資源簡介

通用技術 必修 技術與設計2
第一章 結構及其設計
第一節 認識結構
教學背景
黨的二十大報告指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略”。
通用技術是一門與科學技術息息相關的學科。回顧人類的發展歷程，從石器時代、青銅時代、蒸汽機時代直到當今的信息時代，技術進步改變著人類的生活和生產方式。我們的生活、工作、生產處處都要用到技術，例如我們手中拿的圓珠筆和鋼筆就是多次技術改造的結果，使我們足不出戶就可以了解世界的電視機也是技術發明的成果。認識技術、善用技術，已成為現代人必須具備的素質。
教學目標：
觀察自然界中的各種結構，了解結構的含義，學會把自然界的事物原理應用在技術設計中，提高學生技術意識。
了解結構的受力特點，理解幾種結構受力時產生的形變，了解為滿足特定需求需要解決的技術問題，并提出設計方案，提高學生創新設計能力。
理解結構的分類，各種結構的形態和受力特點，感知結構和工程應用的關系，提高學生工程思維。
逐步學會運用所學的思想和方法分析技術問題。
經歷將基礎知識應用于技術實踐和創新的過程，同學們會養成實事求是、精益求精的習慣，能運用規范的技術語言和設計制作方法去解決一些實際的技術問題。
教材分析
本節課以提高同學們的核心素養為主旨，以學習思想和方法為基礎，以設計和操作實踐為主要特征，培養同學們的實踐能力和創新意識，體現科技與人文相統一。
學情分析:
　　在日常生活中，學生接觸到了很多結構，但是都沒有認真的對結構進行分析。
教學重難點:
重點: 結構的含義，作用的構件上的力引起的各種形變。
難點: 理解各種結構的受力特點。
教學策略:
本節課教學主要由教師通過實物圖片和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中自主探究、自主建構設計原則知識并形成能力。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
　　教學過程:
　　情景導入:
老師：本節課我們學習通用技術 必修 技術與設計2第一章第一節認識結構。
環視我們的周圍，大到摩天大樓、跨海橋梁，小至圖釘、回形計等，它們都有結構,結構普遍存在于自然界及人類創造的各種物體中。當人們進行物品設計時，結構設計往往是不可缺少的，它既可以讓物品實用、美觀，也可以使其穩固和安全。結構通常需要抵御外力的作用，所以穩定性和強度是結構設計時必須考慮的重要因素。各種結構展示了人類的智慧和創新，給我們帶來了美的享受。
“一橋飛架南北，天塹變通途。”我國在萬里長江上修建的第一座鐵路、公路兩用橋梁——武漢長江大橋(圖1-1)，于1957年10月15日正式通車。全橋總長1670 m，共中正橋1156m，北岸引橋303m，南岸引橋211 m。大橋的上層為公路，雙向四車道，兩側有人行道;下層為復線鐵路，兩列火車可同時對開;從基底至公路橋面高80 m。橋梁的結構是鋼桁架三孔連續梁，鋼梁設計三聯，每聯三孔，共8墩9孔，每孔跨度為128m，橋下可通萬噸巨輪。正橋的兩端建有民族風格的橋頭堡，高35 m，從底層大廳至頂亭共7層。橋頭經的堡亭設計為四方八角上有重檐和紅珠圈頂，有電梯和扶梯供行人從底層直接上到大橋的公路橋面參觀，眺望四周，望大江東去，整個武漢三鎮連成一體，盡收眼底。武漢長江大橋的建成，連通了京廣線，成為連接我國南北的大動脈，對促進南北經濟的發展起到了重要的作用。
導學思考
橋梁設計需要考慮結構問題，那么結構是什么
一、感知不同的結構
結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。結構普遍存在于自然界和人類創造的各種物體中，形式多種多樣。
