STEM課程案例-木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)

1、STEM課程案例木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)一、背景簡(jiǎn)介利用課堂向?qū)W生傳授結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的定義，以及影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與強(qiáng)度主要影響因素。培養(yǎng)學(xué)生思辨的科學(xué)精神，突出“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的科學(xué)思想。讓學(xué)生進(jìn)行木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)。對(duì)細(xì)木條進(jìn)行切割打磨粘接設(shè)計(jì)，來滿足木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)的解題要求。學(xué)生在活動(dòng)中可以“學(xué)中做，做中學(xué)”，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程思維的目標(biāo)。二、課程目標(biāo)1、技術(shù)意識(shí)（1）通過OM賽題的講解，熟悉頭腦奧林匹克的比賽題目。（2）通過木質(zhì)承重結(jié)構(gòu)的分析，探究最佳的承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2、工程思維通過分析、比較與實(shí)踐，找到木質(zhì)承重結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，從實(shí)踐中培養(yǎng)工程思維。3、物

2、化能力通過木質(zhì)承重結(jié)構(gòu)的制作，使學(xué)生體驗(yàn)?zāi)竟すに嚨囊话惴椒ê图夹g(shù)方法，激起學(xué)生設(shè)計(jì)的欲望，培養(yǎng)學(xué)生富于想象、勇于創(chuàng)新的個(gè)性品質(zhì)。三、課程適用年級(jí)：高一年級(jí)四、課程內(nèi)容及課時(shí)規(guī)劃：4課時(shí)木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)，通過在高中二年級(jí)的10個(gè)班中開設(shè)課程進(jìn)行探究活動(dòng)，依托高中通用技術(shù)課堂，進(jìn)行科學(xué)課程的全員學(xué)習(xí)與人才培養(yǎng)。1、傳統(tǒng)課堂傳授新知：利用課堂向?qū)W生傳授結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的定義，以及影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與強(qiáng)度主要影響因素。2、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)課堂探討應(yīng)用：利用探究式學(xué)習(xí)，合作式學(xué)習(xí)，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生思辨的科學(xué)精神，突出“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的科學(xué)思想。讓學(xué)生進(jìn)行木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)。對(duì)細(xì)

3、木條進(jìn)行切割打磨粘接設(shè)計(jì)，來滿足木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)的解題要求。3、比賽式課堂激發(fā)熱情：學(xué)生在活動(dòng)中可以“學(xué)中做，做中學(xué)”，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)，通過承重比賽，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。4、總結(jié)活動(dòng)選拔人才：通過學(xué)習(xí)過程與比賽過程的教室記錄，可以發(fā)現(xiàn)很多在此項(xiàng)目中有能力有天賦能作為的學(xué)生，為后續(xù)活動(dòng)發(fā)現(xiàn)人才。5、精細(xì)化培養(yǎng)參加國(guó)內(nèi)國(guó)際大賽：對(duì)人才進(jìn)行深層次培養(yǎng)，指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)的探究，比如承重木條的主柱應(yīng)該是三根還是四根，同一木質(zhì)方案使用不同的膠水承重效果有何不同等，在配合上最新的國(guó)內(nèi)國(guó)際大賽的承重題目，針對(duì)性訓(xùn)練，已達(dá)到好成績(jī)。后期預(yù)計(jì)目標(biāo)把班級(jí)從10個(gè)班擴(kuò)展到20個(gè)班，從一個(gè)級(jí)部擴(kuò)展到

4、兩個(gè)級(jí)部，進(jìn)一步完善組織步驟，讓學(xué)生不僅做還要科學(xué)的總結(jié)。五、教學(xué)指導(dǎo)建議小組合作學(xué)習(xí)堅(jiān)持讓每位學(xué)生動(dòng)手，時(shí)間安排合理，分工合作，學(xué)生才能在學(xué)習(xí)中更好的提升工程思維的能力六、評(píng)價(jià)方式學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)，達(dá)到實(shí)踐科學(xué)知識(shí)的目標(biāo)，深層次立體的明白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的知識(shí)點(diǎn)；以校內(nèi)比賽為呈現(xiàn)方式，優(yōu)中選優(yōu)并給予獎(jiǎng)勵(lì)；七、實(shí)施過程XX中學(xué)木結(jié)構(gòu)承重比賽工程類挑戰(zhàn)要求團(tuán)隊(duì)使用特定材料來設(shè)計(jì)并建造一個(gè)可以測(cè)試的承重木質(zhì)結(jié)構(gòu)A結(jié)構(gòu)概況1.設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能獨(dú)立站立的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行承重測(cè)試2.測(cè)試結(jié)構(gòu)在壓放承壓板后能承受多少重量3.我們鼓勵(lì)參賽隊(duì)在制作之前畫設(shè)計(jì)圖4.結(jié)構(gòu)必須是參賽隊(duì)設(shè)計(jì)，制作必須完全由參賽隊(duì)自己

