第二章 技术与设计2概述第一节　结构与设计

第二章 技术与设计2

 

概述

　　本模块是在《技术与设计1》的基础上的具有典型意义的专题性技术与设计的教学内容，是普通高中通用技术课程的第二个必修模块。

　　本模块共设结构与设计、流程与设计、系统与设计和控制与设计四个主题。模块-主题结构如下图。

 

　　模块的四个主题是技术领域中具有典型意义的教学内容。其典型意义在于，首先，它们既有专业技术的内涵，又有通用技术的特性，也就是说，这些专门的技术，就像工具一样，可以在不同的技术行业中应用。其次是他们所体现的技术设计的思想和方法，不仅是解决技术问题是钥匙，还可以向其它领域迁移，对人的一生都会产生积极的影响。“结构与设计”虽指向力学结构的理解、分析和设计，结构与功能的关系的讨论却是各类技术设计不可少的，“流程与设计” 讨论流程和流程的改进设计，改进的思想和方法同样是技术设计的共性，“系统与设计”则重于对系统的理解，以及运用系统思想解决实际生活中的设计，“控制与设计”重在理解和运用控制，解决生活生产中的问题。这些内容构成了技术素养的重要组成部分。

　　模块四个主题的内容相对独立，教学中可以调换顺序，但它们又相互呼应具有内在的联系。结构总是和系统相联的，结构是系统的结构，是系统的组成形式，也是系统功能的依据；流程可以说是工程系统或工作系统按时间顺序的描述；控制本身是一个系统，它也是对系统状态所施加的干预。从总体上把握各单元的内在联系，有助于理解本模块所体现的思想和方法所具有的普适性。

第一节　结构与设计

相关课程标准：

　　1、了解结构的涵义,能从力学的角度理解结构的概念和一般分类

　　2、能结合1～2种简单的结构案例,分析结构是如何承受应力的

　　3、能通过技术试验分析影响结构的强度和稳定性的因素,并写出试验报告

　　4、能确定一个简单对象进行结构设计,并绘制设计图纸,做出模型或原型

　　5、能从技术和文化的角度欣赏并评价典型的结构设计

 

一、内容结构图

 

二、内容及其要求

学习内容	学习结果的行为指标（当学生获得这种学习结果时，他们能够：）	表现水平
结构的概念	·知道结构的一般概念 ·从力学角度说出结构的概念	Ⅰ
		Ⅰ
结构的分类	·结合实例从力学角度说出结构的一般类型	Ⅰ
结构的应力	·知道应力的概念 ·通过实例说出简单结构如单杠、堤坝等所承受的力	Ⅰ
结构的强度	·知道结构强度的概念 ·说出影响结构的强度的主要因素 ·通过简单的技术试验，分析影响结构强度的主要因素，写出试验报告	Ⅱ
结构的稳定性	·知道稳定性的概念 ·说出影响结构的稳定性的主要因素 ·结合简单的技术试验，分析影响结构稳定性的主要因素，写出试验报告	Ⅱ
确定结构设计方案	·确定简单的结构设计对象，提出结构设计的功能、强度、稳定性等要求 ·说出结构设计应该考虑的因素，如功能、安全、创新、成本和工艺等 ·构思出2至3种结构设计方案，并做出优化选择	Ⅱ
绘制简单结构设计草图	·绘制出设计方案的结构草图	Ⅱ
做出模型或原型	·选定一种优化的结构设计方案，运用身边材料和工具，制作模型或者原型	Ⅱ
技术角度欣赏	·从结构的功能、强度、稳定性创新、成本和工艺等角度，对结构设计的优缺点进行评析	Ⅰ
文化角度欣赏	·从历史、民俗和审美等角度，欣赏典型的结构设计	Ⅰ

 

三、重难点分析

（一）重点分析

　　1、力学角度的结构涵义和结构的分类。从力学角度认识结构的概念和结构的分类是结构设计的基础。对不同类型结构的受力特点分析，有助于从本质上把握结构设计的核心。

　　2、简单结构的受力。分析简单结构的受力情况，是分析结构的稳定性和结构强度的重要基础，是设计稳固结构的重要前提。

　　3、分析影响结构的强度和结构的稳定性的主要因素。理解和分析结构的强度和稳定性，有助于在结构的设计中正确选择设计方案包括形状造型、大小、材料。

（二）难点分析

　　1、简单结构所受应力分析。对生活中常见结构所受的应力作定性分析,以说明结构如果抵抗能引起形状和大小改变的力。所提到的5种结构的基本受力形式如拉力、压力、剪切力、弯曲力和扭转力在中学物理中并没过多涉及，故不要求让学生作定量分析,也不要求画结构的受力图。

