粤科版（2019）-必修 技术与设计2-第一章 结构及其稳定性-结构与稳定性-教学设计 《结构与稳定性》

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《结构与稳定性》教学设计
一、学习目标
1、能通过试验分析影响结构稳定性的因素，并写出试验报告。
2、理解影响结构稳定性的因素。
3、理解结构的稳定性是各种因素共同影响的。
4、能应用结构稳定性的相关知识解释生活中有关结构稳定性的现象。
5、能应用结构稳定性的知识进行相关结构的设计。
二、教学重点
理解影响结构稳定性的因素、解释相关现象
三、教学难点
应用结构稳定性的知识进行相关结构的改进和设计
四、学策略和手段
一方面采用直观学生参与的实验教学法，让学生亲历实验情境，在情景中理解各种因素对结构稳定性的影响。另一方面，项目化教学，给学生安排具体的实践任务，在实践中理解知识，生成应用知识的设计。
五、教学准备
PPT，矿泉水瓶，钩码，木板，纸杯子，彩色笔，细木杆，铰连接的三角形、平行四边形、梯形、立体架，木头人，小木棍、细线等。
六、教学过程
（一）新课引入
复习上节课学习过的结构的定义：结构是指可以承受一定外力的架构形态。播放视频《不同结构在外力作用下的表现》。（自行车在悬挂三种不同形状的重物组成新的结构后，走上钢丝，前两个平稳走过，最后一个由于重心太高，失去平衡状态）
教师：如何描述结构在不同外力作用下的表现？
学生：稳定性
（通过复习结构的力学定义，引导学生从力学角度认识结构的作用，进而思维过渡到结构在外力作用下的稳定性。播放视频三种结构表现不一样，差异在于有没有维持平衡状态，学生的思维自然过渡到结构的稳定性）
（二）明确结构稳定性的概念
教师：结构的稳定性是指结构在荷载（外力）作用下维持其原有平衡状态的能力。
列举生活中有关案例：在风力作用下，垃圾桶失去了原有平衡状态；在重力作用下，自行车失去平衡状态。
（通过这些现象，让学生进一步从外力作用角度理解结构稳定性）
教师：为了提高结构的稳定性，我们可以采取一些作法。例如，相机的三角架、走钢丝的人手持一根平衡杆。
（通过上述案例，引起学生的思考，为什么要这样做去提高结构的稳定性，思维自然过渡到了结构稳定性的影响因素的探究）
（三）探究一：重心位置对结构稳定性的影响
活动一：请两名同学上台，一名同学分别站立和蹲下，并保持形状不变，另一名同学对其施加相同外力，体验稳定性有何不同？
（活动一的设计，让学生切身参与进来，通过活动经历提出猜想，体现了学生学习的主体地位，同时又很好地控制了无关变量的影响）
学生：重心高低变化了，结构稳定性与重心高低有关
探究一：探究结构的重心高低对结构稳定性的影响
试验器材:两个相同的矿泉水瓶，两个相同质量的钩码，
两根细线，一把刻度尺
试验方法：模拟实验法、控制变量法
实验结果：在相同外力作用下，重心高的瓶子先失去了平衡状态
试验结论：其他条件相同时，结构重心越低，结构稳定性越好
（试验中采用模拟试验法，并控制了变量，起到了；良好的效果）
教师：落地灯和遮阳伞如何实现结构的稳定性的？
学生：重物在下方，降低了重心。
教师：生活中还有哪些地方应用了这个原理？
学生：汽车的底盘要低、
（通过对生活中现象的解释，引导学生以技术角度去观察生活）
（四）探究二:支撑面大小对结构稳定性的影响
活动二：一名同学分别双脚站立和单脚站立，并保持形状不变，另一名同学对其施加相同外力，体验稳定性有何不同？
学生：两次接触面积变化了，稳定性还受到接触面积的影响
（学生参与实验，提高了课堂效率，把课堂还给学生）
探究二：
试验器材:一个木板，八个一次性纸杯子，双面胶，彩色笔
试验方法：模拟实验法、控制变量法
试验过程：
1、将八个纸杯子用双面胶成对连接成四个
2、确定4个相距很近的接触位置，放上木板施加外力，测试稳定性
3、确定4个相距较远的接触位置，施加外力，测试稳定性
4、完成下表
接触面积 支撑面积 稳定性
4个较近位置
4个较远位置
5、在板上画出接触面积和支撑面积，得到结论
6、试验结论：其他条件相同时，结构的支撑面越大，结构稳定性越好
（学生容易片面的认为接触面积影响了结构的稳定性，此实验中，两次实验接触面积没有变化，稳定性却发生了变化，引发冲突，学生进一步思考到，接触面积撑起的面积发生了变化，从而建立起支撑面的概念，并且通过彩色笔画出来，直观形象地展示出支撑面与接触面的含义）
教师：生活中哪些地方应用了这个原理呢？
学生：高大铁塔的底座大，金字塔的支撑面积大，起重车在起重时支起支撑架增大支撑面积。
（五）物体不倒的条件（为什么重心越低、支撑面越大，结构的稳定性越好）
演示实验：立方体不断倾斜，在重心所在垂线出了支撑面以后，立方体失去平衡状态（倒了）。
学生：当重心垂线在支撑面以内，结构就不会倒。
教师：为什么重心越低、支撑面越大，结构的稳定性越好？
学生：这样重心不容易出支撑面，结构稳定性更好。
教师：为什么穿跟鞋不太稳定？
学生：重心高、支撑面小，重心容易偏离出支撑面的范围。
