第一章結(jié)構(gòu)及其設(shè)計教案-高中通用技術(shù)地質(zhì)版必修《技術(shù)與設(shè)計2》

第一章結(jié)構(gòu)及其設(shè)計第一節(jié)初識結(jié)構(gòu)一、教學(xué)目標(biāo)理解結(jié)構(gòu)的本質(zhì)和含義。能對生活中常見的簡單結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，能指出三種不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場合。能初步認(rèn)識到結(jié)構(gòu)在日常生產(chǎn)、生活中廣泛應(yīng)用的重要性，拓寬思維和想象空間。二、教學(xué)策略1．學(xué)情分析高中生已具備一定的物理知識，可以從物體受力的角度去理解結(jié)構(gòu)的作用。學(xué)生在日常生活中，?？吹揭恍┲T如生活、學(xué)習(xí)用具、生產(chǎn)器械等，也知道它們都具有一定的結(jié)構(gòu)特點，但不能從理論上科學(xué)地對其定義。通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生對于結(jié)構(gòu)的概念和分類比較容易理解掌握，但要對生活常見的實例進(jìn)行歸類可能會有困難。因為現(xiàn)實中的結(jié)構(gòu)往往是多種結(jié)構(gòu)類型的結(jié)合，需要探討交流，獲得共識，教師應(yīng)從力學(xué)架構(gòu)與形態(tài)分類的角度對引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。2.教學(xué)準(zhǔn)備教學(xué)中，應(yīng)盡量結(jié)合實例對生活中常見的簡單結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸類，區(qū)分三種結(jié)構(gòu)的不同應(yīng)用場合。教師選用不同結(jié)構(gòu)類型的實物模型給學(xué)生觀摩，如小板凳、臺燈、球形建筑等；利用多媒體播放不同結(jié)構(gòu)的圖片和視頻介紹故宮、趙州橋等，體會物體的結(jié)構(gòu)是由物體的功能和需要決定的，而物體的結(jié)構(gòu)又決定了物體的性質(zhì)和形態(tài)。三、教學(xué)重點結(jié)構(gòu)含義及其分類結(jié)構(gòu)的受力分析四、教學(xué)難點結(jié)構(gòu)分類教學(xué)過程：利用多媒體播放典型結(jié)構(gòu)，探索結(jié)構(gòu)的奧秘。引出圖片所示物的技術(shù)核心是結(jié)構(gòu)，它們的共同特點是承受和抵抗各種各樣的作用力，抵抗可能由此引起的變形或損傷。它們都是結(jié)構(gòu)設(shè)計的成果。引導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生們對結(jié)構(gòu)探究的興趣。從身邊的生活入手，讓學(xué)生們自行設(shè)計、制作一個簡易衣帽架！要達(dá)到我們所提出的要求，那么選用什么架構(gòu)、材料、幾何形狀與尺寸，采用怎樣的連接、裝配與安裝方式呢？為了解決這一些技術(shù)問題，我們應(yīng)先從基礎(chǔ)學(xué)起——結(jié)構(gòu)及其設(shè)計。引導(dǎo)學(xué)生從“架構(gòu)”的角度進(jìn)行歸納總結(jié)：板凳（a）4條腿，“八”字形態(tài)，由兩根橫橕分別把左右2條腿連接在一起。板凳（b）在（a）的基礎(chǔ)上去掉了2根橫橕。板凳（c）在（a）的基礎(chǔ)上加了1根橫橕，將左右兩端凳腿之間的橫橕連接在一起。通過前面三個實例，他們各自之間是怎樣搭配和排列的？他們在使用中各受到哪些外力的作用？結(jié)構(gòu)：組成某體系的各部分單元之間的搭配和排列，確定的搭配和排列決定了該體系的性質(zhì)和形態(tài)。構(gòu)件：結(jié)構(gòu)的各組成部分。結(jié)構(gòu)是可承受一定力或力矩的架構(gòu)形態(tài)，抵抗變形或產(chǎn)生需要的變形是結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。（一）從力學(xué)的架構(gòu)與形態(tài)考慮，結(jié)構(gòu)分類如下：實心結(jié)構(gòu)能承受較大的壓力水庫的大壩、墻體、城墻幾何外形簡單有桿（柱）、板、體?？蚣芙Y(jié)構(gòu)制作方便，能省料塑料大棚、自行車。桿件實心或管材殼體結(jié)構(gòu)曲面形板與邊緣構(gòu)件（梁、拱或桁架）組成的空間結(jié)構(gòu)水杯、水壺、文具盒、存錢罐、坦克、太空飛行的艙體、石油氣儲罐、浮標(biāo)。