物理教学中实施合作学习的现状及研究

渭南市瑞泉中学   张艳利

 

第一章  结 构 与 设 计

第一节   认 识 结 构

（渭南市瑞泉中学     王妮娜）

一、教材依据

广东科技出版社通用技术《技术与设计2》第一单元“结构与设计”的第一节“认识结构”。

二、设计思想

1. 指导思想

技术课程立足于学生的直接经验和亲身经历，立足于学生的“做中学”和“学中做”。本课以学生为主体，尽量多给学生动手操作的时间，并设计学生感兴趣的练习，让学生在轻松愉快的环境中学习新知。始充分发挥教师的主导、学生的主体作用，提高学生的创新意识、协作精神、实验能力等全面素质。

2．设计理念

1)采用直观教学方法，通过图片、试验和实物展示，让学生亲身体会和感受，激发学生的学习兴趣，促进对概念的理解。

2)采用探究式教学方法。通过小实验，结合简单的结构案例，分析结构是如何承受应力的。

3)在我们生活中有很多不同结构，引导学生观察分析，发现不同的结构具有不同的特征和受力特点。为讲解结构的稳定性奠定基础，同时也介绍一些最新的结构形式，拓展学生视野。

3．教材分析

1）通过放映蜂窝、雪花、海星、桥梁、摩天大楼等形形色色的结构图，使学生明白我们周围的事物都有结构,结构普遍存在于自然界的物体中，也存在于人类创造的各种物体中。自然界中形形色色的结构给了人们无限的创造灵感和启示，人们将其成果应用到技术领域, 是为了更好地服务于人类。

2）通过一些案例分析得出结构与力的关系，从力学的角度讲解结构的内涵。还要讲解构件的基本受力形式：拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力。

3）本课时还要通过总结自然界、技术领域和社会领域等各方面的结构例子，来归纳三类结构类型的特点。通过有趣的小试验, 强化对不同类型结构的特点的理解。

4．学情分析

学生对结构有一定的了解，对结构的功能和分类也有一定的基础。另外，学生在物理课中已学习了有关力学的知识，对物体的受力分析有比较好的基础。但是由于受力分析是物理课教学中的难点，多数学生在受力分析中还是有困难的，所以在教学中还要利用模型演示形变的情况，分析说明拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力等。此外，学生不能准确地区分三类结构类型，特别是壳体结构的特点。

四、教学目标

1.知识与能力

了解结构的涵义。弄清内力与应力及基本受力形式。了解结构的类型，能对简单的结构实例进行分类。

2.方法与途径

通过学习椅子面、简易桥梁的受力分析案例，能够分析结构是如何承受力的。结合学生生活中的事例和一些有趣的小实验来认识结构，认识有关事物结构的研究对科技创新的影响。

3.情感与评价

培养学生的分析观察能力，用科学思维认识结构。激发学生对结构学习的兴趣和激情，培养学生探究的思想和意识。

4.现代教学手段的运用

影像资料、多媒体展示，培养学生的感性认识。

五、教学重点

了解结构概念，认识事物结构的多样性以及一般分类

六、教学难点

理解应力与内力的概念，学会从技术的角度分析事物的受力。

七、教学准备

多媒体课件、多媒体设备、激光笔、实验用的鸡蛋，木板

八、教学过程

【导入新课】

说到结构，我们知道任何一件事物都有自己的结构，大的我们可以看见的天体、建筑物、企业，他们有自己的结构。小的到我们化学中学习的分子也有自己的结构。可见一件事物只要它存在，那它就一定会有自己结构。所以我们说结构无处不在。

