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
第三节 结构设计
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：
通过结构设计要求的学习，结合设计一般原则，初步了解结构设计作用。
通过桥模型的结构设计的学习，熟悉设计的一般过程，培养学生结构设计思路、检测和优化设计方案，通过交流和评价来提高学生结构设计的能力。
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探究。
教学重难点:
重点: 明白结构设计目标和要求。
掌握结构设计一般过程。
难点: 实物案例设计、优化与模型制作。
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第一章第三节 结构设计。
赵州桥（图1-68），又称安济桥，是世界上现存最早、跨度最长的园弧形单孔敞肩型石拱桥。赵州桥的设计具有许多特点:
它的结构是世界桥梁史上首创的敞拱结构。赵州桥的设计把以往桥梁建筑中采用的实肩（用石料等填充密实） 拱改为敞肩拱，即在大拱两端各并列设置两个小拱，小拱叠于大拱之上，这种做法具有优异的技术性能。首先，可以提高泄洪能力，减轻洪水对桥的冲击力，保证大桥的安全。其次，敞肩拱比实肩拱节省了大量土石材料，减轻了桥身自重，减少桥身对桥台、桥基的垂直压力和水平推力，增加桥梁的稳定性。
采用圆弧拱形式，打破了中国石桥多为半圆形拱的传统。中国古代石桥拱形大多为平圆形，适用于跨度比较小的桥梁，大跨度的桥梁若选用平圆形拱，就会造成拱顶过高、桥高坡高、车马行人过桥非常不便等。圆弧拱形式使石拱高度大大降低，这祥就实现了低桥面和大跨度的双重目的，桥面过桥平稳，车辆和行人过桥都非常方便。
采取了单孔长跨的形式，河心不立桥墩。改变了传统桥梁建筑中较长的桥梁所采用的每孔跨度小、坡度平缓的多孔形式，克服了桥墩多不利于舟船航行、妨碍洪水排泄以及桥墩长期受水流冲击、侵蚀容易塌毁的缺点。
总之，赵州桥的设计与传统石拱桥相比，在经济性、适用性、美观性等方面都有了明显的改善和提高。
导学思考
赵州桥的结构设计增加了桥梁的稳定性，保证了大桥的安全性，方便了车辆、行人通行。赵州桥的结构设计给了你哪些启发
在《普通高中教科书 通用技术 必修 术与设计1》的学习中，同学们已经知道了什么是设计、设计的一般过程，并掌握了设计的基本思想和方法。
结构设计属于设计的一种类型，它必须遭循一般的设计方法和过程。
结构设计不但要考虑它的功能要求，还必须考虑它的受力情况、稳定性、强度、连接方式和材料选择等。除此之外，进行结构设计还要从实用、安全、经济，美观和人性化等角度综合考虑，并且绘制设计图样等。
案例
防烫锅盖扳手的发明
有一次，我喝完矿泉水之后，拿着矿泉水瓶上的绿色方便夹（图1-69），发现其结构设计得很巧妙:把卡口往瓶口上一卡，再夹在皮带上，水瓶就掉不下桌了。方便夹的结构很特别，它能否用在别的地方呢？
有一天，我发现妈妈用抹布包住锅盖组掀起锅盖时，不小心烫伤了手。在心疼妈妈的同时，我灵机一动: 能不能用矿泉水瓶的方便夹从锅盖纽的两侧提起锅盖呢？
但仔细一想并不十分合适。首先，方便夹是塑料做的，不耐高温；其次，手拿着方便夹的一瑞垂直向上提起锅盖，手会被上升的水蒸气烫伤。用怎样的结构和材科才合适呢？
我试着用木板、铁片、竹于制作，效果都不理想，且不易加工，制作难度大。考虑了许久，我先用细铁丝做出几种不同的结构，经过多次改进，最后改用不锈钢丝代替细铁丝，并确定为如图1-70的结构:前瑞( 锅盖组的卡口)呈弯曲上翘的V形，如同张开的两只手指；后端是不锈钢把手。在试用中又对以下几方面进行了改进:
V形卡口的大小、弧度、深浅要根据锅盖钮的大小进行调整；
把手的宽窄、长短要合话，用起来要方便。
不锈钢把手传热快，需用塑料扁电线将把手缠绕起来以便隔热。至此，发明就完成了(图1-71、图1-72）。
以上是一名中学生的发明过程，本设计获得国家专利和全国首届中小学劳动技术创新作品邀请赛银奖、全国第十三届发明展览会铜奖。这名同学的发明故事告诉我们:结构设计与发明并不神秘，我们要有创新意识，在日常生活中多观察、多思考、多动手:在设计与实践中善于发现向题和解决问题，不怕困难和失败，经过不懈的努力才能成功。
实践
以小组为单位，通过结构设计实战活动，进一步掌握前面所学的内容。要求形成设计方案，绘制简单的设计图纸，做出模型，并写出设计和制作报告。
设计1 模型桥的结构设计
设计及制作目标
（1）用木条制作桥梁模型，结内形式不限。要求结构也设计合理，造型美观。
（2）在跨度不小于30cm的前提下，桥长不限；要求桥孔高度不低于15cm，桥面宽度不小于8cm，承重物的质量不小于500g，承重时同15s以上。
（3）在满足目标及要求的前提下，荷载的质量与桥自身质量的比例越大越好。
材料与连接方式
模型利料以木条为主，粗绳、细绳为辅，连接方式不限。
模型
