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視頻標(biāo)簽：微課,無生課堂,結(jié)構(gòu)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(guó)高中通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)微課（無生課堂）視頻《結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性》北京

教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂實(shí)錄及教案：第五屆全國(guó)高中通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)微課（無生課堂）視頻《結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性》北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)高中通用技術(shù)

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性
北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)韓英魁
一、使用教材
2014年地質(zhì)出版社《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》 第一章第三節(jié)“結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性”。
二、實(shí)驗(yàn)器材
自制三角形、四邊形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)學(xué)具、自制重心高低影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)學(xué)具、自制傾斜測(cè)試平臺(tái)、自制（3D打印）重心投影與支撐面關(guān)系影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)學(xué)具、結(jié)構(gòu)傾倒重心投影位置實(shí)驗(yàn)器材等。
三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)/改進(jìn)要點(diǎn)
 1.自制“可自由組合的框架結(jié)構(gòu)”，實(shí)驗(yàn)演示結(jié)構(gòu)形狀對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響
結(jié)構(gòu)形狀是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素之一，學(xué)生能夠理解同種材料和連接方式下，三角形結(jié)構(gòu)比四邊形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，教材僅簡(jiǎn)單分析了三角形和四邊形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但如果結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，學(xué)生理解應(yīng)用起來就比較困難，我設(shè)計(jì)自制了一組可自由組合的框架結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種形狀變換，可供學(xué)生探究、教師演示。

2.自制對(duì)比實(shí)驗(yàn)學(xué)具，對(duì)比結(jié)構(gòu)重心高低對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響
結(jié)構(gòu)重心的高低是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，對(duì)于知識(shí)點(diǎn)本身，學(xué)生理解起來難度不大，教材沒有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，僅僅用案例說明，但是學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解往往停留在表面，結(jié)構(gòu)重心的高低對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的程度到底有多大，不容易對(duì)比展示，因?yàn)橛绊懡Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有多種，需要采用控制變量法，對(duì)比時(shí)要保證對(duì)比結(jié)構(gòu)的重心高低不同，而其他因素是相同的。為此，我設(shè)計(jì)并自制了實(shí)驗(yàn)器材：利用三個(gè)相同的空礦泉水瓶，中間對(duì)穿放置相同絲杠，將三個(gè)重螺母（圖中涂成紅色）調(diào)整到高、中、低三個(gè)位置，這樣結(jié)構(gòu)只有重心高低不同，其他因素是相同的，將三個(gè)對(duì)比瓶放置在可傾斜的測(cè)試平臺(tái)上，通過傾斜平臺(tái)，觀察瓶子傾倒的順序，可以直觀的對(duì)比看出重心高低對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度。

3. 3D打印實(shí)驗(yàn)學(xué)具，探究重心投影與支撐面的位置關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響
重心投影與支撐面的位置關(guān)系也是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，教材沒有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采用了案例說明。我圍繞教學(xué)內(nèi)容和項(xiàng)目載體，設(shè)計(jì)了趣味性強(qiáng)的探究式實(shí)驗(yàn)學(xué)具：利用3D打印機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生去探究，分析原因，再利用結(jié)構(gòu)傾倒重心投影位置實(shí)驗(yàn)器演示結(jié)構(gòu)傾倒臨界狀態(tài)時(shí)重心投影與支撐面的位置關(guān)系，幫助學(xué)生科學(xué)、直觀的獲取知識(shí)，加深對(duì)于知識(shí)的理解。

