《系統(tǒng)優(yōu)化》教案

《系統(tǒng)優(yōu)化》教學(xué)設(shè)計(jì)

一、教材分析：系統(tǒng)優(yōu)化是系統(tǒng)分析的深化和延

長，系統(tǒng)分析和系統(tǒng)優(yōu)化是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根底，更是系

統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)。本節(jié)教材中分三個(gè)局

部：第一局部：案例分析“建立隔音墻”案

例，目的是為了闡述系統(tǒng)的意義。從實(shí)例分析入手，

降低教學(xué)難度，運(yùn)用系統(tǒng)的思想定性分析的方法，進(jìn)

展探究、優(yōu)化，在分析過程中體驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化的意義。

為了讓學(xué)生體會分析和優(yōu)化僅僅靠定性的分析是遠(yuǎn)

遠(yuǎn)不夠的，還須要更多的定量計(jì)算才行，以“為江邊

碼頭選址”為例，讓學(xué)生們建立數(shù)學(xué)模型并計(jì)算。

其次局部：依據(jù)案例分析總結(jié)闡述系統(tǒng)優(yōu)化方法和一

般性步驟，分析影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素。要求學(xué)生運(yùn)用

系統(tǒng)的思想和定性、定量相結(jié)合的方法，確定探究課

題、進(jìn)展分析探究、評價(jià)比擬、優(yōu)化方案?？偨Y(jié)歸納

出系統(tǒng)最優(yōu)化方法的含義。第三局部：通過試一

試和技術(shù)試驗(yàn)的活動(dòng)，讓學(xué)生親自完成一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化

的過程，體驗(yàn)系統(tǒng)是如何優(yōu)化的。二、學(xué)情分析：

學(xué)生在詳細(xì)分析過程中往往會局限在詳細(xì)問題的深

化探究上，不能運(yùn)用系統(tǒng)的思想和定性、定量相結(jié)合

的方法，進(jìn)展優(yōu)化系統(tǒng)。要?jiǎng)偤脤W(xué)生進(jìn)展指導(dǎo)，協(xié)

助學(xué)生從宏觀上把握系統(tǒng)分析和系統(tǒng)優(yōu)化的全過程,

注意學(xué)生的體驗(yàn)和感悟。三、教學(xué)目標(biāo)：學(xué)問與技能:

1、理解系統(tǒng)優(yōu)化的意義2、能分析影響系統(tǒng)優(yōu)化

的因素3、初步駕馭系統(tǒng)最優(yōu)化的方法4、能

夠?qū)σ粋€(gè)簡潔系統(tǒng)運(yùn)用最優(yōu)化的方法進(jìn)展分析5、運(yùn)

用系統(tǒng)最優(yōu)化方法的一般性步驟對簡潔系統(tǒng)進(jìn)展優(yōu)

化過程與方法：通過探討、案例分析，使學(xué)生懂得

用所學(xué)的學(xué)問解決有關(guān)問題情感看法與價(jià)值觀：體驗(yàn)

系統(tǒng)優(yōu)化的意義，指導(dǎo)學(xué)生把系統(tǒng)優(yōu)化的思想延長到

整個(gè)生活和學(xué)習(xí)當(dāng)中。四、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：

系統(tǒng)最優(yōu)化方法和一般性步驟難點(diǎn)：系統(tǒng)優(yōu)化的過

程分析教學(xué)打算：多媒體課件五、教學(xué)流程：教

學(xué)內(nèi)容與過程：★復(fù)習(xí)穩(wěn)固：：老師提問：

什么是系統(tǒng)？學(xué)生1答復(fù)：由相互依存的假設(shè)干

要素組成的、具有特定功能的有機(jī)整體。老師提

問：系統(tǒng)的根本特性是什么？學(xué)生2答復(fù)：系統(tǒng)

的根本特性可歸納為：整體性、相關(guān)性、目的性、環(huán)

