基于“結構與設計”主題的教學策略研究

田馨銘 何鳳娟

摘要：認識結構、探究結構、實踐結構設計，是“結構與設計”主題的教學思路，體現了“學中做”基本理念。通過對近幾年實際教學過程中存在問題的探究，深挖“結構與設計”內涵，較為科學地找到“結構與設計”主題教學策略，以期適應新一輪課程改革，把學科核心素養落到實處。

關鍵詞：結構與設計 ?做中學 ?翻轉課堂 ?核心素養

技術產品的設計離不開結構設計。認識結構、探究結構、實踐結構設計，是“結構與設計”主題的總體教學思路，體現了“學中做”的基本理念。教學中，如何采用合適的策略與方法，引導學生構建結構的穩定性和強度等相關知識，學會運用知識分析與解決結構設計問題，成為通用技術教師的研究課題。

一、存在的問題——“結構與設計”主題教學環節不完整

在“簡單結構的設計”教學中開展“學中做”活動時，部分教師未能體現“技術與設計1”中的“設計的一般過程”，缺少結構的強度和穩定性的測試、評估和優化環節。大部分教師通常用兩個課時來安排本節內容的教學：第一課時的教學主題為“結構設計應考慮的主要因素”;第二課時開展“學中做”實踐活動，利用“簡單結構的設計案例”教學內容作為“學中做”實踐內容進行教學活動。由于課時少，實踐過程中沒有進行結構強度和穩定性測試環節，造成學中做活動中設計過程中基本環節的部分缺失。“技術與設計1”中的設計思想以及本模塊中的第二節“穩固結構的探析”方法得不到完整體現。

二、認真研究教材，正確理解有關結構的基本概念

結構及其設計具有大量和復雜的專業知識，通用技術教師應在深入研讀課程標準和教材的基礎上掌握好結構的基本概念。

1.知道結構的一般含義

教學中首先要讓學生了解一般意義上的結構概念，知道結構是“事物各部分的有序搭配和排列”，這是后續教學的前提和基礎，并知道結構的主要特性：

①結構是事物存在和區分的主要形式，正是結構的不同決定了事物的區別;

②結構影響事物的性質;

③結構影響事物的功能，例如，雖然三角形框架和三節棍的組成構件基本相同，但由于它們的結構不同，因而具有完全不同的使用功能。

2.理解力學意義上結構概念及其相關基本知識

通用技術課的有關結構主要指力學意義的結構，即產品和工程意義上的客觀物質結構，它是“結構與設計”主題的核心和重要內容，也是教學評價常常涉及的主要內容，包含一些基本概念和基本知識，是后續結構設計的理論指導基礎。

①要讓學生理解力學意義上的結構含義。力學意義上的結構是指可承受和傳遞荷載且起骨架作用的架構形態，它可以抵抗引起形狀和大小改變的外力。

②讓學生理解結構的基本受力類型及其物理學科中物體受力分析的區別。在教學中，學生往往帶著科學領域中物理學科的受力分析思維，認識和理解技術領域中結構的基本受力類型和受力分析，這就需要理解結構的基本受力類型及其與物理學科中物體受力分析的區別。

具體來說，結構的基本受力類型有拉力、壓力、彎曲力、扭轉力、剪切力。物理學科中的物體受力分析，通常把研究對象當作剛體，研究物體所受外力與物體運動的關系。技術領域中的結構受力分析，主要用于分析結構在外力作用下，力傳遞到構件內部而引起的結構形狀的改變情況。在教材中，雖然有部分受力類型名稱在兩個學科領域中的表達相同，但在分析問題方面有很大區別，結構的受力分析主要強調受力效果。

如圖1中的橫梁在重物和支點共同作用下主要受“彎曲力”作用，產生彎曲效果。而學生往往受物理受力思維影響把它判斷為受“壓力”。

圖1③正確理解結構強度和穩定性。結構強度和穩定性既是結構的兩個不可分割的重要屬性，也是研究結構問題需要考慮的主要因素。教學中往往出現對結構強度和穩定性概念闡述不正確或只做簡單粗略講解的現象，而教師務必將這兩個關于結構的核心問題的區別和聯系講解清楚，否則會對后續教學和評價帶來影響。

結構的穩定性是指結構在荷載作用下維持其原有平衡狀態的能力，主要與重心位置、支撐面積、形狀、重量等因素有關。穩定性著重研究結構整體與所處空間位置關系變化的問題。

結構的強度是指結構具有的抵抗外力破壞的能力，主要與材料、形狀、連接方式等因素有關。強度著重研究結構本身在外力作用下是否容易變形或被破壞的問題。構件的強度通常用“應力”定量描述，應力是指構件單位橫截面積上所產生的內力，用公式表達為：σ=F/S，其中，F為內力，S為橫截面積，σ為應力。

