資源簡介

《結構的穩定性》試驗課教學設計
一、使用教材
廣東科技出版社通用技術《技術與設計 2》第一章第二節 1 課時
二、試驗器材
利用廢棄攝影三角架、滑動變阻器上廢棄桿件等自制
的試驗器材，學生做的家具。
1、支撐桿上固定刻度板
2、擺錘
3、立柱
4、兩個不同質量的鐵塊
5、三角架
6、電子彈簧稱
7、學生制作的不同形狀的換鞋凳等
三、試驗設計思路和創新點
教材上對影響結構穩定性的因素（幾何形狀， 重心位置， 支撐面面積） 的試驗案例
是以生活中 A 型梯、裝了液體的 3 個瓶子、臺燈和椅子等展示，但存在一些不足：
1、純感官上的定性分析。
2、變量較多，不能厘清決定性的影響因素（如書上用三個瓶子試驗時， 自重忽略，
但橋、隧道、房屋等工程建設中，自重是不能忽略的荷載之一）。
3、只是定性觀察無法定量探究，不利培養學生的技術意識和工程思維等核心素養。
4、沒有試驗教具，不利師生創新設計思維的培養。
基于以上不足，我們進行了創新設計：
1、探究重心位置、支撐面面積影響結構穩定性時，我們用自制的教學器具，采用
控制變量法（唯一變量），運用對比試驗，結合物理學從本質上進行了定量探究。
2、通過對照試驗，荷載對三角形支撐腳、加了橫檔的三角形支撐腳；四邊形及加
了橫檔的四邊形的穩定性對照，試驗效果明顯，形象直觀便于觀察。
3、把學生制作的作品拿來試驗，學生對知識的理解更深刻。
四、試驗原理
(
▲
G
L
2
)1、幾何形狀對結構穩定性有影響
通過對結構以水平荷載， 看結構整體是否位移、傾倒或構件本身是否發生屈曲或位
移。
對照試驗：
（1）三角架結構加荷載，觀察穩定性。
（2）三角架結構加橫檔后，加荷載，觀察穩定性。
（3）四邊形加荷載，觀察穩定性。
（4）四邊形加斜拉桿后，加荷載，觀察穩定性。
2、重心位置對結構穩定性有影響（重心越高越不穩定，越低越穩定）
對比試驗：質量不變的情況下，改變重心位置，對立柱撞擊，記錄立柱傾倒
時擺錘抬起的角度（角度越大，能量越大）。
F
學生課前小組探究失敗原因：
(
L1
)他們用拉力來試驗，發現重心位置變化時，拉力的數據卻不變，原因是：拉 力的力矩：F*L1，重力的力矩：G*L2，重力的力矩不變，L1 不變，不管鐵塊在什
么位置，拉動物體的瞬間，F 的大小相等。
因此，結合物理知識，我改進后的試驗裝置采用能量撞擊方式。
3、支撐面面積對結構穩定性有影響（支撐面面積越大，越穩定，越小越不穩定）
對比試驗， 在重心位置不變的情況下， 改變支撐面面積大小， 三角形結構的教具被
拉起時，比較水平方向的拉力。
4、判定結構穩定的依據和條件：結構重心所在的垂線落在支撐面內。
對不同結構的物體， 施加水平拉力， 觀察物體傾倒時重心垂線與支撐面的位置關系。
五、教學背景
1、教材分析
《探究影響結構穩定性的因素》這節課是在學習了第一節內容“認識結構， 結構與 力 ”后，進入了探究結構的合理、安全、穩固的本質原因，它是本章的核心內容之一，
為學生學習結構設計打下基礎。
2、試驗課標分析
課程標準指出： “科學探究，旨在將學習重心從過分強調知識的傳承和積累向知識 的探究過程轉化， 從學生被動接受知識向主動獲取知識轉化， 從而培養學生的科學探究
能力、實事求是的科學態度和勇于創新的探究精神。”因此，引導學生通過對比數據的
量化試驗加深對結構穩定性的定性的理解特別重要。
3、學情分析
（1）通過對《技術與設計 1》的學習，學生已經了解了設計的原則、過程、方法， 并通過大單元教學和大項目實踐， 制作了換鞋凳、魯班鎖、空中花園設計施工等， 在實 踐中積累了經驗也遇到很多設計中的問題。同學們普遍反映欠缺“結構穩定性 ”的系統
知識，需要從理論上提升。
（2）高二學生已經具備一定的試驗觀察能力、分析能力和試驗探究能力，在教學 中自制教具、增設試驗將課本上的知識真正展現在學生眼前，讓學生易于理解和接受， 同時也能培養學生的試驗觀察能力和科學探究能力， 強調學生的成功體驗。在即將學習 的《技術與設計 2》有一個橋梁模型的設計制作，因此這一節的探究試驗課非常及時和
