常见结构的认识

常见结构的认识
教学目标：
1. 能说出结构的含义，辨析结构的类型，理解结构与功能的关系。
2. 了解结构的基本受力变形形式，会分析简单结构的变形形式。
重点：结构的含义、受力产生的形变基本形式、结构类型及特点。
难点：结构受力与形变分析。
教材分析：在必修一《设计的一般过程》中，涉及到便携式小凳的结构设计，是用。。。（物
质）材料，加工成。。。样式的部件，用。。。方法连接成。。。形状。重在材料选择和结构形状
的设计。在本节内容中，重在理解结构的含义、在外力作用下的基本变形形式、辨识类型。
结构受外力作用时，应力与形状改变情况往往很复杂（难度超过高一物理，力学中物体的受
力分析），此处宜简，新版本在本节内容中删除了应力概念，放在下一节内容《探析结构强
度》中提出，也不作过难的分析讲解。这种处理符合学生学情（高一学生的认知水平）。
设计思想：
1. 渗透三大核心素养：技术意识、工程思维和创新能力。
2. 依此组织若干教学材料。尤其是平时留意的一些事物。
(1) 动物建筑物的结构设计：小小的蜘蛛、燕子等动物的形态、它们的建筑物，它们需
要选址（环境科学）、测量（数学计算与测绘）、设计（胸有成竹、省略了绘图软件
和尺规纸笔）、选用材料、制造材料（材料科学）、建造（物体能力，制造业技术工
艺），它们结构有区别、功能不同，都体现了其工程思维、创新意识，也表现出了
它们的工匠精神。这些结构设计体现了哪些设计原则？哪些性质？这些动物是怎样
学习、传承技术的？值得我们学习吗？
(2) 鸡蛋的强度试验：许多生物产蛋，蛋为什么是壳体结构？否则会怎样？学生天天吃
蛋而无视蛋的结构及其重要的功能，通过试验（集体协作压爆鸡蛋，比定量测试产
生的效应更好）提高技术意识，体会到技术处处存在，那么重要而有趣。
(3) 水车结构的观察与研究：看似简单，每个学生都能参与讨论。其实可以步步深入：
材料强度、性能处理、环境适应、使用寿命、构件尺寸、连接方式、如何传力、如
何运转、性价比、功能拓展需要怎样的结构补充，甚至于重新设计提水装置。有兴
趣的同学可收获更多。
器材准备：图片、视频（课堂上可现场操作，不需要视频）、薄板和杆件（不限材料）鸡蛋、
乒乓球、瓶盖、木板（约20mmx20mmx10mm，锥形瓶（装好有色液体和瓶塞导管）
教学过程：
一． 感知丰富的结构
“结构”一词在许多语境中都有使用：
 文章的结构、汉字的结构
 学生会的组织结构
 深圳市的人口结构、产业结构
 原子结构、分子结构、细胞结构
 人体结构
 房屋结构、桥梁结构
 ……
以上语境包括社会领域、技术领域和自然界。
结构：是指组成事物的组成部分的有序搭配与排列。由于搭配与排列方式千差万别，所
以世界上的事物多种多样。事物的结构决定着事物存在的性质。

实例1：蜂房为整齐划一的六边形，工整、用料少、质轻、坚固、空间大。
实例2:燕子选址筑巢，巧用三角、利用空间。
实例3：动物谜语:
南阳诸葛亮,
稳坐中军帐,
摆起八卦阵,
单捉飞来将。
(打一动物)
谜底：蜘蛛
蜘蛛网是动物世界极为了不起的创造发明。人类受到启发，设计了许多网状产品。

观察与讨论
 观察水车的结构（构件材料、形状、尺寸、连接）。
 判断河水流向？能开发水车更多用途吗？
 如果磨房离得比较远怎么办？
 如果水的流速变小，水车就不能自动提水灌溉了，怎么办呢？
 水车在竖直平面内转动，能否以此为动力，得到其它方向的圆周运动或直线运动？
 还可以研究哪些问题？
二． 认识结构的受力
结构：从力学角度看，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。
1.构件：通常将结构的组成部分称为构件。
2.构件受力与变形：一个设计合理的结构应该能承受正常使用时外界的各种作用力，抵
抗各种形变。分析结构受力，首先要清楚组成结构的构件受到哪些力的作用，其次要清楚在
这些力的作用下，构件能否安全、可靠地工作，也就是对构件进行承载能力的分析。（解说
图片，播放视频（选自教材配套光盘《认识结构的受力》）
试一试：
 如果由你采摘荔枝、柑桔和椰子，你会选择什么工具？
 如果没有工具呢？
 用手拉拽？
 摇晃？
 扭转？
 用牙咬？
三． 辨析结构的类型：有不同的分类方法。按形态，通常可分为以下三种。
1.实体结构:结构体本身是实心。能承受大的压力。
 大坝、墙体、粗的柱、家具厚的板、粗的腿等。

2.框架结构:通常由细长的构件组成。其构件的几何特征是截面比长度小得多。能用少
量材料得到大的空间，能承受压力和拉力。
 生产生活中的绝大多数设备和用品采用了框架结构。

3.壳形结构：层状的结构，内外曲面间厚度比其它尺寸小得多。壳体受力，可沿壳形方
向传递分散。壳形结构的优势：使得结构体（国家大剧院）强度高、跨度大、省材料、外形
美观。
 许多植物的果实有坚硬的外皮做保护层，花生、瓜子、板栗等坚果都是壳形结
构，西瓜、椰子、龟、贝类都是壳形结构。
 国家大剧院依靠椭球形的壳形结构支撑，得到巨大的内部空间。
技术试验：
1. 锥形瓶的微小形变实验(师生互动探讨）：曲面比平面的大，所以汽车的挡风玻
璃、车身设计成曲面的，有防爆防冲撞等强度优势。
2. 鸡蛋压暴试验：
(1) 问：鸡生蛋为什么要生成蛋的形状而不是其它形状？是经过“设计”的吗？
(2) 激：有人踩鸡蛋或灯泡表演轻功，本节课后，你也可以练就神奇的“轻功”！
(3) 抛蛋、敲蛋试验：老师演示。
(4) 鸡蛋压爆试验：学生合作、定性试验。
3. 试验后：
(1) 有信心表演“轻功”吗？
(2) 能策划一次“最强鸡蛋”比赛吗?
① 如何选蛋？蛋的强度与哪些因素有关？
② 怎样设计比赛装置？
③ 怎样评分？
四．结语：
1.结构与结构设计：通过理化生学科的学习，可知，物质的微观结构决定了宏观物质的
性质和功能。人类分析、研究自然界的各种结构，在技术领域中设计出了许许多多精妙的、
具有各种功能的产品。技术领域中的结构设计，可认为是采用恰当的构件连接成某种形状的
架构形态。
2.结构设计必须合理：各种产品设备有实实在在的结构，在应用中受到外力作用时，决
不可以等同于物理学上的质点，结构的设计一定要合理，使之正常使用时能抵抗外力产
生的形变（形变范围应满足设计要求）。
3.结构分类及应用：结构有不同分类方法。实体结构、框架结构和壳体结构各有其特点，
往往根据需求组合使用。