3.“結構與設計”主題教學中容易出現的問題

①常把“接觸面積”與結構的“支撐面積”混淆。支撐面積是指結構與支撐面所圍成的總面積，而接觸面積是指結構與支撐面直接接觸部分的面積，通常情況下支撐面積要大于接觸面積。如圖2所示的椅子，它與地面構成的支撐面積是指四條椅子腿與地面圍成的矩形區域面積（圖3中黑色和灰色部分），接觸面積僅指四條椅子與地面直接接觸部分的面積（見圖4中黑色部分）。

圖2 ? ? ? ?圖3②對部分典型結構穩定性和強度的錯誤理解。從穩定角度理解三角形框架和不倒翁（見圖4）兩種典型結構，部分學生甚至有部分老師把它們理解或解釋為“穩定強”的結構。這主要是由于對“穩定性”和強度概念缺乏清晰認識，并用數學思維認識結構（主要指三角形結構）所造成的錯誤理解。

圖4對三角形框架的正確理解應該是，它是“強度高”的結構，而非“穩定性強”的結構。這主要是因為三角形的結構形狀決定了它不易變形（除材料因素外），而是否容易變形或破壞屬于強度問題。

對于不倒翁的正確理解是，它不是穩定性強的結構。穩定性是指結構在荷載的作用下維持其原有平衡狀態不變的能力。不倒翁雖然重心低，但它的支撐面積很小，很容易在外力作用下改變原有平衡狀態（晃動），因此不倒翁不是穩定性強的結構（它只是恢復原有狀態的能力比較強）。

三、正確把握結構主題的教學策略

1.借助翻轉課堂教學模式上好起始課

借助翻轉課堂教學模式讓同學們“認識結構”，通過課堂上的交流互動，讓學生知道結構是普遍存在的，尤其是要讓學生深刻領會到人類通過對自然領域各種結構的觀察、分析和研究，將其成果應用到技術領域，以更好地服務人類。

2.在探究實踐中理解和建構結構的基本概念和基礎知識

在“結構與設計”主題中，需要通過探究實踐建構的基本概念和基本知識主要有：結構的受力類型、結構類型、結構穩定性及其影響因素、結構強度及其影響因素等。

以結構穩定性為例，探究實踐教學策略：

①準備合適的教具、學具。合適的教具、學具是實現探究實踐教學的基本條件和物質保障。通常教師可以選擇學生熟悉、易獲得、易操作、使用安全的常見生活用品或學習用品進行穩定性探究教學，如礦泉水瓶、易拉罐、粉筆、砝碼等。利用這些物品可以來探究重心位置、支撐面積、重量等穩定性影響因素。

②巧妙引入新課。可以通過教具、學具或多媒體等手段，營造結構穩定性教學情境，巧妙地引入穩定性問題。比如，可以利用雞蛋、砝碼演示結構穩定性的不同，從而引導學生對穩定性概念及影響因素進行探究。

③自主設計實施探究實驗。在老師的引導和主導下，學生利用現有的教具、學具，針對需探究的因素，自主進行有目的的探究實驗。在實驗過程中，要提醒學生注意觀察、收集和記錄實驗數據或現象，并在此基礎上分析和總結影響結構穩定性的主要因素。

④知識應用。在分析穩定性影響因素探究結果的基礎上，用所探究的知識分析解釋生活中穩定性問題或案例。這一教學環節是知識鞏固和應用的過程，可以用于檢驗和反饋教學效果。

3.實踐好結構設計過程

學生通過基本概念和基本知識學習，將其應用于設計實踐。在本教學環節中應注意以下問題。

①要與“技術與設計1”中的設計實踐相區別

“技術與設計1”設計實踐的教學目的，是經歷設計制作過程，體驗設計的一般過程，通過“做中學”領悟設計的一般思想方法。“技術與設計2”結構設計實踐的教學目的，是通過“學中做”有針對性或有側重地進行專題性設計，它的針對性或側重點主要有結構的穩定性和強度問題，以及由此延伸的重心、支撐面、形狀、材料、連接等問題。教學過程不能重復“技術與設計1”，或簡單地用“技術與設計1”的設計實踐替代“技術與設計2”的結構的設計實踐。

②設計載體的選擇要充分體現結構設計的特點

設計載體的選擇要體現結構特點。如簡易相片架、簡易書架、簡易文具架等都是合適的設計載體。從力學角度理解，它們就是能承受一定外力的結構框架。因此在選擇制作材料時，要考慮材料的強度和可加工性，以及能實現的連接方式，如釘子連接、榫接、鉸接等，從而盡可能體現結構穩固性的設計因素。

參考文獻：

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[2]葉黔.結構力學[M].北京：科學出版社，2009.

[3]林宏華，陳長亞.直擊新課程學科教學疑難（通用技術）[M].教育科學出版社，2015.

責任編輯：黃大燦