资源简介

通用技术 必修 技术与设计2
第一章 结构及其设计
第一节 认识结构
教学背景
党的二十大报告指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略”。
通用技术是一门与科学技术息息相关的学科。回顾人类的发展历程，从石器时代、青铜时代、蒸汽机时代直到当今的信息时代，技术进步改变着人类的生活和生产方式。我们的生活、工作、生产处处都要用到技术，例如我们手中拿的圆珠笔和钢笔就是多次技术改造的结果，使我们足不出户就可以了解世界的电视机也是技术发明的成果。认识技术、善用技术，已成为现代人必须具备的素质。
教学目标：
观察自然界中的各种结构，了解结构的含义，学会把自然界的事物原理应用在技术设计中，提高学生技术意识。
了解结构的受力特点，理解几种结构受力时产生的形变，了解为满足特定需求需要解决的技术问题，并提出设计方案，提高学生创新设计能力。
理解结构的分类，各种结构的形态和受力特点，感知结构和工程应用的关系，提高学生工程思维。
逐步学会运用所学的思想和方法分析技术问题。
经历将基础知识应用于技术实践和创新的过程，同学们会养成实事求是、精益求精的习惯，能运用规范的技术语言和设计制作方法去解决一些实际的技术问题。
教材分析
本节课以提高同学们的核心素养为主旨，以学习思想和方法为基础，以设计和操作实践为主要特征，培养同学们的实践能力和创新意识，体现科技与人文相统一。
学情分析:
　　在日常生活中，学生接触到了很多结构，但是都没有认真的对结构进行分析。
教学重难点:
重点: 结构的含义，作用的构件上的力引起的各种形变。
难点: 理解各种结构的受力特点。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物图片和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中自主探究、自主建构设计原则知识并形成能力。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
　　教学过程:
　　情景导入:
老师：本节课我们学习通用技术 必修 技术与设计2第一章第一节认识结构。
环视我们的周围，大到摩天大楼、跨海桥梁，小至图钉、回形计等，它们都有结构,结构普遍存在于自然界及人类创造的各种物体中。当人们进行物品设计时，结构设计往往是不可缺少的，它既可以让物品实用、美观，也可以使其稳固和安全。结构通常需要抵御外力的作用，所以稳定性和强度是结构设计时必须考虑的重要因素。各种结构展示了人类的智慧和创新，给我们带来了美的享受。
“一桥飞架南北，天堑变通途。”我国在万里长江上修建的第一座铁路、公路两用桥梁——武汉长江大桥(图1-1)，于1957年10月15日正式通车。全桥总长1670 m，共中正桥1156m，北岸引桥303m，南岸引桥211 m。大桥的上层为公路，双向四车道，两侧有人行道;下层为复线铁路，两列火车可同时对开;从基底至公路桥面高80 m。桥梁的结构是钢桁架三孔连续梁，钢梁设计三联，每联三孔，共8墩9孔，每孔跨度为128m，桥下可通万吨巨轮。正桥的两端建有民族风格的桥头堡，高35 m，从底层大厅至顶亭共7层。桥头经的堡亭设计为四方八角上有重檐和红珠圈顶，有电梯和扶梯供行人从底层直接上到大桥的公路桥面参观，眺望四周，望大江东去，整个武汉三镇连成一体，尽收眼底。武汉长江大桥的建成，连通了京广线，成为连接我国南北的大动脉，对促进南北经济的发展起到了重要的作用。
导学思考
桥梁设计需要考虑结构问题，那么结构是什么
一、感知不同的结构
结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。结构普遍存在于自然界和人类创造的各种物体中，形式多种多样。
