浙教版八上科学 5.1 建筑的结构与工程（第2课时）教学设计

第1节建筑的结构与工程（第2课时）教学设计——建筑结构的功能【核心概念】技术、工程与社会【内容要求】学习内容：1.技术与工程创造了人造物，工程的核心是建造；2.技术与工程改变了人们的生产与生活。3.科学、技术、工程相互影响与促进。内容要求：1.认识现代技术与工程的系统性与复杂性；2.知道跨学科（科学、技术、工程、数学等）解决实际问题的方法，并尝试解决实际问题；3.列举科学原理转化为实用技术的案例。4.知道科学对技术具有指导意义；初步认识现代科学与技术密不可分。【教学目标】1.理解建筑结构的稳定性和结构强度是衡量建筑结构功能的重要因素；2.通过实例分析与搭建三角形与四边形框架模型等，知道建筑结构的稳定性与结构的重心高低、支撑面大小、几何形状以及建筑材料有关；3.通过实例分析，知道建筑结构的强度与结构的形状、材料、连接方式等有密切的关系；4.通过分析建筑实例，促进“结构决定功能”这一科学原理的深入理解。【教学思路】通过实例分析，认识建筑结构的稳定性和结构强度是衡量建筑结构功能的重要因素；分析影响建筑结构稳定性和强度的因素，理解结构决定功能。借助于实例分析和模型搭建，促进“结构决定功能”这一科学原理的深入理解。【教学过程】一、创设情景，引入任务【引入】建筑结构（如右图东方明珠电视塔）展示了人类的智慧和创造力，带来了美的享受。那么,建筑结构的功能是如何体现呢？哪些因素会影响建筑结构的功能呢？二、围绕任务，素养内化（一）建筑结构的稳定性1.概念：结构在外力的作用下，维持其原有的平衡状态的能力，叫作结构的稳定性。建筑物需要良好的结构稳定性。结构的稳定性是结构的重要性质之一。概念分析：从受力平衡的角度进行分析稳定性。建筑钢结构的稳定性问题主要由以下几个方面的因素引发：纵向稳定性、横向稳定性、局部稳定性、板、壳的屈曲稳定性。2.影响建筑结构稳定性的因素尝试从力学角度，分析对结构的稳定性有影响。以东方明珠电视塔以及日常生活中常见的建筑物为例，共同分析讨论。（1）建筑结构的重心高低例如，上海东方明珠电视塔整体重心低。常见的塔式建筑采用下宽上窄的设计以降低重心。（2）支撑面的大小与地面接触的底面积越大，抗倾倒能力越强。例如，上海东方明珠电视塔建造的底座支撑面大。又如工字形底座或三脚架设计，房屋的地基面积大于地上建筑物占地面积等等。（3）几何形状结构的整体形态（如三角形、对称设计）直接影响其抗倾覆能力，例如金字塔的三角形结构具有天然稳定性。【探索活动】1.把四根短木棒钉起来，形成一个长方形结构，在一个角上作用力F,如图5.1-11甲所示，观察长方形结构是否比较容易变成一个如图5.1-11乙所示的平行四边形结构。2.把三根短木棒钉起来，形成一个三角形结构，在一个角上作用力F,如图5.1-11丙所示，观察三角形结构是否比较容易发生改变。实验结果：四边形结构在力的作用下，很容易产生形状的改变；三角形结构在力的作用下，其结构保持不变。实验结论：三角形是所有几何形状中最坚固稳定的结构。科学原理证明这一结论。推广应用：三角形结构屋顶、三角形吊臂、三角形钢架桥等都利用了三角形结构的稳定性。（4）‌材料性能‌材料的强度、刚度和耐久性决定了结构抵抗变形和破坏的能力，钢材比木材更适用于高层建筑。综合考虑以上这些因素能更有效提高建筑结构的稳定性。（二）建筑结构的强度1.概念：结构的强度是指结构抵抗外力作用的能力。2.影响因素：建筑结构的强度主要受结构的形状、材料、连接方式等因素影响，这些因素共同决定了结构抵抗外力破坏的能力（1）结构的几何形状结构的形状对强度有显著影响，包括外部形状和构件截面形状。外部形状三角形是框架结构中最基本的构造之一。如图5.1-13所示，人们在长方形或六边形等框架中，通常加入支撑杆件，构成多个三角形，这样可以大大增加结构的强度，使结构承受更大的荷载。构件截面形状相同材料制成的框架构件，采用的截面不同，如工字形、口字形、环形、方形和圆形等，其承受力的大小也不一样。【思考与讨论】图5.1-15是某建筑中使用的钢材，请画出所用钢材的截面图示，这样的截面有什么好处呢?钢材的截面图示：这种钢材称为角钢。这样的截面好处：（1）结构简单：角钢加工方便，适合多种连接方式。（2）刚性强：在两个互相垂直的方向上都有较好的承载能力。【拓展】工字钢（如图）截面形状能更有效地承受弯曲应力。（2）材料材料的物性（如抗拉强度）和显微结构（如气孔）是强度的基础。相同形状的不同材料制成的结构构件，其强度也不相同。例如，钢材的强度通常高于木材，而混凝土的强度则受其组成和内部缺陷影响。在生产中，通常会根据用途选择合适材料。例如，混凝土具有较好的抗压性，但抗拉性比较差。在制作混凝土梁的时候，通常在混凝土中加入钢筋，借助钢材的抗拉性提升梁的强度。（3）支撑面大小支撑面的大小直接影响结构的稳定性。支撑面越大，结构越稳定，如三脚架比独脚架更稳。这一因素在整体稳定性中尤为重要。（4）构件与连接方式构件的连接方式（如焊接、铰接）和连接技术决定了连接处的强度。刚连接（如焊接）比铰连接（如合页）具有更高的连接强度，从而影响整个结构的强度‌（三）建筑结构的变化可能会使建筑的功能得以增强建筑的结构决定了其功能，结构的变化可能会使建筑的功能得以增强，更好地应用于不同的环境。功能的实现需要相应的结构来保障。当然，良好的结构设计不仅表现在其功能上，还需要表现在其形式上，如展现美，反映出时代特征、文化内涵等。图5.1-16为国家游泳中心，别名“水立方”,它用半透明外膜覆盖，其重仅为同尺寸玻璃的百分之一，如同一座隔热的温室，大约20%的太阳能被用来提高泳池和室内的温度，这些半透明外膜使“水立方”白天光线充足。“水立方”是“绿色、科技、人文”理念与建筑功能的结合。【科学阅读】蜂窝结构P199三、归纳总结，应用迁移（一）课堂小结1.什么是建筑结构的稳定性？影响建筑结构稳定性有哪些因素？2.什么是建筑结构的强度？影响建筑结构强度有哪些因素？3.举例说明如何提高建筑结构稳定性和强度。（二）随堂例题【例1】在台风频发的沿海地区建造高层住宅时，以下结构类型最适合的是()A.砖木结构(木框架+砖墙填充)B.砖混结构(砖墙承重+钢筋混凝土楼板)C.钢混结构(钢筋混凝土框架+剪力墙)D.纯钢结构(钢框架+轻质墙体)【答案】C【解析】对于房屋建造的牢固性来说，选址要合适、地基要稳固、承重结构要稳定。在台风频发的沿海地区建造高层住宅时，选择结构类型需要综合考虑抗震性、抗风性能和空间灵活性，钢混结构(钢筋混凝土框架+剪力墙)类型最适合。【例2】为了使一个不稳定的四边形框架变得稳定，最简便的方法是（）A.增加四边形的边长B.在四边形的一个对角线上增加一根斜杆C.用更粗的材料制作D.把