有必要。
六、試驗教學目標
1、技術意識：明確影響結構穩定性的要素，幾何形狀、重心位置、支撐面積，并 使重心垂線落在支撐面內。形成結構穩定性的基本概念， 學會從結構穩定性的定性定量
相結合的角度分析事物，了解探究結構穩定性對人類技術發展的重要性。
2、創新設計：探究結構的過程中，設計具有不同影響因素的試驗裝置，引導學生
了解要解決某一特定問題要解決的主要技術問題。
3、工程思維：對一般結構的穩定性進行多因素分析試驗，由點及面，培養應用技
術試驗分析問題的能力，使學生形成初步的工程思維。
4、圖樣表達：在試驗過程中，結合日常生活情境，引導學生運用簡單的草圖，立
體圖、三視圖進行表達與交流設計構想。
培養學生善于觀察、勇于實踐、認真分析的技術試驗品質。
七、試驗教學過程
1、圖片導入，激發思考，引入試驗探究：
結構的穩定性是指結構在荷載的作用下維持其原有平衡形式的能力。
荷載一般指結構自重或對結構或構件產生變形的外力。
年 月 日無錫一高架橋橋面側翻
比薩斜塔
影響結構穩定性的主要因素有哪些？今天， 我們通過五個試驗， 來探究影響結構穩
定性的因素主要有哪些。
2、試驗探究過程：
試驗一：探究結構穩定性與幾何形狀的關系（定性試驗）
分組試驗（四人為一組，記錄、分析試驗現象，嘗試得出結論）
試驗器材：利用廢棄攝像三腳架制作的三角結構；四邊形結構；學生制作的不同形
狀的換鞋凳；橫桿、鐵塊等
定性研究，對三角形結構和四邊形結構進行加載對比測試
（1）三角形結構進行垂直加載對比測試
步驟：
1）三角架（無橫檔），垂直放置鐵塊，觀察穩定性現象。
2）三角架（加橫檔），垂直放置鐵塊，觀察穩定性現象。
試驗現象記錄，如下表 1：
結構形狀 穩定情況、滑動情況
三角架（無橫檔）
三角架（加橫檔）
（2）四邊形結構進行垂直加載對比測試
步驟：
1）拿出四邊形結構，在上方放置鐵塊，觀察穩定性現象
2）在四邊形結構上加斜拉索， 在上方放置同 1）中相同質量的鐵塊， 觀察穩定性現
象。
結構形狀 穩定情況、變形情況
四邊形
四邊形（加斜拉索）
（3） 同學們制作的不同形狀的換鞋凳垂直加載對比試驗
結構形狀 穩定情況、傾倒情況
三角形
星形
四邊形
船形
試驗現象定性分析及結論：
幾何形狀影響結構的穩定性，三邊確定的三角形最穩定。
課后探究任務：運用數學幾何知識證明三角形與其它平面幾何圖形相比更加穩定。
試驗二：探究結構穩定性與重心位置的關系（定量試驗）
介紹自制設備：刻有角度的半圓亞克力板，固定架，擺錘，能調整重心高度的立柱
等。
有三個創新點：1、只有一個變量：重心位置；2、能定量探究；3、結合物理知識，
采用能量撞擊。
步驟：
1）擺放好自制設備，調整好高度
2）鐵塊位置高， 抬起擺錘， 初速度為零放下， 記下立柱傾倒時， 擺錘抬起臨界角度。 3）鐵塊位置中， 抬起擺錘， 初速度為零放下， 記下立柱傾倒時， 擺錘抬起臨界角度。 4）鐵塊位置低， 抬起擺錘， 初速度為零放下， 記下立柱傾倒時， 擺錘抬起臨界角度。
試驗數據記錄如下表 3：
鐵塊位置 （1.125KG） 立柱傾倒時，擺錘抬起臨界角度 （單位：度）
H1（高）
H2（中）
H3（低）
試驗現象分析及結論：結構質量一定時，重心位置越高，結構傾倒時的擺錘抬起的
角度越小，能量越小；重心位置越低，結構傾倒時的擺錘抬起的角度越大，能量越大。
重心位置影響結構的穩定性，重心越低，結構越穩定。
試驗三：探究結構穩定性與支撐面面積大小的關系（定量試驗）
支撐面：連接物體所有支撐點的平面。
試驗器材：帶有重錘的三角架， 一塊刻有尺寸的亞克力板， 底邊邊長、高度均確定，
電子測力器等。
定量研究， 質量不變， 重心位置不變， 變量為支撐面面積， 記錄支撐面面積變化時，
拉起三角架至一只腳抬起時的水平拉力。
