資源簡介

《結構與穩定性》教學設計
一、學習目標
1、能通過試驗分析影響結構穩定性的因素，并寫出試驗報告。
2、理解影響結構穩定性的因素。
3、理解結構的穩定性是各種因素共同影響的。
4、能應用結構穩定性的相關知識解釋生活中有關結構穩定性的現象。
5、能應用結構穩定性的知識進行相關結構的設計。
二、教學重點
理解影響結構穩定性的因素、解釋相關現象
三、教學難點
應用結構穩定性的知識進行相關結構的改進和設計
四、學策略和手段
一方面采用直觀學生參與的實驗教學法，讓學生親歷實驗情境，在情景中理解各種因素對結構穩定性的影響。另一方面，項目化教學，給學生安排具體的實踐任務，在實踐中理解知識，生成應用知識的設計。
五、教學準備
PPT，礦泉水瓶，鉤碼，木板，紙杯子，彩色筆，細木桿，鉸連接的三角形、平行四邊形、梯形、立體架，木頭人，小木棍、細線等。
六、教學過程
（一）新課引入
復習上節課學習過的結構的定義：結構是指可以承受一定外力的架構形態。播放視頻《不同結構在外力作用下的表現》。（自行車在懸掛三種不同形狀的重物組成新的結構后，走上鋼絲，前兩個平穩走過，最后一個由于重心太高，失去平衡狀態）
教師：如何描述結構在不同外力作用下的表現？
學生：穩定性
（通過復習結構的力學定義，引導學生從力學角度認識結構的作用，進而思維過渡到結構在外力作用下的穩定性。播放視頻三種結構表現不一樣，差異在于有沒有維持平衡狀態，學生的思維自然過渡到結構的穩定性）
（二）明確結構穩定性的概念
教師：結構的穩定性是指結構在荷載（外力）作用下維持其原有平衡狀態的能力。
列舉生活中有關案例：在風力作用下，垃圾桶失去了原有平衡狀態；在重力作用下，自行車失去平衡狀態。
（通過這些現象，讓學生進一步從外力作用角度理解結構穩定性）
教師：為了提高結構的穩定性，我們可以采取一些作法。例如，相機的三角架、走鋼絲的人手持一根平衡桿。
（通過上述案例，引起學生的思考，為什么要這樣做去提高結構的穩定性，思維自然過渡到了結構穩定性的影響因素的探究）
（三）探究一：重心位置對結構穩定性的影響
活動一：請兩名同學上臺，一名同學分別站立和蹲下，并保持形狀不變，另一名同學對其施加相同外力，體驗穩定性有何不同？
（活動一的設計，讓學生切身參與進來，通過活動經歷提出猜想，體現了學生學習的主體地位，同時又很好地控制了無關變量的影響）
學生：重心高低變化了，結構穩定性與重心高低有關
探究一：探究結構的重心高低對結構穩定性的影響
試驗器材:兩個相同的礦泉水瓶，兩個相同質量的鉤碼，
兩根細線，一把刻度尺
試驗方法：模擬實驗法、控制變量法
實驗結果：在相同外力作用下，重心高的瓶子先失去了平衡狀態
試驗結論：其他條件相同時，結構重心越低，結構穩定性越好
（試驗中采用模擬試驗法，并控制了變量，起到了；良好的效果）
教師：落地燈和遮陽傘如何實現結構的穩定性的？
學生：重物在下方，降低了重心。
教師：生活中還有哪些地方應用了這個原理？
學生：汽車的底盤要低、
（通過對生活中現象的解釋，引導學生以技術角度去觀察生活）
（四）探究二:支撐面大小對結構穩定性的影響
活動二：一名同學分別雙腳站立和單腳站立，并保持形狀不變，另一名同學對其施加相同外力，體驗穩定性有何不同？
學生：兩次接觸面積變化了，穩定性還受到接觸面積的影響
（學生參與實驗，提高了課堂效率，把課堂還給學生）
探究二：
試驗器材:一個木板，八個一次性紙杯子，雙面膠，彩色筆
試驗方法：模擬實驗法、控制變量法
試驗過程：
1、將八個紙杯子用雙面膠成對連接成四個
2、確定4個相距很近的接觸位置，放上木板施加外力，測試穩定性
3、確定4個相距較遠的接觸位置，施加外力，測試穩定性
4、完成下表
接觸面積 支撐面積 穩定性
4個較近位置
4個較遠位置
5、在板上畫出接觸面積和支撐面積，得到結論
6、試驗結論：其他條件相同時，結構的支撐面越大，結構穩定性越好
（學生容易片面的認為接觸面積影響了結構的穩定性，此實驗中，兩次實驗接觸面積沒有變化，穩定性卻發生了變化，引發沖突，學生進一步思考到，接觸面積撐起的面積發生了變化，從而建立起支撐面的概念，并且通過彩色筆畫出來，直觀形象地展示出支撐面與接觸面的含義）
教師：生活中哪些地方應用了這個原理呢？
學生：高大鐵塔的底座大，金字塔的支撐面積大，起重車在起重時支起支撐架增大支撐面積。
（五）物體不倒的條件（為什么重心越低、支撐面越大，結構的穩定性越好）
演示實驗：立方體不斷傾斜，在重心所在垂線出了支撐面以后，立方體失去平衡狀態（倒了）。
學生：當重心垂線在支撐面以內，結構就不會倒。
教師：為什么重心越低、支撐面越大，結構的穩定性越好？
學生：這樣重心不容易出支撐面，結構穩定性更好。
教師：為什么穿跟鞋不太穩定？
學生：重心高、支撐面小，重心容易偏離出支撐面的范圍。
教師：杰克遜的45度動作真實嗎？
學生：重心偏離了支撐面，無其他外力，不可能平衡。
