資源簡介

第一單元結(jié)構(gòu)與設(shè)計一常見結(jié)構(gòu)的認(rèn)識教學(xué)設(shè)計
奉化市教師進(jìn)修學(xué)校 黃育稼
世界上任何事物都存在結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)多種多樣且決定著事物存在的性質(zhì)。本節(jié)內(nèi)容通過放映蜂窩、鷹的身體等結(jié)構(gòu)圖，通過對自然界中形形色色的結(jié)構(gòu)的分析和研究,使學(xué)生明白“結(jié)構(gòu)是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列”。要讓學(xué)生知道為什么要學(xué)習(xí)“結(jié)構(gòu)與設(shè)計”，自然界中形形色色的結(jié)構(gòu)給了人們無限的創(chuàng)造靈感和啟示。人們將其成果應(yīng)用到技術(shù)領(lǐng)域,是為了更好地服務(wù)于人類。本課時還要講解構(gòu)件的基本受力形式：拉力、壓力、剪切力、扭轉(zhuǎn)力和彎曲力，講解應(yīng)力概念。從認(rèn)識常見的結(jié)構(gòu)開始，通過學(xué)生熟悉的事例，展開技術(shù)視野中的力與結(jié)構(gòu)討論。讓學(xué)生進(jìn)行壓力試驗，如比較不同形狀的紙板承受壓力的大小試驗、雞蛋或乒乓球承壓試驗等，通過有趣的小試驗，強(qiáng)化對不同類型結(jié)構(gòu)的特點的理解。不要求學(xué)生作進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)受力分析，不要求畫結(jié)構(gòu)的受力圖。
教學(xué)重點是結(jié)構(gòu)概念，教學(xué)難點是學(xué)生對應(yīng)力概念的理解。
教學(xué)目標(biāo)：
1、了解結(jié)構(gòu)的含義。
2、從力學(xué)的角度了解結(jié)構(gòu)的概念。
3、了解結(jié)構(gòu)的類型，能對簡單的結(jié)構(gòu)實例進(jìn)行分類。
4、通過學(xué)習(xí)“鷹眼與導(dǎo)彈跟蹤系統(tǒng)”等案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和興趣。
課時安排：2課時。
教學(xué)過程：
一、無處不在的結(jié)構(gòu)：
引導(dǎo)學(xué)生觀察結(jié)構(gòu)圖，分析蜂窩、鷹的身體的結(jié)構(gòu)。
要求學(xué)生說出蜂窩、鷹的身體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在哪里。
1、結(jié)構(gòu)的含義
結(jié)構(gòu)是指事物內(nèi)部的組成、排列及其相互之間的關(guān)系。在技術(shù)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)是指物體的各組成部分之間的搭配和排列，確定的搭配和排列決定了物體的性質(zhì)和形態(tài)。結(jié)構(gòu)的各組成部分，通常稱為構(gòu)件。例：人體結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)，階級結(jié)構(gòu)，文章的結(jié)構(gòu)，汽車結(jié)構(gòu)，桌子結(jié)構(gòu)，地球結(jié)構(gòu)等。
結(jié)構(gòu)的本質(zhì)：物體會受到各種各樣的力，結(jié)構(gòu)是可承受一定力的架構(gòu)形態(tài)，可用來抵抗引起形態(tài)和大小改變的力。簡單地說，結(jié)構(gòu)是為了承受力和抵抗變形，這便是結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。
讓學(xué)生閱讀案例：
鷹眼與導(dǎo)彈跟蹤系統(tǒng)。
讓學(xué)生思考：
⑴閱讀案例以后，你最想說的是什么？
⑵為什么要研究結(jié)構(gòu)？
2、為什么要學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)？
系統(tǒng)的功能對其結(jié)構(gòu)有著絕對的依賴性。所以有人說，結(jié)構(gòu)不僅是事物存在的形式，更是事物特性的依據(jù)。
