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第一章 结构及其设计
第一节 初识结构
一、教学目标
理解结构的本质和含义。
能对生活中常见的简单结构进行分类，能指出三种不同结构的应用场合。
能初步认识到结构在日常生产、生活中广泛应用的重要性，拓宽思维和想象空间。
二、教学策略
1．学情分析
高中生已具备一定的物理知识，可以从物体受力的角度去理解结构的作用。学生在日常生活中，常看到一些诸如生活、学习用具、生产器械等，也知道它们都具有一定的结构特点，但不能从理论上科学地对其定义。通过本节内容的学习，学生对于结构的概念和分类比较容易理解掌握，但要对生活常见的实例进行归类可能会有困难。因为现实中的结构往往是多种结构类型的结合，需要探讨交流，获得共识，教师应从力学架构与形态分类的角度对引导学生学习。
2.教学准备
教学中，应尽量结合实例对生活中常见的简单结构进行归类，区分三种结构的不同应用场合。教师选用不同结构类型的实物模型给学生观摩，如小板凳、台灯、球形建筑等；利用多媒体播放不同结构的图片和视频介绍故宫、赵州桥等，体会物体的结构是由物体的功能和需要决定的，而物体的结构又决定了物体的性质和形态。
三、教学重点
结构含义及其分类
结构的受力分析
四、教学难点
结构分类
教学过程：
利用多媒体播放典型结构，探索结构的奥秘。
引出图片所示物的技术核心是结构，它们的共同特点是承受和抵抗各种各样的作用力，抵抗可能由此引起的变形或损伤。它们都是结构设计的成果。
引导学生，激发学生们对结构探究的兴趣。从身边的生活入手，让学生们自行设计、制作一个简易衣帽架！
要达到我们所提出的要求，那么选用什么架构、材料、几何形状与尺寸，采用怎样的连接、装配与安装方式呢？为了解决这一些技术问题，我们应先从基础学起——结构及其设计。
引导学生从“架构”的角度进行归纳总结：
板凳（a） 4条腿，“八”字形态，由两根橫橕分别把左右2 条腿连接在一起。
板凳（b） 在（a）的基础上去掉了2根橫橕。
板凳（c）在（a）的基础上加了1根橫橕，将左右两端凳腿之间的橫橕连接在一起。
通过前面三个实例，他们各自之间是怎样搭配和排列的？他们在使用中各受到哪些外力的作用？
结构：组成某体系的各部分单元之间的搭配和排列，确定的搭配和排列决定了该体系的性质和形态。
构件：结构的各组成部分。
结构是可承受一定力或力矩的架构形态，抵抗变形或产生需要的变形是结构的本质。
（一）从力学的架构与形态考虑，结构分类如下：
实心结构 能承受较大的压力 水库的大坝、墙体、城墙 几何外形简单有杆（柱）、板、体。
框架结构 制作方便，能省料 塑料大棚、自行车。杆件实心或管材
壳体结构 曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构 水杯、水壶、文具盒、存钱罐、坦克、太空飞行的舱体、石油气储罐、浮标。
壳体结构存在原始曲度，是一种强度高、省材料的结构。
通过以上内容的学习，对结构有一个初步的印象和概念，对衣帽架的结构有一个轮廓，画出设计草图。
第二节 典型结构分析
一、教学目标
理解结构是为了承受力和抵抗变形的本质
能对生活中常见结构进行受力与变形分析
体会结构设计的重要意义，养成对结构进行受力分析的思维习惯
引导学生多角度思考问题、分析问题，激发学生学习设计的欲望
二、重难点：
对单杠作受力和变形分析
通过受力和变形分析，体会结构是为了承受力和抵抗变形的本质。
三、教学过程：
利用多媒体播放一段体操运动的影像资料。运动员在场上激烈的角逐，那么，同学们，你知道他们的比赛项目是什么？
他们进行的是单杠练习，就是我们上体育课经常玩的单杠。你们仔细观察一下，他们所用的单杠和我们学校的单杠在结构上有哪些不同呢？或者，与你们所见过单杠相比，有没有不同的地方呢？
引导归纳总结，细心观察的同学发现了，比较明显的一个区别，就是有的单杠有四根铁线，有的却没有。
前面我们学习过什么叫结构，还知道了结构可以承受力和抵抗变形，而组成结构的各个部分称为构件。那么，现在我们把单杠看成一个结构，那构件都有什么呢？
为什么有的单杠有拉杆，有的没有呢？不同结构的单杠在功能上有什么不同呢？引入新内容。