蜜蜂是自然界中卓越的建筑大師，蜂巢的結構精巧美觀。蜂巢由幾千甚至數萬間蜂房組成(圖1-2)。每間蜂房都是大小相等的六棱柱體，底面由3個全等的菱形面封閉起來，形成一個倒角的錐形。每排蜂房平行排列并相互嵌接。對于群居的蜜蜂而言，這種結構的居住空間用材最少且容積最大。
搖搖板(圖1-3) 由幾塊彎曲的木板插接而成，結構簡單，動感無窮。搖搖板的結構設計要求能夠承載兒童的重力，能搖晃但不傾覆，也不發生明顯的變形，以保證安全。
建筑物的結構必須堅固、穩定性好，還要能夠抵御強風、地震等自然災害的破壞。
長城(圖1-41)是世界上最大的古代建筑奇跡之一，是中華民族的驕傲與象征。長城由磚筑實體結構構成。西起甘肅嘉峪關，東至河北山海關，全長約6300km。長城以悠久的歷史、浩大的工程、雄偉的氣魄著稱于世。
佛宮寺木塔又名佛宮寺釋迦塔( 圖1-5)，是我國現存最高的一座木結構塔式建筑。始建于1056年，塔高67 m，1961年被定為全國重點文物保護單位。它經歷了近千年的風雨和地震的考驗仍然完整地屹立著。
橋梁的結構則必須能承受其自身的重力，橋上人、車輛的荷載以及風力和水流的沖擊力等，如武漢長江大橋等。
圖1-6 自承式橋是一座不需要任何繩索、釘子或其他緊固件就能支撐起來，而且能保持平衡和承載一定重量的橋。它最早出現在達·芬奇500多年前的手稿中。這座橋完全依靠自身的交叉排列結構，讓每一個部件環環相連，通過摩擦力和重力支撐起來。
討論
1.用這兩類材料搭建自承式橋時，發現了什么問題，可來用什么方法解決
2.分別對兩座橋加同樣的荷載( 如書等)，討論觀察到的現象。
自然界中的物體都有其特定的結構。人們以人與自然和諧共生為理念。通過對自然界中結構的分析和研究。將其應用于技術領域。更好地為人類服務。
立即行動
為什么荷葉( 圖1-8) 能出污泥而不染 科學家用顯微鏡觀察后發現，荷葉表面上有許多微小的絨毛和蠟質凸起物。雨水落在荷葉上面，撬不開、滲不進，只化作一粒粒水珠滾落下來，還順道兒帶走了荷葉表面的灰塵，從而使葉面始終一塵不染。科研人員對荷葉的“自凈”結構進行研究，并將這項技術應用于生產建筑涂料、服裝面料、廚房面板等需要耐臟的產品。荷葉的這科結構還能應用到哪些領域中
人們還根據自然界中物體的結構設計了不同的產品，如圖1-9所示。
二、認識結構與力
從力學的角度看，結構是指可承受一定力的物體形態，結構可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。在各種各樣的結構設計中，人們都需要考慮力的作用，那么結構與力的關系是怎樣的呢？
椅子是我們日常生活中經常使用的家具之一，當人坐在椅子上時( 圖1-10)，椅子面需要承受人的重力。椅腿承受椅子自身和人的重力，椅背要能夠承受人體向后的壓力，并保持結構基本不變。為了使椅子在力的作用下，不發生幾何形狀的過分改變，常用的方法是在椅腿之間增加橫檔，以保持其穩固。由此可知，在椅子的設計中，其結構必須要能夠承受其功能所對應的外力。在工程中，將組成各類結構的部件和零件稱為構件，如椅面、椅背、椅腿和橫檔就是椅子的構件。
立即行動
1.如圖1-11所示。橋在承受外力時。它的形狀有明顯的變化嗎 從受力的角度比較圖1-10椅子和圖1-11橋的共同之處。
2.根據組成椅子的構件及構件的含義，分析圖1-12鋼結構雨棚的構件有哪些，這些構件的功能是什么，并填入表1-1中。
表 1-1 鋼結構雨棚的構件功能
鋼結構雨棚的構件 功能
通過對椅子、橋梁和鋼結構雨棚受力情況的討論和分析，可以發現這些結構都具有一定的形狀，都需要承受外力的作用，在一定范圍內都具有抵御其形狀改變的能力。
物體的結構由其構件組成。下面我們通過實踐活動了解構件在受到外力作用時的5種變形形式，即拉伸變形、擠壓變形、剪切變形、彎曲變形和扭曲變形。
實踐
請同學們取出一張紙，折疊成條狀，將紙條看成一個結構的構件。觀察在進行以下操作時，紙條產生的變形。
