資源簡介

通用技術(shù) 必修 技術(shù)與設(shè)計(jì)2
第一章 結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)
第三節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
教學(xué)背景
黨的二十大報(bào)告指出，“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力，深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略”。
通用技術(shù)是一門與科學(xué)技術(shù)息息相關(guān)的學(xué)科。回顧人類的發(fā)展歷程，從石器時(shí)代、青銅時(shí)代、蒸汽機(jī)時(shí)代直到當(dāng)今的信息時(shí)代，技術(shù)進(jìn)步改變著人類的生活和生產(chǎn)方式。我們的生活、工作、生產(chǎn)處處都要用到技術(shù)，例如我們手中拿的圓珠筆和鋼筆就是多次技術(shù)改造的結(jié)果，使我們足不出戶就可以了解世界的電視機(jī)也是技術(shù)發(fā)明的成果。認(rèn)識(shí)技術(shù)、善用技術(shù)，已成為現(xiàn)代人必須具備的素質(zhì)。
教學(xué)目標(biāo)：
通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的學(xué)習(xí)，結(jié)合設(shè)計(jì)一般原則，初步了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作用。
通過橋模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，熟悉設(shè)計(jì)的一般過程，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路、檢測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過交流和評(píng)價(jià)來提高學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力。
經(jīng)歷將基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于技術(shù)實(shí)踐和創(chuàng)新的過程，同學(xué)們會(huì)養(yǎng)成實(shí)事求是、精益求精的習(xí)慣，能運(yùn)用規(guī)范的技術(shù)語言和設(shè)計(jì)制作方法去解決一些實(shí)際的技術(shù)問題。
教材分析
本節(jié)課以提高同學(xué)們的核心素養(yǎng)為主旨，以學(xué)習(xí)思想和方法為基礎(chǔ)，以設(shè)計(jì)和操作實(shí)踐為主要特征，培養(yǎng)同學(xué)們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，體現(xiàn)科技與人文相統(tǒng)一。
學(xué)情分析:
　　在日常生活中，學(xué)生接觸到了很多結(jié)構(gòu)，但是都沒有認(rèn)真的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析探究。
教學(xué)重難點(diǎn):
重點(diǎn): 明白結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。
掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般過程。
難點(diǎn): 實(shí)物案例設(shè)計(jì)、優(yōu)化與模型制作。
教學(xué)策略:
本節(jié)課教學(xué)主要由教師通過實(shí)物圖片和多媒體手段設(shè)置學(xué)習(xí)情境，并加以引導(dǎo)，讓學(xué)生在過程中自主探究、自主建構(gòu)設(shè)計(jì)原則知識(shí)并形成能力。
教學(xué)準(zhǔn)備:
展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。
　　教學(xué)過程:
　　情景導(dǎo)入:
老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)通用技術(shù) 必修 技術(shù)與設(shè)計(jì)2第一章第三節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
趙州橋（圖1-68），又稱安濟(jì)橋，是世界上現(xiàn)存最早、跨度最長的園弧形單孔敞肩型石拱橋。趙州橋的設(shè)計(jì)具有許多特點(diǎn):
