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視頻標簽：微課,無生課堂,結構的穩(wěn)定性

所屬欄目：模擬課、微型課及試講

視頻課題：第五屆全國高中通用技術實驗教學微課（無生課堂）視頻《結構的穩(wěn)定性》北京

教學設計、課堂實錄及教案：第五屆全國高中通用技術實驗教學微課（無生課堂）視頻《結構的穩(wěn)定性》北京師范大學附屬實驗中學高中通用技術

結構的穩(wěn)定性
北京師范大學附屬實驗中學韓英魁
一、使用教材
2014年地質(zhì)出版社《技術與設計2》 第一章第三節(jié)“結構的穩(wěn)定性”。
二、實驗器材
自制三角形、四邊形結構穩(wěn)定性的系列對比實驗學具、自制重心高低影響結構穩(wěn)定對比實驗學具、自制傾斜測試平臺、自制（3D打�。┲匦耐队芭c支撐面關系影響結構穩(wěn)定性實驗學具、結構傾倒重心投影位置實驗器材等。
三、實驗創(chuàng)新要點/改進要點
 1.自制“可自由組合的框架結構”，實驗演示結構形狀對結構穩(wěn)定性的影響
結構形狀是影響結構穩(wěn)定性的因素之一，學生能夠理解同種材料和連接方式下，三角形結構比四邊形結構穩(wěn)定，教材僅簡單分析了三角形和四邊形結構的穩(wěn)定性。但如果結構形狀比較復雜，學生理解應用起來就比較困難，我設計自制了一組可自由組合的框架結構，能夠?qū)崿F(xiàn)多種形狀變換，可供學生探究、教師演示。

2.自制對比實驗學具，對比結構重心高低對結構穩(wěn)定性的影響
結構重心的高低是影響結構穩(wěn)定性的因素，對于知識點本身，學生理解起來難度不大，教材沒有設計實驗，僅僅用案例說明，但是學生對知識的理解往往停留在表面，結構重心的高低對結構穩(wěn)定性影響的程度到底有多大，不容易對比展示，因為影響結構穩(wěn)定性的因素有多種，需要采用控制變量法，對比時要保證對比結構的重心高低不同，而其他因素是相同的。為此，我設計并自制了實驗器材：利用三個相同的空礦泉水瓶，中間對穿放置相同絲杠，將三個重螺母（圖中涂成紅色）調(diào)整到高、中、低三個位置，這樣結構只有重心高低不同，其他因素是相同的，將三個對比瓶放置在可傾斜的測試平臺上，通過傾斜平臺，觀察瓶子傾倒的順序，可以直觀的對比看出重心高低對結構穩(wěn)定性的影響程度。

3. 3D打印實驗學具，探究重心投影與支撐面的位置關系對結構穩(wěn)定性的影響
重心投影與支撐面的位置關系也是影響結構穩(wěn)定性的因素，教材沒有設計實驗，采用了案例說明。我圍繞教學內(nèi)容和項目載體，設計了趣味性強的探究式實驗學具：利用3D打印機打印了“W”型的沙漏架，案例1沙漏無論在W哪一端都不能保持穩(wěn)定，案例2沙漏處于W的一端時可以保持穩(wěn)定，另一端不能保持穩(wěn)定，案例3可以在兩端都保持穩(wěn)定。通過三組實驗，讓學生去探究，分析原因，再利用結構傾倒重心投影位置實驗器演示結構傾倒臨界狀態(tài)時重心投影與支撐面的位置關系，幫助學生科學、直觀的獲取知識，加深對于知識的理解。

四、實驗原理/實驗設計思路
影響結構穩(wěn)定性的因素有多種，如：結構的形狀、支撐面的大小、重心的高低、重心投影與支撐面的位置關系等，在教學中，如果只是簡單教授知識，那么可利用的實驗器材有很多，但如果要進行科學、直觀的對比實驗，則需要精心設計，采用控制變量法，保證對比結構的其他因素相同，只有一個因素不同，通過演示、探究等方法展開實驗教學。
五、實驗教學目標
（一）知識與技能
1.理解結構穩(wěn)定性的概念。
2.理解影響結構穩(wěn)定性的因素。
3.能應用結構穩(wěn)定性知識設計結構作品。
（二）過程與方法
經(jīng)歷演示、探究等實驗過程，體驗結構形狀、支撐面、重心等因素對結構穩(wěn)定性的影響。
（三）情感態(tài)度與價值觀
養(yǎng)成科學、嚴謹?shù)奶骄苛晳T，感受科學知識在生活中的應用。
六、實驗教學內(nèi)容
1.利用自制三角形、平行四邊形結構穩(wěn)定性實驗學具，實驗探究結構形狀對結構穩(wěn)定性的影響。
2.利用自制結構重心高低影響結構穩(wěn)定性對比實驗學具，演示重心高低對結構穩(wěn)定性的影響。
3.利用自制（3D打印）重心與支撐面關系影響結構穩(wěn)定性探究實驗學具，探究重心投影與支撐面關系對結構穩(wěn)定性的影響。
4.利用結構傾倒重心投影演示器，實驗演示重心投影與支撐面位置在結構傾倒臨界狀態(tài)時的位置關系。
七、實驗教學過程
（一）創(chuàng)設“真”情境、課題引入
1.教師展示往屆學生作品，過程中“不小心”碰到桌子，發(fā)現(xiàn)桌子上有的沙漏架翻倒，提出問題：什么是結構的穩(wěn)定性？