蜜蜂是自然界中卓越的建筑大师，蜂巢的结构精巧美观。蜂巢由几千甚至数万间蜂房组成(图1-2)。每间蜂房都是大小相等的六棱柱体，底面由3个全等的菱形面封闭起来，形成一个倒角的锥形。每排蜂房平行排列并相互嵌接。对于群居的蜜蜂而言，这种结构的居住空间用材最少且容积最大。
摇摇板(图1-3) 由几块弯曲的木板插接而成，结构简单，动感无穷。摇摇板的结构设计要求能够承载儿童的重力，能摇晃但不倾覆，也不发生明显的变形，以保证安全。
建筑物的结构必须坚固、稳定性好，还要能够抵御强风、地震等自然灾害的破坏。
长城(图1-41)是世界上最大的古代建筑奇迹之一，是中华民族的骄傲与象征。长城由砖筑实体结构构成。西起甘肃嘉峪关，东至河北山海关，全长约6300km。长城以悠久的历史、浩大的工程、雄伟的气魄著称于世。
佛宫寺木塔又名佛宫寺释迦塔( 图1-5)，是我国现存最高的一座木结构塔式建筑。始建于1056年，塔高67 m，1961年被定为全国重点文物保护单位。它经历了近千年的风雨和地震的考验仍然完整地屹立着。
桥梁的结构则必须能承受其自身的重力，桥上人、车辆的荷载以及风力和水流的冲击力等，如武汉长江大桥等。
图1-6 自承式桥是一座不需要任何绳索、钉子或其他紧固件就能支撑起来，而且能保持平衡和承载一定重量的桥。它最早出现在达·芬奇500多年前的手稿中。这座桥完全依靠自身的交叉排列结构，让每一个部件环环相连，通过摩擦力和重力支撑起来。
讨论
1.用这两类材料搭建自承式桥时，发现了什么问题，可来用什么方法解决
2.分别对两座桥加同样的荷载( 如书等)，讨论观察到的现象。
自然界中的物体都有其特定的结构。人们以人与自然和谐共生为理念。通过对自然界中结构的分析和研究。将其应用于技术领域。更好地为人类服务。
立即行动
为什么荷叶( 图1-8) 能出污泥而不染 科学家用显微镜观察后发现，荷叶表面上有许多微小的绒毛和蜡质凸起物。雨水落在荷叶上面，撬不开、渗不进，只化作一粒粒水珠滚落下来，还顺道儿带走了荷叶表面的灰尘，从而使叶面始终一尘不染。科研人员对荷叶的“自净”结构进行研究，并将这项技术应用于生产建筑涂料、服装面料、厨房面板等需要耐脏的产品。荷叶的这科结构还能应用到哪些领域中
人们还根据自然界中物体的结构设计了不同的产品，如图1-9所示。
二、认识结构与力
从力学的角度看，结构是指可承受一定力的物体形态，结构可以抵抗能引起形状和大小改变的力。在各种各样的结构设计中，人们都需要考虑力的作用，那么结构与力的关系是怎样的呢？
椅子是我们日常生活中经常使用的家具之一，当人坐在椅子上时( 图1-10)，椅子面需要承受人的重力。椅腿承受椅子自身和人的重力，椅背要能够承受人体向后的压力，并保持结构基本不变。为了使椅子在力的作用下，不发生几何形状的过分改变，常用的方法是在椅腿之间增加横档，以保持其稳固。由此可知，在椅子的设计中，其结构必须要能够承受其功能所对应的外力。在工程中，将组成各类结构的部件和零件称为构件，如椅面、椅背、椅腿和横档就是椅子的构件。
立即行动
1.如图1-11所示。桥在承受外力时。它的形状有明显的变化吗 从受力的角度比较图1-10椅子和图1-11桥的共同之处。
2.根据组成椅子的构件及构件的含义，分析图1-12钢结构雨棚的构件有哪些，这些构件的功能是什么，并填入表1-1中。
表 1-1 钢结构雨棚的构件功能
钢结构雨棚的构件 功能
通过对椅子、桥梁和钢结构雨棚受力情况的讨论和分析，可以发现这些结构都具有一定的形状，都需要承受外力的作用，在一定范围内都具有抵御其形状改变的能力。
物体的结构由其构件组成。下面我们通过实践活动了解构件在受到外力作用时的5种变形形式，即拉伸变形、挤压变形、剪切变形、弯曲变形和扭曲变形。
实践
请同学们取出一张纸，折叠成条状，将纸条看成一个结构的构件。观察在进行以下操作时，纸条产生的变形。