　　2、通过技术试验分析结构的强度和结构的稳定性。通过简单的技术试验对结构的强度和稳定性进行分析，以直观的描述影响结构的强度和稳定性的因素。测试结构的强度和稳定性的技术试验需要师生共同设计。

　　3、简单结构的设计。选择一个简单的设计对象,进行结构设计并制作模型或原型。这是本主题学生学习结果的外化，体现了对结构设计的理解、创新。

 

四、教学建议

（一）结构的涵义

　　1.结构是一个十分重要的概念，它在多种领域中都有体现。因此建议先从广义上介绍什么是结构，让学生初步认识结构的地位和价值 。这对于学生进一步学习力学结构是有帮助的，而且也有助于的知识迁移。

　　课例：结构”一词，对同学们来说可能并不陌生。请同学们想一想，在学习其它课程中，有哪些课程提到过“结构”？对！；在生物课中提到过：人体的结构；在政治课里有社会结构；在化学和物理中，有物质结构、分子结构、原子结构，在语文课里接触过：文章的结构，在地理课中有地质结构。看来，世界上的事物，大到宇宙，小到原子、分子；物质的，非物质的，都有其自身的结构。仅管它们各自的具体内容不一定相同，但是，它们的本质涵义却是相同的。现在，我请同学们根据不同事物的结构，给“结构”归纳出一个总的表述。

　　对！“结构是指事物内部的组成、排列及其相互之间的关系”。
　　为什么要学习结构？
　　在人们对系统进行研究时，进一步发现了结构和系统的功能有着紧密的关系。也就是说，系统的功能对其结构有着绝对的依赖性。所以有人说，结构不仅是事物存在的形式，更是事物特性的依据。
　　在自然界，相同的物质，不同的结构，表现出不同特性的现象处处可见：
　　——同样是水，有液态、气态、固态；
　　——同样是碳，但有最硬的固体金刚石和最软的固体石墨存在；
　　——同样是磷，有三价磷和五价磷，它们的非金属性是有差别的；
　　——同样的六个字：“这个人表现好”，“这个人好表现”但因排列不同，就成了一褒一贬。
　　——用同样的制作材料，做出来的结构不同的小凳，就会有不同的特性，有的稳定，的就不稳定。（图略）
　　——同样的三根棍，首尾相连，就成了武术器械“三节棍”，如将三根棍的一端连在一起就变成了可用来照相和测量的“三角架”。（图略）
　　
　　从以上事例，我们看到结构是如何的重要，结构不合理，就会产生严重的后果。 教材中(004页)列举了一个典型的事例，就是加拿大的魁北克大桥的坍塌，请同学们读读这段文字。并谈谈感想。

　　2.在介绍力学（ 工程）结构的涵义时，一定要强调，一个力学结构其主要特征是能承受和传递载荷。

　　强调要点：什么是力学结构？它实际就是“施力体”和“支撑”之间的构件安排。它的作用就是将“施力体”施加在结构上的载荷传递到支撑上，而本身不被破坏。这里特别要强调，在工程上受力的物体（结构）在承受外力时，和物理上讲的受力体不一样，它本身是要产生变形的，变形到一定程度，结构就会破坏。这是力学结构要考虑的核心问题。

　　3. 在讲结构的分类时，建议先简单介绍一下载荷的类型，因为结构的分类是按其承载特点来分的。

　　对拉、压、剪、扭、弯这几种主要载荷不要面面俱到，重点要用实例讲清拉和压。对剪、扭、弯可作简单介绍。

　　（二）结构分析

　　这是本节的重点之一。主要学习三个内容：简单结构的受力分析；结构的强度和结构的稳定性。

　　1.简单结构的受力分析。这个内容既是学生原有知识结构中的空白，也是本单元重点内容之一。一定要结合学生比较熟悉的事物来讲解。例如：

　　——秋千的吊索，主要承受拉力；
　　——桥梁的桥墩，主要承受压力；
　　——连接剪刀的销钉，主要承受剪力；
　　——汽车方向盘的轴，主要是受扭；
　　——单杠的杠体（上面的横杠），主要受弯。

　　壳体的受力比较复杂，可以先介绍拱的受力，然后借用拱的受力特点来说明壳体的受力特点。

　　如果课时允许，最好在这个内容上安排一节“练习课”。

　　练习课可以安排三个层次的内容：第一个层次是比较简单的结构，由学生通过讨论自己完成。比如可以让学生分析“上拉式”壁挂书架、“下撑式”壁挂书架和单杠的受力。第二个层次是较难的结构受力分析。比如自行车框架的受力分析。这里还包括了受力模型的简化问题。这个层次的题目由教师讲解，主要是教给学生如何对一个结构的受力情况进行分析。

