資源簡介

簡單結構的設計
教　　材：（鳳凰國標教材）普通高中課程標準實驗教科書 通用技術（必修2）
文檔內容：簡單結構的設計
章　　節：第一單元　結構與設計 第三節 簡單結構的設計
課 時：第一課時
作 者：錢一千（無錫市第一中學）


一、教學目標
1. 知識與技能目標
(1) 理解并鞏固結構的涵義、結構與力之間的關系。
(2) 能熟練分析一個簡單結構應考慮的主要因素。
(3) 能夠對紙結構進行合理的結構分析，并設計一個簡單紙結構。
(4) 能制作一個簡單紙結構模型。
2. 過程與方法目標
(1) 設計過程中，能充分認識不同紙結構承重性能的差異。
(2) 在制作過程中，能夠對影響紙結構的各個因素進行合理的分析與恰當的修正。
(3) 能制作承重性較好的紙結構，體驗發現問題、解決問題的過程。
3. 情感態度和價值觀目標
(1) 形成和保持學生了解結構，研究結構的興趣與熱情。
(2) 體驗解決問題過程的艱辛和獲得成功的喜悅。
(3) 認識技術的創造性特征，培養勇于創造的個性。

二、教學重點
完成簡單紙結構的設計，選擇合適的紙結構形狀和連接方式搭建紙結構模型。

三、教學難點
選擇合適的紙結構和連接方式搭建紙橋結構模型。

四、教學方法
教授、任務驅動、小組合作。

五、設計思想
1. 教材分析
本節課是第一單元《結構與設計》第三節《簡單結構的設計》。這節內容有兩個方面要求：一是能夠對所做的結構進行簡單分析，熟悉設計一個簡單結構所應考慮的主要因素；二是進行一個簡單結構的設計，繪制設計圖并制作模型或原型。分析教材本單元的前后章節——《常見結構的認識》、《穩固結構的探析》，這些章節中涉及到結構與力、結構的類型、結構的穩定性、結構的強度等知識點與本節課有很強的延續性，因此本節課重點應放在如何在設計簡單結構的過程中，結合這些知識點，讓學生發揮自己的創造力，設計出既符合要求又各具特點的簡單結構。
2. 設計理念
簡單結構的設計，關鍵在于這個簡單結構——“載體”的選擇。按照教材上的要求選擇簡易相框的制作，在實際教學中很難吸引學生的興趣。所以必須另選一個新的“載體”來制作簡單結構，才能充分調動學生積極性和主動性，培養他們對結構設計的興趣。因為是結構設計，所以我很自然就會考慮到結構的承重，考慮到成本和制作的難易程度，我決定選擇紙材料，設計能承受一定重量的紙結構，放棄木塊等其他材料的結構制作。紙張本身很柔弱，但是用紙張做出來的紙結構卻能承載一定的重量，這充分說明了結構設計之功效，而且也能體現結構與力的關系。同時我要學生明白，高中同學制作紙結構要進行一定的研究，怎么樣才能讓我們設計的紙結構用紙量少、承載重量高；怎么樣才能設計出承載比高的紙結構。