1.两手抓住纸条两端。如图1-13a所示同时向外拉伸。
2.两手抓住纸条两端。如图1-13b所示同时向内挤压。
3.两手抓住纸条两端。如图1-13c所示分别向不同的方向旋转。
4.将纸条两端放在分开的两摞书上，如图1-13d所示，将手指放在纸条上，向下用力。
5.用两手的食指和中指夹住纸条(纸条与地而平行)，并紧贴在一起，如图1-13e所示，两手分别向上、向下(与地面垂直) 用力。
合理的结构设计，一般要求构件能够承受一定范围内相应的力而不至于使构件受到破坏。如单杠横杆要能承受弯曲变形的力( 图1-14)、桌子要能承受压力(图1-15)、螺丝刀要能承受扭曲变形的力(图1-16) 、拔河用的绳子要能承受拉力《图1-17)。我们使用剪刀时，剪刀的剪切能力越强，则剪切效果越好( 图1-18 )。
在我们刚开始设计结构时，往往较难确定作用在每一个构件上的力的形式。而对于一些简单的结构，我们可试着利用学过的知识找出哪些力正在起作用。
立即行动
墙壁悬臂固定篮球架实物如图1-19a所示，从它的简图( 图1-19b) 可观察到拉杆构件承受拉力，撑杆构件承受压力。根据墙壁悬臂固定篮球架构件的受力情况，分析图1-20索拉桥简图的构件分别受到什么力。
三、了解结构的分类
结构的分类多种多样。从形态方面考虑，通常可以将结构分成三种基本类型:实体结构、框架结构和壳体结构。平遥古城(图1-21)、桥墩、铅球等都是实体结构，木屋( 图1-22)、悬索桥铁架、幼儿学步车等都是框架结构，汽车车身外壳(图1-23)、悉尼歌剧院等都是壳体结构。不同的结构类型具有不同的特征和受力特点。
实践
通过下列技术试验，分别归纳实体结构、框架结构和壳体结构的受力特点。
1.将木块垒成墙的形状(图1-25).用手分别压和推木墙。观察木墙的变形，分折其受力情况。
实体结构的特点:___________________________________
2.用木条制作三角形木框和四边形木框，并采用相同的方法固定。分别对它们进行按压和拉伸试验(图1-26 )，观察框架的变形，分析两种框架结构的受力情况。
框架结构的特点:___________________________________
3.取两张具有一定厚度的纸。一张平放在高度相同的两摞书上，另外一张弯成弧形，并将纸边固定(图1-27)。分别在这两种形状的纸上放相同重物。比较它们受力时的变形情况。
壳体结构的特点:_____________________________________
温馨提示
实体站构利用自身来承受荷载，主要承受压力。
框架结构通过条状物的连接来承受荷载，既能承受压力又能够承受拉力。
壳体结构通过壳形来传递力和承受荷载，特别是当壳形顶部受到压力时它能将力均匀打散。
立即行动
1.大连贝壳博物馆外部为钢结构壳体，呈现半椭球形(图1-28)。试分析壳体结构是如何承受和传递力的，可以结合贝类和硬壳类果实的形状进行讨论。
2.图1-29为混凝土重力坝。试分析大坝的结构为什么是底宽顶窄的。
3.许多结构住往是实体、框架、壳体等基本结构的组合形式。试分析图1-30和图1-31的建筑物由哪些基本结构组成。各结构分别有什么作用。
讨论、思考、形成小论文。
每位同学组织一篇小作文，可以从不同的方面进行展开。
完成后，与同学们进行讨论、分享。
课后作业
1.对于2008年北京奥运会主会场“鸟巢”，请利用学过的结构分类知识，分析其主体结构是什么类型，并查阅资料说明采用这种结构的优点。
2.为什么轻轻一放鸡蛋它容易破，而把鸡蛋放在手心，用力握它，它反而不容易破
3.举几个组合结构的例子。并分析它们是由哪些基本结构组成的。

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