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视频标签：微课,无生课堂,结构的稳定性
所属栏目：模拟课、微型课及试讲
视频课题：第五届全国高中通用技术实验教学微课（无生课堂）视频《结构的稳定性》北京
教学设计、课堂实录及教案：第五届全国高中通用技术实验教学微课（无生课堂）视频《结构的稳定性》北京师范大学附属实验中学高中通用技术
结构的稳定性
北京师范大学附属实验中学韩英魁
一、使用教材
2014年地质出版社《技术与设计2》 第一章第三节“结构的稳定性”。
二、实验器材
自制三角形、四边形结构稳定性的系列对比实验学具、自制重心高低影响结构稳定对比实验学具、自制倾斜测试平台、自制（3D打印）重心投影与支撑面关系影响结构稳定性实验学具、结构倾倒重心投影位置实验器材等。
三、实验创新要点/改进要点
1.自制“可自由组合的框架结构”，实验演示结构形状对结构稳定性的影响
结构形状是影响结构稳定性的因素之一，学生能够理解同种材料和连接方式下，三角形结构比四边形结构稳定，教材仅简单分析了三角形和四边形结构的稳定性。但如果结构形状比较复杂，学生理解应用起来就比较困难，我设计自制了一组可自由组合的框架结构，能够实现多种形状变换，可供学生探究、教师演示。
2.自制对比实验学具，对比结构重心高低对结构稳定性的影响
结构重心的高低是影响结构稳定性的因素，对于知识点本身，学生理解起来难度不大，教材没有设计实验，仅仅用案例说明，但是学生对知识的理解往往停留在表面，结构重心的高低对结构稳定性影响的程度到底有多大，不容易对比展示，因为影响结构稳定性的因素有多种，需要采用控制变量法，对比时要保证对比结构的重心高低不同，而其他因素是相同的。为此，我设计并自制了实验器材：利用三个相同的空矿泉水瓶，中间对穿放置相同丝杠，将三个重螺母（图中涂成红色）调整到高、中、低三个位置，这样结构只有重心高低不同，其他因素是相同的，将三个对比瓶放置在可倾斜的测试平台上，通过倾斜平台，观察瓶子倾倒的顺序，可以直观的对比看出重心高低对结构稳定性的影响程度。
3. 3D打印实验学具，探究重心投影与支撑面的位置关系对结构稳定性的影响
重心投影与支撑面的位置关系也是影响结构稳定性的因素，教材没有设计实验，采用了案例说明。我围绕教学内容和项目载体，设计了趣味性强的探究式实验学具：利用3D打印机打印了“W”型的沙漏架，案例1沙漏无论在W哪一端都不能保持稳定，案例2沙漏处于W的一端时可以保持稳定，另一端不能保持稳定，案例3可以在两端都保持稳定。通过三组实验，让学生去探究，分析原因，再利用结构倾倒重心投影位置实验器演示结构倾倒临界状态时重心投影与支撑面的位置关系，帮助学生科学、直观的获取知识，加深对于知识的理解。
四、实验原理/实验设计思路
影响结构稳定性的因素有多种，如：结构的形状、支撑面的大小、重心的高低、重心投影与支撑面的位置关系等，在教学中，如果只是简单教授知识，那么可利用的实验器材有很多，但如果要进行科学、直观的对比实验，则需要精心设计，采用控制变量法，保证对比结构的其他因素相同，只有一个因素不同，通过演示、探究等方法展开实验教学。
五、实验教学目标
（一）知识与技能
1.理解结构稳定性的概念。
2.理解影响结构稳定性的因素。
3.能应用结构稳定性知识设计结构作品。
（二）过程与方法
经历演示、探究等实验过程，体验结构形状、支撑面、重心等因素对结构稳定性的影响。
（三）情感态度与价值观
养成科学、严谨的探究习惯，感受科学知识在生活中的应用。
六、实验教学内容
1.利用自制三角形、平行四边形结构稳定性实验学具，实验探究结构形状对结构稳定性的影响。
2.利用自制结构重心高低影响结构稳定性对比实验学具，演示重心高低对结构稳定性的影响。
3.利用自制（3D打印）重心与支撑面关系影响结构稳定性探究实验学具，探究重心投影与支撑面关系对结构稳定性的影响。
4.利用结构倾倒重心投影演示器，实验演示重心投影与支撑面位置在结构倾倒临界状态时的位置关系。
七、实验教学过程
（一）创设“真”情境、课题引入
1.教师展示往届学生作品，过程中“不小心”碰到桌子，发现桌子上有的沙漏架翻倒，提出问题：什么是结构的稳定性？
2.教师组织讨论，明确结构稳定性的概念，进而提出新的问题：影响结构稳定性的因素有哪些？
（二）探究加演示、建构新知