 
2.教師組織討論，明確結構穩(wěn)定性的概念，進而提出新的問題：影響結構穩(wěn)定性的因素有哪些？
（二）探究加演示、建構新知
1.“玩一玩”：結構形狀對結構穩(wěn)定性影響實驗
（1）學生探究實驗，對比三角形、四邊形結構穩(wěn)定性，總結實驗結論。
（2）提出改進要求，改變四邊形結構穩(wěn)定性，學生動手嘗試，通過不同形式的結構形狀變化，體驗結構形狀對結構穩(wěn)定性的影響，加深實驗結論。

2.“猜一猜”：結構重心高低對結構穩(wěn)定性影響實驗
（1）教師介紹實驗器材組成：三組相同的空礦泉水瓶、螺母、絲杠。組裝好后用紙筒圍擋，學生通過搖晃等簡單手段判斷三個瓶子的結構差別，然后放在測試平臺上，猜測翻倒順序。然后由學生抬高測試平臺一端，傾斜平臺，做翻倒實驗，觀察水瓶翻倒順序。
（2）教師揭曉答案，引導學生重點觀察：三個相同的空礦泉水瓶，中間對穿放置相同絲杠，將三個重螺母（圖中涂成紅色）擰到高、中、低三個位置，結構只有重心高低不同，其他因素是相同的�？偨Y結論，對比結構重心高低對結構穩(wěn)定性的影響程度。

師生共同總結：結構的重心越低，結構越穩(wěn)定。
3.重心投影與支撐面位置關系對結構穩(wěn)定性影響實驗
（1）學生探究實驗：“W”型沙漏架案例1，無論沙漏處于“W”哪一端位置，都不能穩(wěn)定，觀察分析。以小組為單位，探究其結構不穩(wěn)的原因，設計提高其穩(wěn)定性的改進方案。

（2）學生探究實驗：“W”型沙漏架案例2，當沙漏處于“W”一端位置時可以穩(wěn)定，放到另一端時翻倒，觀察分析。以小組為單位探究其結構不穩(wěn)的原因，設計提高其穩(wěn)定性的再改進方案。

（3）學生實驗：“W”沙漏架案例3，沙漏處于“W”兩端位置時都可以穩(wěn)定，觀察分析原因。

結論：結構重心投影與支撐面的位置關系對結構穩(wěn)定性有影響，重心投影應落在支撐面內(nèi)，結構才穩(wěn)定。
（4）演示結構傾倒實驗：教師展示實驗器材，引領學生觀察結構重心投影位置，組織實驗，驗證剛剛得到的結論，重點展示結構重心投影與支撐面在結構傾倒臨界狀態(tài)時的位置關系，加深實驗結論。

通過探究和演示實驗，得出最終結論：結構重心投影落在支撐面內(nèi)，結構才穩(wěn)定，當結構重心投影位于支撐面邊緣時，結構即將傾倒。
（三）實踐活動、學以致用
教師組織學生進行設計實踐，綜合穩(wěn)定性的知識，設計自己的沙漏架作品。
要求：沙漏架結構能穩(wěn)定放置桌面，能實現(xiàn)沙漏的正立和倒立，打印時間不超過8小時。
（四）交流展示、鞏固提升
1.教師組織學生將三維設計模型進行交流展示、評價改進，修改后的設計模型進行3D打印。
2.展示生活中的用品，分析結構是否穩(wěn)定，分析穩(wěn)定性因素的考慮情況，找一找設計的不足并提出改進建議，找一找生活中有沒有利用結構不穩(wěn)定的案例。
八、實驗效果評價
本節(jié)課設計了多組實驗來提高學生的興趣和學習的積極性，使學生能夠準確理解并應用影響穩(wěn)定性的因素，具體效果有：
1.實驗科學、效果明顯
結構重心高低對結構穩(wěn)定性影響的對比實驗，科學嚴謹，現(xiàn)象簡單明確，說服力強。不僅使學生明白重心高低可以影響結構穩(wěn)定性，可以直觀的看到影響的程度，而且培養(yǎng)學生科學嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度和精神，學習科學實驗方法，這種培養(yǎng)對學生的成長往往更加重要，對學生的影響是長期的、深遠的。
2.趣味探究、突出主體
整個教學過程，以學生為主體，突出其主體作用，提高其學習興趣，設計了一系列趣味性強的探究實驗。
結構重心投影與支撐面的位置關系對結構穩(wěn)定性的影響探究實驗中，采用“W型”作品作為案例分析，讓學生自己發(fā)現(xiàn)問題，沙漏結構相似，有穩(wěn)定也有不穩(wěn)定的情況，通過對比探究的方法，使不容易獲得的知識點得有層次，有臺階，學生愿意去探究。案例1“W”作品，沙漏芯在兩端結構都不穩(wěn)定性，案例2放在一端穩(wěn)定，另一端不穩(wěn)的，案例3兩端都穩(wěn)定，通過這個趣味性很強的探究實驗，讓學生把三個案例對比，一步步探究結構穩(wěn)定或不穩(wěn)的原因，并在小組內(nèi)討論，不僅理解了知識，而且還鍛煉了學生的觀察、分析能力和創(chuàng)新設計能力。進而采用師生共同實驗，得到結構要傾倒臨界狀態(tài)時，結構重心投影與支撐面的確切位置關系，使學生更加深刻的理解知識，養(yǎng)成學生科學嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度。
3.圍繞載體、學以致用
本節(jié)課圍繞項目載體3D打印沙漏架引入，通過多種實驗建構知識，再將知識應用到3D作品的設計中，學以致用，設計自己的沙漏架作品，提升了學生的物化能力，直接鞏固了知識的學習。在提升階段，引入生活中案例，擴展了視野，培養(yǎng)了學生技術意識和工程思維，將技術知識應用到生活中，將通用技術學科要求的核心素養(yǎng)落到實處。

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