結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性探究

張記存 山東省特級(jí)教師工作坊成員，山東省聊城市莘縣實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué)教師，聊城市評(píng)委專家?guī)斐蓡T，市優(yōu)質(zhì)課一等獎(jiǎng)獲得者，市教學(xué)能手，莘縣優(yōu)秀教師、縣教學(xué)先進(jìn)個(gè)人。先后主持和參與多項(xiàng)省市級(jí)規(guī)劃課題，在2019山東省新教材培訓(xùn)中執(zhí)教公開課，在《中國(guó)信息技術(shù)教育》《中小學(xué)德育》等國(guó)家級(jí)期刊公開發(fā)表多篇論文，在《考試報(bào)》《現(xiàn)代教育報(bào)》等省級(jí)專業(yè)報(bào)紙發(fā)表多篇學(xué)術(shù)文章。輔導(dǎo)的學(xué)生獲得國(guó)家獎(jiǎng)項(xiàng)2人次，省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)50多人次，市級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)數(shù)百人次。

教學(xué)背景

技術(shù)教育是素質(zhì)教育的基本組成部分，是學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)形成的重要途徑，對(duì)實(shí)施國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化和提高全民技術(shù)素養(yǎng)都具有重要的作用，有助于強(qiáng)化學(xué)生手腦并用與知行合一，發(fā)展工程思維和創(chuàng)造能力;有助于學(xué)生圖樣表達(dá)和物化能力的培養(yǎng)，提高解決技術(shù)問(wèn)題的綜合能力;有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)技術(shù)文化的理解，形成良好的技術(shù)理性和個(gè)性品質(zhì)。

本節(jié)課是對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的探究，在講課過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)、實(shí)例展示、討論、小組合作等方式對(duì)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了探究，教師通過(guò)剖析實(shí)際案例講解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，最后的“一展身手”環(huán)節(jié)檢驗(yàn)學(xué)生本節(jié)課的學(xué)習(xí)成果。

教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素;通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生的觀察分析能力和運(yùn)用本節(jié)課知識(shí)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力;通過(guò)對(duì)本節(jié)教材內(nèi)容的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的意識(shí)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生間的相互交流與合作。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 理解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的含義;了解并學(xué)會(huì)分析影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素。

教學(xué)難點(diǎn) 區(qū)分“接觸面”與“支撐面”;運(yùn)用影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素分析來(lái)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。

教學(xué)準(zhǔn)備

教師：教學(xué)課件、重心偏移演示儀。

學(xué)生：每人一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告;一組同等質(zhì)量裝有水的瓶子與裝沙子的瓶子;一組塑料小桌子（桌腿可以移動(dòng)）;一組10支一次性筷子和幾條皮筋;一組20張撲克牌。

教學(xué)過(guò)程

一、新課導(dǎo)入

教師展示黃山飛來(lái)石與W形建筑的圖片，如圖1，提出問(wèn)題：“為什么有些結(jié)構(gòu)看上去傾斜不穩(wěn)，可實(shí)際上卻是穩(wěn)定的呢？”

學(xué)生思考并討論。

教師展示課題：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的探究。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)圖片對(duì)比，吸引學(xué)生興趣，學(xué)生很容易進(jìn)入教學(xué)主題。

二、知識(shí)構(gòu)建

教師用課件展示結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的定義：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在負(fù)載的作用下，維持其原有平衡狀態(tài)的能力。

學(xué)生理解定義，消化并吸收新知識(shí)，建構(gòu)新的知識(shí)地圖。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)舉例幫助學(xué)生理解定義。

三、實(shí)驗(yàn)探究

1.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與重心高低的關(guān)系

師：同等質(zhì)量的裝有水的瓶子與裝沙子的瓶子哪個(gè)更穩(wěn)定？如圖2，請(qǐng)大家仔細(xì)觀察并做記錄。

學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真觀察得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)重心越低越穩(wěn)定。教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，列舉生活實(shí)例論證結(jié)論。

教師展示人爬梯子晃動(dòng)的視頻，以此驗(yàn)證結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐探究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與重心位置高低的關(guān)系，自然得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，水到渠成。