5、動(dòng)手切割，塑型，組裝B結(jié)構(gòu)材料1.設(shè)計(jì)并制作一個(gè)僅利用提供的桐木或basa木做成的結(jié)構(gòu)2.任何市面上買得到的各種可造成永久粘合的粘合劑C結(jié)構(gòu)規(guī)格1.結(jié)構(gòu)總重量不得超過15g2.結(jié)構(gòu)高度必須至少20厘米以上（并不超過23厘米）3.結(jié)構(gòu)必須是一個(gè)單一個(gè)體，放置數(shù)個(gè)獨(dú)立的部件在承重臺(tái)內(nèi)是不符合挑戰(zhàn)規(guī)定的。4.當(dāng)結(jié)構(gòu)坐落在承重臺(tái)底座時(shí)，結(jié)構(gòu)必須完全在承重臺(tái)里面，承重臺(tái)里的安全柱必須能夠穿過結(jié)構(gòu)。5.結(jié)構(gòu)必須有一個(gè)由上而下的開口，并可容納一個(gè)內(nèi)徑為5.1厘米的圓柱體。6.結(jié)構(gòu)不能接觸安全柱。D結(jié)構(gòu)測(cè)試程序1.先測(cè)量重量，不高于15g即可進(jìn)行承重。2.參賽隊(duì)隊(duì)員進(jìn)行測(cè)試，先放結(jié)構(gòu)，再放好承壓板，再放置第一

6、片杠鈴片，放好后，逐一放置杠鈴片，直至結(jié)構(gòu)損壞。3.每次只能壓放一片杠鈴片。E比賽評(píng)分（100分）1.設(shè)計(jì)圖（10分）2.材料使用（10分）5根10分，6根5分，7根級(jí)以上0分3.承重重量（80分）重量最高組計(jì)滿分80分，其余各組承重成績(jī)按比例賦分。學(xué)生研究日志一、第一次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，觀看了承重結(jié)構(gòu)世界賽和全國(guó)賽的視頻，看到了帶回來的上一屆世界冠軍的承重結(jié)構(gòu)模型。我們團(tuán)隊(duì)決定模仿制作一個(gè)。由于是第一次實(shí)驗(yàn)，缺少經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)制作耗費(fèi)了大量的時(shí)間，最后出現(xiàn)了：承重結(jié)構(gòu)重量超標(biāo)，底面不平，高度小于原模型，而且少四根橫梁等現(xiàn)象，分析應(yīng)為技術(shù)問題。先不進(jìn)行承重實(shí)驗(yàn)，暫時(shí)保存以備日后比較、參考。二、第二次進(jìn)入

7、實(shí)驗(yàn)室，重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)制作。為方便，采取如下記錄方式：立柱，4x4，表示4根桐木條合成一根，共合成4根。斜撐，4x4，表示結(jié)構(gòu)四面每一面4根，共4面。橫梁，2x4，表示每一面2根，共4面。用膠：401，502，品牌不一。粘合過程中，出現(xiàn)涂膠不均勻，膠合不牢等技術(shù)問題以及桐木條質(zhì)量不一、密度不均等材料問題。參與人數(shù)：4人。完成用時(shí)：1小時(shí)。結(jié)構(gòu)重量：17.2g；高度：20.5cm。承重?cái)?shù)據(jù)記錄：20kg，無(wú)形變40kg，無(wú)形變60kg，無(wú)形變80kg，無(wú)形變100kg，無(wú)形變120kg，一開始無(wú)形變，一段時(shí)間后略傾斜，放置5分鐘，無(wú)變化。140kg，剛剛放上，馬上斷裂。斷裂方式：立柱斷裂

8、（三根）向一側(cè)傾倒式，皆從中間斷裂，未斷裂的那根沿膠合方向縫隙分開，斜撐、橫梁均無(wú)損害。三、原因分析：通過幾次討論、請(qǐng)教、試驗(yàn)、回看前面的視頻，分析上一次出現(xiàn)的問題，發(fā)現(xiàn)1）用膠不緊未壓實(shí)膠問題，壓實(shí)技術(shù)問題。2）結(jié)構(gòu)中承載120kg時(shí)，保持長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)時(shí)間把握，放置技術(shù)問題。3）四根立柱長(zhǎng)度不一，使得結(jié)構(gòu)放置于地面時(shí)，底面有傾角且4條腿不同時(shí)著地打磨技術(shù)不過關(guān)。4）結(jié)構(gòu)質(zhì)量超標(biāo)涂膠量沒有掌握好；也忽略了膠的密度。5）在杠鈴片放置時(shí)，杠鈴片重心不在中央，使木條受力不均勻，致使其向一側(cè)偏倒。總之，與上一屆冠軍結(jié)構(gòu)對(duì)比有立柱少、底面不平、涂膠不均、選材不當(dāng)?shù)葐栴}。制作過程中，也存在分工不明確，切

