資源簡介

第一章 結構及其設計
第一節 初識結構
一、教學目標
理解結構的本質和含義。
能對生活中常見的簡單結構進行分類，能指出三種不同結構的應用場合。
能初步認識到結構在日常生產、生活中廣泛應用的重要性，拓寬思維和想象空間。
二、教學策略
1．學情分析
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構的作用。學生在日常生活中，常看到一些諸如生活、學習用具、生產器械等，也知道它們都具有一定的結構特點，但不能從理論上科學地對其定義。通過本節內容的學習，學生對于結構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行歸類可能會有困難。因為現實中的結構往往是多種結構類型的結合，需要探討交流，獲得共識，教師應從力學架構與形態分類的角度對引導學生學習。
2.教學準備
教學中，應盡量結合實例對生活中常見的簡單結構進行歸類，區分三種結構的不同應用場合。教師選用不同結構類型的實物模型給學生觀摩，如小板凳、臺燈、球形建筑等；利用多媒體播放不同結構的圖片和視頻介紹故宮、趙州橋等，體會物體的結構是由物體的功能和需要決定的，而物體的結構又決定了物體的性質和形態。
三、教學重點
結構含義及其分類
結構的受力分析
四、教學難點
結構分類
教學過程：
利用多媒體播放典型結構，探索結構的奧秘。
引出圖片所示物的技術核心是結構，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。它們都是結構設計的成果。
引導學生，激發學生們對結構探究的興趣。從身邊的生活入手，讓學生們自行設計、制作一個簡易衣帽架！
要達到我們所提出的要求，那么選用什么架構、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問題，我們應先從基礎學起——結構及其設計。
引導學生從“架構”的角度進行歸納總結：
板凳（a） 4條腿，“八”字形態，由兩根橫橕分別把左右2 條腿連接在一起。
板凳（b） 在（a）的基礎上去掉了2根橫橕。
板凳（c）在（a）的基礎上加了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？
結構：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和形態。
構件：結構的各組成部分。
結構是可承受一定力或力矩的架構形態，抵抗變形或產生需要的變形是結構的本質。
（一）從力學的架構與形態考慮，結構分類如下：
實心結構 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。
框架結構 制作方便，能省料 塑料大棚、自行車。桿件實心或管材
殼體結構 曲面形板與邊緣構件（梁、拱或桁架）組成的空間結構 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。
殼體結構存在原始曲度，是一種強度高、省材料的結構。
通過以上內容的學習，對結構有一個初步的印象和概念，對衣帽架的結構有一個輪廓，畫出設計草圖。
第二節 典型結構分析
一、教學目標
理解結構是為了承受力和抵抗變形的本質
能對生活中常見結構進行受力與變形分析
體會結構設計的重要意義，養成對結構進行受力分析的思維習慣
引導學生多角度思考問題、分析問題，激發學生學習設計的欲望
二、重難點：
對單杠作受力和變形分析
通過受力和變形分析，體會結構是為了承受力和抵抗變形的本質。
三、教學過程：
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，同學們，你知道他們的比賽項目是什么？
他們進行的是單杠練習，就是我們上體育課經常玩的單杠。你們仔細觀察一下，他們所用的單杠和我們學校的單杠在結構上有哪些不同呢？或者，與你們所見過單杠相比，有沒有不同的地方呢？
引導歸納總結，細心觀察的同學發現了，比較明顯的一個區別，就是有的單杠有四根鐵線，有的卻沒有。
前面我們學習過什么叫結構，還知道了結構可以承受力和抵抗變形，而組成結構的各個部分稱為構件。那么，現在我們把單杠看成一個結構，那構件都有什么呢？
為什么有的單杠有拉桿，有的沒有呢？不同結構的單杠在功能上有什么不同呢？引入新內容。
在學生閱讀課本的過程后，總結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，主要變形為拉伸變形。
如果我們抓在杠體中間，將可能發生怎樣的變形？
結合梁的定義，所以我們認為，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。
我們對杠體進行——有兩個支點的梁進行受力分析前，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。
當運動員做大回環動作時，如果從側面來看，將會是怎樣？
類比單擺，杠體相當于固定點；人相當于小球。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生變形。于是有了結論：杠體總是朝著人體所在瞬間位置的方向上發生彎曲。
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，將可能發生怎樣的變形？是彎曲，對嗎？如果要向前發生彎曲，請問同學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。通過結構合理設計，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）拱結構的應用
棚室一般采用拱結構。適用于大跨度。
內部為空心狀，由頂板、底板、腹板和加勁肋等構件組成。
特點：大跨徑，質量小、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、不對稱而產生的；