1.兩手抓住紙條兩端。如圖1-13a所示同時向外拉伸。
2.兩手抓住紙條兩端。如圖1-13b所示同時向內擠壓。
3.兩手抓住紙條兩端。如圖1-13c所示分別向不同的方向旋轉。
4.將紙條兩端放在分開的兩摞書上，如圖1-13d所示，將手指放在紙條上，向下用力。
5.用兩手的食指和中指夾住紙條(紙條與地而平行)，并緊貼在一起，如圖1-13e所示，兩手分別向上、向下(與地面垂直) 用力。
合理的結構設計，一般要求構件能夠承受一定范圍內相應的力而不至于使構件受到破壞。如單杠橫桿要能承受彎曲變形的力( 圖1-14)、桌子要能承受壓力(圖1-15)、螺絲刀要能承受扭曲變形的力(圖1-16) 、拔河用的繩子要能承受拉力《圖1-17)。我們使用剪刀時，剪刀的剪切能力越強，則剪切效果越好( 圖1-18 )。
在我們剛開始設計結構時，往往較難確定作用在每一個構件上的力的形式。而對于一些簡單的結構，我們可試著利用學過的知識找出哪些力正在起作用。
立即行動
墻壁懸臂固定籃球架實物如圖1-19a所示，從它的簡圖( 圖1-19b) 可觀察到拉桿構件承受拉力，撐桿構件承受壓力。根據墻壁懸臂固定籃球架構件的受力情況，分析圖1-20索拉橋簡圖的構件分別受到什么力。
三、了解結構的分類
結構的分類多種多樣。從形態方面考慮，通常可以將結構分成三種基本類型:實體結構、框架結構和殼體結構。平遙古城(圖1-21)、橋墩、鉛球等都是實體結構，木屋( 圖1-22)、懸索橋鐵架、幼兒學步車等都是框架結構，汽車車身外殼(圖1-23)、悉尼歌劇院等都是殼體結構。不同的結構類型具有不同的特征和受力特點。
實踐
通過下列技術試驗，分別歸納實體結構、框架結構和殼體結構的受力特點。
1.將木塊壘成墻的形狀(圖1-25).用手分別壓和推木墻。觀察木墻的變形，分折其受力情況。
實體結構的特點:___________________________________
2.用木條制作三角形木框和四邊形木框，并采用相同的方法固定。分別對它們進行按壓和拉伸試驗(圖1-26 )，觀察框架的變形，分析兩種框架結構的受力情況。
框架結構的特點:___________________________________
3.取兩張具有一定厚度的紙。一張平放在高度相同的兩摞書上，另外一張彎成弧形，并將紙邊固定(圖1-27)。分別在這兩種形狀的紙上放相同重物。比較它們受力時的變形情況。
殼體結構的特點:_____________________________________
溫馨提示
實體站構利用自身來承受荷載，主要承受壓力。
框架結構通過條狀物的連接來承受荷載，既能承受壓力又能夠承受拉力。
殼體結構通過殼形來傳遞力和承受荷載，特別是當殼形頂部受到壓力時它能將力均勻打散。
立即行動
1.大連貝殼博物館外部為鋼結構殼體，呈現半橢球形(圖1-28)。試分析殼體結構是如何承受和傳遞力的，可以結合貝類和硬殼類果實的形狀進行討論。
2.圖1-29為混凝土重力壩。試分析大壩的結構為什么是底寬頂窄的。
3.許多結構住往是實體、框架、殼體等基本結構的組合形式。試分析圖1-30和圖1-31的建筑物由哪些基本結構組成。各結構分別有什么作用。
討論、思考、形成小論文。
每位同學組織一篇小作文，可以從不同的方面進行展開。
完成后，與同學們進行討論、分享。
課后作業
1.對于2008年北京奧運會主會場“鳥巢”，請利用學過的結構分類知識，分析其主體結構是什么類型，并查閱資料說明采用這種結構的優點。
2.為什么輕輕一放雞蛋它容易破，而把雞蛋放在手心，用力握它，它反而不容易破
3.舉幾個組合結構的例子。并分析它們是由哪些基本結構組成的。

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