第一章结构与设计

第一节常见结构的认识

教学内容分析

　本课时是《技术与设计2》第一单元“结构与设计”的第一节“常见结构的认识”的第一课时。世界上任何事物都存在结构,结构多种多样且决定着事物存在的性质。本课时要通过展示自然界中形形色色的结构图以及对这些结构分析和研究,使学生明白“结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列”。要让学生知道为什么要学习“结构与设计”，自然界中形形色色的结构给了人们无限的创造灵感和启示。人们将其成果应用到技术领域,是为了更好地服务于人类。本课时还要讲解构件的基本受力形式：拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力，讲解应力概念。当一个结构受到外力作用时,内部各质点之间的相互作用会发生改变,产生一种抵抗的力,称为内力。应力从认识常见的结构开始,通过学生熟悉的事例,展开技术视野中的力与结构讨论,通过有趣的小试验,强化对不同类型结构的特点的理解。

教学对象分析

学生对结构虽有一定的了解。对结构的功能和分类也有一定的基础。但较为零散，模糊。另外，学生在物理课中已学习了有关力学的知识，对物体的受力分析有比较好的基础。但是由于受力分析是物理课教学中的难点，多数学生在受力分析中还是有困难的，所以在教学中还要利用模型演示形变的情况，分析说明拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力等。

教学目标

1、知识与技能：　

（一）了解结构的含义。

（二）能从力学的角度理解结构的概念和一般分类。

（三）能结合1~2种简单的结构案例，分析结构是如何承

受力的。

2、过程与方法：

阅读理解、案例分析、交流讨论、多媒体展示、师生互动。

3、情感态度价值观：

能认识到力对结构会产生重要影响，合理的受力是结构存在的重要条件。

教学重难点

1、教学重点：

掌握结构与力。

2、教学难点：

理解应力与内力的概念，学会从技术的角度分析事物的受力。

教学过程

[导入新课]

（一）《技术与设计2》的简单介绍：

同学们，我们生活在科学技术高度发达的时代。我国载人航天成功,实现千年邀游太空梦;长江三峡顺利截流发电,高峡出平湖;水稻育种结硕果,世界领先……我们今天努力学习技术,是为了明天把我们的国家建设得更加美好。

前面一册书我们学习了设计的基本知识，熟悉了设计的一般过程。我们将要学习的通用技术必修2,应用广泛,具有宽广的迁移价值。“技术与设计2”中的“结构与设计”“流程与设计”“系统与设计”“控制与设计”等四个主题都是具体的、通用的技术,它们具有典型意义,并与技术的发展密切相关联。学习这些技术与设计的基本思想和基本方法,将使我们终身受益。同时也将使我们适应新世纪的科技发展、知识经济发展以及社会可持续发展的需要,成为有用的人才。

这一节课就开始第一单元的学习——结构与设计。        

（板书）【第一单元结构与设计】

（板书）第一节常见结构的认识

认识结构，分析影响结构的稳定性和强度的主要因素，将使我们理性的观察和对待世间奇妙的结构现象，将使我们学会进行简单的结构设计。

说到结构，我们知道任何一件事物都有自己的结构，大的我们可以看见的椅子，课桌，他们有自己的结构。小的到我们化学中学习的分子也有自己的结构。可见一件事物只要它存在，那它就一定会有自己结构。所以我们说结构无处不在。

展示：

1、无处不在的结构：

人们每天都在与各种各样的结构打交道。游乐场里的游乐项目让人目不暇接，过山车、旋转飞轮、旋转木马、旋转飞轮等令孩子们流连忘返。观察这些游乐设施，你会惊叹他们结构设计的巧妙和坚固。

