以描述為:


明確問題 設立目標


明確所分析的系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)，確定所要研究問題的性質(zhì)和范圍，提出所要達到的日標，明確約束條件


收集資料 制訂方案


收集相關資料，制訂解決問題的各種備選方案，進行多日標的權(quán)衡與分析，并明確技術(shù)實股路線


分析計算 評價比較


對系統(tǒng)進行整體分析，對各子系統(tǒng)進行分析，對系統(tǒng)進行建模與推演，將各種方案進行評價對比


檢驗核實 做出決策


通過實證對方案的實施效果做出評判。如果對方案不夠滿意，還可按上述程序進行反復，直到獲得滿意的方案為止


系統(tǒng)分析方法一建模


系統(tǒng)分析方法是指把要解決的問題作為一個系統(tǒng)，對系統(tǒng)各要素及其之間的相互關系進行綜合分析，找出解決問題的可行方案。用建模的形式對系統(tǒng)進行分析和研究的方法是系統(tǒng)科學的基本方法。建模的基礎是找到不同事物或現(xiàn)象之間的相似性，這種相似性包括外形相似、結(jié)構(gòu)相似、行為相似、功能相似或邏輯關系相似等。


復雜系統(tǒng)的分析和研究尤其重視模型方法。


模型可以說是現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象與合理簡化，利用模型可以用較少的時間和費用對實際系統(tǒng)進行研究和試驗,并且可以進行反復演示和研究，因此更易于洞察系統(tǒng)的行為，但是在運用該模型時必須考慮這種簡化對現(xiàn)實系統(tǒng)的影響。





模型有三個特征:


(1) 它是現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象或模仿;


(2) 它是由那些與所分析問題有關的要素構(gòu)成的;


(3) 它表明了有關要索間的相互關系。


通常，技術(shù)領域系統(tǒng)分析中較為常用的是系統(tǒng)的數(shù)學模型和框圖模型等。


數(shù)學模型用數(shù)學公式、圖表等描述客觀事物的特征模型，稱為數(shù)學模型。數(shù)學模型是系統(tǒng)分析中經(jīng)常用到的一種工具，人們將現(xiàn)實世界中的原型抽象概括成數(shù)學語言，運用已有數(shù)學方法分析求解，得出結(jié)論。數(shù)學模型突出事物的主要因索，舍齊事物的次要因素，便于抓住事物的本質(zhì)進


行分析研究。





案例分析


簡易雨水收集與利用系統(tǒng)中儲水裝置的設計


雨水儲存裝置設計得過大或過小都會造成浪費，所以其容量大小的設計需要先建立合適的數(shù)學模型，再依據(jù)當?shù)氐哪昶骄涤炅縼磉M行估算。


儲水裝置數(shù)學建模:


1.計算年收集雨水量(屋頂面積180m2)。當?shù)啬昶骄涤炅繛? 000 mm,假設每年每平方米可收集975 kg水，以屋頂面積180 m2計每年收集雨水量為: 975 kg/m2 x 180 m-=175.5t。


2.儲水裝置最小容量的計算。


設計要求:儲水裝置要能滿足按年平均降雨量連續(xù)3天降雨的情況下,收集雨水的儲水量。每年按365天計算，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， 換算成容積即為1.44 m。所以這個儲水裝置的容量最小需要達到1.44 m2


3.儲水裝置的尺寸設計。


若在地面建長1.2 m、寬0.8 m的長方體水池，那么高度就是1.44 m2=1.5m,滿


1.2mx0.8 m足最小容量1.44m'2若建橫裁面積為0.8 m2的圓柱形水罐，其長度就是1.44m'=1.8m,滿足最小容0.8 mt量1.44 m'。


思考:


1.如果從用水量的大小來對儲水裝置進行設計，應該如何建立數(shù)學模型?


2.從結(jié)構(gòu)受力的角度來分析，你認為這個裝置是設計成圓柱體好還是長方體好?請說說你的理由。





框圖模型


用- 個個封閉的小框圖代表系統(tǒng)的各個要索或子系統(tǒng)，在框圖內(nèi)或框圖邊注明要素或子系統(tǒng)的名稱，按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式把它們排列安置于適當位置，用無向線段或有向線段把這些小框圖連接起來，以表示系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框架，再用無向線段或有向線段表示系統(tǒng)與環(huán)境的聯(lián)系，這樣形成的圖形就叫系統(tǒng)的框圖模型。


