第一單元第三節(jié) 簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

第一單元 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)第三節(jié) 簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)章 節(jié)：第一單元 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)    第三節(jié) 簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)課    時(shí)：第一課時(shí)一、教學(xué)目標(biāo)1. 知識(shí)與技能目標(biāo)(1) 理解并鞏固結(jié)構(gòu)的涵義、結(jié)構(gòu)與力之間的關(guān)系。(2) 能熟練分析一個(gè)簡單結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮的主要因素。(3) 能夠?qū)埥Y(jié)構(gòu)實(shí)行合理的結(jié)構(gòu)分析，并設(shè)計(jì)一個(gè)簡單紙結(jié)構(gòu)。(4) 能制作一個(gè)簡單紙結(jié)構(gòu)模型。2. 過程與方法目標(biāo)(1) 設(shè)計(jì)過程中，能充分理解不同紙結(jié)構(gòu)承重性能的差異。(2) 在制作過程中，能夠?qū)τ绊懠埥Y(jié)構(gòu)的各個(gè)因素實(shí)行合理的分析與恰當(dāng)?shù)男拚?3) 能制作承重性較好的紙結(jié)構(gòu)，體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程。3. 情感態(tài)度和價(jià)值觀目標(biāo)(1) 形成和保持學(xué)生了解結(jié)構(gòu)，研究結(jié)構(gòu)的興趣與熱情。(2) 體驗(yàn)解決問題過程的艱辛和獲得成功的喜悅。(3) 理解技術(shù)的創(chuàng)造性特征，培養(yǎng)勇于創(chuàng)造的個(gè)性。二、教學(xué)重點(diǎn)完成簡單紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選擇合適的紙結(jié)構(gòu)形狀和連接方式搭建紙結(jié)構(gòu)模型。三、教學(xué)難點(diǎn)選擇合適的紙結(jié)構(gòu)和連接方式搭建紙橋結(jié)構(gòu)模型。四、教學(xué)方法教授、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、小組合作。五、設(shè)計(jì)思想1. 教材分析本節(jié)課是第一單元結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)第三節(jié)簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這節(jié)內(nèi)容有兩個(gè)方面要求：一是能夠?qū)λ龅慕Y(jié)構(gòu)實(shí)行簡單分析，熟悉設(shè)計(jì)一個(gè)簡單結(jié)構(gòu)所應(yīng)考慮的主要因素；二是實(shí)行一個(gè)簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，繪制設(shè)計(jì)圖并制作模型或原型。分析教材本單元的前后章節(jié)常見結(jié)構(gòu)的理解、穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的探析，這些章節(jié)中涉及到結(jié)構(gòu)與力、結(jié)構(gòu)的類型、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等知識(shí)點(diǎn)與本節(jié)課有很強(qiáng)的延續(xù)性，所以本節(jié)課重點(diǎn)應(yīng)放在如何在設(shè)計(jì)簡單結(jié)構(gòu)的過程中，結(jié)合這些知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，設(shè)計(jì)出既符合要求又各具特點(diǎn)的簡單結(jié)構(gòu)。2. 設(shè)計(jì)理念簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于這個(gè)簡單結(jié)構(gòu)“載體”的選擇。按照教材上的要求選擇簡易相框的制作，在實(shí)際教學(xué)中很難吸引學(xué)生的興趣。所以必須另選一個(gè)新的“載體”來制作簡單結(jié)構(gòu)，才能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)他們對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的興趣。