1、了解结构

人们每天都在与各种各样的结构打交道，它渗透到了我们经济社会生活的各个方面，比如自然界、建筑、社会经济生活中，你会发现结构设计随时围绕在我们的身边。

【图片展示】

1）自然界中的结构

用图片展示蜂窝，海星，雪花等自然界的结构

首先从蜂窝出发了解自然界的结构，蜜蜂的蜂窝构造非常精巧、适用而且节省材料。

【学生活动】：  引导学生分析蜂窝的结构。这种结构的优点在哪里？

分组讨论，总结出蜂窝的特点如下：

蜂房由无数个大小相同的房孔组成，房孔都是正六角形，每个房孔都被其它房孔包围，两个房孔之间只隔着一堵蜡制的墙。底是由三个完全相同的菱形组成。

【教师补充】：有人测量过底部菱形的角度，两个钝角都是109°而两个锐角都是70°。令人叫绝的是，世界上所有蜜蜂的蜂窝都是按照这个统一的角度和模式建造的。
    蜂房的结构引起了科学家们的极大兴趣。经过对蜂房的深入研究，科学家们惊奇地发现，相邻的房孔共用一堵墙和一个孔底，非常节省建筑材料；房孔是正六边形，蜜蜂的身体基本上是圆柱形，蜂在房孔内既不会有多余的空间又不感到拥挤。

【课堂提问】：有哪些人造事物是从蜂窝结构得到启示而创造的？
    现在的航天飞机、人造卫星、宇宙飞船在内部大量采用蜂窝结构，卫星的外壳也几乎全部是蜂窝结构。这种蜂窝结构强度很高，重量又很轻，还有益于隔音和隔热。

2）人造世界的结构

用图片展示桥梁、摩天大楼、汽车等结构图

建筑的结构变得越来越丰富，越来越高，建筑面积越来越大，由此可见结构是随着材料技术的发展而不断进歩；形形色色的结构能给人以美的享受，给人创造的灵感和启示。人们将其成果应用到技术领域，更好地服务于人类。

【课外知识】：

利用蜂窝的启示，设计膜结构的水立方。

“水立方”整体建筑由3000多个气枕组成，气枕大小不一、形状各异，覆盖面积达到10万平方米，堪称世界之最。除了地面之外，外表都采用了膜结 构。安装成功的气枕将通过事先安装在钢架上的充气管线充气变成“气泡”，整个充气过程由电脑智能监控，并根据当时的气压、光照等条件使“气泡”保持最佳状态。

这种像“泡泡装”一样的膜材料有自洁功能，使膜的表面基本上不沾灰尘。即使沾上灰尘，自然降水也足以使之清洁如新。此外，膜材料具有较好的抗压性，人们在上面“玩蹦床”都没问题。如果万一出现外膜破裂，根据应急预案，可在8个小时内把破损的外膜修好或换新。“水立方”晶莹剔透的外衣上面还点缀着无数白色的亮点，被称为镀点，它们可以改变光线的方向，起到隔热散光的效果。

【课堂提问】

生产生活中还有那些产品的结构是受到自然界事物结构的启发而产生？

声纳（蝙蝠）      船桨（鸭蹼）      潜水艇的流线型设计（鱼类）

2. 结构与力

             

【课堂提问】：人坐在椅子上时，对椅子施加压力，为使椅子在压力的作用下不发生几何变形，通常用什么方法？

【学生回答】：在椅腿之间增加横档，以保持其稳固。

【课堂提问】：桥在承受外力时，它的形状有明显的变化吗？

【学生回答】：在一定的范围内都具有抵御其形状和大小改变的能力。

【概念总结】：从力学角度来说，结构是指可承受一定应力的物体形态。一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常称为构件。

【视频展示】：拉力试验，压力试验，弯曲试验，剪力试验，扭转试验。

当一个结构受到外力作用时，内部各质点之间的相互作用会发生改变，产生一种抵抗的力，称为内力。应力是构件的单位横截面上所产生的内力，当应力达到某一极限值时，结构就会遭到破坏。用公式表示应力为σ =F/s，其中F 是内力，S 是受力面积， σ是应力。

