资源简介

《结构的稳定性》试验课教学设计
一、使用教材
广东科技出版社通用技术《技术与设计 2》第一章第二节 1 课时
二、试验器材
利用废弃摄影三角架、滑动变阻器上废弃杆件等自制
的试验器材，学生做的家具。
1、支撑杆上固定刻度板
2、摆锤
3、立柱
4、两个不同质量的铁块
5、三角架
6、电子弹簧称
7、学生制作的不同形状的换鞋凳等
三、试验设计思路和创新点
教材上对影响结构稳定性的因素（几何形状， 重心位置， 支撑面面积） 的试验案例
是以生活中 A 型梯、装了液体的 3 个瓶子、台灯和椅子等展示，但存在一些不足：
1、纯感官上的定性分析。
2、变量较多，不能厘清决定性的影响因素（如书上用三个瓶子试验时， 自重忽略，
但桥、隧道、房屋等工程建设中，自重是不能忽略的荷载之一）。
3、只是定性观察无法定量探究，不利培养学生的技术意识和工程思维等核心素养。
4、没有试验教具，不利师生创新设计思维的培养。
基于以上不足，我们进行了创新设计：
1、探究重心位置、支撑面面积影响结构稳定性时，我们用自制的教学器具，采用
控制变量法（唯一变量），运用对比试验，结合物理学从本质上进行了定量探究。
2、通过对照试验，荷载对三角形支撑脚、加了横档的三角形支撑脚；四边形及加
了横档的四边形的稳定性对照，试验效果明显，形象直观便于观察。
3、把学生制作的作品拿来试验，学生对知识的理解更深刻。
四、试验原理
(
▲
G
L
2
)1、几何形状对结构稳定性有影响
通过对结构以水平荷载， 看结构整体是否位移、倾倒或构件本身是否发生屈曲或位
移。
对照试验：
（1）三角架结构加荷载，观察稳定性。
（2）三角架结构加横档后，加荷载，观察稳定性。
（3）四边形加荷载，观察稳定性。
（4）四边形加斜拉杆后，加荷载，观察稳定性。
2、重心位置对结构稳定性有影响（重心越高越不稳定，越低越稳定）
对比试验：质量不变的情况下，改变重心位置，对立柱撞击，记录立柱倾倒
时摆锤抬起的角度（角度越大，能量越大）。
F
学生课前小组探究失败原因：
(
L1
)他们用拉力来试验，发现重心位置变化时，拉力的数据却不变，原因是：拉 力的力矩：F*L1，重力的力矩：G*L2，重力的力矩不变，L1 不变，不管铁块在什
么位置，拉动物体的瞬间，F 的大小相等。
因此，结合物理知识，我改进后的试验装置采用能量撞击方式。
3、支撑面面积对结构稳定性有影响（支撑面面积越大，越稳定，越小越不稳定）
对比试验， 在重心位置不变的情况下， 改变支撑面面积大小， 三角形结构的教具被
拉起时，比较水平方向的拉力。
4、判定结构稳定的依据和条件：结构重心所在的垂线落在支撑面内。
对不同结构的物体， 施加水平拉力， 观察物体倾倒时重心垂线与支撑面的位置关系。
五、教学背景
1、教材分析
《探究影响结构稳定性的因素》这节课是在学习了第一节内容“认识结构， 结构与 力 ”后，进入了探究结构的合理、安全、稳固的本质原因，它是本章的核心内容之一，
为学生学习结构设计打下基础。
2、试验课标分析
课程标准指出： “科学探究，旨在将学习重心从过分强调知识的传承和积累向知识 的探究过程转化， 从学生被动接受知识向主动获取知识转化， 从而培养学生的科学探究
能力、实事求是的科学态度和勇于创新的探究精神。”因此，引导学生通过对比数据的
量化试验加深对结构稳定性的定性的理解特别重要。
3、学情分析
（1）通过对《技术与设计 1》的学习，学生已经了解了设计的原则、过程、方法， 并通过大单元教学和大项目实践， 制作了换鞋凳、鲁班锁、空中花园设计施工等， 在实 践中积累了经验也遇到很多设计中的问题。同学们普遍反映欠缺“结构稳定性 ”的系统
知识，需要从理论上提升。
（2）高二学生已经具备一定的试验观察能力、分析能力和试验探究能力，在教学 中自制教具、增设试验将课本上的知识真正展现在学生眼前，让学生易于理解和接受， 同时也能培养学生的试验观察能力和科学探究能力， 强调学生的成功体验。在即将学习 的《技术与设计 2》有一个桥梁模型的设计制作，因此这一节的探究试验课非常及时和
