《“結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性”教學(xué)問題探析》

1、“結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性”教學(xué)問題探析肖曉陽【摘要】三角形的“穩(wěn)定性”不是物理學(xué)上的“穩(wěn)定性”概念，而是一個(gè)強(qiáng)度概念；照相機(jī)用三腳 架的主要原因是，野外不平的地面上能迅速站穩(wěn)，原理是“三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)平面”，與三角形的穩(wěn)定性無 關(guān)；形狀不是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，結(jié)構(gòu)變形屬于強(qiáng)度問題，由形變引起的穩(wěn)定性變化應(yīng)當(dāng)歸因于重 心位置和支撐面積的因素；影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素的探究實(shí)驗(yàn)要注意自變量單一，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要簡潔有效?！娟P(guān)鍵詞】三角形、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、實(shí)驗(yàn)、變量針對(duì)高中通用技術(shù)技術(shù)與設(shè)計(jì)2（蘇教版）“結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性”的教學(xué)，筆者常常潛心思考一些相 關(guān)問題，這些問題或來自教材教參，或來自教學(xué)實(shí)踐，或來自同行交流。竊以為，這些

2、似是而非的問題, 如果不加以廓清，勢(shì)必彫響教學(xué)的科學(xué)性和有效性。1廓清“三角形穩(wěn)定性”的含義在“結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性”教學(xué)中，筆者曾讓每個(gè)學(xué)生做一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)：怎樣將課木豎立在桌面上？實(shí) 驗(yàn)意在得出“支撐面越大結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定”的結(jié)論。學(xué)生都懂得將書木打開站立，但在回答“這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明 了什么”時(shí)，通常會(huì)犯兩個(gè)錯(cuò)誤。其一，認(rèn)為是“接觸面”增人而使穩(wěn)定性增強(qiáng)；其二，認(rèn)為是“三角 形具有穩(wěn)定性”。而持第二個(gè)觀點(diǎn)的學(xué)生不在少數(shù)。怎樣糾正這一錯(cuò)誤觀點(diǎn)？這就牽涉到怎樣正確理解 “三角形的穩(wěn)定性”問題，這一問題在“結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)”章節(jié)的教學(xué)小尤顯重要。然而，這個(gè)看似簡單的 “常識(shí)”，卻常常會(huì)被許多師生誤解，因而在解釋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)

3、定性時(shí)一再錯(cuò)誤地引用。筆者經(jīng)過一番梳理, 將對(duì)“三介形穩(wěn)定性”的正確理解歸納成三點(diǎn)內(nèi)容：1、三條總邊的頂端必須通過三點(diǎn)連接在一起；2、這里的“穩(wěn)定性”是指構(gòu)架不易變形，屬于強(qiáng)度的性質(zhì)，并非物理意義上的穩(wěn)定性（不是指平 衡性好）；3、三角形的“穩(wěn)定性”體現(xiàn)在外力方向平行于（或接近平行于）三角形平面時(shí)。當(dāng)外力方向垂直 于三角形平面時(shí)，不能體現(xiàn)三角形的“穩(wěn)定性”。此外，三角形“穩(wěn)定性”的大?。▽?shí)則是強(qiáng)度的大小） 還與材料特性和連接方法有關(guān)。明確以上三點(diǎn)內(nèi)容，就可以很好地辨析具體的實(shí)例。如上述例子中，打開的書就沒有構(gòu)成三角形（缺 一條邊），因此不能用“三角形的穩(wěn)定性”來解釋。2照相機(jī)為什么用三腳架技術(shù)

4、與設(shè)計(jì)2（蘇教版）p12, “案例分析”論述到：“照相機(jī)的支撐架使用三腳架，是因?yàn)槿_ 支架與地面有三個(gè)接觸點(diǎn)，形成的三角形結(jié)構(gòu)使照相機(jī)的支撐架更容易穩(wěn)定。”這一解釋含糊不清，按字面分析應(yīng)該是“三角形具有穩(wěn)定性”的緣故，那么這一問題就值得探討了。第一，照相機(jī)三腳架有沒有構(gòu)成三角形？第二，既然三個(gè)腳“更容易穩(wěn)定”，那么桌子為什么不用三只腳而川四只腳？如前所述，具有“穩(wěn)定性”的三角形是針對(duì)三直邊的頂端通過三點(diǎn)固定連 接的形體。假如三角架（如圖）底端插入土屮，可以視為每兩個(gè)腳都與地面構(gòu) 成穩(wěn)定的三角形（一共有三個(gè)斜立的三角形，地面相當(dāng)于三角形的底邊）。假如 三腳架放置于光滑的巖石上，就不能從三角形的