恢型是根据实物、设计图纸，按比例制成的与实物相似的一种物体。它可以用来检验设计思路，对设计进行修改，有助于更多地了解与模型相似的实物，将会遇到什么情况和出现什么问题，因此模型在设计计程中也被广泛采用。
制订设计方案
收集和整理信息
在设计模型桥之前，先收集一些桥梁的资料，分析这些桥梁的结构类型后再进行设计。
发现问题
桥面受到压力时会弯曲变形，如果把作用在桥面上的力传递到其他地方，就可以避免桥面过分弯曲变形。
桥梁结构类型的选择
了解以下各种桥梁结构（图1-13至图1-6）（参见教材P30）的特点，并进行简单的受力分析。不同类型的桥具有不同的结构，但是总的设计目的都是一样的——防止桥过度弯曲变形。
部分桥梁结构类型
钢索斜拉桥 : 桥上的钢索直接承载桥面的荷载，并将这一荷载传导至塔架和桥墩。
悬索桥:桥面通过吊缆系于粗悬索上，悬索末端固定于堤岸，悬索将荷载传导至系悬索的塔架。
讨论
1.桥梁为什么会做成以上的结构形式
2.小组合作，初步形成设计方案，并说明原因。
3.怎祥使桥梁模型的自重轻且承载力大。
综合小组成员的意见，形成本小组的设计方案。
绘制设计图
将桥梁结构设计绘制成图纸。桥的图纸包括:模型草图、主视图、侧视图、俯视图、构件图，组装图。
草图
用工程草图和模型表达思想是工程设计中的重要组成部分。
草图通常可以很好地反映产品的外观，是一种表达创意的方式，它能把设计思路变成一种可以与别人交流的直观形式。图形在表达物体的尺寸、形状及功能方面甚至比语言更有效。
2.制作模型桥
挑选木板，将木板按照构件图尺寸要求进行锯割、打磨和切削；
制作桥的各部分构件；
将构件组合成桥身。
3.检测、优化和改进设计
（1）对模型桥进行承载试验。请同学们自行设计检测模型桥的试验方案和评定标准，以便按照同一标准对模型桥进行评定。
（2）基于检测和评价的结果，对设计方案进行优化和改进。
提示
桥梁设计优化主要考虑减少桥面的弯曲变形程成和尽量减轻桥自身的质量。
4.交流与评价
(1)将每组设计和制作的模型桥放在一起，参考表1-7对各组设计的模型桥进行评价。可接优秀、良好、合格、待改进四个等级来评分，分别用4分、3分、2分、1分来表示（表格中的栏目可自行增减）。
表1-7 各组模型桥评价
项目 模型桥1 模型桥2 模型桥3 模型桥4 ……
桥孔跨度/ cm
桥孔高度/ cm
承重/ kg
桥体自身质量/ kg
连接方式
承重物的质量/ kg
强度和稳定性
造型美观
（2）比较各模型桥的评价，列出它们的优点和不足，并提出改进建议（表1-8）。
表1-8 各组模型桥优块点评价
模型桥 优点 缺点 进建议
模型桥1
模型桥2
模型桥3
模型桥4
设设计2 一个悬挂重物的结构设计
设计及制作目标
设计一个悬挂重物的结构，并制作一个纸质模型，使其达到以下要求:
(1)至少能悬挂质量为100g的重物，所悬挂的重物质量越大越好。
(2)悬挂物的底面距离支撑面越远越好。
(3)纸质模型所使用的材料越轻越好。
(4)该结构能支撑悬挂物至少保持15s，保持时间越长越好。
制作材料
废旧报纸、砝码、剪刀、直尺、双面胶等。
设计思路
观察公园里的秋千，制作有一个支架和一个水平横轴的结构。什么样的结构才能便支架稳定、承载力强，水平横轴不易弯析 怎祥才能便柔软的纸变硬呢
用纸设计制作一个基挂结构，可从以下四个方面考虑:
(1)与结构重心的位置有关，重心越高，稳定性越差，反之，稳定性越好。
(2)与结构支撑面面积有关，底部支撑面面积越大，其结构就越稳定。设计时一般选择上小下大的结构，这种结构整体的重心低，结构稳定。
(3)与支撑跨度有关，纸质水平横轴上的两支撑点距离越远，能承受的压力也越小。
( 4)与纸质水平横轴的制作方法和形大有关，纸越厚其牢固性越强，承受力也越大。
设计3 自选内容的结构设计
设计及制作目标
根据本章前几节给出的椅子、A形铝梯、三脚架等结构，结合生活中的实际需求，发挥自己的想象或通过调研等，设计自己认为有用的产品。
要求
(1)每个小组制订两个以上的方案，并比较和权衡，确定最满意的方案。
(2)提交设计报告和设计草图，最好画出模型或原型。
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.下面有关桥梁结构设计的说法正确吗？试分析原因。
(1)不同的桥梁结构，其设计的目的都是要防止矫正过度弯曲变形。
(2)在设计桥梁时，为了使桥梁稳固可以尽量增加桥自身的质量。
2.对于可称动的篮球架，为了保证打球人员的安全，需要增强移动篮球架的稳定性，有效的方法是什么 并说明原因。
3.质量合格的安全帽，能够有效地保护人的头部。请同学们观察安全帽，讨论分析：
(1)安全帽是什么结构
(2)安全帽受到撞击时，其受力有什么特点 它是怎样对人的头部起到保护作用的 从安全帽侧面撞击时，安全帽能起到保护头部的作用吗 为什么
(3)如果安全帽内不用帽箍，而是改垫一块海绵，该安全帽能起到保护头部的作用吗 为什么
(4)每个人的头形和头的人小都不同，如何选购适合自己的安全帽？

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