資源簡介

第一單元 結構與設計
第一節 常見結構的認識

【教材版本】
本課程采用蘇州教育出版社《技術與設計2》。
【設計理念】
引導學生通過生活觀察和技術試驗，對簡單結構進行強度與穩定性分析，解釋它的強度高或低、穩定或者不穩定的原因。引導學生進行實驗，也可以讓學生自己根據生活經驗、興趣愛好和已有條件，自行設計和制作實驗，并得出結論。
指導學生對技術實驗與觀察的過程進行記錄，并按照比較規范的格式寫出實驗報告，從而培養良好的實驗作風與習慣。
【教學內容分析】
本課是《技術與設計2》第一單元“結構與設計”的第一節“常見結構的認識”的第一課時。世界上任何事物都存在結構,結構多種多樣且決定著事物存在的性質。本課時要通過展示自然界中形形色色的結構圖以及對這些結構分析和研究,使學生明白“結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列”。要讓學生知道為什么要學習“結構與設計”，自然界中形形色色的結構給了人們無限的創造靈感和啟示。人們將其成果應用到技術領域, 是為了更好地服務于人類。本課時還要講解構件的基本受力形式：拉力、壓力、剪切力、扭轉力和彎曲力，講解應力概念。當一個結構受到外力作用時,內部各質點之間的相互作用會發生改變, 產生一種抵抗的力,稱為內力。應力從認識常見的結構開始,通過學生熟悉的事例,展開技術視野中的力與結構討論, 通過有趣的小試驗, 強化對不同類型結構的特點的理解。
課時安排：2課時。
【學情分析】
學生對結構雖有一定的了解，對結構的功能和分類也有一定的基礎。但較為零散，模糊。另外，學生在物理課中已學習了有關力學的知識，對物體的受力分析有比較好的基礎。但是由于受力分析是物理課教學中的難點，多數學生在受力分析中還是有困難的，所以在教學中還要利用模型演示形變的情況，分析說明拉力、壓力、剪切力、扭轉力和彎曲力等。
【教學目標】
1.知識與技能：
（一）了解結構的含義。
（二）能從力學的角度理解結構的概念和一般分類。
（三）能結合1~2種簡單的結構案例，分析結構是如何承受力的。
2.過程與方法：
閱讀理解、案例分析、交流討論、多媒體展示、師生互動。
3.情感態度和價值觀：
能認識到力對結構會產生重要影響，合理的受力是結構存在的重要條件。
【教學重難點】
1.教學重點：
掌握結構與力。
2.教學難點：
理解應力與內力的概念，學會從技術的角度分析事物的受力。
【教學資源】
人體骨胳標本或其它生物標本、有關事物結構的電子圖片、蒼耳子、尼龍搭扣、自行車、橡皮泥、座椅、簡易橋梁演示器、多媒體設備。
【教學過程】
[導入新課]
（一）《技術與設計2》的簡單介紹：
同學們，我們生活在科學技術高度發達的時代。我國載人航天成功, 實現千年邀游太空夢; 長江三峽順利截流發電, 高峽出平湖; 水稻育種結碩果, 世界領先……我們今天努力學習技術, 是為了明天把我們的國家建設得更加美好。
前面一冊書我們學習了設計的基本知識，熟悉了設計的一般過程。我們將要學習的通用技術必修2, 應用廣泛, 具有寬廣的遷移價值。“技術與設計2”中的“結構與設計”“流程與設計”“系統與設計”“控制與設計”等四個主題都是具體的、通用的技術, 它們具有典型意義, 并與技術的發展密切相關聯。學習這些技術與設計的基本思想和基本方法, 將使我們終身受益。同時也將使我們適應新世紀的科技發展、知識經濟發展以及社會可持續發展的需要,成為有用的人才。
這一節課就開始第一單元的學習——結構與設計。
第一單元 結構與設計
第一節 常見結構的認識
認識結構，分析影響結構的穩定性和強度的主要因素，將使我們理性的觀察和對待世間奇妙的結構現象，將使我們學會進行簡單的結構設計。
說到結構，我們知道任何一件事物都有自己的結構，大的我們可以看見的椅子，課桌，他們有自己的結構。小的到我們化學中學習的分子也有自己的結構。可見一件事物只要它存在，那它就一定會有自己結構。所以我們說結構無處不在。
展示：
1、無處不在的結構：
人們每天都在與各種各樣的結構打交道。游樂場里的游樂項目讓人目不暇接，過山車、旋轉飛輪、旋轉木馬、旋轉飛輪等令孩子們流連忘返。觀察這些游樂設施，你會驚嘆他們結構設計的巧妙和堅固。