在学生阅读课本的过程后，总结两根立柱以承受压力为主，主要变形为压缩变形；而拉杆始终处于张紧状态，主要变形为拉伸变形。
如果我们抓在杠体中间，将可能发生怎样的变形？
结合梁的定义，所以我们认为，杠体是有两个支点的梁。
如上图所示，如果撤掉拉杆4和6，而抓着拉杆3和5用力拉，立柱将可能发生怎样的变形？
所以立柱是只有一个支点的垂直梁。
我们对杠体进行——有两个支点的梁进行受力分析前，先看一下物理实验——单摆。
在小球摆的过程中，绳子对小球的作用力方向怎样变化？
根据作用力和反作用力原理，固定点受到小球的作用力方向如何？
无论小球摆到哪个位置，固定点受到的作用力方向始终指向小球球心所处的瞬间位置。
当运动员做大回环动作时，如果从侧面来看，将会是怎样？
类比单摆，杠体相当于固定点；人相当于小球。杠体受到人的作用力方向是怎样的？
所以，无论人摆到哪个位置，杠体所受作用力的方向始终指向人的重心所处的瞬间位置。因为梁向哪个方向受力，就会向哪个方向变形。即变形方向和受力方向一致。所以杠体总是朝人的重心所在位置发生变形。于是有了结论：杠体总是朝着人体所在瞬间位置的方向上发生弯曲。
下面，我们再看立柱。杠体和立柱的上端相连，人的作用力通过柜体作用于立柱，将可能发生怎样的变形？是弯曲，对吗？如果要向前发生弯曲，请问同学们有什么方法可以削弱或抵削这种弯曲呢？
棚室荷载与立柱受力
压力要收起压缩变形，弯矩要引起弯曲变形。通过结构合理设计，立柱将会抵抗住压缩与弯曲两类变形
（二）梁的受力
防止梁过分弯曲的最简单方法是在梁的下面增加支撑点。
（三）拱结构的应用
棚室一般采用拱结构。适用于大跨度。
内部为空心状，由顶板、底板、腹板和加劲肋等构件组成。
特点：大跨径，质量小、省钢材、抗弯和抗扭刚度大、安装快、外形简洁美观。
荷载类型：竖向作用 横向作用 纵向水平作用
扭矩：桥由于承受因荷载分布不均匀、不对称而产生的；
剪切力：梯子的横梁，除了承受压力及使其发生弯曲变形的力之外，在横梁与支柱的两个交接处还要承受的力。
第三节 结构的强度与稳定性
一、教学目标
理解应力和强度的概念，了解应力和强度的关系
掌握影响结构强度的因素
理解稳定和结构稳定性的概念，掌握影响结构稳定性的因素
二、重难点：
影响结构稳定性和强度的因素判断结构的稳定性，分析结构的强度
通过技术试验，感知力学结构对设计的基本要求及物态变化
三、教学过程：
一、我们经常听到过这样的对话：“我的椅子比你的结实。” “我的桌子坏了一条腿，不稳了。”
这里的结实和稳，都是对某物体结构的某方面性能的一种形容、一种描述、一种评价。
下面我们通过实验的方法来进行。
技术试验的总体要求：
（1）试验前，要提前做好准备，包括器材准备、试验场地准备及参试人员分组准备。
（2）试验分组进行，组内人员分工明确。
（3）认真做好交流、讨论。
（4）认真写好试验报告。
（5）做好安全防范。
试验一：简易拉伸试验
试验项目：纸绳拉伸试验
试验内容：抗拉伸研究
试验器材：自制纸绳多根，砝码1套（或弹簧秤1个）
试验步骤：将纸绳一端固定悬挂，另一端用于加砝码，观察并记录纸绳变形与受力情况，直到将纸绳拉断。
取两根纸绳并放在一起，重复步骤以上步骤。
逐渐增加纸绳数量，重复以上步骤，直到无法拉断多股的纸绳为止。
整理试验记录，小组讨论，提出此次试验的几点结论性看法。
撰写试验报告。
试验二：简易弯曲试验
试验项目：板条弯曲试验
试验内容：抗弯曲研究
试验器材：宽木板条1条200mmX80mmX3mm；窄木板条3条，参考尺寸：200mmX15mmX3mm；小木块2块；快干胶水；小铁钉若干。
试验步骤：
1.取宽木板条，将其两端用小木块支撑起来，在木板条的中央向下施加压力，观察并体验木板条变形的情况。
2.取一条窄木板条，用胶水和小铁钉将其紧固于宽木坂条的中央，重复以上步骤。逐渐叠加窄木板条，重复以上步骤。整理试验记录，得出结论，撰写试验报告。
试验三：简易组态试验
试验项目：杆件框架组态试验
试验内容：框架结构稳定性研究
试验器材：相同材质的杆件5根（雪糕棒），每根杆件的两端备有可穿过螺栓的孔；螺栓、螺母4套。
试验步骤：
1.取3根杆件，用螺栓将他们连接成一个三角形，并用螺栓固定。在任一结点上施加外力F，观察并体验框架的受力与变形情况（a）。
2.重取4根杆件，组成一个四边形框架，在四边形框架的某一结点上施加外力F，观察并体验受力与变形情况。