有必要。
六、试验教学目标
1、技术意识：明确影响结构稳定性的要素，几何形状、重心位置、支撑面积，并 使重心垂线落在支撑面内。形成结构稳定性的基本概念， 学会从结构稳定性的定性定量
相结合的角度分析事物，了解探究结构稳定性对人类技术发展的重要性。
2、创新设计：探究结构的过程中，设计具有不同影响因素的试验装置，引导学生
了解要解决某一特定问题要解决的主要技术问题。
3、工程思维：对一般结构的稳定性进行多因素分析试验，由点及面，培养应用技
术试验分析问题的能力，使学生形成初步的工程思维。
4、图样表达：在试验过程中，结合日常生活情境，引导学生运用简单的草图，立
体图、三视图进行表达与交流设计构想。
培养学生善于观察、勇于实践、认真分析的技术试验品质。
七、试验教学过程
1、图片导入，激发思考，引入试验探究：
结构的稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有平衡形式的能力。
荷载一般指结构自重或对结构或构件产生变形的外力。
年 月 日无锡一高架桥桥面侧翻
比萨斜塔
影响结构稳定性的主要因素有哪些？今天， 我们通过五个试验， 来探究影响结构稳
定性的因素主要有哪些。
2、试验探究过程：
试验一：探究结构稳定性与几何形状的关系（定性试验）
分组试验（四人为一组，记录、分析试验现象，尝试得出结论）
试验器材：利用废弃摄像三脚架制作的三角结构；四边形结构；学生制作的不同形
状的换鞋凳；横杆、铁块等
定性研究，对三角形结构和四边形结构进行加载对比测试
（1）三角形结构进行垂直加载对比测试
步骤：
1）三角架（无横档），垂直放置铁块，观察稳定性现象。
2）三角架（加横档），垂直放置铁块，观察稳定性现象。
试验现象记录，如下表 1：
结构形状 稳定情况、滑动情况
三角架（无横档）
三角架（加横档）
（2）四边形结构进行垂直加载对比测试
步骤：
1）拿出四边形结构，在上方放置铁块，观察稳定性现象
2）在四边形结构上加斜拉索， 在上方放置同 1）中相同质量的铁块， 观察稳定性现
象。
结构形状 稳定情况、变形情况
四边形
四边形（加斜拉索）
（3） 同学们制作的不同形状的换鞋凳垂直加载对比试验
结构形状 稳定情况、倾倒情况
三角形
星形
四边形
船形
试验现象定性分析及结论：
几何形状影响结构的稳定性，三边确定的三角形最稳定。
课后探究任务：运用数学几何知识证明三角形与其它平面几何图形相比更加稳定。
试验二：探究结构稳定性与重心位置的关系（定量试验）
介绍自制设备：刻有角度的半圆亚克力板，固定架，摆锤，能调整重心高度的立柱
等。
有三个创新点：1、只有一个变量：重心位置；2、能定量探究；3、结合物理知识，
采用能量撞击。
步骤：
1）摆放好自制设备，调整好高度
2）铁块位置高， 抬起摆锤， 初速度为零放下， 记下立柱倾倒时， 摆锤抬起临界角度。 3）铁块位置中， 抬起摆锤， 初速度为零放下， 记下立柱倾倒时， 摆锤抬起临界角度。 4）铁块位置低， 抬起摆锤， 初速度为零放下， 记下立柱倾倒时， 摆锤抬起临界角度。
试验数据记录如下表 3：
铁块位置 （1.125KG） 立柱倾倒时，摆锤抬起临界角度 （单位：度）
H1（高）
H2（中）
H3（低）
试验现象分析及结论：结构质量一定时，重心位置越高，结构倾倒时的摆锤抬起的
角度越小，能量越小；重心位置越低，结构倾倒时的摆锤抬起的角度越大，能量越大。
重心位置影响结构的稳定性，重心越低，结构越稳定。
试验三：探究结构稳定性与支撑面面积大小的关系（定量试验）
支撑面：连接物体所有支撑点的平面。
试验器材：带有重锤的三角架， 一块刻有尺寸的亚克力板， 底边边长、高度均确定，
电子测力器等。
定量研究， 质量不变， 重心位置不变， 变量为支撑面面积， 记录支撑面面积变化时，