教師：為什么樓梯設計成臺階狀的，為什么爬山坡時容易不穩定？
學生：爬山坡時等效支撐面變小，重心容易偏離支撐面范圍，易失去平衡，所以樓梯設計成臺階狀的。
教師：為什么自行車懸掛重物后，可以走鋼絲？
學生：重心在鋼絲繩以下，重心很低，結構穩定。
教師：為什么走鋼絲的人手持一根很長的桿
學生：降低重心
教師：僅僅是這樣嗎？
演示實驗：手持一根比較短的金屬絲，在外力作用下，狀態變化較快，而一根很長的金屬絲，外力作用下，狀態變化較慢。
學生：手持很長的桿，狀態變化較慢，有時間去調節自身狀態，利于穩定性的保持。
（六）探究三：結構形狀對穩定性的影響
演示實驗：在外力作用下，三角形結構保持穩定，而平行四邊形、梯形、一般的四邊形都會發生形變。
（演示實驗中，四邊形包括了平行四邊形、梯形、一般的四邊形，這樣讓學生從更全面的角度認識規律）
教師：三角形的這種性質稱為幾何不變性，生活中哪些地方應用了這個眼里？
學生：相機的三角支撐架、空調的支撐架、A型梯
教師：橋梁中的桁架結構
（通過橋梁中的桁架結構，引導學生關注工程技術）
（七）各種因素對穩定性的綜合影響
教師：其實，在現實的結構中，這三種因素會共同決定結構的穩定性，例如，三角架撐起來后：結構重心降低，支撐面變大，結構形狀也變成了三角形，共同作用下，提高了該結構的穩定性。
教師：自行車撐起來后，為什么實現了穩定？
學生：結構重心降低，支撐面變大為三角形，結構底面形狀也變成了三角形，共同作用下，提高了該結構的穩定性。
教師：那如何提高自行車的穩定性？
學生1：減小支撐架與地面的角度，增大支撐面，降低重心。
學生2:支撐架與地面的角度不能太小，要不支撐架承受的力太大，反而不利于結構的穩定性。
教師：所以，在一定范圍之內，我們可以較小支撐角來提高穩定性。
教師：那如何讓自行車更穩定呢？
學生1：兩側都給加上支撐架
學生2：四方形支撐架，增大支撐面積。
（八）學以致用
探究：某同學制作了一個木頭人，難以站立，請你運用有關結構穩定性的知識，提高該結構的穩定性？請大家提出自己的設計并畫出草圖
學生：給穿上更大的一個鞋、給其后方加一個支撐架，給拄拐杖···
（在這個活動中，對學生的要求由對知識的理解到應用，并從設計過程培養了學生的工程思維和圖樣表達能力）
（九）實踐探究活動：木棍掛起礦泉水
試驗器材:一根細繩，
礦泉水，三根小木棍
試驗要求：
1、請根據結構穩定性相關
知識，將礦泉水通過細線，用三根木棍懸掛起來，懸掛起的礦泉水越多越好
試驗完成后分享交流，討論該結構如何保持穩定性
學生：該結構下掛物體，重心很低，同時利用了三角形地幾何不變性。
（十）不穩定結構的應用
教師：任何事物都有兩面性，一方面我們需要很多結構有良好的穩定性，另一方面，我們在一些場景中也要利用結構的不穩定性，例如，地動儀。你還知道哪些結構利用了三角形的不穩定性。
學生：卷門、伸縮門
七、板書設計
結構的穩定性
1、定義：結構的穩定性是指結構在荷載作用下維持其原有平衡狀態的能力。
2、影響因素：結構重心位置、支撐面大小、結構形狀、材料等。各種因素綜合影響結構穩定性。
3、不穩定結構的應用。
八、教學反思
本節課，以學生為中心，構建了有關結構穩定性的情景，讓學生在情境中建構知識。同時，通過生活中的大量有關結構穩定性的案例，讓學生對知識的理解由理論走向實踐，由課堂走向生活，由片面走向系統。最后，通過提高木頭人的穩定性的設計，讓學生的知識結構由認知走向應用，發展了學生的思維，培養了學生的技術意識。
通過對各種因素綜合影響結構的案例分析，使學生認識結構系統多樣性和復雜性；并運用系統分析的方法，分析了如何在具體實踐案例中整體分析，權衡利弊，進行系統化的設計，提出具有一定創新性的結構設計，培養了學生的工程思維，提高了學生的創新設計能力。學生在設計過程中畫出了自己的設計草圖，并能分析圖樣特征，通過圖樣表達實現有形與無形、抽象與具體的思維轉換，培養了學生的圖樣表達能力。
我校理想課堂的三原則為：自主合作優先、思維訓練主導、實驗實踐并重。在本節課中，探究二和實踐探究活動中，學生自主合作進行探究，確保學生的學習主體地位；同時，在案例分析和學以致用的設計環節，通過現象的解釋和設計中問題的解決，訓練了學生的思維；最后，本節課中通過實驗尋找影響結構穩定性的因素，并引導學生解決具體的實踐問題。
當然，在上課過程中，我也遇到了一些問題。由于錄課學生對教室環境不適應，課堂上學生表現過于拘謹，沒有積極的回答問題，課堂氣氛不夠活躍。由于學生平時動手機會少，動手能力較差，在實驗環節，學生未能很好地完成試驗要求。畫出設計草圖時，學生所畫草圖沒能很好地展現出設計思想，反映出學生的圖樣表達能力較弱。
在以后教學中，應多給學生動手操作的機會，讓學生多做實踐探究活動。同時，應該多讓學生畫草圖，提高他們的圖樣表達恩能力。

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