　　第三个层次的题目是介于一、二层次之间的问题。留给学生课堂完成。可以让学生分析“斜拉桥”的拉杆和立柱的受力。

 

　　2.结构的强度。

　　结构强度的概念既是本节的重点，也是本节的难点。

　　如何讲强度？可以有两种思路：

　　其一是避开“内力”“应力”概念，直接讲：结构的强度就是在外载荷作用下，结构不被破坏的最大承载能力。这种讲法比较简单，概念也是准确的。

　　其二是基于教材上已经提到了应力的概念，并且还给出了表达式。那么，就从内力到应力、工作应力再到许用应力，给学生一个较为完整的强度概念。

　　课例1：我们知道，结构可以承受力和抵抗变形，那么，结构是如何承受力和抵抗变形的呢？原来，外力使构件发生变形的同时，构件内部分子之间随之产生一种抵抗变形的抵抗力，称为内力。内力，是用来抵抗外力与变形，并力图使变形部分复原的力。(演示课件，讲解内力如何抵抗三种外力。)
　　那么内力和外力是怎样一种关系呢？他们就类似于物理学中的拉力与摩擦力的关系。(演示课件讲解。)拉力作用于物体上，在物体发生运动之前，摩擦力等于拉力，并随着拉力增大而增大，但增大到一个最大值后，就不会再增大了。此时，拉力如果继续增大，就会让物体运动。内力和外力的关系类似于摩擦力与拉力的关系。要破坏结构，外力必须大于最大内力，或者说，外力产生的应力要大于容许应力。
　　破坏结构所需外力越大，我们就说结构的强度越大。同一截面积，容许应力越大，对应的最大内力就越大，要破坏所需要的外力就越大。也就是说结构的强度越大，所以，强度可用应力来衡量。同一截面积，容许应力越大，强度越大。（摘自海南农垦加来高中陈玉杰教学案例）

 

　　3.结构的稳定性。

　　鉴于在众多工程类教材所介绍的结构稳定性主要是指压杆稳定、薄壁圆筒稳定、薄梁稳定等，因此，在讲翻倒问题之前，可以把这些稳定性问题简单介绍一下。这样会让学生对结构稳定性有一个比较全面的了解。

　　结构稳定性（翻倒）问题对学生来说并不陌生，概念也不难懂。是课程的重点但不是难点。

　　（三）结构的设计

　　简单结构的设计，是《技术与设计1》关于设计的知识和结构强度、稳定性的综合运用。教学中一定要与模块1相衔接，这一点必须强调。特别是在设计方案的制定和设计草图的绘制和设计方案的评价和优化上，必须与模块1的知识相呼应。

　　结构的设计的教学应尽可能用实际项目的制作来带动。在项目的选择上既要简单，又要能体现教学要求。

　　在制作时间上，既要安排必要的课内学时，这样便于教师的掌握和指导，也有一定的督促作用。也可以安排一定的课外时间，但不宜过多。总的制作时间最好控制在4课时，课内课外大约1比1。

　　课例：

　　学习结构设计的重要性。
　　结构设计对于我们的日常生活、对于各种各样的生产活动都非常重要。日常生活中, 没有丰富的结构设计, 产品将会造型单一、功能单调, 那些大型建筑物、交通运输工具等 更是无法产生; 生产活动中, 产品制造技术、结构安全性及耐久性评估、维修加固技术等, 都离不开结构的设计和研究。
　　学习结构设计的目标及要求
　　结构设计应以一种或几种功能的实现为基本目标, 应满足设计规范, 满足使用者的基本需要。例如, 儿童自行车的结构设计, 首先应以代步、锻炼儿童的手脚协调能力为设计目标, 同时要满足童车结构设计的国家标准和规范要求, 如自行车的链轮、链条、车把、车闸有一定的要求，否则设计应视为不合格。
　　学习结构设计应考虑的主要因素
　　结构设计应考虑的主要因素有: 符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求, 安全因素, 公众和使用者的审美需求, 使用者的个性化需要, 对设计对象的成本控制要求和一定 的使用寿命等。

 

 