最簡單的系統(tǒng)框圖模型是輸入一輸出模型，也叫系統(tǒng)的概念模型，如圖3-9所


示。它把系統(tǒng)內(nèi)在的要素與結(jié)構(gòu)簡化為一一個矩形方框，把環(huán)境對系統(tǒng)的作用統(tǒng)稱為輸入，把系統(tǒng)對環(huán)境的作用統(tǒng)稱為輸出。


從系統(tǒng)運行的角度來看，系統(tǒng)和環(huán)境之間是一-種 刺激和響應關系，輸人是環(huán)境對系統(tǒng)的刺激，輸出是系統(tǒng)對這種刺激做出的響應，描述系統(tǒng)就是在描述這種刺撤和響應的關系。外部刺激是條件，響應是系統(tǒng)回應環(huán)境的行為對策，人們描述系統(tǒng)所關注的就是條件與對策之間的各種可能的對應關系，即如果外部出現(xiàn)什么情況，系統(tǒng)就回應以什么行動。





案例分析


火力發(fā)電站系統(tǒng)框圖模型火力發(fā)電企業(yè)的火力發(fā)電系統(tǒng)要能夠有效運


行，就需要建立一個直觀的概念模型和系統(tǒng)框圖模型對其進行設計分析，如圖3-10、3-11 所示。


思考:


1.請對這個火力發(fā)電站系統(tǒng)框圖模型進行分析，分析該火力發(fā)電站系統(tǒng)按功能來分可以分為哪幾個子系統(tǒng)，簡述各子系統(tǒng)之間的相互關系。


2該火力發(fā)電站系統(tǒng)中節(jié)能的環(huán)節(jié)是哪-部分?說說它們是如何實現(xiàn)節(jié)能這一日的。





馬上行動


從校園屋面雨水的收集與利用系統(tǒng)設計要求來看，該系統(tǒng)的輸人為雨水，輸出對應的是供水。如果把校同屋面雨水的收集與利用系統(tǒng)當作一個整體來看，可以畫出如圖3-12所示的概念模型。


經(jīng)過分析可知，該校阿屋面雨水的收集與利用系統(tǒng)中的子系統(tǒng)有:屋面雨水收集子系統(tǒng)、雨水凈化與儲存子系統(tǒng)、自動補水子系統(tǒng)、益水子系統(tǒng)、供水子系統(tǒng)等。


建立模型不僅需要科學理論和工程技術(shù)知識，還需要實踐的經(jīng)驗和技藝。模型是對系統(tǒng)的理想化抽象或簡化表示，描繪了現(xiàn)實系統(tǒng)的某些主要特點，是為了客觀地研究系統(tǒng)而發(fā)展起來的。





系統(tǒng)分析的主要原則


運用系統(tǒng)分析的方法處理具體問題時要遵循整體性原則、科學性原則、綜合性原則三個主要原則。


整體性原則


系統(tǒng)分析首先要著眼于 系統(tǒng)整體，要先分析整體，再分析部分;先看全局，后看局部;先看全過程，再看某一個階段;先看長遠，再看當前。


案例分析


丁謂修復皇宮


北朱真宗年間，皇城失火，宮殿被燒毀，大臣丁謂主持了皇宮修復工程。他采用了這樣一套施工方案:先在需要重建的大道上就近取土燒磚，在取土后的深溝中引人汴水，形成人工河，再由此水路運輸建筑材料，從而加快了工程進度。在皇宮修復后，又將碎磚廢土填入溝中，重修大道


丁謂在皇宮修復工程的建設施工中，運用了整體的解決方案，使燒磚、運輸建筑材料和處理廢物三項繁重的工程任務協(xié)調(diào)起來，在總體上得到了最佳解決，一舉三得，節(jié)省了大量勞力、費用和時間:


討論:丁謂所采用的方案為什么能一舉三得?


在實際生活中，經(jīng)常遇到對系統(tǒng)中各個局部考總得很仔細，卻忽略或較少考慮全局的事例，這樣就很難得到良好的效果。





馬上行動


趙明給自己家設計制造了一個雨水收集儲水罐。為了防止收集到的雨水受到二次污染，他把儲水罐設計成全封閉的?？墒窃趯嶋H使用過程中發(fā)現(xiàn).在雨水稀少的季節(jié)里，常常會出現(xiàn)無水可用的情況，面在雨水多的季節(jié)里，儲水繼由于受壓過大，有時會被撐裂。趙明設計的雨水收集儲水罐存在什么問題?該如何進完善?