拉起三角架至一只脚抬起时的水平拉力。
步骤：
1）放置好试验器材，固定两只脚，底边边长确定，为 40 厘米。
2）将第三只脚移到高度为 40 厘米线处， 水平拉起第三只脚， 记下电子测力器的数
值。
3）将第三只脚移到高度为 30 厘米线处，此时，减小支撑面积时重心位置提高了，
因此要降低重心高度与 2 中相同，水平拉起第三只脚，记下电子测力器的数值。
4）将第三只脚移到高度为 20 厘米线处， 降低重心高度与 2 中相同， 水平拉起第三
只脚，记下电子测力器的数值。
试验数据记录如下表 4：
底边长 （厘米） 高 （厘米） 支撑面面积 （平方厘米） 一只脚刚抬离台面时的水平 拉力（kg）
40 40 800
40 30 600
40 20 400
试验现象分析及结论：支撑面积越大，三角形结构一只脚抬起时水平加载所用的力
越大。支撑面积越小，三角形结构一只脚抬起时水平加载所用的力越小。
支撑面面积影响结构的稳定性，支撑面面积越大，结构越稳定。
试验四：探究结构稳定性（这里指倾倒）的依据和条件（定性试验）
试验器材：带有重锤的三角架，四边形等
定性研究，观察当结构即将倾倒时，重心所在的垂线投影位置。
步骤：
1）挂重锤的三角形结构，拉动三角架至即将倾倒时，观察重心所在的垂线投影位
置
2）四边形，拉动至即将倾倒时，观察重心所在的垂线投影位置
3）支撑面面积不断变化时，三角架至即将倾倒时，重心所在的垂线投影位置
试验现象记录如下表 5
试验对象及方法 刚倾倒时，垂线在支撑面上投 影位置
不断减小三角架的支撑面 面积
水平推动四边形结构
试验现象分析及结论：前面试验过的涉及稳定性要素的再次试验后，观察到，不管
什么情况，只要重心所在的垂线超出支撑面边，即倾倒。
结构稳定的依据和条件：重心所在的垂线落在支撑面内。
拓展思考：结构不仅仅只受重力，还可能受其它外力，因此，“重心所在的垂线 ”
可以拓展为“合外力所在的线 ”。
课后拓展思考：为何大坝的横截面一般是梯形？
F
(
~~~~~~
~~~~~~
)G
F 合
拓展性试验：探究结构稳定性与质量的关系（定量试验）
在试验 2 的基础上，把铁块换成质量大的，与试验 2 进行对比试验。
步骤：
1）摆放好自制设备，调整好高度
2）铁块位置高，抬起摆锤，初速度为零放下，记下抬起角度及结构倾倒状态。 3）铁块位置中，抬起摆锤，初速度为零放下，记下抬起角度及结构倾倒状态。 4）铁块位置低，抬起摆锤 ，初速度为零放下，记下抬起角度及结构倾倒状态。
试验数据记录如下表 6：
铁块位置 立柱倾倒时，摆锤抬起临界 角度（单位：度） （铁块 1.125KG） 立柱倾倒时，摆锤抬起临 界角度（单位：度） （铁块 1.725KG）
H1（高）
H2（中）
H3（低）
试验现象分析及结论：
在相同位置时，质量越大的铁块，在倾倒时，摆锤抬起角度越大。
质量影响结构稳定性，质量越大，结构稳定性越好。
3、试验总结
影响结构稳定性的因素有：几何形状，重心位置，支撑面面积大小、质量等，结构
稳定的依据和条件：重心所在的垂线（合外力所在的线）落在支撑面内。
4、试验反思
同学们课前试验， 发现书上用三个瓶子试验重心位置对结构稳定性的影响， 不太严 谨， 他们改进试验装置， 一开始有同学用电吹风吹， 后来用电子测力计拉， 发现数据不 符合常理， 后来师生一起探究， 找到电子测力计拉不符合常理的根本原因。整个试验过
程是师生一起探索、学习的过程。
1）同学们明白了生活中司空见惯的结构蕴含了科学道理，我们不能经验主义地想
当然。
2）试验数据直观明了，通过定量试验，培养了学生的工程思维、技术意识、分析
探究的科学试验能力。
3）通过探究试验，激发了师生对教具的创新设计和发。
4）学科知识综合运用，理解了数学、物理学科的重要性。
师生思考：能否做一个能涵盖 5 个试验的装置？能否用震动仪代替摆锤？
八、试验效果评价