境適應(yīng)性。老師總結(jié)：作為系統(tǒng)，它們就具有整

體性、相關(guān)性、目的性、環(huán)境適應(yīng)性，就構(gòu)成系統(tǒng)的

的根本思想。對系統(tǒng)分析的根本方法就是運(yùn)用系統(tǒng)的

思想和定性定量相結(jié)合的方法對系統(tǒng)及性分析。

★引入：老師講解并描述田忌賽馬的故事，引出

系統(tǒng)優(yōu)化的問題。田忌賽馬戰(zhàn)國時(shí)代，齊王

常與他的大將田忌賽馬，雙方約定每場各出一匹馬，

分三場進(jìn)展競賽。齊王的馬有上、中、下三等，田忌

的馬也有上、中、下三等，但每一等都比不上齊王同

等的馬，于是田忌屢賽屢輸。一日，田忌的來賓、

對軍事頗有探究的孫臏給田忌出了一個(gè)辦法，結(jié)果以

二比一贏了齊王田忌的賽馬共有6種方案一一田

忌齊王

田忌齊王

(1)

上馬上馬中馬：中馬下馬：下馬

(2)

上馬：上馬中馬：下馬下馬：中馬

(3)

上馬：中馬中馬：下馬下馬：上馬

(4)

上馬：中馬中馬：上馬下馬:下馬

(5)

上馬：下馬中馬：上馬下馬：中馬

(6)

上馬：下馬中馬：中馬下馬：上馬

在以上各方案中，齊王與田忌的賽馬結(jié)局有以3：

0贏的，也有以2：1贏的，但只有一種狀況是田忌以

2:1取勝于齊王的，孫臏正是把這種方案引薦給了田

忌，就是上述方案(3)o老師：作為一個(gè)系統(tǒng)，通

常就會有這樣或那樣的問題。如：效果不佳；或是投

入的人力、物力、財(cái)力不是最??；或是某種性能不志

向等等。因此系統(tǒng)須要改善，須要優(yōu)化。在現(xiàn)實(shí)

生活中，由于受環(huán)境和條件的限制，不行能找出一切

方案，也不行能對全部方案進(jìn)展全面比擬，漫無邊際

地去探究全部方案，無論在時(shí)間上還是人力上都不允

許，運(yùn)用科學(xué)的方法就更為重要，缺乏資料，缺少對

資料的科學(xué)計(jì)算和分析，只靠拍腦袋無法找尋到最優(yōu)

方案。★新課教學(xué)：一、案例分析案

例1：通過“建立隔音墻改善車流噪音污染”的案例

定性的分析，體驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化的意義學(xué)生朗讀：

XX年的新春，南京市人大十三屆三次會議上，王湘等

10位代表共同提交議案，呼吁為城西干道沿線的民居

和學(xué)校解決車流噪音污染問題?！俺俏鞲傻缽?/p>

大橋南路到賽虹橋立交橋，是南京市貫穿城市交通的

大動(dòng)脈。城西干道全線貫穿于xx年，因?yàn)橛辛顺俏鞲?/p>

道，很多從大橋過來的車輛不必經(jīng)過市中心就可以便

捷地通過包括城西干道在內(nèi)的繞城馬路通行。城

西干道的出現(xiàn)，除了帶來交通便捷，也給沿線的數(shù)十

萬市民帶來了噪音之苦。從大橋經(jīng)過城西干道的大多

數(shù)是重型載貨車和大客車，而且城西干道的每天的車

流量特別大。據(jù)調(diào)查，白天暢通時(shí)城西干道上的車輛

平均時(shí)速為80邁，晚上可以到達(dá)101邁。重量大、速

度快是城西干道上車輛的一大特點(diǎn)，車身和空氣的青

擦聲、發(fā)動(dòng)機(jī)馬達(dá)聲是噪音的主要來源。城西干

道沿線分布著大量的居民區(qū)，遵照國家相關(guān)環(huán)保劃分

標(biāo)準(zhǔn)，這些居民區(qū)屬于商業(yè)、居民、文教混合區(qū)，白

天最大噪音值是60分貝，晚上最大噪音值是50分貝。

但是兩邊的居民區(qū)噪音全線超標(biāo)，在離高架不到15

米的重噪音區(qū)圣淘沙花城19樓的一戶人家，更是測

出了開窗峰值81.6分貝、谷值65.8分貝，關(guān)窗峰值

66.7分貝、谷值54.2分貝的超標(biāo)噪音。長期生活在噪

音中，人的安康會受到損害，可能導(dǎo)致心血管疾病和

神經(jīng)系統(tǒng)疾病。城西干道沿線不僅有民居還有學(xué)