（二）案例引入

1)自然界中的结构。

在自然界，相同的物质，不同的结构，表现出不同特性的现象处处可见。

A、同样是水，有液态、气态、固态；

B、同样是碳，但有最硬的固体金刚石和最软的固体石墨存在；

C、化学有机物结构不同性质不同（色素）；

D、同样的六个字“这个人表现好”“这个人好表现”，但因排列不同，就形成了一褒一贬；

E、用同样的材料，做出的结构不同的小板凳就会有不同的特性，有的稳，有的不稳；

F、各种材料组成结构可以使“死的”材料变成“活的”机

器。如：发动机、电子计算机、机器人、飞机、火箭……

世界上任何事物都存在结构,结构多种多样且决定着事物存在的性质。

（1）引导学生观察结构图。

引导学生分析蜂窝的结构。这种结构的优点在哪里？

蜂巢：使用最少的材料制作尽可能宽敞的空间，不会出现缝隙，空间使用效率最好。

蜘蛛网：任意两个节点都能找到一条可通过的路径

（2）让学生归纳结构概念：

结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。

关键词：有序搭配

结构的各组成部分，通常称为构件。例：人体结构，分子结构，阶级结构，文章的结构，汽车结构，桌子结构，地球结构等。

你是怎样理解“结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列”，“结构多种多样且决定着事物存在的性质”的？

启发：你能否举例说明事物的各个组成部分之间的搭配和排列改变了，事物的性质也发生了改变。

学生举例说出身边常见事物的结构：课桌、圆珠笔、课本、水杯、粉笔盒、书包等

人的染色体有X染色体、Y染色体之分，X染色体、Y染色体不同的搭配和排列，决定这个人是男人还是女人。

【板书】形形色色的结构能给人以美的享受，给人创造的灵感和启示。人们将其成果应用到技术领域,更好地服务于人类。

蚂蚁力量非凡的嘴巴给了科学家们发明推进体系的微型机器人的灵感，美国伊利诺大学香槟分校的生态学家兼昆虫学家安德鲁·苏雷兹他告诉《生命科学》杂志：“如用于营救工作的机器人。”

(3）让学生阅读案例：

苍耳子与尼龙搭扣;

鸟与飞机;

鹰眼与导弹跟踪系统（重点讨论）。

提问：为什么鹰可以在几千米的高空准确无误地辨别地面上的动物？

鹰可以在几千米的高空准确无误地辨别地面上的动物,这是因为它的眼部结构比较特殊。人类每只眼睛的视网膜上都有一个凹槽,叫做中央凹。而老鹰眼中的中央凹却有两个,这两个中央凹的作用不同,其中一个专门用于接收来自鹰头侧面物体的像,另一个用于接收来自鹰头前方物体的像。这样,老鹰的视觉范围就宽多了,能兼顾前方和侧面。根据鹰眼的结构,人们正在研制“鹰眼”导弹系统。这种导弹系统能自动寻找、识别目标并跟踪攻击。

提问：除了根据鹰眼的结构,人们正在研制“鹰眼”导弹系统以外，你还受到哪些启发？

提问：如果在人类的视网膜上象鹰一样有两个凹槽，世界将会如何变化？

提问：将来运用技术手段在人的视网膜造出两个凹槽,有这种可能吗？

学生：“有这种可能，现在我们能够破译人的遗传密码”。

“可以通过把老鹰的基因移植到人体上来,使人类视网膜具有两个凹槽”。

提问：人与动物相比，在结构上有什么不同？分析其劣势与优势。

看来我们人类好多地方不如动物,不能象鸟一样在空中自由飞翔,不能象鱼一样在水中欢快游荡,奔跑速度不如狗，打斗力气不如虎。人类凭什么能成为动物界的统治者呢?