因?yàn)槭墙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以我很自然就會(huì)考慮到結(jié)構(gòu)的承重，考慮到成本和制作的難易水準(zhǔn)，我決定選擇紙材料，設(shè)計(jì)能承受一定重量的紙結(jié)構(gòu)，放棄木塊等其他材料的結(jié)構(gòu)制作。紙張本身很柔弱，但是用紙張做出來的紙結(jié)構(gòu)卻能承載一定的重量，這充分說明了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之功效，而且也能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與力的關(guān)系。同時(shí)我要學(xué)生明白，高中同學(xué)制作紙結(jié)構(gòu)要實(shí)行一定的研究，怎么樣才能讓我們?cè)O(shè)計(jì)的紙結(jié)構(gòu)用紙量少、承載重量高；怎么樣才能設(shè)計(jì)出承載比高的紙結(jié)構(gòu)。為此，我們確定了紙結(jié)構(gòu)制作的設(shè)計(jì)要求：制作梁式結(jié)構(gòu)的紙板，整個(gè)紙結(jié)構(gòu)必須全部使用普通A4（或16K）紙，最終設(shè)計(jì)出的紙結(jié)構(gòu)用紙量應(yīng)在3張以內(nèi)。紙結(jié)構(gòu)的連接只允許使用普通的膠水或雙面膠（膠水只能起到輔助連接，不可用來承重，所以不可使用乳膠等）。紙結(jié)構(gòu)在主要受力面內(nèi)應(yīng)滿足幾何不變性，跨度要求15cm以上，寬度7cm以上，放置在2塊等高的木塊上，最低承重要求為一灌滿沙的沙盒（豎直放置于紙板中央保持穩(wěn)定狀態(tài)，每個(gè)沙盒重約600g），在此基礎(chǔ)上承載比越高越好（可做破壞性試驗(yàn)，看壓多少塊沙盒把紙板壓垮）。同時(shí)考慮到這堂課為紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一節(jié)課，在讓學(xué)生大致了解紙結(jié)構(gòu)制作過程的同時(shí)，讓學(xué)生摸索掌握制作紙結(jié)構(gòu)的技巧，為后面學(xué)生制作紙橋等其他紙結(jié)構(gòu)作好相對(duì)應(yīng)準(zhǔn)備。3. 教學(xué)策略設(shè)計(jì)紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求并非這節(jié)課才提出，而是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一節(jié)課就已經(jīng)提出，這樣就能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)前面知識(shí)的同時(shí)實(shí)行思考，本節(jié)課則是對(duì)紙橋制作實(shí)行具體指導(dǎo)。(1)首先對(duì)紙張的性質(zhì)實(shí)行相對(duì)應(yīng)分析，讓學(xué)生掌握紙張的特點(diǎn)抗拉性能強(qiáng)、抗壓性能弱。(2)由紙張的特點(diǎn)引出紙結(jié)構(gòu)要承重就必須揚(yáng)長避短，設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)提升抗壓性能，才能承受一定的重量。不同結(jié)構(gòu)的承重水平不同，追求的目標(biāo)是紙結(jié)構(gòu)的承載比應(yīng)該盡可能大。(3)紙結(jié)構(gòu)形狀的選擇很重要，不同結(jié)構(gòu)的紙結(jié)構(gòu)抗壓性能不同，引導(dǎo)學(xué)生自己探討選擇合適的形狀。(4)紙結(jié)構(gòu)的組合連接方式有多種，好的組合連接能夠有效提升紙板整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)合適的組合連接方式。(5)學(xué)生自主設(shè)計(jì)承重紙板，分成小組討論后形成小組方案。(6)小組制作紙板。(7)教師即時(shí)介入，通過對(duì)比介紹部分小組的作品，引導(dǎo)學(xué)生反思對(duì)自己的設(shè)計(jì)實(shí)行相對(duì)應(yīng)調(diào)整。(8)在學(xué)生完成作品之后實(shí)行作品的簡單測(cè)評(píng)，即選擇部分小組作品對(duì)其實(shí)行承重測(cè)試，對(duì)于測(cè)試的結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生思考如何調(diào)整修改原有設(shè)計(jì)。(9)教師指導(dǎo)學(xué)生思考，紙結(jié)構(gòu)還能有什么應(yīng)用，怎么設(shè)計(jì)？（為后續(xù)紙橋制作作準(zhǔn)備）4. 學(xué)情分析高中階段的學(xué)生有一定的物理力學(xué)知識(shí)和動(dòng)手實(shí)踐的基礎(chǔ)，制作紙結(jié)構(gòu)完成情況應(yīng)該普遍較好。