校，有的學(xué)生戴耳機(jī)睡覺；教師上課用喇叭講課;有的

學(xué)生說：“在城西干道邊上住了4年，記得剛進(jìn)校的

時(shí)候整整一個(gè)星期就沒睡著覺。后來最終漸漸習(xí)慣了,

如今到了夜里打雷都不醒，只是時(shí)常覺得精神疲憊、

頭疼，還有點(diǎn)健忘?！痹胍粢呀?jīng)損害到這些學(xué)生的神

經(jīng)系統(tǒng)。21世紀(jì)的城市人居環(huán)境不僅要講究安逸

更要講究安康，此時(shí)此刻正在建的城東干道高架已經(jīng)

做了隔音墻的規(guī)劃，盼望有關(guān)部門能考慮到城西干道

沿線眾多居民區(qū)和學(xué)校的存在，也在這一區(qū)域安裝隔

音墻，免去市民的噪音之苦。”老師：問題提出

來了，怎樣能夠改善城西干道四周旁邊噪音的污染，

優(yōu)化居民樓、學(xué)校等大環(huán)境系統(tǒng)。學(xué)生3：降低

車體本身的噪音；學(xué)生4：讓車流在此路段減速

通過；學(xué)生5:讓車道遠(yuǎn)離學(xué)?！瓕W(xué)生6：修

建隔音墻J老師：隔音墻作用的本質(zhì)是變更噪音

的傳播途徑，以到達(dá)改善污染的目的。

溝通探討分小組探討，派代表發(fā)言隔音墻的

高度、長度如何考慮？§學(xué)生：詳細(xì)測量噪音

緊要的程度。通過實(shí)地調(diào)查城西干道車流旁邊學(xué)

校、居民樓或其他建筑的規(guī)模數(shù)據(jù)來確定；隔音墻

的墻體構(gòu)造及外形怎樣考慮？§學(xué)生：隔音墻

的墻體構(gòu)造外形因該市墻體垂直或略向車流一側(cè)傾

斜；墻的頭部形態(tài)略向內(nèi)側(cè)適度彎曲；假如

道路兩側(cè)的建筑比擬高時(shí)；修建的隔音墻的高度就要

很高，應(yīng)當(dāng)建成封閉式的；墻體內(nèi)側(cè)外表應(yīng)當(dāng)做

汲取聲音處理。隔音墻體的主材料怎樣選用為好？§

學(xué)生：利用隔音墻可以將噪音反射到上空，但僅將噪

音反射到上空也是不夠的，還要運(yùn)用很好的隔音材料。

拿出幾套采納不同材料的方案，列表比擬說明，在堅(jiān)

實(shí)、美觀、經(jīng)濟(jì)（造價(jià)、修理）等因素間權(quán)衡、比擬、

決策。建立隔音墻的投入與改善車流噪音污染的總效

果應(yīng)如何評價(jià)？§學(xué)生：從做到投入最小和效果

最好；做必要的驗(yàn)證試驗(yàn)。老師：系統(tǒng)被改

善了系統(tǒng)優(yōu)化北京市崇文區(qū)的夕照寺和華蜜

北里緊鄰京山鐵路，京山鐵路進(jìn)出北京站必經(jīng)這個(gè)居

民區(qū)，每天有140多列火車通過，在鐵路兩側(cè)修建了

隔音墻。共有1101m長，高度分別是4.0m和5.2m,用

隔音材料制成。這一段是距鐵路最近，人口最稠密的

地段，做建立隔音屏障前后比照監(jiān)測說明，噪音平

均降至61-62分貝，比過去降低8.6-11.4分貝，低于國

家規(guī)定的70分貝。但對于類似于香港城市高樓

林立的狀況，再高速馬路兩側(cè)假如修建隔音墻必需修

得很高才可以，假如墻修得太高，那么抗風(fēng)暴的實(shí)力

就會大大減弱，為增加抗風(fēng)暴實(shí)力，選材時(shí)就會大大

提高本錢，這樣修建隔音墻就不是適宜的優(yōu)化方法。

老師：系統(tǒng)優(yōu)化的意義就是以最小的投入，獲得系統(tǒng)