本节试验课， 我们设计一系列试验， 从结构的几何形态、重心位置、支撑面积三个 方面验证了结构稳定性的三个影响要素及结构稳定的依据和条件：重心所在的垂线落在 支撑面内。定性定量相结合；对比试验效果直观明显，让学生对知识的理解由感官上的 定性分析， 到直观、形象的定性与定量相结合。本节课激发了学生的学习兴趣， 通过试
验，培养了学生的科学工程思维、技术意识、分析试验能力。
《探究影响结构稳定性的因素》技术试验报告参考模板
班级： 小组成员
试验一：探究结构稳定性与几何形状的关系（定性试验）
1、三角形、四边形结构进行垂直加载对比测试
步骤：
1）三角架（无横档），垂直放置铁块，观察稳定性现象。
2）三角架（加横档），垂直放置铁块，观察稳定性现象。
试验现象记录，如下表 1：
结构形状 稳定情况、滑动情况
三角架（未加横档）
三角架（加横档）
步骤：
1）拿出四边形结构，在上方放置铁块，观察稳定性现象
2）在四边形结构上加横档， 在上方放置同 1）中相同质量的铁块， 观察稳定性现象。
试验现象记录如下表 2：
结构形状 稳定情况、变形情况
四边形（未加斜索）
四边形（加斜索）
2、不同形状的换鞋凳进行垂直荷载对比测试
试验现象分析及结论：
试验二：探究结构稳定性与重心位置的关系（定量试验）
步骤：
1、摆放好自制设备，调整好高度
2、铁块位置高， 抬起摆锤， 初速度为零放下， 记下结构倾倒时， 摆锤抬起临界角度。 3、铁块位置中， 抬起摆锤， 初速度为零放下， 记下结构倾倒时， 摆锤抬起临界角度。 4、铁块位置低， 抬起摆锤， 初速度为零放下， 记下结构倾倒时， 摆锤抬起临界角度。
试验现象记录如下表 3：
重心位置 结构倾倒时，摆锤抬起临界角度
H1（高）
H2（中）
H3（低）
试验现象分析及结论：
试验三：探究结构稳定性与支撑面面积大小的关系（定量试验）
支撑面：连接物体所有支撑点的平面。
步骤：
1、放置好试验器材，固定两只脚，底边边长确定，为 40 厘米。
2、将第三只脚移到高度为 40 厘米线处， 水平拉起第三只脚， 记下电子测力器的数
值。
3、将第三只脚移到高度为 30 厘米线处，此时，减小支撑面积时重心位置提高了，
因此要降低重心高度与 2 中相同，水平拉起第三只脚，记下电子测力器的数值。
4、将第三只脚移到高度为 20 厘米线处， 降低重心高度与 2 中相同， 水平拉起第三
只脚，记下电子测力器的数值。
试验数据记录如下表 4：
底边长 （厘米） 高 （厘米） 支撑面面积 （平方厘米） 一只脚刚抬离台面时的水平 拉力（kg）
40 40
40 30
40 25
试验现象分析及结论：
试验四：探究结构稳定的依据和条件（定性试验）
我们反向做试验，找出结构倾倒时的条件。
步骤：
1、挂重锤的三角形结构，不断减小支撑面面积时，三角架至即将倾倒时，观察重
心所在的垂线投影位置
2、四边形，水平推动至即将倾倒时，观察重心所在的垂线投影位置
试验现象记录如下表 5
试验对象及方法 刚倾倒时，垂线在支撑面上投影位置
不断减小挂重锤的三角架的 支撑面面积
水平推动四边形
试验现象分析及结论：
拓展性试验：探究结构稳定性与质量的关系（定量试验）
在试验 2 的基础上，把铁块换成质量大的，与试验 2 进行对比试验。
步骤：
1、摆放好自制设备，调整好高度。
2、铁块位置高，抬起摆锤，初速度为零放下，记下抬起角度及结构倾倒状态。 3、铁块位置中，抬起摆锤，初速度为零放下，记下抬起角度及结构倾倒状态。 4、铁块位置低，抬起摆锤 ，初速度为零放下，记下抬起角度及结构倾倒状态。
试验数据记录如下表 6：
铁块位置 立柱倾倒时，摆锤抬起 临界角度（单位：度） （1.125KG） 立柱倾倒时，摆锤抬起 临界角度（单位：度） （1.725KG）
H1(高)
H2（中）
H3（低）
试验现象分析及结论：
结构稳定的依据和条件是：

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