5、穩(wěn)定性來解釋。因?yàn)榇藭r(shí)三角 架的兩腳只構(gòu)成“人”字形，而不是三角形。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為“三腳架的兩腳 之間不一定非要通過地面上的一條邊連接才構(gòu)成三角形，這條邊可以往上移， 具至可以移到頂上，只要牢固固定，它也應(yīng)該屬于三角形?！边@一觀點(diǎn)顯然是錯(cuò) 謀的。三角形的底邊往上移，形成的是“a”字形，再往上移至頂點(diǎn)形成“人”字形，這兩種結(jié)構(gòu)的下 兩只腳是容易被折的（相比三角形的兩個(gè)斜邊而言），因?yàn)樗鼈內(nèi)鄙俚走叺闹С?。陽“八”字形只有閉合 部分才是真止具冇“穩(wěn)定性”的三角形。那么，古人制作的三腳青銅鼎很堅(jiān)固，能不能用“三角形的穩(wěn) 定性”解釋呢？同樣不能！因?yàn)闆]有構(gòu)成三角形，其堅(jiān)固的原因在于金屬的強(qiáng)度高。'

6、;三腳型”與“三 角形”不可混淆。照相機(jī)用三個(gè)腳，除了便攜、快捷、節(jié)材的原因外，主耍是利用“三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)平而”的原理。因 為照相機(jī)常川于野外，三腳架能在不平的地面上迅速站穩(wěn)。如果用四腳架，常常是三腳著地一腳懸空， 這樣容易產(chǎn)生搖晃。遠(yuǎn)古人制作的陶鼎、陶鬲都是三只腳，這也是基于同樣的考慮。隨著居住環(huán)境的改 善（從地面不平到地面平整），三足師才變?yōu)樗淖愠椋淖愣Φ闹蚊娓?，因此也更穩(wěn)定。同理，桌 子因放直于室內(nèi)平地，所以川四只腳比三只腳更穩(wěn)定。3形狀不是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素技術(shù)與設(shè)計(jì)2（蘇教版p12）將結(jié)構(gòu)的形狀列為影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素之一，舉證的例子就是照 相機(jī)的三腳架“更容易穩(wěn)定”，這是沒有

7、說服力的。要探究形狀是不是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，正確的 做法是，在支撐而積、重心位置相同的情況下，測試形狀不同的結(jié)構(gòu)，看看它們的穩(wěn)定性有否差界。例 如，在支撐面積、重心位置一樣的情況下，三腳架是否比四腳架更容易穩(wěn)定？作這一比較的關(guān)鍵點(diǎn)是“架 腳須著地”，否則對(duì)比沒有意義。如前所述，三腳架對(duì)比四腳架的優(yōu)勢(shì)在于，野外三腳架能迅速站穩(wěn)（三 腳著地），而四腳架常常不穩(wěn)（一腳懸空）。但此時(shí)的“四腳架”在木質(zhì)上已歸屬于三腳架了，因?yàn)榱硪?腳是不起作用的。況且支撐而積也人為縮小了，所以二者沒有可比性。事實(shí)上野外用的三腳架一般部可 伸縮。如果四腳架懸空的一腳也調(diào)節(jié)為著地狀態(tài)，那么，三腳架怎么能比四腳架“更容易

8、穩(wěn)定”呢？ 所謂“更容易穩(wěn)定”實(shí)質(zhì)是“更便于找到穩(wěn)定狀態(tài)”而已。技術(shù)與設(shè)計(jì)2（蘇教版p12 ） “馬上行動(dòng)”中，讓學(xué)生分析a字梯橫桿的作用，以及橫桿長短對(duì) 梯子穩(wěn)定性的影響。按教參的說法“如果沒有橫桿，梯子支撐腳與地而的位置不能同定兩梯腳會(huì)向 外滑動(dòng)，a字形結(jié)構(gòu)被破壞，失去平衡，梯上的人會(huì)跌落下來?！庇眠@一說法證明形狀是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 的因素，同樣是站不住腳的。首先，a字梯如果沒有橫桿，當(dāng)它的兩腳張到最人時(shí)，人站上梯了，兩個(gè) 梯腳是不會(huì)再往外滑動(dòng)的，因?yàn)轫斏系膬蓚€(gè)踏板（有的是用活扣）頂住了。倒是人在梯了上活動(dòng)時(shí)，由 于梯腳的彈性作用，梯子的兩腳會(huì)逐漸地往內(nèi)靠（筆者親自試驗(yàn)過），造成梯子的支撐而

