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視頻標簽：微課,無生課堂,結構的穩定性
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《結構的穩定性》北京師范大學附屬實驗中學高中通用技術
結構的穩定性
北京師范大學附屬實驗中學韓英魁
一、使用教材
2014年地質出版社《技術與設計2》 第一章第三節“結構的穩定性”。
二、實驗器材
自制三角形、四邊形結構穩定性的系列對比實驗學具、自制重心高低影響結構穩定對比實驗學具、自制傾斜測試平臺、自制（3D打印）重心投影與支撐面關系影響結構穩定性實驗學具、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定性的影響
結構形狀是影響結構穩定性的因素之一，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定，教材僅簡單分析了三角形和四邊形結構的穩定性。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，能夠實現多種形狀變換，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定性的影響
結構重心的高低是影響結構穩定性的因素，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定，案例2沙漏處于W的一端時可以保持穩定，另一端不能保持穩定，案例3可以在兩端都保持穩定。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.理解結構穩定性的概念。
2.理解影響結構穩定性的因素。
3.能應用結構穩定性知識設計結構作品。
（二）過程與方法
經歷演示、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定性的影響。
（三）情感態度與價值觀
養成科學、嚴謹的探究習慣，感受科學知識在生活中的應用。
六、實驗教學內容
1.利用自制三角形、平行四邊形結構穩定性實驗學具，實驗探究結構形狀對結構穩定性的影響。
2.利用自制結構重心高低影響結構穩定性對比實驗學具，演示重心高低對結構穩定性的影響。
3.利用自制（3D打印）重心與支撐面關系影響結構穩定性探究實驗學具，探究重心投影與支撐面關系對結構穩定性的影響。
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時的位置關系。
七、實驗教學過程
（一）創設“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，發現桌子上有的沙漏架翻倒，提出問題：什么是結構的穩定性？
2.教師組織討論，明確結構穩定性的概念，進而提出新的問題：影響結構穩定性的因素有哪些？
（二）探究加演示、建構新知
1.“玩一玩”：結構形狀對結構穩定性影響實驗
（1）學生探究實驗，對比三角形、四邊形結構穩定性，總結實驗結論。
（2）提出改進要求，改變四邊形結構穩定性，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。總結結論，對比結構重心高低對結構穩定性的影響程度。
師生共同總結：結構的重心越低，結構越穩定。
3.重心投影與支撐面位置關系對結構穩定性影響實驗
（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，都不能穩定，觀察分析。以小組為單位，探究其結構不穩的原因，設計提高其穩定性的改進方案。
（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的原因，設計提高其穩定性的再改進方案。
（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定性有影響，重心投影應落在支撐面內，結構才穩定。
（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，結構才穩定，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，綜合穩定性的知識，設計自己的沙漏架作品。
要求：沙漏架結構能穩定放置桌面，能實現沙漏的正立和倒立，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，分析結構是否穩定，分析穩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定的案例。
八、實驗效果評價
本節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定性影響的對比實驗，科學嚴謹，現象簡單明確，說服力強。不僅使學生明白重心高低可以影響結構穩定性，可以直觀的看到影響的程度，而且培養學生科學嚴謹的實驗態度和精神，學習科學實驗方法，這種培養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，讓學生自己發現問題，沙漏結構相似，有穩定也有不穩定的情況，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定性，案例2放在一端穩定，另一端不穩的，案例3兩端都穩定，通過這個趣味性很強的探究實驗，讓學生把三個案例對比，一步步探究結構穩定或不穩的原因，并在小組內討論，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，養成學生科學嚴謹的實驗態度。
3.圍繞載體、學以致用
本節課圍繞項目載體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落到實處。
視頻來源：優質課網 www.www.fsyixinda.com