的最正確效益或最正確功能。再舉例:如:

在蔬菜、西瓜的種植中，要使蔬菜防病和提高產(chǎn)量，

要使西瓜抗御低溫的實(shí)力，就應(yīng)采納嫁接技術(shù)，這是

一項(xiàng)增產(chǎn)增收的栽培技術(shù)，嫁接的西瓜比自根西瓜增

產(chǎn)1倍以上。如：建筑材料的改良也是一項(xiàng)優(yōu)

化技術(shù)，以往建筑物的墻體多采納實(shí)心肺，此時(shí)此刻

采納了空心磚，在保證強(qiáng)度、隔熱隔音效果的同時(shí)，

節(jié)約了材料。老師：對于比擬困難的系統(tǒng)，人們

對其特征了解不夠，所以須要運(yùn)用必須的數(shù)學(xué)的手段

描述它，進(jìn)而找到適宜的解決方案。在前一節(jié)的

學(xué)習(xí)中，我們就曾接觸到數(shù)學(xué)模型的問題，比方龍

舟賽艇案例分析中，可以依據(jù)牛頓其次定律進(jìn)展定量

描述a=f/m,這就是一個(gè)描述運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)學(xué)模型。

系統(tǒng)建模的目的是要將系統(tǒng)的原型抽象為數(shù)學(xué)模型，

并運(yùn)用已有的數(shù)學(xué)方法分析求解得出數(shù)學(xué)結(jié)論，再運(yùn)

用這一結(jié)論來解決實(shí)際系統(tǒng)中的問題。案例2：

在江邊一側(cè)有a、b兩個(gè)廠，它們到江邊的距離分別是

2km和3km,設(shè)兩廠沿江方向的距離是3.5km,此時(shí)

此刻要在江邊修建一個(gè)碼頭，使得兩廠的產(chǎn)品能夠順

當(dāng)過江，問碼頭應(yīng)建在什么位置，才能使運(yùn)輸路途最

短？本問題屬于系統(tǒng)的優(yōu)化問題。

學(xué)生分析：依據(jù)要求可畫出上圖，在江邊de

上求一點(diǎn)c,使c到a、b兩廠的距離之和為最短。數(shù)

學(xué)模型為：smin=ac+bc過a點(diǎn)作關(guān)于直線de的

對稱點(diǎn)al,連接alb與de相交于c,這一點(diǎn)既為所求

的碼頭的地點(diǎn)。依據(jù)相像三角形原理，求得

dc=1.4km,碼頭建在與a廠到江邊垂直距離位置相距

1.4km處，運(yùn)輸路途最短。老師：從“為江邊碼

頭選址”這個(gè)例子，可以看出優(yōu)化僅僅靠定性的分析

是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還須要更多的定量計(jì)算才行。二、

總結(jié)：1、系統(tǒng)優(yōu)化的一般性步驟①提出須

要優(yōu)化的問題；如：城西干道噪音污染問題就是

須要進(jìn)展優(yōu)化的問題；碼頭的選址也是一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化

問題。②須要收集有關(guān)資料和數(shù)據(jù)，確定變量、

建立定量計(jì)算方程（數(shù)學(xué)模型）和約束條件，選擇適

宜的最優(yōu)化方法如:詳細(xì)測量噪音的緊要程度；為

保持方案可行，必需勘測、預(yù)算；建立隔音墻防噪音

的數(shù)學(xué)模型及墻體參數(shù)條件，求解數(shù)學(xué)解：墻體構(gòu)造

與材料與定量計(jì)算有關(guān)；經(jīng)費(fèi)預(yù)算包括：購置器材、

設(shè)備費(fèi)用；外請工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)人員費(fèi)用民工費(fèi)

用、機(jī)動(dòng)調(diào)動(dòng)費(fèi)用……③驗(yàn)證和實(shí)施。條件

校驗(yàn)：逐項(xiàng)校驗(yàn)修路工程所需的人力、物力、財(cái)力是

否具備。實(shí)施與調(diào)整：實(shí)施打算的過程2、