殼體結(jié)構(gòu)存在原始曲度，是一種強(qiáng)度高、省材料的結(jié)構(gòu)。通過以上內(nèi)容的學(xué)習(xí)，對結(jié)構(gòu)有一個初步的印象和概念，對衣帽架的結(jié)構(gòu)有一個輪廓，畫出設(shè)計草圖。第二節(jié)典型結(jié)構(gòu)分析一、教學(xué)目標(biāo)理解結(jié)構(gòu)是為了承受力和抵抗變形的本質(zhì)能對生活中常見結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力與變形分析體會結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要意義，養(yǎng)成對結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析的思維習(xí)慣引導(dǎo)學(xué)生多角度思考問題、分析問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計的欲望二、重難點：對單杠作受力和變形分析通過受力和變形分析，體會結(jié)構(gòu)是為了承受力和抵抗變形的本質(zhì)。三、教學(xué)過程：利用多媒體播放一段體操運動的影像資料。運動員在場上激烈的角逐，那么，同學(xué)們，你知道他們的比賽項目是什么？他們進(jìn)行的是單杠練習(xí)，就是我們上體育課經(jīng)常玩的單杠。你們仔細(xì)觀察一下，他們所用的單杠和我們學(xué)校的單杠在結(jié)構(gòu)上有哪些不同呢？或者，與你們所見過單杠相比，有沒有不同的地方呢？引導(dǎo)歸納總結(jié)，細(xì)心觀察的同學(xué)發(fā)現(xiàn)了，比較明顯的一個區(qū)別，就是有的單杠有四根鐵線，有的卻沒有。前面我們學(xué)習(xí)過什么叫結(jié)構(gòu)，還知道了結(jié)構(gòu)可以承受力和抵抗變形，而組成結(jié)構(gòu)的各個部分稱為構(gòu)件。那么，現(xiàn)在我們把單杠看成一個結(jié)構(gòu)，那構(gòu)件都有什么呢？為什么有的單杠有拉桿，有的沒有呢？不同結(jié)構(gòu)的單杠在功能上有什么不同呢？引入新內(nèi)容。在學(xué)生閱讀課本的過程后，總結(jié)兩根立柱以承受壓力為主，主要變形為壓縮變形；而拉桿始終處于張緊狀態(tài)，主要變形為拉伸變形。如果我們抓在杠體中間，將可能發(fā)生怎樣的變形？結(jié)合梁的定義，所以我們認(rèn)為，杠體是有兩個支點的梁。如上圖所示，如果撤掉拉桿4和6，而抓著拉桿3和5用力拉，立柱將可能發(fā)生怎樣的變形？所以立柱是只有一個支點的垂直梁。我們對杠體進(jìn)行——有兩個支點的梁進(jìn)行受力分析前，先看一下物理實驗——單擺。在小球擺的過程中，繩子對小球的作用力方向怎樣變化？根據(jù)作用力和反作用力原理，固定點受到小球的作用力方向如何？無論小球擺到哪個位置，固定點受到的作用力方向始終指向小球球心所處的瞬間位置。當(dāng)運動員做大回環(huán)動作時，如果從側(cè)面來看，將會是怎樣？類比單擺，杠體相當(dāng)于固定點；人相當(dāng)于小球。杠體受到人的作用力方向是怎樣的？所以，無論人擺到哪個位置，杠體所受作用力的方向始終指向人的重心所處的瞬間位置。因為梁向哪個方向受力，就會向哪個方向變形。即變形方向和受力方向一致。所以杠體總是朝人的重心所在位置發(fā)生變形。于是有了結(jié)論：杠體總是朝著人體所在瞬間位置的方向上發(fā)生彎曲。下面，我們再看立柱。杠體和立柱的上端相連，人的作用力通過柜體作用于立柱，將可能發(fā)生怎樣的變形？是彎曲，對嗎？如果要向前發(fā)生彎曲，請問同學(xué)們有什么方法可以削弱或抵削這種彎曲呢？棚室荷載與立柱受力壓力要收起壓縮變形，彎矩要引起彎曲變形。通過結(jié)構(gòu)合理設(shè)計，立柱將會抵抗住壓縮與彎曲兩類變形（二）梁的受力防止梁過分彎曲的最簡單方法是在梁的下面增加支撐點。（三）拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用棚室一般采用拱結(jié)構(gòu)。適用于大跨度。內(nèi)部為空心狀，由頂板、底板、腹板和加勁肋等構(gòu)件組成。特點：大跨徑，質(zhì)量小、省鋼材、抗彎和抗扭剛度大、安裝快、外形簡潔美觀。荷載類型：豎向作用橫向作用縱向水平作用扭矩：橋由于承受因荷載分布不均勻、不對稱而產(chǎn)生的；剪切力：梯子的橫梁，除了承受壓力及使其發(fā)生彎曲變形的力之外，在橫梁與支柱的兩個交接處還要承受的力。