生活中常见的结构都能抵抗来自外界的各种作用力和自身重力。例如桥墩承受自身重力及交通工具的压力、大风的作用力、雪荷载、震动荷载等其它外力。

讨论分析生产、生活中常见结构，要抵抗来自外界力的作用情况。

【学生活动】：

物   体
                受 力 分 析
 
建筑物的窗户
 自身重力、四周墙壁的压力、风力
 
课桌
 自身的重力、桌上物体的压力、地面对其的支撑力
 
硬纸包装箱
 箱内物体的重力、箱内物体的挤压力、自身的重力、外界压力
 

构件的受力形式多种多样，基本受力形式：拉力（压力）、压力、剪切力、扭转力和弯曲力。

拉力
 物体所承受的拉拽力
 
压力
 挤压物体的力
 
剪切力
 两个距离很近 ,大小相等,方向相反,且作用于同一物体上的平行力
 
扭转力
 反方向向物体两端均匀施力 ,使物体发生扭转形变的力
 
弯曲力
 作用于物体 ,使它产生弯曲的力
 

【案例】5.12汶川地震

 

 

 

 

【探究活动】：观察下图,说明石磨的推杆为什么要用一根绳子吊起来？

    

 

 

 

 

【学生回答】：1、低消推杆自身的重力

          2、保持人在推磨过程时推杆始终在平行于 地面的平面上运动；

3. 结构的分类：

1）实体结构：是指结构体本身是实心的结构。

受力特点：实体结构可以连续传递载荷，适于承受压力。

【案例】三峡大坝、万里长城

           

 

 

 

 

2）框架结构：是由细长的杆件组成.

支撑空间而不充满空间，能承受垂直和水平荷载。

框架结构是由杆件或板件连接而成的，构件可以是空心，也可以是实心；可以是平面框架，也可以是空间框架。由于这种结构用料少，可以承受多种载荷，空间大，因此用得很广泛。

【案例】建筑物、桌子、椅子

        
3）壳体结构：通常是指层状的结构。

受力特点：外力作用在结构体的表面上，由弧面整体分担承受，抵抗变形。

壳体结构是用薄壁壳状构件来围成空间框架而形成的一种空间结构。由于它可以将作用在其上的集中横向载荷分散为沿壳体的压力。因此在大型场馆建设中用得很多。

【案例】国家大剧院、油罐等

            
4）组合结构：在生产和生活实际中，很多物体的结构是由两种或两种以上的基本结构类型组合而成的。

在日常生活中我们常见的结构大部分都是组合结构。

【案例】埃菲尔铁塔

底部是实体结构、塔身是框架结构

【课堂练习】

物体结构
 实体结构
 框架结构
 壳体结构
 组合结构
 受力特点
 
栅栏
 
  √
 
 
  支撑空间却不充满空间
 
圆形陶瓷装饰品
 
 
  √
 
  结构体的表面
 
冰山
  √
 
 
 
  外力分布在整个体积中
 
高层建筑的穹顶
 
 
  √
 
  结构体的表面
 
钢化玻璃锅盖
 
 
  √
 
  结构体的表面
 
竹排
 
  √
 
 
  支撑空间却不充满空间
 
汽车外壳
 
 
  √
 
  结构体的表面
 
人的头盖骨
 
 
  √
 
  结构体的表面
 
古罗马斗兽场
 
 
 
  √
  支撑部分空间，分布在部分体积中
 

【课后试验】：拿3个鸡蛋，每个上下各放2个塑料瓶的盖子让鸡蛋能竖立，然后以3个蛋为脚慢慢把东西压上去，看最多能放多少斤？

九、教学反思

本节内容的学习，一定要切合学生的生活经验，这样才能引起学生的共鸣，活跃课堂气氛，才能激发学生的学习热情和对后面学习内容的兴趣。比如：跳板、单杠等，特别是房屋和桥梁的结构的讲解，对结构的受力进行分析，学生也很容易理解。让学生自己做鸡蛋承重试验，让学生思考鸡蛋的载荷情况，并可以为下节课内容作一些铺垫。