3.在四边形框架的基础上，另取一根杆件加入，改组成有一条公共边的双三角形框架（b）所示。在双三角形框架的某一结点上施加外力F，观察并体验框架的受力与变形情况。
技术试验过程的评价
最重要的就是试验数据处理、分析方法和综合评价方法。
二 应力、强度
内力：构件在外力作用下发生变形的同时，构件内部分子之间产生一种抵抗变形的抵抗力。
应力：作用在单位面积上的内力。N/m2
三、影响结构强度的因素
形状：构成的形状略有改变，强度就会改变
材料：不同的材料有承受不同应力极限的能力
四、结构稳定性
（一）结构稳定/不稳定的几种情况
（1）不倒翁结构；
（2）4条腿支撑的椅子；
（3）上小下大的横截面结构。
（二）结构稳定的概念
能传递（承受）任意形式的荷载，称为稳定结构。
五 影响结构稳定性的因素及应用
（一）影响因素
1.重心的位置
2.结构的支撑面积 支撑面积大的结构，稳定性好。
3.结构的几何形状 上端小、下端大的结构，稳定性好。
（二）巧妙地增加结构的稳定性
（1）减小长细比
（2）利用三角形框架及其组合结构
第四节 结构设计与制作
一、教学目标
初步掌握结构设计的基本思路，形成良好的设计习惯
学会简单结构设计的方法与步骤
体验结构设计、制作的过程，具备初步的综合设计能力，树立团队意识
二、重难点：
结构设计
三：教学过程：
引导学生阅读材料：
长信宫灯为什么拥有这样的极高评价？
长信宫灯的特色功效是结构设计的成果！该成果体现的创新与匠心正是需要我们学习与传承的精神！
下面我们通过动手来制作衣帽架原型
（一）确定设计方案
（1）根据使用的需求，来确定杆件的数量
（2）根据荷载的分析，选定制作杆件和小橫桩的材料及尺寸
（3）画草图，标明比例尺
（4）小组讨论，在强度和稳定性优化的基础上，做进一步的改进，确定方案。
（二）完成设计制作
（1）绘制正规图纸
（2）制作原型
一是保证达到设计标准，如设计方案中描述的杆件和小横桩的数量、材料、尺寸等。
二是保证拥有良好的特性，如承载的强度与稳定性等。
参考设计方案
思考：
（1）秋千的各构件分别承受了怎样的力？它们是怎样抵抗变形的？
（2）它与单杠在功能要求、结构要求、结构方式等方面有何异同？
（3）秋千架的高度会带来什么影响 秋千绳多长为好（离地面多高）？
（4）各拉杆与立柱之间的夹角应怎样确定？
（5）立柱埋入地下的部分，用什么样的几何形状好？埋多深？
（6）秋千的拉杆怎样与地面连接牢固？
（7）应考虑哪些与安全有关的问题？
（1）在分析讨论的基础上，确定结构设计方案。包括：框架构成，材料、尺寸及各构件的连接与固定方式等。
（2）绘制正规设计图纸。
（3）制作模型。
四：课堂反思
在制作过程中不要让学生认为完成设计方案或做出个原型就万事大吉了，应组织学生以小组形式，交流讨论组内学生的结构设计，培养学生精益求精的工作态度。引导学生“学技术，做到勤奋刻苦、精益求精。学会运用技术思想和方法，要有敏锐的工程思维和较强的创造能力，要传承大国工匠精神，只有这样才能创造出精致、精湛、精美的作用。
第五节 典型结构欣赏和结构设计评价
一、教学目标
了解对结构设计进行的欣赏和评价的基本思路与方法。
学会从科学、艺术、环境、民俗等多角度对身边的典型结构进行欣赏，养成科学的完美观。
养成尊重他人智力劳动成果的习惯。
通过欣赏典型结构设计，激发学生参与结构设计的热情。
二、重难点：
一是欣赏优秀的结构设计
二是学习对结构设计的评价方法
三、教学过程：
引导学生欣赏：故宫博物院一角
上海浦东国际机场（夜景），它的主楼犹如一只展翅的巨型海鸥。屋面全部采用钢结构，结构体系较轻，充分考虑了屋顶承重问题。
哈尔滨大剧院，引导学生不仅从结构与美感角度分析欣赏外，还应指出这是采用现代技术手段，利用计算机软件建立钢结构整体模型，通过建模计算得出其结构整体稳定性、抗震性能，是现代数模应用于建筑与制造的典型案例。
它的结构设计科学而又考究、精巧而又实用。整个剧场仅靠人声或乐器自然发声，取消了电声扩音。
山西应县木塔
中国天眼FAST
课堂反思
通过欣赏国内外著名建筑，让学生感受其充满时尚美感与辉煌，为祖国的强大倍感自豪。

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