但是因?yàn)槭堑谝淮谓佑|紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，很多很好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往在制作過程中會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)與制作的脫節(jié)而“流產(chǎn)”。但是不斷地修正設(shè)計(jì)動(dòng)手制作的過程本身就是一個(gè)良好的創(chuàng)新實(shí)踐過程，在這個(gè)過程中每個(gè)用心的學(xué)生都能體會(huì)到自己設(shè)計(jì)的樂趣。限于學(xué)生對(duì)紙結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的不同、掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平能力的不同，學(xué)生們最終制作出的紙橋完成設(shè)計(jì)要求的結(jié)果差異性也很大。動(dòng)手能力強(qiáng)、思維靈活的同學(xué)更容易設(shè)計(jì)出承載比較高的作品，這樣可以讓他們把自己成功的經(jīng)驗(yàn)向其他同學(xué)們分享。動(dòng)手能力較弱、思維比較遲緩的同學(xué)可能更多地體驗(yàn)解決問題過程的艱辛，這個(gè)過程同樣是一份可貴的經(jīng)驗(yàn)，而且他們對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理解尤為深刻。六、教學(xué)準(zhǔn)備1. 教學(xué)資源的準(zhǔn)備多媒體教學(xué)設(shè)備、通用技術(shù)專用教室、教學(xué)課件PPT、各類工具、普通A4紙張、膠水等。2. 教學(xué)課件的準(zhǔn)備教學(xué)課件比較簡潔，多以直觀的圖片來說明，抓住關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，突出中心。七、教學(xué)過程1. 提出問題（圖片介紹兩個(gè)事例：（1） 一把紙結(jié)構(gòu)制作的椅子上能坐人。（2） 一位日本設(shè)計(jì)師在法國用7.5噸紙?jiān)炝艘蛔垬颍芡瑫r(shí)站立20人。引入新課。)老師提問：平常你所了解紙張的特性是什么？（柔弱）為什么柔弱的紙張搭成的紙椅、紙橋能承受這么重的重量？（由學(xué)生回答中引出）因?yàn)榧堃?、紙橋的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能承受這樣的重量。我們?nèi)绾蝸碓O(shè)計(jì)能承受一定重量的紙結(jié)構(gòu)？老師：我們來具體研究一下紙張的特性。（板書+課件）對(duì)于架在兩個(gè)橋墩上的紙板，當(dāng)中間放一個(gè)重物比如砝碼，它受到砝碼向下的壓力以外，還受到兩橋墩向上的支持力。綜合作用下橋面會(huì)發(fā)生彎曲形變，并產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。在彎曲的過程中，紙橋的上表面處于彎曲的內(nèi)層，受到向內(nèi)的擠壓力；紙橋的下表面處于彎曲的外層，受到向外的拉力(如圖)；紙橋的兩個(gè)側(cè)面由于上下受力方向不同，必然會(huì)彎曲。（引出結(jié)論）紙本身具有較強(qiáng)的抗拉能力，但抵抗壓力能力很弱。也就是說，在紙板承受砝碼重力的時(shí)候，首先被破壞而出現(xiàn)折痕的是受到擠壓力的上表面，這是我們最不愿意看到的。因此，要想紙橋能夠承受一定的重量，設(shè)計(jì)合理的承重結(jié)構(gòu)，就必須揚(yáng)長避短，提高紙張的抗壓能力，發(fā)揮紙張的抗拉能力，如何做到這一點(diǎn)呢?2. 理論探究老師：在日常生活中，紙張的拉力表現(xiàn)得非常驚人。用紙張的一端掛上重物（可用兩塊磁鐵吸引夾住紙張），拉住紙張的另一端可以輕松將重物提起。而同時(shí)，紙張的抗壓能力相對(duì)來說表現(xiàn)的極為特殊。將一張紙立在桌子上是很困難的，但是把它折一下，或者卷成圓形，不但能立起來，而且還能在上面壓一小塊重物，也就是說，通過折邊或卷成圓弧形可以提高紙張的抗壓能力。由此，可得出結(jié)論：選擇一個(gè)合理的截面形狀對(duì)于整個(gè)紙結(jié)構(gòu)有著舉足輕重的作用。合理的截面形狀是構(gòu)成整個(gè)紙結(jié)構(gòu)構(gòu)件的關(guān)鍵。（課件展示圖片一些典型紙結(jié)構(gòu)的形狀）（老師引導(dǎo)學(xué)生思考：）什么樣形狀的紙結(jié)構(gòu)抗壓能力強(qiáng)？承載比更大？（板書對(duì)幾種基本形狀的紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析）老師：了解了紙橋構(gòu)件的基本情況，我們?cè)賮砹私庖幌聵?gòu)件的連接。