（二）案例引入
1)自然界中的結構。
在自然界，相同的物質，不同的結構，表現出不同特性的現象處處可見。
A、同樣是水，有液態、氣態、固態；
B、同樣是碳，但有最硬的固體金剛石和最軟的固體石墨存在；
C、化學有機物結構不同性質不同（色素）；
D、同樣的六個字“這個人表現好”“這個人好表現”，但因排列不同，就形成了一褒一貶；
E、用同樣的材料，做出的結構不同的小板凳就會有不同的特性，有的穩，有的不穩；
F、各種材料組成結構可以使“死的”材料變成“活的”機器。如：發動機、電子計算機、機器人、飛機、火箭……
世界上任何事物都存在結構,結構多種多樣且決定著事物存在的性質。
（1）引導學生觀察結構圖。
引導學生分析蜂窩的結構。這種結構的優點在哪里？
蜂巢：使用最少的材料制作盡可能寬敞的空間，不會出現縫隙，空間使用效率最好。
蜘蛛網：任意兩個節點都能找到一條可通過的路徑
（2）讓學生歸納結構概念：
結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。
關鍵詞：有序 搭配
結構的各組成部分，通常稱為構件。例：人體結構，分子結構，階級結構，文章的結構，汽車結構，桌子結構，地球結構等。
你是怎樣理解“結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列”，“結構多種多樣且決定著事物存在的性質”的？
啟發：你能否舉例說明事物的各個組成部分之間的搭配和排列改變了，事物的性質也發生了改變。
學生舉例說出身邊常見事物的結構：課桌、圓珠筆、課本、水杯、粉筆盒、書包等
人的染色體有X染色體、Y染色體之分，X染色體、Y染色體不同的搭配和排列，決定這個人是男人還是女人。
形形色色的結構能給人以美的享受，給人創造的靈感和啟示。人們將其成果應用到技術領域, 更好地服務于人類。
螞蟻力量非凡的嘴巴給了科學家們發明推進體系的微型機器人的靈感，美國伊利諾大學香檳分校的生態學家兼昆蟲學家安德魯·蘇雷茲他告訴《生命科學》雜志：“如用于營救工作的機器人。”
(3）讓學生閱讀案例：
蒼耳子與尼龍搭扣;
鳥與飛機;
鷹眼與導彈跟蹤系統（重點討論）。
提問：為什么鷹可以在幾千米的高空準確無誤地辨別地面上的動物？
鷹可以在幾千米的高空準確無誤地辨別地面上的動物,這是因為它的眼部結構比較特殊。人類每只眼睛的視網膜上都有一個凹槽,叫做中央凹。而老鷹眼中的中央凹卻有兩個, 這兩個中央凹的作用不同, 其中一個專門用于接收來自鷹頭側面物體的像, 另一個用于接收來自鷹頭前方物體的像。這樣,老鷹的視覺范圍就寬多了,能兼顧前方和側面。根據鷹眼的結構,人們正在研制“ 鷹眼”導彈系統。這種導彈系統能自動尋找、識別目標并跟蹤攻擊。
提問：除了根據鷹眼的結構,人們正在研制“ 鷹眼”導彈系統以外，你還受到哪些啟發？
提問：如果在人類的視網膜上象鷹一樣有兩個凹槽，世界將會如何變化？
提問：將來運用技術手段在人的視網膜造出兩個凹槽,有這種可能嗎？
學生：“有這種可能，現在我們能夠破譯人的遺傳密碼”。
“可以通過把老鷹的基因移植到人體上來,使人類視網膜具有兩個凹槽”。
提問：人與動物相比，在結構上有什么不同？分析其劣勢與優勢。
看來我們人類好多地方不如動物,不能象鳥一樣在空中自由飛翔,不能象魚一樣在水中歡快游蕩,奔跑速度不如狗，打斗力氣不如虎。人類憑什么能成為動物界的統治者呢
啟發學生回答：憑大腦,憑學習,人類把幾千年知識在幾年十幾年中繼承過來并在原來的基礎上進行創新，現在進入知識經濟時代，人類知識總量幾年就要翻一番。
教育學生：人與人之間有競爭,而且可能很激烈，能否立于不敗之地,在于不斷學習。
馬上行動
生產生活中還有那些產品的結構是受到自然界事物結構的啟發而產生？
船槳（魚鰭）
人工冷光（螢火蟲）
風箏（鷹）
鋸（螳螂臂或鋸齒草）
車輪（隨風旋轉地飛蓬草）
潛水艇（海豚）
聲納（蝙蝠）
潛水用的腳蹼（鴨子）
潛水艇的流線型設計（魚類）
結構不合理就會產生什么后果？
2)技術領域中的結構：
汽車、手機
魁北克大橋的坍塌。
[學生思考]：大橋坍塌的原因是什么？