四、實(shí)驗(yàn)原理/實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路
影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有多種，如：結(jié)構(gòu)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(guān)系等，在教學(xué)中，如果只是簡(jiǎn)單教授知識(shí)，那么可利用的實(shí)驗(yàn)器材有很多，但如果要進(jìn)行科學(xué)、直觀的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，則需要精心設(shè)計(jì)，采用控制變量法，保證對(duì)比結(jié)構(gòu)的其他因素相同，只有一個(gè)因素不同，通過演示、探究等方法展開實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)
（一）知識(shí)與技能
1.理解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的概念。
2.理解影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。
3.能應(yīng)用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性知識(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)作品。
（二）過程與方法
經(jīng)歷演示、探究等實(shí)驗(yàn)過程，體驗(yàn)結(jié)構(gòu)形狀、支撐面、重心等因素對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
（三）情感態(tài)度與價(jià)值觀
養(yǎng)成科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄苛?xí)慣，感受科學(xué)知識(shí)在生活中的應(yīng)用。
六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
1.利用自制三角形、平行四邊形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)學(xué)具，實(shí)驗(yàn)探究結(jié)構(gòu)形狀對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
2.利用自制結(jié)構(gòu)重心高低影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)學(xué)具，演示重心高低對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
3.利用自制（3D打印）重心與支撐面關(guān)系影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性探究實(shí)驗(yàn)學(xué)具，探究重心投影與支撐面關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
4.利用結(jié)構(gòu)傾倒重心投影演示器，實(shí)驗(yàn)演示重心投影與支撐面位置在結(jié)構(gòu)傾倒臨界狀態(tài)時(shí)的位置關(guān)系。
七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程
（一）創(chuàng)設(shè)“真”情境、課題引入
1.教師展示往屆學(xué)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性？

 
2.教師組織討論，明確結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的概念，進(jìn)而提出新的問題：影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有哪些？
（二）探究加演示、建構(gòu)新知
1.“玩一玩”：結(jié)構(gòu)形狀對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響實(shí)驗(yàn)
（1）學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，對(duì)比三角形、四邊形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
（2）提出改進(jìn)要求，改變四邊形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，學(xué)生動(dòng)手嘗試，通過不同形式的結(jié)構(gòu)形狀變化，體驗(yàn)結(jié)構(gòu)形狀對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，加深實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.“猜一猜”：結(jié)構(gòu)重心高低對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響實(shí)驗(yàn)
（1）教師介紹實(shí)驗(yàn)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(xué)生通過搖晃等簡(jiǎn)單手段判斷三個(gè)瓶子的結(jié)構(gòu)差別，然后放在測(cè)試平臺(tái)上，猜測(cè)翻倒順序。然后由學(xué)生抬高測(cè)試平臺(tái)一端，傾斜平臺(tái)，做翻倒實(shí)驗(yàn)，觀察水瓶翻倒順序。
（2）教師揭曉答案，引導(dǎo)學(xué)生重點(diǎn)觀察：三個(gè)相同的空礦泉水瓶，中間對(duì)穿放置相同絲杠，將三個(gè)重螺母（圖中涂成紅色）擰到高、中、低三個(gè)位置，結(jié)構(gòu)只有重心高低不同，其他因素是相同的。總結(jié)結(jié)論，對(duì)比結(jié)構(gòu)重心高低對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度。

師生共同總結(jié)：結(jié)構(gòu)的重心越低，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。
3.重心投影與支撐面位置關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響實(shí)驗(yàn)
（1）學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)：“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(jié)構(gòu)不穩(wěn)的原因，設(shè)計(jì)提高其穩(wěn)定性的改進(jìn)方案。

（2）學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)：“W”型沙漏架案例2，當(dāng)沙漏處于“W”一端位置時(shí)可以穩(wěn)定，放到另一端時(shí)翻倒，觀察分析。以小組為單位探究其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)的原因，設(shè)計(jì)提高其穩(wěn)定性的再改進(jìn)方案。

（3）學(xué)生實(shí)驗(yàn)：“W”沙漏架案例3，沙漏處于“W”兩端位置時(shí)都可以穩(wěn)定，觀察分析原因。

結(jié)論：結(jié)構(gòu)重心投影與支撐面的位置關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有影響，重心投影應(yīng)落在支撐面內(nèi)，結(jié)構(gòu)才穩(wěn)定。
（4）演示結(jié)構(gòu)傾倒實(shí)驗(yàn)：教師展示實(shí)驗(yàn)器材，引領(lǐng)學(xué)生觀察結(jié)構(gòu)重心投影位置，組織實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證剛剛得到的結(jié)論，重點(diǎn)展示結(jié)構(gòu)重心投影與支撐面在結(jié)構(gòu)傾倒臨界狀態(tài)時(shí)的位置關(guān)系，加深實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