9、減小，易于晃動(dòng)。其次，“a字梯結(jié)構(gòu)被破壞”不屬于穩(wěn)定性問題而是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。而a字梯既然“兩梯腳會(huì)向外 滑動(dòng)”，支撐面變大，按理梯子應(yīng)當(dāng)更穩(wěn)定，那么“失去平衡”的對(duì)象只能是人，與梯子無關(guān)，因此這 事例不能證明形狀是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因索。結(jié)構(gòu)形狀改變確實(shí)能引起穩(wěn)定性變化，但其歸因仍然是支撐面人小改變或重心位宜改變，而結(jié)構(gòu)形 變的本身屬于強(qiáng)度問題。因此 把形狀視為影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有重復(fù)z嫌。但對(duì)于風(fēng)中的物體而言, 形狀確實(shí)對(duì)穩(wěn)定性冇影響，因此，只冇在風(fēng)的作用下來討論形狀對(duì)穩(wěn)定性的影響才冇意義。4影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素的探究實(shí)驗(yàn)要注意自變量單一蘇教版通用技術(shù)必修2教參p22-23,教學(xué)參考案例穩(wěn)固結(jié)

10、構(gòu)的探析中，用紙屏風(fēng)分別在平展、 曲折、裝上底座、綁上腳插入盆土中四種情況下，用無極調(diào)風(fēng)電風(fēng)扇吹倒屏風(fēng)，根據(jù)四種實(shí)驗(yàn)的調(diào)速開 關(guān)位置（風(fēng)力）對(duì)比，推論影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。這樣的實(shí)驗(yàn)雖然玄觀，但不夠簡潔，更主要的是得 出的結(jié)論經(jīng)不起推敲，因?yàn)閷?duì)比實(shí)驗(yàn)的自變量不是一個(gè)，不符合實(shí)驗(yàn)的基木規(guī)則。先看第一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)：一字型屏風(fēng)與折線形屏風(fēng)被電風(fēng)扇吹倒所用的風(fēng)力不同，說明支撐而越人結(jié) 構(gòu)越穩(wěn)定。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，因變量是風(fēng)力，自變量卻有兩個(gè)：屏風(fēng)的支撐而積（底座大?。┖推溜L(fēng)的受風(fēng) 截面積，受風(fēng)截面積越大屏風(fēng)越容易倒。那么，一字型屏風(fēng)容易被吹倒是受風(fēng)截面積大的原因述是支撐 而小的原因？可見這個(gè)實(shí)驗(yàn)不嚴(yán)謹(jǐn)。如果將

11、該實(shí)驗(yàn)方法改為：一式兩個(gè)屏風(fēng)，一個(gè)一字型，一個(gè)折線形, 同時(shí)放置于桌而上，搖晃桌了，觀察哪一個(gè)屏風(fēng)先倒，以此得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這樣就可以排除受風(fēng)截而積 的干擾因素。再看第二個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)：一字型屏風(fēng)在裝底座與不裝底座兩種狀態(tài)下，被風(fēng)吹倒所用的風(fēng)力不同，以 此說明重心越低結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的漏洞就更多了。受風(fēng)的情況下，屏風(fēng)的重心高度、質(zhì)量、受風(fēng) 截面積都是口變量。加上底座后，屏風(fēng)重心降低、質(zhì)量增大、支撐而（底座）增大、受風(fēng)截而積增大， 那么，究竟是哪個(gè)因素引起穩(wěn)定性增強(qiáng)？可見實(shí)驗(yàn)的不嚴(yán)謹(jǐn)。其實(shí)要證明重心越低結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，完全有更為簡單有效的實(shí)驗(yàn)方法：用同樣的三個(gè)礦泉水瓶，分別 裝水三分之一、三分之二、滿瓶，將它們同置于桌上，一字型分開站立，搖晃桌子，結(jié)果是水越多（重 心越高）的瓶子越容易倒（此時(shí)質(zhì)量因素對(duì)以忽略）。這一實(shí)驗(yàn)還可以這樣拓展：將空瓶、滿瓶、三分 之一瓶的礦泉水瓶同時(shí)放置桌上，分別作“搖晃桌子”和“吹電風(fēng)扇”實(shí)驗(yàn)，看看在兩種不同的外力作 用下，瓶了倒伏的順序有何不同。這個(gè)拓展實(shí)驗(yàn)之所以要把空瓶與滿瓶進(jìn)行對(duì)比，是因?yàn)樗鼈兊闹匦母?度是一致的，但質(zhì)量差距很人。在電風(fēng)扇的吹動(dòng)下，空瓶很快就被吹倒（或吹走），而滿瓶卻最難被吹 倒，說明此時(shí)質(zhì)量已成為影響穩(wěn)定性的主要因素，質(zhì)量越人物體越穩(wěn)定。而在搖晃桌了時(shí)，結(jié)論正好相 反，滿瓶先倒，空瓶