高中通用技术苏教版 (2019)必修《技术与设计2》第三单元 系统及其设计三 系统设计的优化与实现任务一 优化系统设计的方案教学设计

常见结构的认识

教材：普通高中教书《通用技术》之《技术与设计2》（苏教版）

内容：第一单元《结构及其设计》的第1节

作者：程大威（深圳市宝安中学）

教学目标：

1. 能说出结构的含义，辨析结构的类型，理解结构与功能的关系。
2. 了解结构的基本受力变形形式，会分析简单结构的变形形式。

重点：结构的含义、受力产生的形变基本形式、结构类型及特点。

难点：结构受力与形变分析。

教材分析：在必修一《设计的一般过程》中，涉及到便携式小凳的结构设计，是用。。。（物质）材料，加工成。。。样式的部件，用。。。方法连接成。。。形状。重在材料选择和结构形状的设计。在本节内容中，重在理解结构的含义、在外力作用下的基本变形形式、辨识类型。结构受外力作用时，应力与形状改变情况往往很复杂（难度超过高一物理，力学中物体的受力分析），此处宜简，新版本在本节内容中删除了应力概念，放在下一节内容《探析结构强度》中提出，也不作过难的分析讲解。这种处理符合学生学情（高一学生的认知水平）。

设计思想：

1.     渗透三大核心素养：技术意识、工程思维和创新能力。
2.     依此组织若干教学材料。尤其是平时留意的一些事物。

(1)    动物建筑物的结构设计：小小的蜘蛛、燕子等动物的形态、它们的建筑物，它们需要选址（环境科学）、测量（数学计算与测绘）、设计（胸有成竹、省略了绘图软件和尺规纸笔）、选用材料、制造材料（材料科学）、建造（物体能力，制造业技术工艺），它们结构有区别、功能不同，都体现了其工程思维、创新意识，也表现出了它们的工匠精神。这些结构设计体现了哪些设计原则？哪些性质？这些动物是怎样学习、传承技术的？值得我们学习吗？

(2)    鸡蛋的强度试验：许多生物产蛋，蛋为什么是壳体结构？否则会怎样？学生天天吃蛋而无视蛋的结构及其重要的功能，通过试验（集体协作压爆鸡蛋，比定量测试产生的效应更好）提高技术意识，体会到技术处处存在，那么重要而有趣。

(3)    水车结构的观察与研究：看似简单，每个学生都能参与讨论。其实可以步步深入：材料强度、性能处理、环境适应、使用寿命、构件尺寸、连接方式、如何传力、如何运转、性价比、功能拓展需要怎样的结构补充，甚至于重新设计提水装置。有兴趣的同学可收获更多。

器材准备：图片、视频（课堂上可现场操作，不需要视频）、薄板和杆件（不限材料）鸡蛋、乒乓球、瓶盖、木板（约20mmx20mmx10mm，锥形瓶（装好有色液体和瓶塞导管）

教学过程：

一．  感知丰富的结构

“结构”一词在许多语境中都有使用：

         文章的结构、汉字的结构

         学生会的组织结构

         深圳市的人口结构、产业结构

         原子结构、分子结构、细胞结构

         人体结构

         房屋结构、桥梁结构

         ……

以上语境包括社会领域、技术领域和自然界。

结构：是指组成事物的组成部分的有序搭配与排列。由于搭配与排列方式千差万别，所以世界上的事物多种多样。事物的结构决定着事物存在的性质。

实例1：蜂房为整齐划一的六边形，工整、用料少、质轻、坚固、空间大。

实例2:燕子选址筑巢，巧用三角、利用空间。

实例3：动物谜语:

南阳诸葛亮,

稳坐中军帐,

摆起八卦阵,

单捉飞来将。

(打一动物)

谜底：蜘蛛

蜘蛛网是动物世界极为了不起的创造发明。人类受到启发，设计了许多网状产品。

观察与讨论

         观察水车的结构（构件材料、形状、尺寸、连接）。

         判断河水流向？能开发水车更多用途吗？

         如果磨房离得比较远怎么办？

         如果水的流速变小，水车就不能自动提水灌溉了，怎么办呢？

         水车在竖直平面内转动，能否以此为动力，得到其它方向的圆周运动或直线运动？

         还可以研究哪些问题？

二．  认识结构的受力

结构：从力学角度看，结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。

1.构件：通常将结构的组成部分称为构件。

2.构件受力与变形：一个设计合理的结构应该能承受正常使用时外界的各种作用力，抵抗各种形变。分析结构受力，首先要清楚组成结构的构件受到哪些力的作用，其次要清楚在这些力的作用下，构件能否安全、可靠地工作，也就是对构件进行承载能力的分析。（解说图片，播放视频（选自教材配套光盘《认识结构的受力》）

试一试：

         如果由你采摘荔枝、柑桔和椰子，你会选择什么工具？

         如果没有工具呢？

         用手拉拽？

         摇晃？

         扭转？

         用牙咬？

三．  辨析结构的类型：有不同的分类方法。按形态，通常可分为以下三种。

1.实体结构:结构体本身是实心。能承受大的压力。

         大坝、墙体、粗的柱、家具厚的板、粗的腿等。

2.框架结构:通常由细长的构件组成。其构件的几何特征是截面比长度小得多。能用少量材料得到大的空间，能承受压力和拉力。

         生产生活中的绝大多数设备和用品采用了框架结构。

3.壳形结构：层状的结构，内外曲面间厚度比其它尺寸小得多。壳体受力，可沿壳形方向传递分散。壳形结构的优势：使得结构体（国家大剧院）强度高、跨度大、省材料、外形美观。

         许多植物的果实有坚硬的外皮做保护层，花生、瓜子、板栗等坚果都是壳形结构，西瓜、椰子、龟、贝类都是壳形结构。

         国家大剧院依靠椭球形的壳形结构支撑，得到巨大的内部空间。

技术试验：

1.   锥形瓶的微小形变实验(师生互动探讨）：曲面比平面的大，所以汽车的挡风玻璃、车身设计成曲面的，有防爆防冲撞等强度优势。
2.   鸡蛋压暴试验：

(1)      问：鸡生蛋为什么要生成蛋的形状而不是其它形状？是经过“设计”的吗？

(2)      激：有人踩鸡蛋或灯泡表演轻功，本节课后，你也可以练就神奇的“轻功”！

(3)      抛蛋、敲蛋试验：老师演示。

(4)      鸡蛋压爆试验：学生合作、定性试验。

3.   试验后：

(1)    有信心表演“轻功”吗？

(2)      能策划一次“最强鸡蛋”比赛吗?

①     如何选蛋？蛋的强度与哪些因素有关？

②     怎样设计比赛装置？

③     怎样评分？

四．结语：

1.结构与结构设计：通过理化生学科的学习，可知，物质的微观结构决定了宏观物质的性质和功能。人类分析、研究自然界的各种结构，在技术领域中设计出了许许多多精妙的、具有各种功能的产品。技术领域中的结构设计，可认为是采用恰当的构件连接成某种形状的架构形态。

2.结构设计必须合理：各种产品设备有实实在在的结构，在应用中受到外力作用时，决不可以等同于物理学上的质点，结构的设计一定要合理，使之正常使用时能抵抗外力产生的形变（形变范围应满足设计要求）。

3.结构分类及应用：结构有不同分类方法。实体结构、框架结构和壳体结构各有其特点，往往根据需求组合使用。