為此，我們確定了紙結構制作的設計要求：制作梁式結構的紙板，整個紙結構必須全部使用普通A4（或16K）紙，最終設計出的紙結構用紙量應在3張以內。紙結構的連接只允許使用普通的膠水或雙面膠（膠水只能起到輔助連接，不可用來承重，所以不可使用乳膠等）。紙結構在主要受力面內應滿足幾何不變性，跨度要求15cm以上，寬度7cm以上，放置在2塊等高的木塊上，最低承重要求為一灌滿沙的沙盒（豎直放置于紙板中央保持穩定狀態，每個沙盒重約600g），在此基礎上承載比越高越好（可做破壞性試驗，看壓多少塊沙盒把紙板壓垮）。同時考慮到這堂課為紙結構設計第一節課，在讓學生大致了解紙結構制作過程的同時，讓學生摸索掌握制作紙結構的技巧，為后面學生制作紙橋等其他紙結構作好相應準備。
3. 教學策略設計
紙結構設計的要求并非這節課才提出，而是在結構設計的第一節課就已經提出，這樣就可以讓學生在學習前面知識的同時進行思考，本節課則是對紙橋制作進行具體指導。
(1)首先對紙張的性質進行相應分析，讓學生掌握紙張的特點——抗拉性能強、抗壓性能弱。
(2)由紙張的特點引出紙結構要承重就必須揚長避短，設計合適的結構提高抗壓性能，才能承受一定的重量。不同結構的承重能力不同，追求的目標是紙結構的承載比應該盡可能大。
(3)紙結構形狀的選擇很重要，不同結構的紙結構抗壓性能不同，引導學生自己探討選擇合適的形狀。
(4)紙結構的組合連接方式有多種，好的組合連接能夠有效提高紙板整體結構的強度。引導學生自己設計合適的組合連接方式。
(5)學生自主設計承重紙板，分成小組討論后形成小組方案。
(6)小組制作紙板。
(7)教師及時介入，通過對比介紹部分小組的作品，引導學生反思對自己的設計進行相應調整。
(8)在學生完成作品之后進行作品的簡單測評，即選擇部分小組作品對其進行承重測試，對于測試的結果引導學生思考如何調整修改原有設計。
(9)教師指導學生思考，紙結構還能有什么應用，怎么設計？（為后續紙橋制作作準備）
4. 學情分析
高中階段的學生有一定的物理力學知識和動手實踐的基礎，制作紙結構完成情況應該普遍較好。但是由于是第一次接觸紙結構設計，很多很好的結構設計往往在制作過程中會因為設計與制作的脫節而“流產”。但是不斷地修正設計——動手制作的過程本身就是一個良好的創新實踐過程，在這個過程中每個用心的學生都能體會到自己設計的樂趣。限于學生對紙結構認識的不同、掌握結構設計水平能力的不同，學生們最終制作出的紙橋完成設計要求的結果差異性也很大。動手能力強、思維靈活的同學更容易設計出承載比較高的作品，這樣可以讓他們把自己成功的經驗向其他同學們分享。動手能力較弱、思維比較遲緩的同學可能更多地體驗解決問題過程的艱辛，這個過程同樣是一份可貴的經驗，而且他們對結構設計的理解尤為深刻。

