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《5.1 建筑结构与功能》教学设计
课程名称 5.1 建筑结构与功能 课程类型 新授课
教学目标 1.科学观念：理解结构的概念——组成事物的各个部分之间的有序搭配和空间排列，知道不同的事物往往具有不同的结构，不同的结构具有不同的功能；掌握建筑结构的三种基本类型——框架结构（刚性杆作梁和柱，如钱塘江大桥桁架梁桥）、壳体结构（层状薄板曲面，拱形曲面把力均匀分散，如国家大剧院）、实体结构（实心，力分布在整个实体上，如桥墩、基座、城墙）；理解构件、荷载、结构的受力与变形（拉伸、压缩、弯曲），以及结构稳定性（重心高低、支撑面大小）和强度（与形状、材料、连接方式有关）的概念。 2.科学思维：通过“结构—功能”的分析，建立结构与功能相适应的工程思维；通过三角形结构不易变形、四边形结构易变形的对比，理解三角形是最坚固稳定的结构，理解框架中加入支撑杆件构成三角形可增大强度的原理；通过横梁、跳板、桁架、石拱桥各处石块受力情况的分析，培养受力分析能力。 3.探究实践：能完成结构的受力与变形探索活动：用长 20cm、直径 2cm 的弹性橡胶棒作为构件，两手抓住两端向外拉伸（拉伸形变）、向内挤压（压缩形变）、两端支起后向下压中部（弯曲形变）；能完成长方形与三角形结构对比实验：四根短木棒钉成长方形结构，在一个角上施加作用力 F，长方形很容易变成平行四边形；三根短木棒钉成三角形结构，施加作用力 F 后结构保持不变。 4.态度责任：通过钱塘江大桥（我国自行设计建造的第一座铁路、公路两用双层桥）、国家大剧院、“水立方”（半透明膜重量仅为同尺寸玻璃的百分之一，约 20% 的太阳能被用来提高泳池和室内温度）、蜂窝结构对航天器的启示等实例，体会结构设计中的智慧与创新，增强民族自豪感和工程探究兴趣。
教学重难点 （一）教学重点： 1.建筑结构的三种基本类型（框架结构、壳体结构、实体结构）及其特点。 2.结构的受力与变形（拉伸、压缩、弯曲）；三角形的稳定性与结构强度。 （二）教学难点： 分析具体构件（横梁、跳板、桁架杆件、拱桥石块）的受力与形变情况；理解结构稳定性（重心、支撑面）与强度（形状、材料、连接方式）的影响因素。
教学过程 【环节一】情景导入 展示情境：建筑都有结构，如房屋的结构、桥梁的结构、塔的结构等。建筑结构展示了人类的智慧和创造力，带来了美的享受。提出问题：建筑结构有什么特点？这样的结构对其功能的实现有什么独特的价值？由此导入本课学习。 【环节二】新知探究 一、建筑结构及其分类 （1）核心知识点： 结构：结构是指组成事物的各个部分之间的有序搭配和空间排列。结构普遍存在于自然界和人类创造的各种事物中，不同的事物往往具有不同的结构，不同的结构具有不同的功能。 框架结构：以刚性的杆作为梁和柱组成的结构。刚性的杆按一定的规则在空间排布，支撑空间而不充满空间，共同承受所受的力。我国自行设计和建造的第一座铁路、公路两用双层桥——钱塘江大桥，是典型的框架结构桁架梁桥。框架结构的种类很多，广泛应用于房屋建造、桥梁工程、航空工业等，使用的材料可以是木材、金属、塑料等。 壳体结构：层状的结构，由若干块薄板组成，薄板做成具有曲面轮廓的外形，看起来造型轻巧而优雅。在壳体结构中，其拱形曲面可以把受到的力均匀分散在结构体的各个部分，这种结构能承受较大的力，使结构更加坚固。壳体结构建筑有许多优点，如用料少、跨度大、坚固耐用等。国家大剧院就是采用壳体结构屋顶，大大减轻了屋顶所受的力，减少了场地中间的立柱数量。 实体结构：结构体本身是实心的结构，利用自身来承受力，承受的力分布在整个实体上。桥墩、房屋的基座、雕塑的基座、城墙等都属于实体结构。建筑物的基座通常由石头、混凝土等材料做成实心的结构，承担基座上方的建筑物所受的重力。 构件与荷载：建筑都有它特定的架构形态。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。