在自然界，相同的物質(zhì)，不同的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出不同特性的現(xiàn)象處處可見。
⑴同樣是水，有液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)；
⑵同樣是碳，但有最硬的固體金剛石和最軟的固體石墨存在；
⑶化學(xué)有機(jī)物結(jié)構(gòu)不同性質(zhì)不同（色素）；
⑷同樣的六個字“這個人表現(xiàn)好”“這個人好表現(xiàn)”，但因排列不同，就形成了一褒一貶；
⑸用同樣的材料，做出的結(jié)構(gòu)不同的小板凳就會有不同的特性，有的穩(wěn)，有的不穩(wěn)；
⑹各種材料組成結(jié)構(gòu)可以使“死的”材料變成“活的”機(jī)器。如：發(fā)動機(jī)、電子計算機(jī)……
結(jié)構(gòu)不合理就會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如橋斷、屋塌……所以我們應(yīng)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，將來去創(chuàng)造結(jié)構(gòu)。
3、什么是工程結(jié)構(gòu)？
工程結(jié)構(gòu)是指能承受和傳遞外加載荷的承力系統(tǒng)，包括桿、板、殼等構(gòu)件及其組合體。也就是說，工程結(jié)構(gòu)可以是單個的構(gòu)件，如：一根桿，一塊板，一條繩，也可以是一個由不同構(gòu)件組合起來的組合體。如：一座橋，一張桌子，一架飛機(jī)等，它們都可以叫做工程結(jié)構(gòu)。技術(shù)課主要研究工程結(jié)構(gòu)，簡稱結(jié)構(gòu)。
4、幾個重要概念
⑴鉸接：桁架全由三角形組成，接頭全為旋轉(zhuǎn)接頭，稱為鉸接。
⑵架構(gòu)：物體的主體框架與構(gòu)造形式。
⑶構(gòu)件：組成結(jié)構(gòu)的各組成部分。可以是一個零件，也可以是多個零件的組合。
二、結(jié)構(gòu)與力
從力學(xué)角度來說，結(jié)構(gòu)是指可承受一定力的架構(gòu)形態(tài)，它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。
當(dāng)一個結(jié)構(gòu)受到外力作用時，內(nèi)部各質(zhì)點之間的相互作用會發(fā)生改變，產(chǎn)生一種抵抗的力，稱為內(nèi)力。應(yīng)力是構(gòu)件的單位橫截面上所產(chǎn)生的內(nèi)力。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某一極限時，結(jié)構(gòu)就會遭到破壞。
（一）受力形式
工程結(jié)構(gòu)承受的外力有各種各樣，但以它們對結(jié)構(gòu)的影響來說，主要有以下幾種。
1、拉力：結(jié)構(gòu)承受拉伸時，作用在結(jié)構(gòu)（經(jīng)常稱為拉桿）上的力是一對方向相反，作用線與拉桿軸線重合的集中力，方向背離桿的底面。其受力實例是吊車的吊繩。
2、壓力：結(jié)構(gòu)承受壓縮時，作用在結(jié)構(gòu)（習(xí)慣上稱為壓桿）上的力是一對方向相反，作用線與壓桿軸線重合的集中力，方向指向桿的底面。如液壓機(jī)的頂桿工作時就是受壓。
3、剪力：結(jié)構(gòu)在受剪切時，結(jié)構(gòu)所承受的力是分別作用在構(gòu)件相對的兩個面上，方向相反，作用線錯開微小距離的兩個平行力。連接剪刀兩個部分的銷釘在剪刀工作時就是承受的剪切力，其受力模型如圖。
4、扭轉(zhuǎn)力：承受扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件一般都稱為軸。它承受的外力是一對作用在軸兩端面內(nèi)，轉(zhuǎn)向相反的力偶矩。
5、彎曲力：承受彎曲載荷的構(gòu)件，一般稱為梁。梁在承受彎曲時，受力情況比較復(fù)雜，其中一種載荷叫做彎矩。它是作用在過梁的軸線且與橫截面垂直的平面內(nèi)的力偶矩。其作用力是使梁產(chǎn)生彎曲變形。
（二）結(jié)構(gòu)受載荷實例：
任何結(jié)構(gòu)承受的外載荷，都是拉、壓、剪、扭、彎中的一種或幾種的組合。工程結(jié)構(gòu)的主要功能就是承受和傳遞各種形式的外載荷，保證結(jié)構(gòu)的可靠工作。
