浙教版八上科学 5.1 建筑的结构与工程（第1课时）教学设计

第1节建筑的结构与工程（第1课时）教学设计——建筑结构及分类、结构受力与形变【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。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。【教学目标】1.理解建筑结构的概念，掌握建筑结构依据受力情况的分类结果；2.通过对框架结构、壳体结构和实体结构的分析，理解结构与功能的关系，建立建筑结构决定其功能的科学观念；3.通过对横梁、三角形桁架结构和弧形拱结构的有受力与形变原理分析，运用建模思想理解结构受力与形变的关系，建立结构稳定性与材料、形状等密切相关的科学观念；4.能通过分析建筑实例，培养结构决定功能的科学思维。【教学思路】教学主线：认识建筑结构的多样性——分析建筑结构的功能性——阐述建筑结构的科学性各种事物都具有各自的结构，各种结构决定其具有相应的功能，建筑结构也遵循这一规律。在学习建筑结构概念的基础上，认识建筑结构依据受力情况一般可以分为三类；通过对各类建筑结构的分析，理解建筑结构与功能的关系，建立建筑结构决定其功能的科学观念；通过分析建筑结构实例，培养结构决定功能的科学思维。然后通过橡胶棒受力形变的探索活动，分析三角形桁架结构与弧形拱结构的受力情况，掌握结构受力与形变的关系，建立结构稳定性与材料、形状等密切相关的科学观念。【教学过程】一、创设情景，引入任务【引入】各种事物都具有结构，如原子的结构、细胞的结构、人体的结构、建筑物的结构、宇宙的结构等。在工程上，为了实现特定的功能，需要设计并制造具有独特结构的装置。我们如何认识结构及其影响因素？如何进行简单的结构设计？【新课】建筑都有结构，如房屋的结构、桥梁的结构、塔的结构等。建筑结构展示了人类的智慧和创造力，带来了美的享受。那么,建筑结构有什么特点?这样的结构对其功能的实现有什么独特的价值?今天，我们来学习建筑结构的“前世今生”。视频：我国的建筑简史。二、围绕任务，素养内化（一）建筑结构及其分类不同区域的建筑有不同的结构。组织学生进行讨论：同学们的住房结构一样吗？有什么异同点？1.建筑结构的概念在建筑领域，结构是指组成事物的各个部分之间的有序搭配和空间排列。【讨论活动】让学生围绕“有序搭配”与“空间排列”进行讨论，谈各自的理解与看法。2.建筑的结构决定功能结构普遍存在于自然界和人类创造的各种事物中，不同的事物往往具有不同的结构，不同的结构具有不同的功能。【例举】以学校中的教室、实验室、图书馆、报告厅等进行分析。说明建筑工程能够很好地体现结构与功能的关系。3.建筑结构的分类分类标准的确定建筑结构的分类多种多样。依据受力情况，建筑结构一般可以分为框架结构、壳体结构和实体结构。（1）框架结构①概念：框架结构是指以刚性的杆作为梁和柱组成的结构。②特点：刚性的杆按一定的规则在空间排布，支撑空间而不充满空间，共同承受所受的力。③实例：我国自行设计和建造的第一座铁路、公路两用双层桥——钱塘江大桥，它是典型的框架结构桁（heng第二声）架梁桥。活动：列举生活中事例。④应用：广泛应用于房屋建造、桥梁工程、航空工业等。⑤材料：框架结构使用的材料可以是木材、金属、塑料等。（2）壳体结构①概念：壳体结构是指层状的结构，它是由若干块薄板组成的，薄板做成具有曲面轮廓的外形，看起来造型轻巧而优雅。②特点：在壳体结构中，其拱形曲面可以把受到的力均匀分散在结构体的各个部分，这种结构能承受较大的力，使结构更加坚固。③优点：壳体架构建筑有许多优点，如用料少、跨度大、坚固耐用等。④实例：国家大剧院采用壳体结构屋顶，大大减轻了屋顶所受的重力，减少了场地中间的立柱数量。（3）实体结构①概念：实体结构是指结构体本身是实心的结构。②特点：利用自身来承受力，承受的力分布在整个实体上。③实例：桥墩、房屋的基座、雕塑的基座、城墙等都属于实体结构。④材料举例：建筑物的基座通常由石头、混凝土等材料做成实心的结构，承担基座上方的建筑物所受的重力。