它的結(jié)構(gòu)是世界橋梁史上首創(chuàng)的敞拱結(jié)構(gòu)。趙州橋的設(shè)計(jì)把以往橋梁建筑中采用的實(shí)肩（用石料等填充密實(shí)） 拱改為敞肩拱，即在大拱兩端各并列設(shè)置兩個(gè)小拱，小拱疊于大拱之上，這種做法具有優(yōu)異的技術(shù)性能。首先，可以提高泄洪能力，減輕洪水對(duì)橋的沖擊力，保證大橋的安全。其次，敞肩拱比實(shí)肩拱節(jié)省了大量土石材料，減輕了橋身自重，減少橋身對(duì)橋臺(tái)、橋基的垂直壓力和水平推力，增加橋梁的穩(wěn)定性。
采用圓弧拱形式，打破了中國石橋多為半圓形拱的傳統(tǒng)。中國古代石橋拱形大多為平圓形，適用于跨度比較小的橋梁，大跨度的橋梁若選用平圓形拱，就會(huì)造成拱頂過高、橋高坡高、車馬行人過橋非常不便等。圓弧拱形式使石拱高度大大降低，這祥就實(shí)現(xiàn)了低橋面和大跨度的雙重目的，橋面過橋平穩(wěn)，車輛和行人過橋都非常方便。
采取了單孔長跨的形式，河心不立橋墩。改變了傳統(tǒng)橋梁建筑中較長的橋梁所采用的每孔跨度小、坡度平緩的多孔形式，克服了橋墩多不利于舟船航行、妨礙洪水排泄以及橋墩長期受水流沖擊、侵蝕容易塌毀的缺點(diǎn)。
總之，趙州橋的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)石拱橋相比，在經(jīng)濟(jì)性、適用性、美觀性等方面都有了明顯的改善和提高。
導(dǎo)學(xué)思考
趙州橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了橋梁的穩(wěn)定性，保證了大橋的安全性，方便了車輛、行人通行。趙州橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給了你哪些啟發(fā)
在《普通高中教科書 通用技術(shù) 必修 術(shù)與設(shè)計(jì)1》的學(xué)習(xí)中，同學(xué)們已經(jīng)知道了什么是設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)的一般過程，并掌握了設(shè)計(jì)的基本思想和方法。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于設(shè)計(jì)的一種類型，它必須遭循一般的設(shè)計(jì)方法和過程。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但要考慮它的功能要求，還必須考慮它的受力情況、穩(wěn)定性、強(qiáng)度、連接方式和材料選擇等。除此之外，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要從實(shí)用、安全、經(jīng)濟(jì)，美觀和人性化等角度綜合考慮，并且繪制設(shè)計(jì)圖樣等。
案例
防燙鍋蓋扳手的發(fā)明
有一次，我喝完礦泉水之后，拿著礦泉水瓶上的綠色方便夾（圖1-69），發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得很巧妙:把卡口往瓶口上一卡，再夾在皮帶上，水瓶就掉不下桌了。方便夾的結(jié)構(gòu)很特別，它能否用在別的地方呢？
有一天，我發(fā)現(xiàn)媽媽用抹布包住鍋蓋組掀起鍋蓋時(shí)，不小心燙傷了手。在心疼媽媽的同時(shí)，我靈機(jī)一動(dòng): 能不能用礦泉水瓶的方便夾從鍋蓋紐的兩側(cè)提起鍋蓋呢？
但仔細(xì)一想并不十分合適。首先，方便夾是塑料做的，不耐高溫；其次，手拿著方便夾的一瑞垂直向上提起鍋蓋，手會(huì)被上升的水蒸氣燙傷。用怎樣的結(jié)構(gòu)和材科才合適呢？
我試著用木板、鐵片、竹于制作，效果都不理想，且不易加工，制作難度大。考慮了許久，我先用細(xì)鐵絲做出幾種不同的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過多次改進(jìn)，最后改用不銹鋼絲代替細(xì)鐵絲，并確定為如圖1-70的結(jié)構(gòu):前瑞( 鍋蓋組的卡口)呈彎曲上翹的V形，如同張開的兩只手指；后端是不銹鋼把手。在試用中又對(duì)以下幾方面進(jìn)行了改進(jìn):
V形卡口的大小、弧度、深淺要根據(jù)鍋蓋鈕的大小進(jìn)行調(diào)整；
把手的寬窄、長短要合話，用起來要方便。
不銹鋼把手傳熱快，需用塑料扁電線將把手纏繞起來以便隔熱。至此，發(fā)明就完成了(圖1-71、圖1-72）。
以上是一名中學(xué)生的發(fā)明過程，本設(shè)計(jì)獲得國家專利和全國首屆中小學(xué)勞動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新作品邀請(qǐng)賽銀獎(jiǎng)、全國第十三屆發(fā)明展覽會(huì)銅獎(jiǎng)。這名同學(xué)的發(fā)明故事告訴我們:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與發(fā)明并不神秘，我們要有創(chuàng)新意識(shí)，在日常生活中多觀察、多思考、多動(dòng)手:在設(shè)計(jì)與實(shí)踐中善于發(fā)現(xiàn)向題和解決問題，不怕困難和失敗，經(jīng)過不懈的努力才能成功。