9、割木條時(shí)角度難以控制等問題。四、期間，通過多次回看錄像視頻，發(fā)現(xiàn)比賽時(shí)用三角形結(jié)構(gòu)所用木條比較輕，同等情況下承重比較多，計(jì)劃做成三角形結(jié)構(gòu)。具體計(jì)劃如下：立柱，4x3斜撐，4x3橫梁，2x3膠水：502或401，集中試驗(yàn)幾個(gè)品牌的膠水。出現(xiàn)問題：在制作過程中，橫梁切面、斜撐切面角度特殊，無(wú)法達(dá)到要求，無(wú)法膠合，分析受力情況，各斜撐起不到應(yīng)有的作用。計(jì)劃和制作用時(shí)一小時(shí)左右，未完成，中途經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)達(dá)不到技術(shù)要求高度和預(yù)期目標(biāo)，放棄該計(jì)劃。重新制定計(jì)劃為：立柱，3x4斜撐，4x4橫梁，2x4膠水，502或401時(shí)間較晚了，計(jì)劃未實(shí)施。五、實(shí)施計(jì)劃。鑒于上幾次實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過分析決定放棄使用401膠，確

10、定使用502膠，原因在于401干燥時(shí)間長(zhǎng)，膠合力差，密度大造成結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，不適合使用。并尋找出所用502膠的品牌，解決了用膠問題。關(guān)于兩種502膠的比較實(shí)驗(yàn)如下：膠種類凝固時(shí)間膠合力使用方法適用同鼓較長(zhǎng)較小倒置擠壓立柱。膠合方便整齊，但是不牢固，硬化后太硬，質(zhì)量大。華慶較短較大倒置點(diǎn)滴橫梁。膠合快而牢。但是硬化太快，不易操作。另外，找老師交流溝通，制定關(guān)于工具使用和技術(shù)革新的研究方案。然后，依計(jì)劃制作各個(gè)部分。速度略有提升，團(tuán)隊(duì)合作日漸默契。掌握了一定的立柱底面打磨技巧，將銼刀改為砂紙先粗后細(xì)，用直角鋼拐尺比著保證其豎直，握住木條的中下部，且偶數(shù)個(gè)一起同時(shí)打磨等辦法。將改良的斜撐嘗試采用“X”

11、形整體對(duì)接膠合做成整體斜撐，但尚未實(shí)驗(yàn)效果。多次研討、交流后發(fā)現(xiàn)，之前對(duì)于結(jié)構(gòu)受力分析出現(xiàn)失誤，斜撐作用應(yīng)為內(nèi)拉力而非外撐，立柱為主要承重部件，其余僅僅為輔助，為此將計(jì)劃更改如下：1、趕緊斜撐技術(shù)，改為半卯榫結(jié)構(gòu)加膠合將桐木條切割一半左右，摳成一個(gè)正好等于立柱寬度的卡口，卡住并膠接在立柱上，則可以將內(nèi)側(cè)支撐力改為外側(cè)牽拉力。2、改進(jìn)膠水及其用法，用華慶502膠水并配上涂膠的專用管頭。3、進(jìn)行機(jī)械研究，制造簡(jiǎn)易機(jī)械，提高效率。包括：鋼鎮(zhèn)尺，用以比齊桐木條；切割器，類似于鍘刀，用以快捷利落切斷桐木條，使切口齊整；結(jié)構(gòu)粘合模具；打磨工具，如由粗到細(xì)的砂紙以及電動(dòng)砂輪等等。4、改進(jìn)打磨技術(shù)。5、放置技術(shù)改進(jìn)，三人分工合作：一人遞二人放。一人遞兼放平板，二人放并看結(jié)構(gòu)與平板是否位于正中心。幾番改進(jìn)，此次，我們制作了一個(gè)結(jié)構(gòu)，承重達(dá)到了200kg，高于前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們會(huì)不斷改進(jìn)，改善結(jié)構(gòu)，提高其承重力和穩(wěn)定性。八、實(shí)踐效果及反思通過木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)，讓學(xué)生學(xué)以致用，全員參與，通過比賽，選拔人才，將學(xué)科課程與科技比賽完美打通，讓學(xué)生學(xué)而致用，更多考慮的是安全問題與學(xué)生投