六、教學準備
1. 教學資源的準備
多媒體教學設備、通用技術專用教室、教學課件PPT、各類工具、普通A4紙張、膠水等。
2. 教學課件的準備
教學課件比較簡潔，多以直觀的圖片來說明，抓住關鍵知識點，突出中心。

七、教學過程
1. 提出問題
（[圖片]介紹兩個事例：（1） 一把紙結構制作的椅子上能坐人。
（2） 一位日本設計師在法國用7.5噸紙造了一座紙橋，能同時站立20人。
——引入新課。)
老師提問：平常你所了解紙張的特性是什么？（柔弱）為什么柔弱的紙張搭成的紙椅、紙橋能承受這么重的重量？（由學生回答中引出）因為紙椅、紙橋的結構，設計師設計的獨特的結構能承受這樣的重量。我們如何來設計能承受一定重量的紙結構？
老師：我們來具體研究一下紙張的特性。（板書+課件）對于架在兩個橋墩上的紙板，當中間放一個重物比如砝碼，它受到砝碼向下的壓力以外，還受到兩橋墩向上的支持力。綜合作用下橋面會發生彎曲形變，并產生相應的應力。在彎曲的過程中，紙橋的上表面處于彎曲的內層，受到向內的擠壓力；紙橋的下表面處于彎曲的外層，受到向外的拉力(如圖)；紙橋的兩個側面由于上下受力方向不同，必然會彎曲。
（引出結論）紙本身具有較強的抗拉能力，但抵抗壓力能力很弱。也就是說，在紙板承受砝碼重力的時候，首先被破壞而出現折痕的是受到擠壓力的上表面，這是我們最不愿意看到的。因此，要想紙橋能夠承受一定的重量，設計合理的承重結構，就必須揚長避短，提高紙張的抗壓能力，發揮紙張的抗拉能力，如何做到這一點呢
2. 理論探究
老師：在日常生活中，紙張的拉力表現得非常驚人。用紙張的一端掛上重物（可用兩塊磁鐵吸引夾住紙張），拉住紙張的另一端可以輕松將重物提起。而同時，紙張的抗壓能力相對來說表現的極為特殊。將一張紙立在桌子上是很困難的，但是把它折一下，或者卷成圓形，不但能立起來，而且還能在上面壓一小塊重物，也就是說，通過折邊或卷成圓弧形可以提高紙張的抗壓能力。由此，可得出結論：選擇一個合理的截面形狀對于整個紙結構有著舉足輕重的作用。合理的截面形狀是構成整個紙結構構件的關鍵。
（課件展示[圖片]——一些典型紙結構的形狀）
（老師引導學生思考：）什么樣形狀的紙結構抗壓能力強？承載比更大？
（板書對幾種基本形狀的紙結構進行受力分析）
老師：了解了紙橋構件的基本情況，我們再來了解一下構件的連接。合理的構件連接方式能有效提高整個紙橋結構的強度。
（課件展示[圖片]——一些典型紙結構的組合連接）
（老師引導學生思考：）什么樣的構件組合連接方式更牢固？更能提高整體結構的強度？
3. 拓展思維
老師：談了這么多紙結構的形狀和組合連接，有一個問題擺在我們面前：紙橋構件的形狀和組合連接，如何合理搭配，才能盡可能滿足我們紙橋設計的要求，提高紙橋結構的承載比？
（請學生按照設計要求設計紙板結構模型，在學案上畫出草圖）
4. 實踐活動
老師：我們探討了紙張的特性，簡單分析了紙結構的形狀和組合連接，也自己設計了紙板結構模型。下面讓我們自己來制作一下簡單的普通紙板結構模型。
（同桌兩同學為一小組，以小組為單位開始制作）
（圖示幾種簡單紙結構的制作過程）
（學生動手制作，老師在旁邊進行觀察指導）
5. 學生反思
（選擇幾個小組的作品進行簡單評述）
老師：大家都選擇了不同設計方案來制作簡單紙板結構模型，我們來看看這個小組的同學設計制作的簡單紙橋模型，他們采用的主要是什么結構形狀？如何組合連接的？（學生思考回答）能不能再加以改進？如何改進
(讓學生根據情況對自己作品進行深入思考，加以改進。各組同學之間可以適當交流經驗，取長補短)
6. 測試評價
（挑選幾組學生的作品進行承重破壞性測試——在紙板的中央，依次放上沙盒，直到紙板結構發生形變破壞，記下相應砝碼重量。）
7. 教師指導
老師與學生綜合評價：**小組的簡單紙橋結構承重性能最強。（為什么最強？）
引導學生思考：這個小組選擇的是怎樣的構件形狀？構件的連接如何？怎么搭配的？
老師：今天這堂課，我們自己動手制作了簡單紙橋結構模型，雖然只是一個簡單的結構設計。但是我們體驗到了結構設計的嚴謹與美感。最后因為時間的原因，我們僅僅選取了幾組同學的作品來進行測試，盡管我們做的只是最普通的紙橋結構模型，但是我們依然可以看到同學們對結構設計的熱情與興趣。很多同學的設計很有想法，但是還不是盡善盡美，還有可以改進的地方，希望同學們課后能相互探討，獨立思考、協作完成更好的結構作品。

八、教學反思
這節課選擇了學生比較感興趣的“載體”，所以學生參與程度和熱情相當高，教學重點和難點掌握得也比較扎實。然而，實際制作中，還有很多不足，總結一下有這樣幾點：
1. 學生掌握的結構設計思想與方法與動手實踐能力總有差異。盡管設計的方案很好，實際制作的時候很難把設計的意圖完全貫徹到紙橋制作過程中去。
2. 學生動手過程中，但是制作的工藝水準普遍不是很高，直接影響了整個紙結構的強度。
3. 給予學生思考的時間還是短了很多，學生在課堂上面能體現出的好的結構設計并不多，需要課后深入思考后才能有更好的作品制作出來。
4. 囿于老師自身的技術水平，不可能對每個學生提出的問題做出最準確的指導。很多學生提出的問題只能依靠自身摸索，最后得到的結果也未必是最好的解決方案。

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