启发学生回答：凭大脑,凭学习,人类把几千年知识在几年十

几年中继承过来并在原来的基础上进行创新，现在进入知识经济时代，人类知识总量几年就要翻一番。

教育学生：人与人之间有竞争,而且可能很激烈，能否立于不败之地,在于不断学习。

马上行动

生产生活中还有那些产品的结构是受到自然界事物结构的启发而产生？

船桨（鱼鳍）

人工冷光（萤火虫）

风筝（鹰）

锯（螳螂臂或锯齿草）

车轮（随风旋转地飞蓬草）

潜水艇（海豚）

声纳（蝙蝠）

潜水用的脚蹼（鸭子）

潜水艇的流线型设计（鱼类）

二、结构与力

　　从力学角度来说，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。

　　当一个结构受到外力作用时，内部各质点之间的相互作用会发生改变，产生一种抵抗的力，称为内力。应力是构件的单位横截面上所产生的内力。当应力达到某一极限时，结构就会遭到破坏。

　　（一）受力形式

工程结构承受的外力有各种各样，但以它们对结构的影响来说，主要有以下几种。

　　1、拉力：结构承受拉伸时，作用在结构（经常称为拉杆）上的力是一对方向相反，作用线与拉杆轴线重合的集中力，方向背离杆的底面。其受力实例是吊车的吊绳。

　　2、压力：结构承受压缩时，作用在结构（习惯上称为

压杆）上的力是一对方向相反，作用线与压杆轴线重合的集中力，方向指向杆的底面。如液压机的顶杆工作时就是受压。

　　3、剪力：结构在受剪切时，结构所承受的力是分别作用在构件相对的两个面上，方向相反，作用线错开微小距离的两个平行力。连接剪刀两个部分的销钉在剪刀工作时就是承受的剪切力，其受力模型如图。

　　4、扭转力：承受扭转的构件一般都称为轴。它承受的外力是一对作用在轴两端面内，转向相反的力偶矩。

　　5、弯曲力：承受弯曲载荷的构件，一般称为梁。梁在承受弯曲时，受力情况比较复杂，其中一种载荷叫做弯矩。它是作用在过梁的轴线且与横截面垂直的平面内的力偶矩。其作用力是使梁产生弯曲变形。