科學性原則


系統(tǒng)分析一方面要 有嚴格的工作步驟，另- -方面應盡可能地運用科學方法和數(shù)學工具進行定量分析，使決策的過程和結(jié)果更具說服力。例如，在比較種稻是一一年三季劃算還是一年兩季劃算時，有人就提出“是三三得九好，還是二五一十好?”這就是一種樸索的定量分析。當然，在處理復雜系統(tǒng)的分析與優(yōu)化


問題時，往往需要使用比較復雜的數(shù)學工具。





拓展閱讀


優(yōu)選法


優(yōu)選法是快速尋找最佳方案的科學方法。具體的優(yōu)選法有很多，如黃金分割法、分數(shù)法、對分法等。這里只介紹黃金分制法，也稱0.618法。以技術(shù)試驗為例，先把整個試范圍看作1,然后在整個試驗范圍的0.618處選點做第一次試驗，再在這個點的對稱點，也就是倒過來的0.618處選點做第二次試驗。比較兩次試驗的結(jié)果，去掉效果差的那個試驗點以外的那部分范圍;再在余下的包括好點在內(nèi)的范圍內(nèi)繼續(xù)采用這種方法，再比較試驗結(jié)果，這樣逐漸縮小試驗范圍，迅速找到試驗日標。例如，要在某種合金鋼中加人某元素以提高它的強度，假設試驗范圍足每噸加人量為1 0-2000g，那么究競應加入多少?若用一-般試驗方法，每隔5g試驗--次需要做200次，每隔10g試驗-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。





綜合性原則


系統(tǒng)分析 總是為實現(xiàn)系統(tǒng)目標服務的。當系統(tǒng)存在若干個目標時，應將目標排出優(yōu)先次序，首先實現(xiàn)最優(yōu)先的目標，然后盡可能在不損害第一個目標的前提下完成下一個目標。這就需要綜合分析，統(tǒng)籌兼顧，不可顧此失彼，因小失大。例如，工業(yè)生產(chǎn)既要求產(chǎn)量大，又要求質(zhì)最好、成本低，如果片面強調(diào)一方面


就會產(chǎn)生偏差，城市公交系統(tǒng)既要強化公共交通的安全，又要縮短車輛行駛的時間，兼顧社會效益和經(jīng)濟效益。又如，雨水回收和利用系統(tǒng)的設計既要做到雨水的有效回收和利用，又要考慮該系統(tǒng)的投入和運行過程中的效益;既要考總雨水的收集,又要考總雨水的凈化等。


系統(tǒng)分析還需要考總設計方案出臺所帶來的后果。有的工廠在生產(chǎn)產(chǎn)品的同時，也向周圍環(huán)境排放出“三廢”，造成污染;毀林開荒雖然能收獲農(nóng)產(chǎn)品，但會造成水土流失，貽害很大。


某些情況下，綜合若干方案的優(yōu)點，會取得意外效果?，F(xiàn)代醫(yī)學采用中西醫(yī)


結(jié)合的方法攻克了許多疑難雜癥;農(nóng)業(yè)中則綜合了地面水庫、地下水庫、土壤水庫、綠色水庫(山區(qū)造林種草，每畝地可蓄水20m2)等不同的方案進行保水。





案例分析


青藏鐵路當雄特大橋


青藏鐵路當雄特大橋的修建創(chuàng)新了施工工藝，采用了科學環(huán)保的施工方法。當雄縣的沼澤濕地地表水豐富，地質(zhì)條件差，沼澤深4~7 m。特大橋墩396根,總樁基長1154 m,鉆孔樁施工難度大。傳統(tǒng)的鉆孔樁施工采用現(xiàn)場挖設泥漿池處理泥漿，不僅破壞草地，而且在鉆孔中泥漿到處排放，嚴重污染沼澤濕地。為此，建設者們自行研究設計，將泥漿池改進成泥漿鋼箱，在封閉的制箱里循環(huán)利用泥漿進行鉆孔，有效地避免了因泥漿排放對沼澤濕地的污染，解決了鉆孔泥槳污染環(huán)境的一一大難題。


恩考:你認為青藏鐵路當雄特大橋的設計綜合考慮了哪些日標?


思維碰撞


在系統(tǒng)分析過程中,整體分析和綜合分析有什么不同?可以只做整體分析而不做綜合分析嗎?





3、課堂小結(jié)


說出系統(tǒng)分析的一般過程，歸納系統(tǒng)分析的基本方法。





五、教學反思





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高中通用技術(shù)蘇教版 (2019)必修《技術(shù)與設計2》電子課本

任務一 探究系統(tǒng)分析的一般過程和基本方法

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