擅自改變橋的結構。1907年，加拿大魁北克附近的圣勞倫斯河上落成了全球最長的拱橋。該橋采用了比較新穎的懸臂構造，這樣的結構非常流行。盡管只比蘇格蘭愛丁堡福斯河上非常成功的懸臂大橋稍長一點，但魁北克大橋存在設計問題，還未完工就坍塌了。
目前，鋼索斜拉橋的技術應用已經達到了極限，遠遠超乎了設計者們最初的想象。斜拉構造的普遍成功讓這種橋型幾乎無處不在。于是，橋面長度的日益增長已經步入了曾導致事故的做法后塵。鋼索斜拉橋重大事故是否會很快出現，還是會出現在歷史提示的2030年，這并不取決于計算機分析，而是取決于橋梁工程師是否了解過去的歷史，并下定決心避免事故的重演。
事物的結構影響著事物的性能和功能，合理的結構是事物存在和發展的基礎，卓越的結構是設計者和制造者長期的追求。
3) 社會領域中的結構：
師：在社會領域,也普遍存在著結構現象。如：一篇文章的內容結構影響文章的表達與質量, 一家企業、社區、公司的人員、國家的結構結構關乎企業的運行與效率。
通過長安一中教務主任下年級和年級組設立黨支部提高教學管理講解社會領域中的結構。
[馬上行動]：
請分別列舉自然界、技術領域、社會領域給你印象較深的有關結構的事例？
自然界：天體結構、地球的結構、植物的結構、動物的結構 …
技術領域：汽車的結構、微機的結構、電腦主板的結構、數字控床的結構 …
社會領域：教育管理系統的結構、通用技術的學科結構、課堂教學結構、文化、經濟格局等。
2.結構與力
從力學角度來說，結構是指可承受一定力的架構形態，它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。
一個較復雜的結構由許多不同的部分組成，這些組成部分通常稱為構件。分析討論自行車的組成構件：自行車車架、車把、傳動、座鞍、車輪等。
車輪 - 輻條、輪胎、車圈、氣門等。
當一個結構受到外力作用時,內部各質點之間的相互作用會發生改變, 產生一種抵抗的力 , 稱為內力。應力是構件的單位橫截面上所產生的內力，當應力達到某一極限值時, 結構就會遭到破壞。用公式表示應力為σ =F/s, 其中 ,F 是內力 ,S 是受力面積 , σ是應力。
生活中常見的結構都能抵抗來自外界的各種作用力和自身重力。例如自行車承受人和所載物體的壓力及自行車自身的重力；橋墩承受自身重力及負荷的壓力、大風的作用力等其它外力。
討論分析生產、生活中常見結構，要抵抗來自外界力的作用情況：
建筑物的窗戶：自身重力、墻體的壓力、風力、外來撞擊力 …
課桌：自身的重力、手臂的壓力、桌山個物體的壓力、推拉力、地面對其的支撐力 …
硬紙包裝箱：箱內物體的重力、箱內物體向外的擠壓力、自身的重力、外界壓力、所裝載貨物的壓力 …
構件的受力形式多種多樣，基本受力形式：拉力（壓力）、壓力、剪切力、扭轉力和彎曲力。
受力形式 概念 受力形式
拉 力 物體所承受的拉拽力 結構承受拉伸時，作用在結構（經常稱為拉桿）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。
壓 力 擠壓物體的力 結構承受壓縮時，作用在結構（習慣上稱為壓桿）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。如液壓機的頂桿工作時就是受壓。
剪切力 兩個距離很近 ,大小相等,方向相反,且作用于同一物體上的平行力 結構在受剪切時，結構所承受的力是分別作用在構件相對的兩個面上，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。
扭轉力 反方向向物體兩端均勻施力 ,使物體發生扭轉形變的力 承受扭轉的構件一般都稱為軸。它承受的外力是一對作用在軸兩端面內，轉向相反的力偶矩。
彎曲力 作用于物體 ,使它產生彎曲的力 承受彎曲載荷的構件，一般稱為梁。梁在承受彎曲時，受力情況比較復雜，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的力偶矩。其作用力是使梁產生彎曲變形。
案例分析P006：人坐在椅子上, 椅面受到的力；行人和車輛通行的橋面受到的力。