通過探究和演示實(shí)驗(yàn)，得出最終結(jié)論：結(jié)構(gòu)重心投影落在支撐面內(nèi)，結(jié)構(gòu)才穩(wěn)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)重心投影位于支撐面邊緣時(shí)，結(jié)構(gòu)即將傾倒。
（三）實(shí)踐活動(dòng)、學(xué)以致用
教師組織學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，綜合穩(wěn)定性的知識(shí)，設(shè)計(jì)自己的沙漏架作品。
要求：沙漏架結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定放置桌面，能實(shí)現(xiàn)沙漏的正立和倒立，打印時(shí)間不超過8小時(shí)。
（四）交流展示、鞏固提升
1.教師組織學(xué)生將三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行交流展示、評(píng)價(jià)改進(jìn)，修改后的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行3D打印。
2.展示生活中的用品，分析結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，分析穩(wěn)定性因素的考慮情況，找一找設(shè)計(jì)的不足并提出改進(jìn)建議，找一找生活中有沒有利用結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的案例。
八、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)
本節(jié)課設(shè)計(jì)了多組實(shí)驗(yàn)來提高學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生能夠準(zhǔn)確理解并應(yīng)用影響穩(wěn)定性的因素，具體效果有：
1.實(shí)驗(yàn)科學(xué)、效果明顯
結(jié)構(gòu)重心高低對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，現(xiàn)象簡(jiǎn)單明確，說服力強(qiáng)。不僅使學(xué)生明白重心高低可以影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以直觀的看到影響的程度，而且培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度和精神，學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，這種培養(yǎng)對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)往往更加重要，對(duì)學(xué)生的影響是長(zhǎng)期的、深遠(yuǎn)的。
2.趣味探究、突出主體
整個(gè)教學(xué)過程，以學(xué)生為主體，突出其主體作用，提高其學(xué)習(xí)興趣，設(shè)計(jì)了一系列趣味性強(qiáng)的探究實(shí)驗(yàn)。
結(jié)構(gòu)重心投影與支撐面的位置關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響探究實(shí)驗(yàn)中，采用“W型”作品作為案例分析，讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題，沙漏結(jié)構(gòu)相似，有穩(wěn)定也有不穩(wěn)定的情況，通過對(duì)比探究的方法，使不容易獲得的知識(shí)點(diǎn)得有層次，有臺(tái)階，學(xué)生愿意去探究。案例1“W”作品，沙漏芯在兩端結(jié)構(gòu)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(gè)趣味性很強(qiáng)的探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生把三個(gè)案例對(duì)比，一步步探究結(jié)構(gòu)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(shí)，而且還鍛煉了學(xué)生的觀察、分析能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。進(jìn)而采用師生共同實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)構(gòu)要傾倒臨界狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)重心投影與支撐面的確切位置關(guān)系，使學(xué)生更加深刻的理解知識(shí)，養(yǎng)成學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度。
3.圍繞載體、學(xué)以致用
本節(jié)課圍繞項(xiàng)目載體3D打印沙漏架引入，通過多種實(shí)驗(yàn)建構(gòu)知識(shí)，再將知識(shí)應(yīng)用到3D作品的設(shè)計(jì)中，學(xué)以致用，設(shè)計(jì)自己的沙漏架作品，提升了學(xué)生的物化能力，直接鞏固了知識(shí)的學(xué)習(xí)。在提升階段，引入生活中案例，擴(kuò)展了視野，培養(yǎng)了學(xué)生技術(shù)意識(shí)和工程思維，將技術(shù)知識(shí)應(yīng)用到生活中，將通用技術(shù)學(xué)科要求的核心素養(yǎng)落到實(shí)處。

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