1.“玩一玩”：结构形状对结构稳定性影响实验
（1）学生探究实验，对比三角形、四边形结构稳定性，总结实验结论。
（2）提出改进要求，改变四边形结构稳定性，学生动手尝试，通过不同形式的结构形状变化，体验结构形状对结构稳定性的影响，加深实验结论。
2.“猜一猜”：结构重心高低对结构稳定性影响实验
（1）教师介绍实验器材组成：三组相同的空矿泉水瓶、螺母、丝杠。组装好后用纸筒围挡，学生通过摇晃等简单手段判断三个瓶子的结构差别，然后放在测试平台上，猜测翻倒顺序。然后由学生抬高测试平台一端，倾斜平台，做翻倒实验，观察水瓶翻倒顺序。
（2）教师揭晓答案，引导学生重点观察：三个相同的空矿泉水瓶，中间对穿放置相同丝杠，将三个重螺母（图中涂成红色）拧到高、中、低三个位置，结构只有重心高低不同，其他因素是相同的。总结结论，对比结构重心高低对结构稳定性的影响程度。
师生共同总结：结构的重心越低，结构越稳定。
3.重心投影与支撑面位置关系对结构稳定性影响实验
（1）学生探究实验：“W”型沙漏架案例1，无论沙漏处于“W”哪一端位置，都不能稳定，观察分析。以小组为单位，探究其结构不稳的原因，设计提高其稳定性的改进方案。
（2）学生探究实验：“W”型沙漏架案例2，当沙漏处于“W”一端位置时可以稳定，放到另一端时翻倒，观察分析。以小组为单位探究其结构不稳的原因，设计提高其稳定性的再改进方案。
（3）学生实验：“W”沙漏架案例3，沙漏处于“W”两端位置时都可以稳定，观察分析原因。
结论：结构重心投影与支撑面的位置关系对结构稳定性有影响，重心投影应落在支撑面内，结构才稳定。
（4）演示结构倾倒实验：教师展示实验器材，引领学生观察结构重心投影位置，组织实验，验证刚刚得到的结论，重点展示结构重心投影与支撑面在结构倾倒临界状态时的位置关系，加深实验结论。
通过探究和演示实验，得出最终结论：结构重心投影落在支撑面内，结构才稳定，当结构重心投影位于支撑面边缘时，结构即将倾倒。
（三）实践活动、学以致用
教师组织学生进行设计实践，综合稳定性的知识，设计自己的沙漏架作品。
要求：沙漏架结构能稳定放置桌面，能实现沙漏的正立和倒立，打印时间不超过8小时。
（四）交流展示、巩固提升
1.教师组织学生将三维设计模型进行交流展示、评价改进，修改后的设计模型进行3D打印。
2.展示生活中的用品，分析结构是否稳定，分析稳定性因素的考虑情况，找一找设计的不足并提出改进建议，找一找生活中有没有利用结构不稳定的案例。
八、实验效果评价
本节课设计了多组实验来提高学生的兴趣和学习的积极性，使学生能够准确理解并应用影响稳定性的因素，具体效果有：
1.实验科学、效果明显
结构重心高低对结构稳定性影响的对比实验，科学严谨，现象简单明确，说服力强。不仅使学生明白重心高低可以影响结构稳定性，可以直观的看到影响的程度，而且培养学生科学严谨的实验态度和精神，学习科学实验方法，这种培养对学生的成长往往更加重要，对学生的影响是长期的、深远的。
2.趣味探究、突出主体
整个教学过程，以学生为主体，突出其主体作用，提高其学习兴趣，设计了一系列趣味性强的探究实验。
结构重心投影与支撑面的位置关系对结构稳定性的影响探究实验中，采用“W型”作品作为案例分析，让学生自己发现问题，沙漏结构相似，有稳定也有不稳定的情况，通过对比探究的方法，使不容易获得的知识点得有层次，有台阶，学生愿意去探究。案例1“W”作品，沙漏芯在两端结构都不稳定性，案例2放在一端稳定，另一端不稳的，案例3两端都稳定，通过这个趣味性很强的探究实验，让学生把三个案例对比，一步步探究结构稳定或不稳的原因，并在小组内讨论，不仅理解了知识，而且还锻炼了学生的观察、分析能力和创新设计能力。进而采用师生共同实验，得到结构要倾倒临界状态时，结构重心投影与支撑面的确切位置关系，使学生更加深刻的理解知识，养成学生科学严谨的实验态度。
3.围绕载体、学以致用
本节课围绕项目载体3D打印沙漏架引入，通过多种实验建构知识，再将知识应用到3D作品的设计中，学以致用，设计自己的沙漏架作品，提升了学生的物化能力，直接巩固了知识的学习。在提升阶段，引入生活中案例，扩展了视野，培养了学生技术意识和工程思维，将技术知识应用到生活中，将通用技术学科要求的核心素养落到实处。
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