教师：杰克逊的45度动作真实吗？
学生：重心偏离了支撑面，无其他外力，不可能平衡。
教师：为什么楼梯设计成台阶状的，为什么爬山坡时容易不稳定？
学生：爬山坡时等效支撑面变小，重心容易偏离支撑面范围，易失去平衡，所以楼梯设计成台阶状的。
教师：为什么自行车悬挂重物后，可以走钢丝？
学生：重心在钢丝绳以下，重心很低，结构稳定。
教师：为什么走钢丝的人手持一根很长的杆
学生：降低重心
教师：仅仅是这样吗？
演示实验：手持一根比较短的金属丝，在外力作用下，状态变化较快，而一根很长的金属丝，外力作用下，状态变化较慢。
学生：手持很长的杆，状态变化较慢，有时间去调节自身状态，利于稳定性的保持。
（六）探究三：结构形状对稳定性的影响
演示实验：在外力作用下，三角形结构保持稳定，而平行四边形、梯形、一般的四边形都会发生形变。
（演示实验中，四边形包括了平行四边形、梯形、一般的四边形，这样让学生从更全面的角度认识规律）
教师：三角形的这种性质称为几何不变性，生活中哪些地方应用了这个眼里？
学生：相机的三角支撑架、空调的支撑架、A型梯
教师：桥梁中的桁架结构
（通过桥梁中的桁架结构，引导学生关注工程技术）
（七）各种因素对稳定性的综合影响
教师：其实，在现实的结构中，这三种因素会共同决定结构的稳定性，例如，三角架撑起来后：结构重心降低，支撑面变大，结构形状也变成了三角形，共同作用下，提高了该结构的稳定性。
教师：自行车撑起来后，为什么实现了稳定？
学生：结构重心降低，支撑面变大为三角形，结构底面形状也变成了三角形，共同作用下，提高了该结构的稳定性。
教师：那如何提高自行车的稳定性？
学生1：减小支撑架与地面的角度，增大支撑面，降低重心。
学生2:支撑架与地面的角度不能太小，要不支撑架承受的力太大，反而不利于结构的稳定性。
教师：所以，在一定范围之内，我们可以较小支撑角来提高稳定性。
教师：那如何让自行车更稳定呢？
学生1：两侧都给加上支撑架
学生2：四方形支撑架，增大支撑面积。
（八）学以致用
探究：某同学制作了一个木头人，难以站立，请你运用有关结构稳定性的知识，提高该结构的稳定性？请大家提出自己的设计并画出草图
学生：给穿上更大的一个鞋、给其后方加一个支撑架，给拄拐杖···
（在这个活动中，对学生的要求由对知识的理解到应用，并从设计过程培养了学生的工程思维和图样表达能力）
（九）实践探究活动：木棍挂起矿泉水
试验器材:一根细绳，
矿泉水，三根小木棍
试验要求：
1、请根据结构稳定性相关
知识，将矿泉水通过细线，用三根木棍悬挂起来，悬挂起的矿泉水越多越好
试验完成后分享交流，讨论该结构如何保持稳定性
学生：该结构下挂物体，重心很低，同时利用了三角形地几何不变性。
（十）不稳定结构的应用
教师：任何事物都有两面性，一方面我们需要很多结构有良好的稳定性，另一方面，我们在一些场景中也要利用结构的不稳定性，例如，地动仪。你还知道哪些结构利用了三角形的不稳定性。
学生：卷门、伸缩门
七、板书设计
结构的稳定性
1、定义：结构的稳定性是指结构在荷载作用下维持其原有平衡状态的能力。
2、影响因素：结构重心位置、支撑面大小、结构形状、材料等。各种因素综合影响结构稳定性。
3、不稳定结构的应用。
八、教学反思
本节课，以学生为中心，构建了有关结构稳定性的情景，让学生在情境中建构知识。同时，通过生活中的大量有关结构稳定性的案例，让学生对知识的理解由理论走向实践，由课堂走向生活，由片面走向系统。最后，通过提高木头人的稳定性的设计，让学生的知识结构由认知走向应用，发展了学生的思维，培养了学生的技术意识。
通过对各种因素综合影响结构的案例分析，使学生认识结构系统多样性和复杂性；并运用系统分析的方法，分析了如何在具体实践案例中整体分析，权衡利弊，进行系统化的设计，提出具有一定创新性的结构设计，培养了学生的工程思维，提高了学生的创新设计能力。学生在设计过程中画出了自己的设计草图，并能分析图样特征，通过图样表达实现有形与无形、抽象与具体的思维转换，培养了学生的图样表达能力。
我校理想课堂的三原则为：自主合作优先、思维训练主导、实验实践并重。在本节课中，探究二和实践探究活动中，学生自主合作进行探究，确保学生的学习主体地位；同时，在案例分析和学以致用的设计环节，通过现象的解释和设计中问题的解决，训练了学生的思维；最后，本节课中通过实验寻找影响结构稳定性的因素，并引导学生解决具体的实践问题。
当然，在上课过程中，我也遇到了一些问题。由于录课学生对教室环境不适应，课堂上学生表现过于拘谨，没有积极的回答问题，课堂气氛不够活跃。由于学生平时动手机会少，动手能力较差，在实验环节，学生未能很好地完成试验要求。画出设计草图时，学生所画草图没能很好地展现出设计思想，反映出学生的图样表达能力较弱。
在以后教学中，应多给学生动手操作的机会，让学生多做实践探究活动。同时，应该多让学生画草图，提高他们的图样表达恩能力。

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