第三節(jié)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性一、教學(xué)目標(biāo)理解應(yīng)力和強(qiáng)度的概念，了解應(yīng)力和強(qiáng)度的關(guān)系掌握影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的因素理解穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的概念，掌握影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素二、重難點：影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度的因素判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度通過技術(shù)試驗，感知力學(xué)結(jié)構(gòu)對設(shè)計的基本要求及物態(tài)變化三、教學(xué)過程：一、我們經(jīng)常聽到過這樣的對話：“我的椅子比你的結(jié)實?！薄拔业淖雷訅牧艘粭l腿，不穩(wěn)了?！边@里的結(jié)實和穩(wěn)，都是對某物體結(jié)構(gòu)的某方面性能的一種形容、一種描述、一種評價。下面我們通過實驗的方法來進(jìn)行。技術(shù)試驗的總體要求：（1）試驗前，要提前做好準(zhǔn)備，包括器材準(zhǔn)備、試驗場地準(zhǔn)備及參試人員分組準(zhǔn)備。（2）試驗分組進(jìn)行，組內(nèi)人員分工明確。（3）認(rèn)真做好交流、討論。（4）認(rèn)真寫好試驗報告。（5）做好安全防范。試驗一：簡易拉伸試驗試驗項目：紙繩拉伸試驗試驗內(nèi)容：抗拉伸研究試驗器材：自制紙繩多根，砝碼1套（或彈簧秤1個）試驗步驟：將紙繩一端固定懸掛，另一端用于加砝碼，觀察并記錄紙繩變形與受力情況，直到將紙繩拉斷。取兩根紙繩并放在一起，重復(fù)步驟以上步驟。逐漸增加紙繩數(shù)量，重復(fù)以上步驟，直到無法拉斷多股的紙繩為止。整理試驗記錄，小組討論，提出此次試驗的幾點結(jié)論性看法。撰寫試驗報告。試驗二：簡易彎曲試驗試驗項目：板條彎曲試驗試驗內(nèi)容：抗彎曲研究試驗器材：寬木板條1條200mmX80mmX3mm；窄木板條3條，參考尺寸：200mmX15mmX3mm；小木塊2塊；快干膠水；小鐵釘若干。試驗步驟：1.取寬木板條，將其兩端用小木塊支撐起來，在木板條的中央向下施加壓力，觀察并體驗?zāi)景鍡l變形的情況。2.取一條窄木板條，用膠水和小鐵釘將其緊固于寬木坂條的中央，重復(fù)以上步驟。逐漸疊加窄木板條，重復(fù)以上步驟。整理試驗記錄，得出結(jié)論，撰寫試驗報告。試驗三：簡易組態(tài)試驗試驗項目：桿件框架組態(tài)試驗試驗內(nèi)容：框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究試驗器材：相同材質(zhì)的桿件5根（雪糕棒），每根桿件的兩端備有可穿過螺栓的孔；螺栓、螺母4套。試驗步驟：1.取3根桿件，用螺栓將他們連接成一個三角形，并用螺栓固定。在任一結(jié)點上施加外力F，觀察并體驗框架的受力與變形情況（a）。2.重取4根桿件，組成一個四邊形框架，在四邊形框架的某一結(jié)點上施加外力F，觀察并體驗受力與變形情況。3.在四邊形框架的基礎(chǔ)上，另取一根桿件加入，改組成有一條公共邊的雙三角形框架（b）所示。在雙三角形框架的某一結(jié)點上施加外力F，觀察并體驗框架的受力與變形情況。技術(shù)試驗過程的評價最重要的就是試驗數(shù)據(jù)處理、分析方法和綜合評價方法。二應(yīng)力、強(qiáng)度內(nèi)力：構(gòu)件在外力作用下發(fā)生變形的同時，構(gòu)件內(nèi)部分子之間產(chǎn)生一種抵抗變形的抵抗力。應(yīng)力：作用在單位面積上的內(nèi)力。N/m2三、影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的因素形狀：構(gòu)成的形狀略有改變，強(qiáng)度就會改變材料：不同的材料有承受不同應(yīng)力極限的能力四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（一）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定/不穩(wěn)定的幾種情況（1）不倒翁結(jié)構(gòu)；（2）4條腿支撐的椅子；（3）上小下大的橫截面結(jié)構(gòu)。（二）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的概念能傳遞（承受）任意形式的荷載，稱為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。五影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素及應(yīng)用（一）影響因素1.重心的位置2.結(jié)構(gòu)的支撐面積支撐面積大的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好。