實(shí)踐
以小組為單位，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)活動(dòng)，進(jìn)一步掌握前面所學(xué)的內(nèi)容。要求形成設(shè)計(jì)方案，繪制簡單的設(shè)計(jì)圖紙，做出模型，并寫出設(shè)計(jì)和制作報(bào)告。
設(shè)計(jì)1 模型橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)及制作目標(biāo)
（1）用木條制作橋梁模型，結(jié)內(nèi)形式不限。要求結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)合理，造型美觀。
（2）在跨度不小于30cm的前提下，橋長不限；要求橋孔高度不低于15cm，橋面寬度不小于8cm，承重物的質(zhì)量不小于500g，承重時(shí)同15s以上。
（3）在滿足目標(biāo)及要求的前提下，荷載的質(zhì)量與橋自身質(zhì)量的比例越大越好。
材料與連接方式
模型利料以木條為主，粗繩、細(xì)繩為輔，連接方式不限。
模型
恢型是根據(jù)實(shí)物、設(shè)計(jì)圖紙，按比例制成的與實(shí)物相似的一種物體。它可以用來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，有助于更多地了解與模型相似的實(shí)物，將會(huì)遇到什么情況和出現(xiàn)什么問題，因此模型在設(shè)計(jì)計(jì)程中也被廣泛采用。
制訂設(shè)計(jì)方案
收集和整理信息
在設(shè)計(jì)模型橋之前，先收集一些橋梁的資料，分析這些橋梁的結(jié)構(gòu)類型后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。
發(fā)現(xiàn)問題
橋面受到壓力時(shí)會(huì)彎曲變形，如果把作用在橋面上的力傳遞到其他地方，就可以避免橋面過分彎曲變形。
橋梁結(jié)構(gòu)類型的選擇
了解以下各種橋梁結(jié)構(gòu)（圖1-13至圖1-6）（參見教材P30）的特點(diǎn)，并進(jìn)行簡單的受力分析。不同類型的橋具有不同的結(jié)構(gòu)，但是總的設(shè)計(jì)目的都是一樣的——防止橋過度彎曲變形。
部分橋梁結(jié)構(gòu)類型
鋼索斜拉橋 : 橋上的鋼索直接承載橋面的荷載，并將這一荷載傳導(dǎo)至塔架和橋墩。
懸索橋:橋面通過吊纜系于粗懸索上，懸索末端固定于堤岸，懸索將荷載傳導(dǎo)至系懸索的塔架。
討論
1.橋梁為什么會(huì)做成以上的結(jié)構(gòu)形式
2.小組合作，初步形成設(shè)計(jì)方案，并說明原因。
3.怎祥使橋梁模型的自重輕且承載力大。
綜合小組成員的意見，形成本小組的設(shè)計(jì)方案。
繪制設(shè)計(jì)圖
將橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)繪制成圖紙。橋的圖紙包括:模型草圖、主視圖、側(cè)視圖、俯視圖、構(gòu)件圖，組裝圖。
草圖
用工程草圖和模型表達(dá)思想是工程設(shè)計(jì)中的重要組成部分。
草圖通常可以很好地反映產(chǎn)品的外觀，是一種表達(dá)創(chuàng)意的方式，它能把設(shè)計(jì)思路變成一種可以與別人交流的直觀形式。圖形在表達(dá)物體的尺寸、形狀及功能方面甚至比語言更有效。
2.制作模型橋
挑選木板，將木板按照構(gòu)件圖尺寸要求進(jìn)行鋸割、打磨和切削；
制作橋的各部分構(gòu)件；
將構(gòu)件組合成橋身。
3.檢測(cè)、優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)
（1）對(duì)模型橋進(jìn)行承載試驗(yàn)。請(qǐng)同學(xué)們自行設(shè)計(jì)檢測(cè)模型橋的試驗(yàn)方案和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，以便按照同一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型橋進(jìn)行評(píng)定。
（2）基于檢測(cè)和評(píng)價(jià)的結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。
提示
橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化主要考慮減少橋面的彎曲變形程成和盡量減輕橋自身的質(zhì)量。
4.交流與評(píng)價(jià)
(1)將每組設(shè)計(jì)和制作的模型橋放在一起，參考表1-7對(duì)各組設(shè)計(jì)的模型橋進(jìn)行評(píng)價(jià)。可接優(yōu)秀、良好、合格、待改進(jìn)四個(gè)等級(jí)來評(píng)分，分別用4分、3分、2分、1分來表示（表格中的欄目可自行增減）。