　　在工程的结构设计中, 应考虑结构的安全性、适用性和耐久性。在考虑结构的稳定性和强度, 使结构在规定的条件下和规定的使用期限内, 能实现一定的功能的同时, 还要考虑经济因素, 如做到用料省、成本低等, 也就是说, 力求以最低的成本使所建造的结构达到预定的要求。
　　不同的结构设计, 应考虑的因素各有侧重, 但无论在哪一类用途的结构设计中, 安全都是至关重要的因素。
　　在结构设计中还有一些需要考虑的因素, 如材料、民俗文化、地域特点等, 还可以引导学生思考是否还有其他需要考虑的因素。
　　简单结构的设计案例
　　1、讲解简易相片架的设计过程与方法
　　在实际生活中,人们选择相片架, 不仅考虑造型、材料、稳定性等因素, 还考虑相片架的颜色、造型与房间的整体是否协调,相片架的摆放方式与房间的空间关系等。例如,房间内的桌子比较小,而房间的墙上有大面积的空白,此时就可能会选择悬挂式的相片架,而不会选择用支架式的相片架。
　　从造型、材料、稳定性和强度等方面 , 比较上述案例中三个设计方案中相片架的结构的特点,并构思其他设计方案,列出方案要点。
　　2、让学生设计简易相片架。
　　（1）要求：水平要超过教科书中的三个方案，因为你是站在别人的肩膀上。在相框和支架的设计上都要有创意（2）目标激励：
　　a、有创意的设计方案要到学校存档，
　　b、你所做的模型或原型还可送给你最要好的同学，因是自己亲手所做，比买贵重物品相送更能表达纯洁的友谊。
　　c、最先设计出来的同学到黑板上画出方案并讲解方案的结构和设计思想。
　　每个同学充分发挥自己的想象，所做方案各不相同。
　　教师在同学中巡视，对于所设计的方案有创意的同学，教师在成绩册中当场予以记载，并要求课后用A4纸画好交老师存档。
　　3、探究：在某些地震灾区, 居民采用“木板夹心”结构筑墙建房,这种由当地农民创造出的结构能经受地震的考验, 具有较好的抗震效果。
　　请简要说明这种结构的特点,并根据所学的有关结构与设计的知识,对这种结构设计进行分析。（摘自海南华侨中学徐道安教学案例）

（四）结构的赏析

　　结构的欣赏是一个后重要的教学内容，它是技术素养的表现形式之一。

　　对这个内容的教学，由教师事先搜集多种资料，在课堂上以老师讲解为主，师生共同欣赏的方式进行。也可以先让学生课前自选内容做好准备，上课时让学生来介绍，这样赏析的内容就更加丰富，老师可以准备一个总结性发言，使教学目标达成更完整。

　　课例1.（摘自海南华侨中学徐道安教学案例）

　　一、教学目标:　　
　　（一）通过对赵州桥、飞檐和蛋形椅等典型结构的分析, 引导学生赏析具有典型人文意义的结构,学会欣赏结构的实用性和美, 拓展学生对结构设计的文化特性的理解和评价。
　　（二）使学生能从技术和文化的角度评价结构设计的案例。
　　二、教学内容分析:
　　这是一节欣赏课，教材通过赵州桥、飞檐和蛋形椅等具有代表性的经典结构呈现给学生，让学生欣赏、分析和评价。在教学中，教师要引导学生从技术和文化的角度欣赏结构。除此之外，还应结合经典结构设计者的历史背景、设计思想、设计风格等全面分析。在教学中教师要多些从结构的牢固、稳定、简约、和谐、美观等细节方面与学生进行分析、评价经典结构的作品，从而达到教学目标的要求。在教学内容上, 除了课文中的案例, 教师也可以补充相应的案例,以开阔学生的视野, 如补充一些经典的结构设计案例供学生欣赏、分析。有条件的话, 教师可以带领学生参观附近的古代建筑, 近距离地观察古代建筑的精巧设计,品味其历史文化内涵。　　
　　重点：通过对经典结构的欣赏使学生关注结构的技术和文化特征。难点：学生能从真正意义上学会欣赏和评价一些经典结构。同时使他们在自己的设计作品中注入更丰富的文化内涵。
　　三、教学媒体、资源的运用：
　　为了吸引学生,激发学生的学习兴趣, 培养学生对技术的情感, 本课时收集不同类型的丰富的经典结构图片通过投影机播放让学生鉴赏， 引导学生赏析具有典型人文意义的结构，拓展学生对结构设计的技术和文化特性的理解和评价。
　　四、教学对象分析：
　　五、教学策略：
　　（一）本课时从技术与文化两个角度分析结构设计作品。此外，还可以结合经典结构设计者的历史背景、设计思想、设计风格等进行全面分析。
　　（二）本课时教师可以通过不同的渠道、收集更多的中外经典结构的图片、资料制作成电子课件，以丰富教学课堂内容，扩展学生知识面，提高学生对来自各种不同的经典结构的识别及赏析能力。
　　