剪切力：梯子的橫梁，除了承受壓力及使其發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 結構的強度與穩定性
一、教學目標
理解應力和強度的概念，了解應力和強度的關系
掌握影響結構強度的因素
理解穩定和結構穩定性的概念，掌握影響結構穩定性的因素
二、重難點：
影響結構穩定性和強度的因素判斷結構的穩定性，分析結構的強度
通過技術試驗，感知力學結構對設計的基本要求及物態變化
三、教學過程：
一、我們經常聽到過這樣的對話：“我的椅子比你的結實。” “我的桌子壞了一條腿，不穩了。”
這里的結實和穩，都是對某物體結構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行。
技術試驗的總體要求：
（1）試驗前，要提前做好準備，包括器材準備、試驗場地準備及參試人員分組準備。
（2）試驗分組進行，組內人員分工明確。
（3）認真做好交流、討論。
（4）認真寫好試驗報告。
（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，重復步驟以上步驟。
逐漸增加紙繩數量，重復以上步驟，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，觀察并體驗木板條變形的情況。
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，重復以上步驟。逐漸疊加窄木板條，重復以上步驟。整理試驗記錄，得出結論，撰寫試驗報告。
試驗三：簡易組態試驗
試驗項目：桿件框架組態試驗
試驗內容：框架結構穩定性研究
試驗器材：相同材質的桿件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點上施加外力F，觀察并體驗框架的受力與變形情況。
技術試驗過程的評價
最重要的就是試驗數據處理、分析方法和綜合評價方法。
二 應力、強度
內力：構件在外力作用下發生變形的同時，構件內部分子之間產生一種抵抗變形的抵抗力。
應力：作用在單位面積上的內力。N/m2
三、影響結構強度的因素
形狀：構成的形狀略有改變，強度就會改變
材料：不同的材料有承受不同應力極限的能力
四、結構穩定性
（一）結構穩定/不穩定的幾種情況
（1）不倒翁結構；
（2）4條腿支撐的椅子；
（3）上小下大的橫截面結構。
（二）結構穩定的概念
能傳遞（承受）任意形式的荷載，稱為穩定結構。
五 影響結構穩定性的因素及應用
（一）影響因素
1.重心的位置
2.結構的支撐面積 支撐面積大的結構，穩定性好。
3.結構的幾何形狀 上端小、下端大的結構，穩定性好。
（二）巧妙地增加結構的穩定性
（1）減小長細比
（2）利用三角形框架及其組合結構
第四節 結構設計與制作
一、教學目標
初步掌握結構設計的基本思路，形成良好的設計習慣
學會簡單結構設計的方法與步驟
體驗結構設計、制作的過程，具備初步的綜合設計能力，樹立團隊意識
二、重難點：
結構設計
三：教學過程：
引導學生閱讀材料：
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構設計的成果！該成果體現的創新與匠心正是需要我們學習與傳承的精神！
下面我們通過動手來制作衣帽架原型
（一）確定設計方案
（1）根據使用的需求，來確定桿件的數量
（2）根據荷載的分析，選定制作桿件和小橫樁的材料及尺寸
（3）畫草圖，標明比例尺
（4）小組討論，在強度和穩定性優化的基礎上，做進一步的改進，確定方案。
（二）完成設計制作
（1）繪制正規圖紙
（2）制作原型
一是保證達到設計標準，如設計方案中描述的桿件和小橫樁的數量、材料、尺寸等。
二是保證擁有良好的特性，如承載的強度與穩定性等。
參考設計方案
思考：
（1）秋千的各構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、結構要求、結構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）應考慮哪些與安全有關的問題？
（1）在分析討論的基礎上，確定結構設計方案。包括：框架構成，材料、尺寸及各構件的連接與固定方式等。
（2）繪制正規設計圖紙。
（3）制作模型。
四：課堂反思
在制作過程中不要讓學生認為完成設計方案或做出個原型就萬事大吉了，應組織學生以小組形式，交流討論組內學生的結構設計，培養學生精益求精的工作態度。引導學生“學技術，做到勤奮刻苦、精益求精。學會運用技術思想和方法，要有敏銳的工程思維和較強的創造能力，要傳承大國工匠精神，只有這樣才能創造出精致、精湛、精美的作用。
第五節 典型結構欣賞和結構設計評價
一、教學目標
了解對結構設計進行的欣賞和評價的基本思路與方法。
學會從科學、藝術、環境、民俗等多角度對身邊的典型結構進行欣賞，養成科學的完美觀。
養成尊重他人智力勞動成果的習慣。
通過欣賞典型結構設計，激發學生參與結構設計的熱情。
二、重難點：
一是欣賞優秀的結構設計
二是學習對結構設計的評價方法
三、教學過程：
引導學生欣賞：故宮博物院一角
上海浦東國際機場（夜景），它的主樓猶如一只展翅的巨型海鷗。屋面全部采用鋼結構，結構體系較輕，充分考慮了屋頂承重問題。
哈爾濱大劇院，引導學生不僅從結構與美感角度分析欣賞外，還應指出這是采用現代技術手段，利用計算機軟件建立鋼結構整體模型，通過建模計算得出其結構整體穩定性、抗震性能，是現代數模應用于建筑與制造的典型案例。
它的結構設計科學而又考究、精巧而又實用。整個劇場僅靠人聲或樂器自然發聲，取消了電聲擴音。
山西應縣木塔
中國天眼FAST
課堂反思
通過欣賞國內外著名建筑，讓學生感受其充滿時尚美感與輝煌，為祖國的強大倍感自豪。

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