建筑是由建筑材料按一定规则组成的受力结构体系，各个部分（如梁、柱等）相互联结成为一个整体，起着承受外力（又称荷载）的作用，并将其传递到基座。 （2）学生活动：判断自行车车架（框架结构）、安全帽（壳体结构）、堤坝（实体结构）等实例的结构类型。 （3）教师指导：用“杆＋梁柱、曲面薄板、实心”三个关键词帮助记忆三种结构类型。 二、结构的受力与变形 （1）核心知识点： 从受力的角度看，结构是指能够承受一定力的架构，它能通过形变来抵抗力的作用。用相同材料制作的形状不同的结构，或不同材料制作的形状相同的结构，能够承受力的大小是不同的。因此需要分析作用在结构上的力，以及结构能否承受这些力的作用，以确定结构的稳固性、可靠性。 探索活动：①取一根长 20cm、直径 2cm 的弹性橡胶棒，将橡胶棒当作结构的构件；②用两手抓住橡胶棒两端，用力向外拉伸，观察橡胶棒因受拉而产生的形变；③用力向内挤压，观察因受压而产生的形变；④将橡胶棒两端支起来，中间悬空，用力向下压橡胶棒的中部，观察因中部受压力而产生的形变。 结论：当物体受到不同的力的作用时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变。通常情况下，结构的构件可能会同时受到多个力的作用，此时该构件会产生多种形式的形变。 横梁的受力：横梁呈水平放置，承受竖直方向建筑的力的作用。当横梁中部受到压力 F1 时，横梁的两端会受到支撑物对它的支持力 F2、F3 的作用，横梁发生弯曲，上部被压缩，下部被拉伸。 思考与讨论（跳板）：跳水跳板用弹性材料做成，一端固定，运动员站在另一端——跳板可看作是一端固定的悬臂梁结构。运动员对跳板自由端的压力使跳板发生弯曲，此时跳板上部的材料受到拉伸，下部的材料受到压缩。 三角形桁架结构：由杆件连接成三角形的一种空间结构。当三角形桁架上部受到力 F1 时，力 F1 会通过杆件传递给整个桁架，此时 B、C 杆件被压缩，A 杆件被拉伸。 弧形拱结构：当弧形拱受到向下的压力 F1 时，拱被压缩，拱的各部分相互挤压，压力 F1 被拱传递，对基座产生作用力，基座便产生竖直向上的支持力 F2、F3 和水平方向的力 F4、F5。 思考与讨论（石拱桥 A、B、C、D 四处石块的受力）：A 处主要承受桥面传来的竖直向下的荷载（行人、车辆的压力）以及自身重力；B 处除自身重力外，承接 A 处传递的压力，因拱结构特点，受力方向沿拱身斜向下；C 处承受 B 处传来的压力和自身重力，受力方向更趋于沿拱身指向基座；D 处受到 C 处传来的压力，同时基座提供反作用力，包括竖直向上和水平方向的力，用以平衡拱身荷载及水平推力。 （2）学生活动：完成橡胶棒三形变探索活动；画横梁、跳板受力示意图；分析石拱桥四处石块的受力并交流。 （3）教师指导：借助实物（橡胶棒、木条模型）演示形变，帮助学生建立“力→形变→传递”的直观认识。 三、建筑结构的功能 （1）核心知识点： 稳定性：结构在外力的作用下，维持其原有平衡状态的能力，叫作结构的稳定性。建筑物需要良好的结构稳定性。结构的重心高低和支撑面的大小对结构的稳定性有影响。例如，上海东方明珠电视塔建造的底座支撑面大、整体重心低。对建筑结构稳定性影响最小的因素是建筑装饰颜色。高层建筑设计中，对提高抗侧移稳定性最有效的措施是设置剪力墙或核心筒。 三角形的稳定性：探索活动——①把四根短木棒钉起来形成长方形结构，在一个角上施加作用力 F，长方形结构很容易变成平行四边形结构；②把三根短木棒钉起来形成三角形结构，在一个角上施加作用力 F，三角形结构保持不变。三角形是所有几何形状中最坚固稳定的结构，因此在生产和生活中得到广泛应用。 强度：结构的强度是指结构抵抗外力作用的能力。结构的强度与结构的形状、材料、连接方式等有密切的关系。三角形是框架结构中最基本的构造之一，人们在长方形或六边形等框架中通常加入支撑杆件，构成多个三角形，可以大大增加结构的强度，使结构能承受更大的荷载。 