（二）结构受载荷实例：

任何结构承受的外载荷，都是拉、压、剪、扭、弯中的一种或几种的组合。工程结构的主要功能就是承受和传递各种形式的外载荷，保证结构的可靠工作。

　　1、秋千的吊索，主要承受拉力；

　　2、桥梁的桥墩，主要承受压力；

　　3、连接齿轮和轴的键，主要承受剪力；

　　4、汽车方向盘的轴，主要承受扭力；

　　5、单杠的杠体（上面的横杠），主要受弯力；

　　6、吊扇旋转，吊杆主要受扭力和拉力；

为了保证结构的正常工作，这些构件必须有对于主要载荷的足够的承载能力。这是结构设计中必须考虑的重要问题。

（三）典型结构分析

1、单杠结构分析

　　⑴各部分名称：杠体，立柱和拉杆。（为什么做成这样的结构？）

　　⑵杠体的受力与变形：杠体总是朝着人体所在的瞬间位置的方向上发生弯曲。——弯曲力

　　⑶立柱、拉杆的受力与变形：

立柱：静止时受压力；当人在运动时，对立柱产生弯矩M，使立柱弯曲变形。——怎样做才能保持单杠稳定？

拉杆：人在运动时，拉杆起到辅助立柱抗变形作用。

2、棚室屋架结构分析

　　⑴棚室荷载与立柱受力：永久性荷载（不随时间变化而变化的荷载）和可变性荷载（随情况变化而变化的荷载）。

　　⑵梁的受力：梁的上部，受压力，材料被挤压；下部，

受张力，材料被拉伸。防止弯曲变形大的方法：增加支撑点。

　　⑶拱结构的应用

　　拱结构：中间高四周低，呈弧形的曲面。

应用：在跨度较大的情况下，建筑物多采用拱结构。这样的结构既有利于承载，又美观。

三、常见结构的类型（从力学的架构与形态考虑）

1、实体结构

　　⑴实体结构通常是指结构体本身是实心的结构。房屋的墙体、水库的大坝、古代的城墙等，都属于实心结构。

　　⑵几何特征及受力：几何外形简单，通常有杆（柱）、板、体等之分。它的受力特点是能承受较大的力，外力分布在整个体积中。

2、框架结构

　　⑴框架结构通常是指结构体由细长的构件组成的结构。教室的门窗常用木框架，蔬菜大棚的棚体、建筑用脚手架、输电铁塔等都是框架结构。

　　⑵组成：由梁、柱、杆、管等组成，也有用板件组成的。这里的杆或板，可以是实心的，也可以是管材。

　　⑶几何特征及受力：几何外形较为复杂，其特点是支撑空间而不充满空间，能承受垂直和水平荷载。依据功能和使用条件的不同，可以设置成不同框架的组合。

3、壳体结构

　　⑴常见物品：饮水杯、文具盒、装甲车、油罐、鸡蛋、西瓜……

　　⑵结构特征：壳体内空时，受力合理、形态稳定。壳的几何形状有折线式（方形、长方形、多边形）的、圆弧形的和拱形的等。

　　⑶受力特点：壳受冲击力时，外力由弧面整体分担承受，抵抗变形。

4、组合结构

　　⑴在日常生活中我们常见的结构大部分都是组合结构，如：大坝都是拱形和实心结构的组合体；圆顶大厦的顶部都是框架结构和壳体结构的组合（又叫球形空间桁架结构）。

　　⑵结构的类型种种：缆索结构、桁架结构、空间桁架结构、球形空间桁架结构等。

　　⑶组合结构的受力：复杂（这是大学结构力学将要学习的）。

思考、马上行动、练习和综合实践活动，为学生学习的形

成性评价提供了可能，根据学生练习过程中的反馈信息，评价学生和调整课堂教学。

教学反思：

1、结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。

2、从力学角度来说结构是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。根据构件的受力和变形的形式，我们可以将构件分为受拉、受压、受剪切、受弯曲、受扭转五种基本形式。

3、实体结构：实体结构通常是指结构体本身是实心的结构。受力特点：外力分布在整个体积中。如实心墙、大坝等。

4、框架结构：框架结构通常是指结构体由细长的构件组成的结构。特点：支撑空间而不充满空间。如铁架塔、建筑用脚手即、厂房的框架等。

5、壳体结构：壳体结构通常是指层状的结构。受力特点：外力作用在结构体的表面上。如摩托车的头盔、飞机的外壳、贝壳等。

6、悬索桥上的绳索除了承受自身的重力外，主要是承受(D)

A、压力B、扭转力C、剪切力D、拉力

7、吊扇在启动瞬间，吊杆的主要受力形式有(A)

①拉力②压力③剪切力④扭转力

A、①④B、①②C、①③D、②③

8、发生交通事故时，摩托车手的头盔能有效保护车手的头部安全，是因为（A）

A、头盔的壳体结构能分散撞到头盔上的力

B、头盔的壳体结构能吸收撞到头盔上的力

C、头盔的框架结构能分散撞到头盔上的力

D、头盔的组合结构能吸收撞到头盔上的力

9、下列结构中，不是壳体结构的是（B）

A、子弹壳B、铅球C、牙杯D、头盔

10、尼龙搭扣是利用自然中（D）的结构而发明的。

A、叶边上有齿的小草B、植物

C、植物的种子D、苍耳子

11、结构的构件受力多种多样，基本的受力形式有（D）

①受重力②受拉、受压③受剪切力、受扭转④受弯曲

A、①②④B、①③④C、①②③D、②③④

        本节内容通过展示自然界中蜂窝、鹰的身体等各种各样的结构图，通过对自然界中形形色色的结构的分析和研究,使学生明白“结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列”。要让学生知道为什么要学习“结构与设计”，自然界中形形色色的结构给了人们无限的创造灵感和启示。人们将其成果应用到技术领域,是为了更好地服务于人类。

        本课时还要讲解构件的基本受力形式：拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力，讲解应力概念。从认识常见的结构开始，通过学生熟悉的事例，展开技术视野中的力与结构讨论。让学生进行压力试验，如比较不同形状的纸板承受压力的大小试验、鸡蛋或乒乓球承压试验等，通过有趣的小试验，强化对不同类型结构的特点的理解。