（三）在本课时教学中，教师可以充当“导游”的角色进行漫游导说，尽量创设出 “旅游”情境和营造出“旅游”的气氛，让学生产生犹如亲临其境的感受。学生随“导游”观赏各处的经典结构，会留下更深刻的印象。
　　六、教学过程：
　　(一) 让学生阅读案例, 阅读案例时思考：
　　1、优秀的结构设计表现在哪些方面？
　　2、如何赏析结构设计作品？
　　（二）引导学生回答：
　　1、优秀的结构设计不仅表现在结构的实用功能上,也表现在形式上,特别是功能与形式 的统一上。古今中外许多能工巧匠把结构的功能与形式恰当地结合起来, 形成了一些经典的结构。
　　2、赏析结构设计作品,可从技术与文化两个角度进行。
　　（1）技术的角度主要有：结构功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、材料使用的合理性，工艺制造的精湛程度等。
　　（2）文化的角度主要有：文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映的时代、民族、习俗方面的特征、结构的个性特征等。
　　（三）师生互动“思考”问题
　　1、赵州桥的“敞肩拱”设计给我们怎样的启示，还有哪些结构设计与此相比？
　　2、你是如何赏析飞檐这一结构设计作品的？
　　3、你如何从技术与文化的角度赏析蛋形椅？
　　（四）师生共同探究
　　1、中国古建筑探究
　　2、丹麦建筑师阿纳·雅格布森简介
　　（五）教材拓展
　　课文只从技术角度和文化角度进行了评价元素的列举, 教学中教师鼓励学生积极思考, 想出更多的评价角度和评价元素。
　　在教学中，教师除了引导学生从技术和文化的角度欣赏结构之外，还应结合经典结构设计者的历史背景、设计思想、设计风格等全面分析。
　　（六）让学生总结：
　　在物质文明、精神文明高度发展的今天，任何一种结构的设计已不仅仅局限于只满足他的使用功能。结构设计中的美学因素、环境因素、安全因素以及时尚、个性、等都以成为人们进行结构设计时必须综合考虑的重要因素。结构的牢固、稳定、简约、和谐、美观是结果设计不变的追求。
　　（七）课堂练习
　　1、从技术和文化两个角度赏析丹麦设计师雅格布森的作品“盖里椅”
　　引导启发学生：
　　“盖里椅”结构上简洁大方，线条明快，有流动感；功能上具有和其它椅子相同的功能；从文化角度看，“盖里椅”结构传达出一种盘旋上升、奋发向上的精神，具有雕塑般的美感和强烈的时代气息，形成了优雅的浪漫主义设计风格。
　　2、从技术和文化两个角度赏析高一学生设计的海南华侨中学雕塑。

课例2.结合本地的经典建筑进行教学

教学目标：

     1、学会观察结构的实用性和美
2、能从技术和文化的角度欣赏并评价经典结构设计的案例

教学内容分析：本节教学是通过以开平碉楼为案例，引导学生从技术和文化角度欣赏结构。
教学媒体运用：通过多媒体方式向学生展示丰富的碉楼图片，让学生欣赏，指导他们进行分析。
    教学过程：

1、优秀结构应是功能与形式的完美统一。介绍赏析结构设计作品的两个角度——技术与文化。
    2、还可以从哪些方面赏析结构设计作品？鼓励学生积极思考，想出更多的评价角度和评价元素。
    3、通过提问：你知道有“开平第一楼”之称的瑞石楼在开平的什么地方吗？你知道瑞石楼是谁在什么时候建造的吗？引入案例——开平市瑞石楼，让同学们先说说都知道有关瑞石楼的一些情况，充分调动学生积极性，然后再引导学生从技术角度和文化角度对瑞石楼进行赏析。在赏析的过程中，应注意让学生关注结构的文化特征，鼓励学生以后在自己的设计作品中注入更丰富的文化内涵。在讲课的过程中还可以插入一些有关碉楼的小故事。
    4、从材料、结构设计、审美、历史背景、文化等角度来引导学生欣赏其他碉楼图片。
    5、让学生交流讨论，分析自己所知道的一座碉楼。
    6、综合实践部分可让学生自动组成研究小组课后调查研究，然后每个小组写一篇科技小论文。
    教学后记：之所以选碉楼作为分析案例是因为碉楼在开平市随处可见，对自己家乡的事物学生相对比较熟悉，也比较感兴趣；通过对碉楼的赏析有利于增强学生对生活当中一些结构的分析能力，也有利于增强对家乡的热爱之情，正如课前所预料的那样，课堂气氛很好，学生都非常积极，收到了良好的教学效果。（摘自开平中学高老师教案）