截面形状对承受力的影响：相同材料制成的框架构件，采用的截面不同（如工字形、口字形、环形、圆形等），其承受力的大小也不一样。工字形钢截面的好处：抗弯性能好、节省材料、稳定性高。 材料对承受力的影响：相同形状的不同材料制成的结构构件，其强度也不相同。混凝土具有较好的抗压性，但抗拉性比较差，在制作混凝土梁的时候通常在混凝土中加入钢筋，借助钢材的抗拉性提升梁的强度。国家游泳中心（“水立方”）用半透明膜覆盖，其重量仅为同尺寸玻璃的百分之一，如同一座隔热的温室，大约 20% 的太阳能被用来提高泳池和室内的温度，是“绿色、科技、人文”理念与建筑功能的高度融合。 科学阅读（蜂窝结构）：蜂窝由无数个大小相同的蜂房组成，蜂房都是六棱柱体，两个蜂房之间只隔着一堵蜂蜡制成的墙。这种结构非常精巧，用料也少，既适合蜜蜂近似圆柱形的身体，又提高了空间利用率。蜜蜂能建筑精巧的蜂窝是长时间进化的结果。蜂窝结构给了工程师们很大的启示：在设计强度高、用料少、还需隔音和隔热的工程结构时往往采用蜂窝结构，例如航天飞机、宇宙飞船等航天器的内部大量地采用了蜂窝结构。 （2）学生活动： 完成长方形与三角形结构对比实验，归纳三角形的稳定性。 画出工字形钢材的截面图并说明其优点；讨论混凝土中加钢筋、“水立方”选材的道理。 阅读蜂窝结构资料，说说仿生结构在工程中的应用。 （3）教师指导：用木条模型演示四边形加一根对角支撑杆即变稳定，直观呈现“三角形化”提高强度的思想。 【环节三】课堂小结 引导学生回顾本课核心内容： 什么是结构？建筑结构有哪三种基本类型？各有什么特点？ 构件的受力与变形有哪几种形式？ 什么是结构的稳定性和强度？影响它们的因素有哪些？ 学生梳理知识框架，教师总结强调“结构决定功能，形状、材料、连接方式决定强度”。 【环节四】作业设计 1.完成课件“小试牛刀”中的习题（判断框架结构；安全帽基于壳体结构；对稳定性影响最小的因素；提高抗侧移稳定性最有效的措施）。 2.观察身边的一座桥梁或一幢建筑，判断它主要采用的结构类型，找出其中的三角形结构或拱形结构，分析它们的功能，写一段观察记录。
板书设计 5.1 建筑结构与功能 一、结构：各部分之间的有序搭配和空间排列→结构决定功能 三种基本类型：框架（梁柱刚杆，钱塘江大桥）、壳体（曲面薄板，国家大剧院）、实体（实心受力，桥墩基座） 二、受力与变形：拉伸、压缩、弯曲（横梁：上压下拉；跳板＝悬臂梁） 拱：力沿拱身传向基座（F2、F3 竖直＋F4、F5 水平） 三、稳定性：重心低、支撑面大则稳（东方明珠） 四、强度：与形状、材料、连接方式有关 三角形最稳定→框架中加支撑杆；工字形截面抗弯省料；混凝土抗压＋钢筋抗拉 五、仿生：蜂窝结构→航天器（强度高、用料少、隔音隔热）
教学反思 1. 效果评估： （1）知识掌握：大部分学生能说出三种基本结构类型并判断常见实例，能归纳影响稳定性与强度的因素；但对“工字形截面抗弯”“拱结构力的传递方向”的理解仍需借助模型强化。 （2）实验操作：橡胶棒三形变实验和长方形/三角形对比实验操作简单、现象明显，学生参与度高，能有效支撑概念建构。 （3）思维培养：受力分析（横梁、跳板、桁架、拱桥）训练了学生的工程分析能力；“结构—功能”相适应的观念初步建立；蜂窝结构的仿生阅读激发了学生的创新意识。 （4）态度责任：钱塘江大桥、水立方等中国工程成就增强了学生的民族自豪感；观察建筑结构的作业引导学生在生活中运用所学知识。 2. 改进方向： （1）可提供更多木条、橡皮筋材料，让学生动手搭三角形与四边形框架并比较承重，增强体验。 （2）拱结构传力可配合拱桥模型的受压演示或动画，突破难点。 （3）可补充“结构失效”的案例（如桥梁坍塌）进行安全与规范教育。 （4）蜂窝结构与材料强度的关系可结合纸蜂窝板实物观察。
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