馬上行動p007：
探究：觀察右圖,說明石磨的推桿為什么要用一根繩子吊起來。（時間允許可以課堂上完成）
一是保持人在推磨時推桿始終在平行于地面的平面上運動，改變了人推磨時的用力方向，只需前推與后拉，使推磨更輕松；二是防止推桿彎曲變形，可以承載一些推桿的重力。
進一步挖掘：石磨在推動過程中，繩子在空間的軌跡是一個什么圖形？
小實驗：
指導學生做“紙板承受壓力試驗”p008：
比較不同形狀的紙板承受壓力的大小。
試驗準備、試驗過程（略）
回答問題：
1） 哪種情況下紙板的抗壓能力最強
2） 舉例說明這一結論在實際應用中有什么意義。
3） 如果把紙板折成瓦楞狀,試驗結果會發生什么變化
事物結構合理性的基礎是能夠抵抗來自外界的各種作用力和自身重力的影響。
討論:技術學科對力的分析與物理學科受力分析的區別？
物理學科：分析物體受到的外力的作用，力作用下物體的外部形狀和運動狀態的改變及其所遵循的規律。
技術學科：分析物體受到外力作用后，對物體內部結構的影響或要求及其規律。
結構受載荷實例：
任何結構承受的外載荷，都是拉、壓、剪、扭、彎中的一種或幾種的組合。工程結構的主要功能就是承受和傳遞各種形式的外載荷，保證結構的可靠工作。
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，吊桿主要受扭力和拉力；
為了保證結構的正常工作，這些構件必須有對于主要載荷的足夠的承載能力。這是結構設計中必須考慮的重要問題。
典型結構分析
1）單杠結構分析
⑴各部分名稱：杠體，立柱和拉桿。（為什么做成這樣的結構？）
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；當人在運動時，對立柱產生彎矩M，使立柱彎曲變形。——怎樣做才能保持單杠穩定？
拉桿：人在運動時，拉桿起到輔助立柱抗變形作用。
2）棚室屋架結構分析
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拱結構的應用
拱結構：中間高四周低，呈弧形的曲面。
應用：在跨度較大的情況下，建筑物多采用拱結構。這樣的結構既有利于承載，又美觀。
3.結構的類型：
1）實體結構：是指結構體本身是實心的結構。
受力特點：外力分布在整個體積中。
實體結構可以連續傳遞載荷，適于承受壓力。
案例分析：長城、三峽大壩、廚房中的菜板子、實心墻、水庫的大壩、古代的城墻、柱子、實心球等。
2）框架結構：是指結構體由細長的構件組成的結構。
受力特點：支撐空間而不充滿空間，能承受垂直和水平荷載。
框架結構是由桿件或板件連接而成的，構件可以是空心，也可以是實心；可以是平面框架，也可以是空間框架。由于這種結構用料少，可以承受多種載荷，因此用得很廣泛。
案例分析 ：窗戶、畫框、房子、竹排、教室的門窗常用木框架，蔬菜大棚的棚體、建筑用腳手架、自行車、艾菲爾鐵塔、桌子、板凳、書櫥、輸電鐵塔。
3）殼體結構：通常是指層狀的結構。
受力特點：外力作用在結構體的表面上，由弧面整體分擔承受，抵抗變形。
殼體結構是用薄壁殼狀構件來替代空間框架而形成的一種空間結構。由于它可以將作用在其上的集中橫向載荷分散為沿殼體的壓力。因此在場館建設中用得很多。
[案例分析]：頭盔，汽車飛機外殼、飲水杯、文具盒、裝甲車、油罐、雞蛋、核桃、瓜子、西瓜、鍋碗瓢盆……等
4）組合結構：在生產和生活實際中，很多物體的結構是由兩種或兩種以上的基本結構類型組合而成的。
受力特點：復雜（這是大學結構力學將要學習的）。
在日常生活中我們常見的結構大部分都是組合結構。結構的類型種種：纜索結構、桁（heng）架結構、空間桁架結構、球形空間桁架結構等。
案例分析：大壩都是拱形和實心結構的組合體；圓頂大廈的頂部都是框架結構和殼體結構的組合（又叫球形空間桁架結構）。
[學生討論]： 進入工地時總是被要求戴上安全帽，為什么？
[案例分析]埃菲爾鐵塔
[課后作業]：
p011 練習1、2題

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