步驟：
1）放置好試驗器材，固定兩只腳，底邊邊長確定，為 40 厘米。
2）將第三只腳移到高度為 40 厘米線處， 水平拉起第三只腳， 記下電子測力器的數
值。
3）將第三只腳移到高度為 30 厘米線處，此時，減小支撐面積時重心位置提高了，
因此要降低重心高度與 2 中相同，水平拉起第三只腳，記下電子測力器的數值。
4）將第三只腳移到高度為 20 厘米線處， 降低重心高度與 2 中相同， 水平拉起第三
只腳，記下電子測力器的數值。
試驗數據記錄如下表 4：
底邊長 （厘米） 高 （厘米） 支撐面面積 （平方厘米） 一只腳剛抬離臺面時的水平 拉力（kg）
40 40 800
40 30 600
40 20 400
試驗現象分析及結論：支撐面積越大，三角形結構一只腳抬起時水平加載所用的力
越大。支撐面積越小，三角形結構一只腳抬起時水平加載所用的力越小。
支撐面面積影響結構的穩定性，支撐面面積越大，結構越穩定。
試驗四：探究結構穩定性（這里指傾倒）的依據和條件（定性試驗）
試驗器材：帶有重錘的三角架，四邊形等
定性研究，觀察當結構即將傾倒時，重心所在的垂線投影位置。
步驟：
1）掛重錘的三角形結構，拉動三角架至即將傾倒時，觀察重心所在的垂線投影位
置
2）四邊形，拉動至即將傾倒時，觀察重心所在的垂線投影位置
3）支撐面面積不斷變化時，三角架至即將傾倒時，重心所在的垂線投影位置
試驗現象記錄如下表 5
試驗對象及方法 剛傾倒時，垂線在支撐面上投 影位置
不斷減小三角架的支撐面 面積
水平推動四邊形結構
試驗現象分析及結論：前面試驗過的涉及穩定性要素的再次試驗后，觀察到，不管
什么情況，只要重心所在的垂線超出支撐面邊，即傾倒。
結構穩定的依據和條件：重心所在的垂線落在支撐面內。
拓展思考：結構不僅僅只受重力，還可能受其它外力，因此，“重心所在的垂線 ”
可以拓展為“合外力所在的線 ”。
課后拓展思考：為何大壩的橫截面一般是梯形？
F
(
~~~~~~
~~~~~~
)G
F 合
拓展性試驗：探究結構穩定性與質量的關系（定量試驗）
在試驗 2 的基礎上，把鐵塊換成質量大的，與試驗 2 進行對比試驗。
步驟：
1）擺放好自制設備，調整好高度
2）鐵塊位置高，抬起擺錘，初速度為零放下，記下抬起角度及結構傾倒狀態。 3）鐵塊位置中，抬起擺錘，初速度為零放下，記下抬起角度及結構傾倒狀態。 4）鐵塊位置低，抬起擺錘 ，初速度為零放下，記下抬起角度及結構傾倒狀態。
試驗數據記錄如下表 6：
鐵塊位置 立柱傾倒時，擺錘抬起臨界 角度（單位：度） （鐵塊 1.125KG） 立柱傾倒時，擺錘抬起臨 界角度（單位：度） （鐵塊 1.725KG）
H1（高）
H2（中）
H3（低）
試驗現象分析及結論：
在相同位置時，質量越大的鐵塊，在傾倒時，擺錘抬起角度越大。
質量影響結構穩定性，質量越大，結構穩定性越好。
3、試驗總結
影響結構穩定性的因素有：幾何形狀，重心位置，支撐面面積大小、質量等，結構
穩定的依據和條件：重心所在的垂線（合外力所在的線）落在支撐面內。
4、試驗反思
同學們課前試驗， 發現書上用三個瓶子試驗重心位置對結構穩定性的影響， 不太嚴 謹， 他們改進試驗裝置， 一開始有同學用電吹風吹， 后來用電子測力計拉， 發現數據不 符合常理， 后來師生一起探究， 找到電子測力計拉不符合常理的根本原因。整個試驗過
程是師生一起探索、學習的過程。
1）同學們明白了生活中司空見慣的結構蘊含了科學道理，我們不能經驗主義地想
當然。
2）試驗數據直觀明了，通過定量試驗，培養了學生的工程思維、技術意識、分析
探究的科學試驗能力。
3）通過探究試驗，激發了師生對教具的創新設計和發。
4）學科知識綜合運用，理解了數學、物理學科的重要性。
師生思考：能否做一個能涵蓋 5 個試驗的裝置？能否用震動儀代替擺錘？
八、試驗效果評價