1、秋千的吊索，主要承受拉力；
2、橋梁的橋墩，主要承受壓力；
3、連接齒輪和軸的鍵，主要承受剪力；
4、汽車方向盤的軸，主要承受扭力；
5、單杠的杠體（上面的橫杠），主要受彎力；
6、吊扇旋轉(zhuǎn)，吊桿主要受扭力和拉力；
為了保證結(jié)構(gòu)的正常工作，這些構(gòu)件必須有對于主要載荷的足夠的承載能力。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮的重要問題。
（三）典型結(jié)構(gòu)分析
1、單杠結(jié)構(gòu)分析
⑴各部分名稱：杠體，立柱和拉桿。（為什么做成這樣的結(jié)構(gòu)？）
⑵杠體的受力與變形：杠體總是朝著人體所在的瞬間位置的方向上發(fā)生彎曲。——彎曲力
⑶立柱、拉桿的受力與變形：
立柱：靜止時受壓力；當(dāng)人在運動時，對立柱產(chǎn)生彎矩M，使立柱彎曲變形。——怎樣做才能保持單杠穩(wěn)定？
拉桿：人在運動時，拉桿起到輔助立柱抗變形作用。
2、棚室屋架結(jié)構(gòu)分析
⑴棚室荷載與立柱受力：永久性荷載（不隨時間變化而變化的荷載）和可變性荷載（隨情況變化而變化的荷載）。
⑵梁的受力：梁的上部，受壓力，材料被擠壓；下部，受張力，材料被拉伸。防止彎曲變形大的方法：增加支撐點。
⑶拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
拱結(jié)構(gòu)：中間高四周低，呈弧形的曲面。
應(yīng)用：在跨度較大的情況下，建筑物多采用拱結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)既有利于承載，又美觀。
三、常見結(jié)構(gòu)的類型（從力學(xué)的架構(gòu)與形態(tài)考慮）
1、實心結(jié)構(gòu)
⑴實心結(jié)構(gòu)通常是指結(jié)構(gòu)體本身是實心的結(jié)構(gòu)。房屋的墻體、水庫的大壩、古代的城墻等，都屬于實心結(jié)構(gòu)。
⑵幾何特征及受力：幾何外形簡單，通常有桿（柱）、板、體等之分。它的受力特點是能承受較大的力，外力分布在整個體積中。
2、框架結(jié)構(gòu)
⑴框架結(jié)構(gòu)通常是指結(jié)構(gòu)體由細(xì)長的構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)。教室的門窗常用木框架，蔬菜大棚的棚體、建筑用腳手架、輸電鐵塔等都是框架結(jié)構(gòu)。
⑵組成：由梁、柱、桿、管等組成，也有用板件組成的。這里的桿或板，可以是實心的，也可以是管材。
⑶幾何特征及受力：幾何外形較為復(fù)雜，其特點是支撐空間而不充滿空間，能承受垂直和水平荷載。依據(jù)功能和使用條件的不同，可以設(shè)置成不同框架的組合。
3、殼體結(jié)構(gòu)
⑴常見物品：飲水杯、文具盒、裝甲車、油罐、雞蛋、西瓜……
⑵結(jié)構(gòu)特征：殼體內(nèi)空時，受力合理、形態(tài)穩(wěn)定。殼的幾何形狀有折線式（方形、長方形、多邊形）的、圓弧形的和拱形的等。
⑶受力特點：殼受沖擊力時，外力由弧面整體分擔(dān)承受，抵抗變形。
4、組合結(jié)構(gòu)
⑴在日常生活中我們常見的結(jié)構(gòu)大部分都是組合結(jié)構(gòu)，如：大壩都是拱形和實心結(jié)構(gòu)的組合體；圓頂大廈的頂部都是框架結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)的組合（又叫球形空間桁架結(jié)構(gòu)）。
⑵結(jié)構(gòu)的類型種種：纜索結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、空間桁架結(jié)構(gòu)、球形空間桁架結(jié)構(gòu)等。
⑶組合結(jié)構(gòu)的受力：復(fù)雜（這是大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)將要學(xué)習(xí)的）。
思考、馬上行動、練習(xí)和綜合實踐活動，為學(xué)生學(xué)習(xí)的形成性評價提供了可能，根據(jù)學(xué)生練習(xí)過程中的反饋信息，評價學(xué)生和調(diào)整課堂教學(xué)。

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