表1-7 各組模型橋評(píng)價(jià)
項(xiàng)目 模型橋1 模型橋2 模型橋3 模型橋4 ……
橋孔跨度/ cm
橋孔高度/ cm
承重/ kg
橋體自身質(zhì)量/ kg
連接方式
承重物的質(zhì)量/ kg
強(qiáng)度和穩(wěn)定性
造型美觀
（2）比較各模型橋的評(píng)價(jià)，列出它們的優(yōu)點(diǎn)和不足，并提出改進(jìn)建議（表1-8）。
表1-8 各組模型橋優(yōu)塊點(diǎn)評(píng)價(jià)
模型橋 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 進(jìn)建議
模型橋1
模型橋2
模型橋3
模型橋4
設(shè)設(shè)計(jì)2 一個(gè)懸掛重物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)及制作目標(biāo)
設(shè)計(jì)一個(gè)懸掛重物的結(jié)構(gòu)，并制作一個(gè)紙質(zhì)模型，使其達(dá)到以下要求:
(1)至少能懸掛質(zhì)量為100g的重物，所懸掛的重物質(zhì)量越大越好。
(2)懸掛物的底面距離支撐面越遠(yuǎn)越好。
(3)紙質(zhì)模型所使用的材料越輕越好。
(4)該結(jié)構(gòu)能支撐懸掛物至少保持15s，保持時(shí)間越長越好。
制作材料
廢舊報(bào)紙、砝碼、剪刀、直尺、雙面膠等。
設(shè)計(jì)思路
觀察公園里的秋千，制作有一個(gè)支架和一個(gè)水平橫軸的結(jié)構(gòu)。什么樣的結(jié)構(gòu)才能便支架穩(wěn)定、承載力強(qiáng)，水平橫軸不易彎析 怎祥才能便柔軟的紙變硬呢
用紙?jiān)O(shè)計(jì)制作一個(gè)基掛結(jié)構(gòu)，可從以下四個(gè)方面考慮:
(1)與結(jié)構(gòu)重心的位置有關(guān)，重心越高，穩(wěn)定性越差，反之，穩(wěn)定性越好。
(2)與結(jié)構(gòu)支撐面面積有關(guān)，底部支撐面面積越大，其結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定。設(shè)計(jì)時(shí)一般選擇上小下大的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)整體的重心低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
(3)與支撐跨度有關(guān)，紙質(zhì)水平橫軸上的兩支撐點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，能承受的壓力也越小。
( 4)與紙質(zhì)水平橫軸的制作方法和形大有關(guān)，紙?jiān)胶衿淅喂绦栽綇?qiáng)，承受力也越大。
設(shè)計(jì)3 自選內(nèi)容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)及制作目標(biāo)
根據(jù)本章前幾節(jié)給出的椅子、A形鋁梯、三腳架等結(jié)構(gòu)，結(jié)合生活中的實(shí)際需求，發(fā)揮自己的想象或通過調(diào)研等，設(shè)計(jì)自己認(rèn)為有用的產(chǎn)品。
要求
(1)每個(gè)小組制訂兩個(gè)以上的方案，并比較和權(quán)衡，確定最滿意的方案。
(2)提交設(shè)計(jì)報(bào)告和設(shè)計(jì)草圖，最好畫出模型或原型。
討論、思考、形成小論文。
每位同學(xué)組織一篇小作文，可以從不同的方面進(jìn)行展開。
完成后，與同學(xué)們進(jìn)行討論、分享。
課后作業(yè)
1.下面有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的說法正確嗎？試分析原因。
(1)不同的橋梁結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)的目的都是要防止矯正過度彎曲變形。
(2)在設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，為了使橋梁穩(wěn)固可以盡量增加橋自身的質(zhì)量。
2.對(duì)于可稱動(dòng)的籃球架，為了保證打球人員的安全，需要增強(qiáng)移動(dòng)籃球架的穩(wěn)定性，有效的方法是什么 并說明原因。
3.質(zhì)量合格的安全帽，能夠有效地保護(hù)人的頭部。請(qǐng)同學(xué)們觀察安全帽，討論分析：
(1)安全帽是什么結(jié)構(gòu)
(2)安全帽受到撞擊時(shí)，其受力有什么特點(diǎn) 它是怎樣對(duì)人的頭部起到保護(hù)作用的 從安全帽側(cè)面撞擊時(shí)，安全帽能起到保護(hù)頭部的作用嗎 為什么
(3)如果安全帽內(nèi)不用帽箍，而是改墊一塊海綿，該安全帽能起到保護(hù)頭部的作用嗎 為什么
(4)每個(gè)人的頭形和頭的人小都不同，如何選購適合自己的安全帽？

展開更多......

收起↑