3.結(jié)構(gòu)的幾何形狀上端小、下端大的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好。（二）巧妙地增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（1）減小長細(xì)比（2）利用三角形框架及其組合結(jié)構(gòu)第四節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作一、教學(xué)目標(biāo)初步掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路，形成良好的設(shè)計習(xí)慣學(xué)會簡單結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步驟體驗結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作的過程，具備初步的綜合設(shè)計能力，樹立團(tuán)隊意識二、重難點：結(jié)構(gòu)設(shè)計三：教學(xué)過程：引導(dǎo)學(xué)生閱讀材料：長信宮燈為什么擁有這樣的極高評價？長信宮燈的特色功效是結(jié)構(gòu)設(shè)計的成果！該成果體現(xiàn)的創(chuàng)新與匠心正是需要我們學(xué)習(xí)與傳承的精神！下面我們通過動手來制作衣帽架原型（一）確定設(shè)計方案（1）根據(jù)使用的需求，來確定桿件的數(shù)量（2）根據(jù)荷載的分析，選定制作桿件和小橫樁的材料及尺寸（3）畫草圖，標(biāo)明比例尺（4）小組討論，在強(qiáng)度和穩(wěn)定性優(yōu)化的基礎(chǔ)上，做進(jìn)一步的改進(jìn)，確定方案。（二）完成設(shè)計制作（1）繪制正規(guī)圖紙（2）制作原型一是保證達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如設(shè)計方案中描述的桿件和小橫樁的數(shù)量、材料、尺寸等。二是保證擁有良好的特性，如承載的強(qiáng)度與穩(wěn)定性等。參考設(shè)計方案思考：（1）秋千的各構(gòu)件分別承受了怎樣的力？它們是怎樣抵抗變形的？（2）它與單杠在功能要求、結(jié)構(gòu)要求、結(jié)構(gòu)方式等方面有何異同？（3）秋千架的高度會帶來什么影響?秋千繩多長為好（離地面多高）？（4）各拉桿與立柱之間的夾角應(yīng)怎樣確定？（5）立柱埋入地下的部分，用什么樣的幾何形狀好？埋多深？（6）秋千的拉桿怎樣與地面連接牢固？（7）應(yīng)考慮哪些與安全有關(guān)的問題？（1）在分析討論的基礎(chǔ)上，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。包括：框架構(gòu)成，材料、尺寸及各構(gòu)件的連接與固定方式等。（2）繪制正規(guī)設(shè)計圖紙。（3）制作模型。四：課堂反思在制作過程中不要讓學(xué)生認(rèn)為完成設(shè)計方案或做出個原型就萬事大吉了，應(yīng)組織學(xué)生以小組形式，交流討論組內(nèi)學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工作態(tài)度。引導(dǎo)學(xué)生“學(xué)技術(shù)，做到勤奮刻苦、精益求精。學(xué)會運用技術(shù)思想和方法，要有敏銳的工程思維和較強(qiáng)的創(chuàng)造能力，要傳承大國工匠精神，只有這樣才能創(chuàng)造出精致、精湛、精美的作用。第五節(jié)典型結(jié)構(gòu)欣賞和結(jié)構(gòu)設(shè)計評價一、教學(xué)目標(biāo)了解對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行的欣賞和評價的基本思路與方法。學(xué)會從科學(xué)、藝術(shù)、環(huán)境、民俗等多角度對身邊的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行欣賞，養(yǎng)成科學(xué)的完美觀。養(yǎng)成尊重他人智力勞動成果的習(xí)慣。通過欣賞典型結(jié)構(gòu)設(shè)計，激發(fā)學(xué)生參與結(jié)構(gòu)設(shè)計的熱情。二、重難點：一是欣賞優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計二是學(xué)習(xí)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的評價方法三、教學(xué)過程：引導(dǎo)學(xué)生欣賞：故宮博物院一角上海浦