2.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與支撐面的關(guān)系

師：飲料瓶在正立和倒立兩種狀態(tài)下，我們對(duì)其施加同樣的力，哪一種狀態(tài)下飲料瓶更穩(wěn)定？

教師向?qū)W生展示瓶子底部，引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分“接觸面”和“支撐面”，如圖3。接觸面是物體與地面接觸的面，支撐面是物體與地面接觸點(diǎn)的連線與地面形成的面。支撐面面積大于等于接觸面面積。

教師指導(dǎo)學(xué)生親身體驗(yàn)，改變塑料小桌桌子腿的位置，探究結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與支撐面積大小的關(guān)系，如圖4。

它們的接觸面積雖然是相同的，但是形成的支撐面積卻截然不同，接觸面積是紅色四個(gè)腿的面積，支撐面積是藍(lán)色矩形的面積，如圖5。

學(xué)生開始測(cè)試不同支撐面積小桌的穩(wěn)定性，得出結(jié)論：桌面支撐面積越大越穩(wěn)定，越小越不穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生通過(guò)自己的實(shí)踐探索，發(fā)現(xiàn)答案。

3.失去平衡的本質(zhì)

在一名學(xué)生的保護(hù)下，另一名學(xué)生嘗試前傾身體，體驗(yàn)身體前傾時(shí)是否能保持穩(wěn)定。

教師用長(zhǎng)方體木架演示當(dāng)重心超出支撐面后，木架是否傾倒，如圖6。學(xué)生觀看教師演示，得出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提條件：重心所在的垂線落在結(jié)構(gòu)支撐面的范圍內(nèi)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生共同體驗(yàn)探究，不僅享受到實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，而且通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)了失去平衡的本質(zhì)，培養(yǎng)了探究能力。

4.合作探究

師：三角形、四邊形結(jié)構(gòu)的框架形狀哪個(gè)比較穩(wěn)定呢？

學(xué)生動(dòng)手制作三角形、四邊形結(jié)構(gòu)，并比較其穩(wěn)定性，如圖7。

教師總結(jié)：結(jié)構(gòu)的框架形狀不同，其穩(wěn)定性也不同，一般三角形框架結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

5.知識(shí)拓展

師：除了穩(wěn)定性，生活中還有哪些不穩(wěn)定性的應(yīng)用呢？

學(xué)生思考并討論。

教師總結(jié)：伸縮門、折疊椅、升降臺(tái)、活動(dòng)掛架等都是不穩(wěn)定性的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維和創(chuàng)新意識(shí)。

6.一展身手

教師給每組學(xué)生準(zhǔn)備20張撲克牌，要求他們合作擺出一種撲克牌結(jié)構(gòu)。擺出的結(jié)構(gòu)不限，但不能借助其他工具（如透明膠、工具等），且要能承受一個(gè)鉤碼的重量，堆得最高并且能堅(jiān)持10秒的小組獲勝。

學(xué)生以小組為單位完成設(shè)計(jì)并展示，如圖8，展示過(guò)程中說(shuō)出理論依據(jù)，加深對(duì)課題的理解。

四、課后拓展

教師簡(jiǎn)單地回顧本節(jié)課內(nèi)容，幫助學(xué)生消化課堂教學(xué)知識(shí)，并布置作業(yè)：每位學(xué)生回家用雞蛋自制一個(gè)簡(jiǎn)單的不倒翁。鞏固和升華學(xué)生掌握的知識(shí)，讓學(xué)生將所學(xué)應(yīng)用于生活。

教學(xué)反思

本課采用了啟發(fā)式和探究式的教學(xué)方法，教學(xué)過(guò)程中充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，探究實(shí)驗(yàn)、實(shí)例展示、討論、小組合作等教學(xué)方式的靈活運(yùn)用，讓學(xué)生的主體地位得以充分表現(xiàn)，體現(xiàn)了“教師引導(dǎo)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究”的教學(xué)理念。整堂課學(xué)生參與度高、氣氛活躍、寓教于樂(lè)，學(xué)生在各種教學(xué)活動(dòng)中提煉知識(shí)點(diǎn)，并把學(xué)到的知識(shí)用于解決實(shí)際的生活問(wèn)題。