本節試驗課， 我們設計一系列試驗， 從結構的幾何形態、重心位置、支撐面積三個 方面驗證了結構穩定性的三個影響要素及結構穩定的依據和條件：重心所在的垂線落在 支撐面內。定性定量相結合；對比試驗效果直觀明顯，讓學生對知識的理解由感官上的 定性分析， 到直觀、形象的定性與定量相結合。本節課激發了學生的學習興趣， 通過試
驗，培養了學生的科學工程思維、技術意識、分析試驗能力。
《探究影響結構穩定性的因素》技術試驗報告參考模板
班級： 小組成員
試驗一：探究結構穩定性與幾何形狀的關系（定性試驗）
1、三角形、四邊形結構進行垂直加載對比測試
步驟：
1）三角架（無橫檔），垂直放置鐵塊，觀察穩定性現象。
2）三角架（加橫檔），垂直放置鐵塊，觀察穩定性現象。
試驗現象記錄，如下表 1：
結構形狀 穩定情況、滑動情況
三角架（未加橫檔）
三角架（加橫檔）
步驟：
1）拿出四邊形結構，在上方放置鐵塊，觀察穩定性現象
2）在四邊形結構上加橫檔， 在上方放置同 1）中相同質量的鐵塊， 觀察穩定性現象。
試驗現象記錄如下表 2：
結構形狀 穩定情況、變形情況
四邊形（未加斜索）
四邊形（加斜索）
2、不同形狀的換鞋凳進行垂直荷載對比測試
試驗現象分析及結論：
試驗二：探究結構穩定性與重心位置的關系（定量試驗）
步驟：
1、擺放好自制設備，調整好高度
2、鐵塊位置高， 抬起擺錘， 初速度為零放下， 記下結構傾倒時， 擺錘抬起臨界角度。 3、鐵塊位置中， 抬起擺錘， 初速度為零放下， 記下結構傾倒時， 擺錘抬起臨界角度。 4、鐵塊位置低， 抬起擺錘， 初速度為零放下， 記下結構傾倒時， 擺錘抬起臨界角度。
試驗現象記錄如下表 3：
重心位置 結構傾倒時，擺錘抬起臨界角度
H1（高）
H2（中）
H3（低）
試驗現象分析及結論：
試驗三：探究結構穩定性與支撐面面積大小的關系（定量試驗）
支撐面：連接物體所有支撐點的平面。
步驟：
1、放置好試驗器材，固定兩只腳，底邊邊長確定，為 40 厘米。
2、將第三只腳移到高度為 40 厘米線處， 水平拉起第三只腳， 記下電子測力器的數
值。
3、將第三只腳移到高度為 30 厘米線處，此時，減小支撐面積時重心位置提高了，
因此要降低重心高度與 2 中相同，水平拉起第三只腳，記下電子測力器的數值。
4、將第三只腳移到高度為 20 厘米線處， 降低重心高度與 2 中相同， 水平拉起第三
只腳，記下電子測力器的數值。
試驗數據記錄如下表 4：
底邊長 （厘米） 高 （厘米） 支撐面面積 （平方厘米） 一只腳剛抬離臺面時的水平 拉力（kg）
40 40
40 30
40 25
試驗現象分析及結論：
試驗四：探究結構穩定的依據和條件（定性試驗）
我們反向做試驗，找出結構傾倒時的條件。
步驟：
1、掛重錘的三角形結構，不斷減小支撐面面積時，三角架至即將傾倒時，觀察重
心所在的垂線投影位置
2、四邊形，水平推動至即將傾倒時，觀察重心所在的垂線投影位置
試驗現象記錄如下表 5
試驗對象及方法 剛傾倒時，垂線在支撐面上投影位置
不斷減小掛重錘的三角架的 支撐面面積
水平推動四邊形
試驗現象分析及結論：
拓展性試驗：探究結構穩定性與質量的關系（定量試驗）
在試驗 2 的基礎上，把鐵塊換成質量大的，與試驗 2 進行對比試驗。
步驟：
1、擺放好自制設備，調整好高度。
2、鐵塊位置高，抬起擺錘，初速度為零放下，記下抬起角度及結構傾倒狀態。 3、鐵塊位置中，抬起擺錘，初速度為零放下，記下抬起角度及結構傾倒狀態。 4、鐵塊位置低，抬起擺錘 ，初速度為零放下，記下抬起角度及結構傾倒狀態。
試驗數據記錄如下表 6：
鐵塊位置 立柱傾倒時，擺錘抬起 臨界角度（單位：度） （1.125KG） 立柱傾倒時，擺錘抬起 臨界角度（單位：度） （1.725KG）
H1(高)
H2（中）
H3（低）
試驗現象分析及結論：
結構穩定的依據和條件是：

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