合理的構(gòu)件連接方式能有效提高整個(gè)紙橋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。（課件展示圖片一些典型紙結(jié)構(gòu)的組合連接）（老師引導(dǎo)學(xué)生思考：）什么樣的構(gòu)件組合連接方式更牢固？更能提高整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度？3. 拓展思維老師：談了這么多紙結(jié)構(gòu)的形狀和組合連接，有一個(gè)問題擺在我們面前：紙橋構(gòu)件的形狀和組合連接，如何合理搭配，才能盡可能滿足我們紙橋設(shè)計(jì)的要求，提高紙橋結(jié)構(gòu)的承載比？（請(qǐng)學(xué)生按照設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)紙板結(jié)構(gòu)模型，在學(xué)案上畫出草圖）4. 實(shí)踐活動(dòng)老師：我們探討了紙張的特性，簡單分析了紙結(jié)構(gòu)的形狀和組合連接，也自己設(shè)計(jì)了紙板結(jié)構(gòu)模型。下面讓我們自己來制作一下簡單的普通紙板結(jié)構(gòu)模型。（同桌兩同學(xué)為一小組，以小組為單位開始制作）（圖示幾種簡單紙結(jié)構(gòu)的制作過程）（學(xué)生動(dòng)手制作，老師在旁邊進(jìn)行觀察指導(dǎo)）5. 學(xué)生反思（選擇幾個(gè)小組的作品進(jìn)行簡單評(píng)述）老師：大家都選擇了不同設(shè)計(jì)方案來制作簡單紙板結(jié)構(gòu)模型，我們來看看這個(gè)小組的同學(xué)設(shè)計(jì)制作的簡單紙橋模型，他們采用的主要是什么結(jié)構(gòu)形狀？如何組合連接的？（學(xué)生思考回答）能不能再加以改進(jìn)？如何改進(jìn)?(讓學(xué)生根據(jù)情況對(duì)自己作品進(jìn)行深入思考，加以改進(jìn)。各組同學(xué)之間可以適當(dāng)交流經(jīng)驗(yàn)，取長補(bǔ)短)6. 測(cè)試評(píng)價(jià)（挑選幾組學(xué)生的作品進(jìn)行承重破壞性測(cè)試在紙板的中央，依次放上沙盒，直到紙板結(jié)構(gòu)發(fā)生形變破壞，記下相應(yīng)砝碼重量。）7. 教師指導(dǎo)老師與學(xué)生綜合評(píng)價(jià)：*小組的簡單紙橋結(jié)構(gòu)承重性能最強(qiáng)。（為什么最強(qiáng)？）引導(dǎo)學(xué)生思考：這個(gè)小組選擇的是怎樣的構(gòu)件形狀？構(gòu)件的連接如何？怎么搭配的？老師：今天這堂課，我們自己動(dòng)手制作了簡單紙橋結(jié)構(gòu)模型，雖然只是一個(gè)簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但是我們體驗(yàn)到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)與美感。最后因?yàn)闀r(shí)間的原因，我們僅僅選取了幾組同學(xué)的作品來進(jìn)行測(cè)試，盡管我們做的只是最普通的紙橋結(jié)構(gòu)模型，但是我們依然可以看到同學(xué)們對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱情與興趣。很多同學(xué)的設(shè)計(jì)很有想法，但是還不是盡善盡美，還有可以改進(jìn)的地方，希望同學(xué)們課后能相互探討，獨(dú)立思考、協(xié)作完成更好的結(jié)構(gòu)作品。 八、教學(xué)反思這節(jié)課選擇了學(xué)生比較感興趣的“載體”，所以學(xué)生參與程度和熱情相當(dāng)高，教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)掌握得也比較扎實(shí)。然而，實(shí)際制作中，還有很多不足，總結(jié)一下有這樣幾點(diǎn)：1. 學(xué)生掌握的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想與方法與動(dòng)手實(shí)踐能力總有差異。盡管設(shè)計(jì)的方案很好，實(shí)際制作的時(shí)候很難把設(shè)計(jì)的意圖完全貫徹到紙橋制作過程中去。2. 學(xué)生動(dòng)手過程中，但是制作的工藝水準(zhǔn)普遍不是很高，直接影響了整個(gè)紙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。3. 給予學(xué)生思考的時(shí)間還是短了很多，學(xué)生在課堂上面能體現(xiàn)出的好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不多，需要課后深入思考后才能有更好的作品制作出來。4. 囿于老師自身的技術(shù)水平，不可能對(duì)每個(gè)學(xué)生提出的問題做出最準(zhǔn)確的指導(dǎo)。很多學(xué)生提出的問題只能依靠自身摸索，最后得到的結(jié)果也未必是最好的解決方案。