4.建筑结构的构件与整体性建筑都有它特定的架构形态，以体现它的结构特性。一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常称为构件。建筑是由建筑材料按一定规则组成的受力结构体系，各个部分(如梁、柱等)相互联结成为一个整体，起着承受外力(又称荷载)作用，并将其传递到基座。【活动】组织学生围绕一个建筑实例讨论建筑结构的构件与整体性。【过渡】建筑结构的设计是一个在多重约束下寻求最优解的决策过程。设计师需要像一位交响乐指挥，统筹协调安全、功能、经济、规范、环境、美观这六个声部，最终奏出一部和谐、稳固、耐用的建筑乐章。首先考虑的是安全，安全离不开力学原理的科学运用。（二）结构受力与形变1.建筑结构的受力原理（1）结构是指能够承受一定力的架构，它能通过形变来抵抗力的作用。每个结构需要承受一定大小的力的作用。（普遍性）（2）用相同材料制作的形状不同的结构，或不同材料制作的形状相同的结构，其能够承受力的大小是不同的。（特殊性）因此，我们需要分析作用在结构上的力，以及这样的结构能否承受这些力的作用，以确定结构的稳定性、可靠性。（设计目标）【探索活动】1.如图5.1-5甲所示，取一根长20cm、直径2cm的弹性橡胶棒，将橡胶棒当作结构的构件。2.用两手抓住橡胶棒两端，用力向外拉伸，如图5.1-5乙所示，观察橡胶棒因受拉力而产生的形变。3.用两手抓住橡胶棒两端，用力向内挤压，如图5.1-5丙所示，观察橡胶棒因受压力而产生的形变。4.将橡胶棒两端支起来，中间悬空，用力向下压橡胶棒的中部，如图5.1-5丁所示，观察橡胶棒因中部受压力而产生的形变。（3）实验结论：结构受力与形变的关系实验表明，当物体受到不同的力作用时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变。通常情况，结构的构件可能会同时受到多个力的作用，此时，该构件会产生多种形式的形变。2.不同建筑构件的受力与形变（1）横梁横梁是建筑结构中经常出现的构件。横梁呈水平放置，承受竖直方向的力的作用，产生形变。当横梁中部受到如图5.1-6甲所示的压力F₁时，横梁的两端会受到支撑物对它的支持力F₂、F₃的作用，横梁发生弯曲，上部被压缩，下部被拉伸，如图5.1-6乙所示。【思考与讨论】跳水的跳板用弹性材料做成，其一端固定，运动员站在另一端，跳板形变，产生弹力帮助运动员起跳。请分析跳板的形变情况。运动员站的一端受到压力,固定的一端受到支持力,跳板会发生弯曲，上部被拉伸，下部被压缩。（2）三角形桁架结构三角形桁架结构是由杆件连接成三角形的一种空间结构，如图5.1-7甲所示。当三角形桁架上部受到压力F₁时，压力F₁会通过杆件传递给整个桁架，此时，B、C杆件被压缩，A杆件被拉伸，虚线为形变后的情况，如图5.1-7乙所示。（3）弧形拱结构如图5.1-8所示，当弧形拱受到向下压力F₁时，拱被压缩，拱的各部分相互挤压，压力F₁被拱传递，对基座产生作用力，基座便产生竖直向上的支持力F₂、F₃和水平方向的力F₄、F5。【思考与讨论】请分析图5.1-9中石拱桥A、B、C、D四处石块的受力情况。A处石块主要受两侧石块的水平推力、压力和自身重力，处于平衡状态；B、C处石块受相邻石块的反作用力，形成力的传递，水平分力抵消，竖直分力与重力平衡；D处石块受地基的支持力和水平力，同时受到上方石块的压力而受力平衡。三、归纳总结，应用迁移（一）课堂小结1.什么是建筑结构？依据受力情况建筑结构分为哪三类？试举例说明各类的结构与功能之间的关系。2.什么是构件？举例说明构件的受力与形变的关系及在实际生活中的应用。（二）随堂例题【例1】下列建筑结构中，其基本结构分类不正确的是()A.壳体结构：悉尼歌剧院屋顶B.框架结构：鸟巢C.实体结构：水电站坝体D.壳体结构：水立方【答案】D【解析】水立方采用了空间钢架结构，每一个钢架框上都有薄膜制成的气枕作为外墙。【例2】安全帽之所以能承受很大的压力，是因为它利用的原理是()A.横梁B.弧形拱C.三角形D.实体结构【答案