基于“结构与设计”主题的教学策略研究

田馨铭 何凤娟

摘要：认识结构、探究结构、实践结构设计，是“结构与设计”主题的教学思路，体现了“学中做”基本理念。通过对近几年实际教学过程中存在问题的探究，深挖“结构与设计”内涵，较为科学地找到“结构与设计”主题教学策略，以期适应新一轮课程改革，把学科核心素养落到实处。

关键词：结构与设计  做中学  翻转课堂  核心素养

技术产品的设计离不开结构设计。认识结构、探究结构、实践结构设计，是“结构与设计”主题的总体教学思路，体现了“学中做”的基本理念。教學中，如何采用合适的策略与方法，引导学生构建结构的稳定性和强度等相关知识，学会运用知识分析与解决结构设计问题，成为通用技术教师的研究课题。

一、存在的问题——“结构与设计”主题教学环节不完整

在“简单结构的设计”教学中开展“学中做”活动时，部分教师未能体现“技术与设计1”中的“设计的一般过程”，缺少结构的强度和稳定性的测试、评估和优化环节。大部分教师通常用两个课时来安排本节内容的教学：第一课时的教学主题为“结构设计应考虑的主要因素”;第二课时开展“学中做”实践活动，利用“简单结构的设计案例”教学内容作为“学中做”实践内容进行教学活动。由于课时少，实践过程中没有进行结构强度和稳定性测试环节，造成学中做活动中设计过程中基本环节的部分缺失。“技术与设计1”中的设计思想以及本模块中的第二节“稳固结构的探析”方法得不到完整体现。

二、认真研究教材，正确理解有关结构的基本概念

结构及其设计具有大量和复杂的专业知识，通用技术教师应在深入研读课程标准和教材的基础上掌握好结构的基本概念。

1.知道结构的一般含义

教学中首先要让学生了解一般意义上的结构概念，知道结构是“事物各部分的有序搭配和排列”，这是后续教学的前提和基础，并知道结构的主要特性：

①结构是事物存在和区分的主要形式，正是结构的不同决定了事物的区别;

②结构影响事物的性质;

③结构影响事物的功能，例如，虽然三角形框架和三节棍的组成构件基本相同，但由于它们的结构不同，因而具有完全不同的使用功能。

2.理解力学意义上结构概念及其相关基本知识

通用技术课的有关结构主要指力学意义的结构，即产品和工程意义上的客观物质结构，它是“结构与设计”主题的核心和重要内容，也是教学评价常常涉及的主要内容，包含一些基本概念和基本知识，是后续结构设计的理论指导基础。

①要让学生理解力学意义上的结构含义。力学意义上的结构是指可承受和传递荷载且起骨架作用的架构形态，它可以抵抗引起形状和大小改变的外力。

②让学生理解结构的基本受力类型及其物理学科中物体受力分析的区别。在教学中，学生往往带着科学领域中物理学科的受力分析思维，认识和理解技术领域中结构的基本受力类型和受力分析，这就需要理解结构的基本受力类型及其与物理学科中物体受力分析的区别。

具体来说，结构的基本受力类型有拉力、压力、弯曲力、扭转力、剪切力。物理学科中的物体受力分析，通常把研究对象当作刚体，研究物体所受外力与物体运动的关系。技术领域中的结构受力分析，主要用于分析结构在外力作用下，力传递到构件内部而引起的结构形状的改变情况。在教材中，虽然有部分受力类型名称在两个学科领域中的表达相同，但在分析问题方面有很大区别，结构的受力分析主要强调受力效果。

如图1中的横梁在重物和支点共同作用下主要受“弯曲力”作用，产生弯曲效果。而学生往往受物理受力思维影响把它判断为受“压力”。

图1③正确理解结构强度和稳定性。结构强度和稳定性既是结构的两个不可分割的重要属性，也是研究结构问题需要考虑的主要因素。教学中往往出现对结构强度和稳定性概念阐述不正确或只做简单粗略讲解的现象，而教师务必将这两个关于结构的核心问题的区别和联系讲解清楚，否则会对后续教学和评价带来影响。

结构的稳定性是指结构在荷载作用下维持其原有平衡状态的能力，主要与重心位置、支撑面积、形状、重量等因素有关。稳定性着重研究结构整体与所处空间位置关系变化的问题。

结构的强度是指结构具有的抵抗外力破坏的能力，主要与材料、形状、连接方式等因素有关。强度着重研究结构本身在外力作用下是否容易变形或被破坏的问题。构件的强度通常用“应力”定量描述，应力是指构件单位横截面积上所产生的内力，用公式表达为：σ=F/S，其中，F为内力，S为横截面积，σ为应力。

3.“结构与设计”主题教学中容易出现的问题

①常把“接触面积”与结构的“支撑面积”混淆。支撑面积是指结构与支撑面所围成的总面积，而接触面积是指结构与支撑面直接接触部分的面积，通常情况下支撑面积要大于接触面积。如图2所示的椅子，它与地面构成的支撑面积是指四条椅子腿与地面围成的矩形区域面积（图3中黑色和灰色部分），接触面积仅指四条椅子与地面直接接触部分的面积（见图4中黑色部分）。

图2        图3②对部分典型结构稳定性和强度的错误理解。从稳定角度理解三角形框架和不倒翁（见图4）两种典型结构，部分学生甚至有部分老师把它们理解或解释为“稳定强”的结构。这主要是由于对“稳定性”和强度概念缺乏清晰认识，并用数学思维认识结构（主要指三角形结构）所造成的错误理解。

图4对三角形框架的正确理解应该是，它是“强度高”的结构，而非“稳定性强”的结构。这主要是因为三角形的结构形状决定了它不易变形（除材料因素外），而是否容易变形或破坏属于强度问题。

对于不倒翁的正确理解是，它不是稳定性强的结构。稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有平衡状态不变的能力。不倒翁虽然重心低，但它的支撑面积很小，很容易在外力作用下改变原有平衡状态（晃动），因此不倒翁不是稳定性强的结构（它只是恢复原有状态的能力比较强）。

三、正确把握结构主题的教学策略

1.借助翻转课堂教学模式上好起始课

借助翻转课堂教学模式让同学们“认识结构”，通过课堂上的交流互动，让学生知道结构是普遍存在的，尤其是要让学生深刻领会到人类通过对自然领域各种结构的观察、分析和研究，將其成果应用到技术领域，以更好地服务人类。

2.在探究实践中理解和建构结构的基本概念和基础知识

在“结构与设计”主题中，需要通过探究实践建构的基本概念和基本知识主要有：结构的受力类型、结构类型、结构稳定性及其影响因素、结构强度及其影响因素等。

以结构稳定性为例，探究实践教学策略：

①准备合适的教具、学具。合适的教具、学具是实现探究实践教学的基本条件和物质保障。通常教师可以选择学生熟悉、易获得、易操作、使用安全的常见生活用品或学习用品进行稳定性探究教学，如矿泉水瓶、易拉罐、粉笔、砝码等。利用这些物品可以来探究重心位置、支撑面积、重量等稳定性影响因素。

②巧妙引入新课。可以通过教具、学具或多媒体等手段，营造结构稳定性教学情境，巧妙地引入稳定性问题。比如，可以利用鸡蛋、砝码演示结构稳定性的不同，从而引导学生对稳定性概念及影响因素进行探究。

③自主设计实施探究实验。在老师的引导和主导下，学生利用现有的教具、学具，针对需探究的因素，自主进行有目的的探究实验。在实验过程中，要提醒学生注意观察、收集和记录实验数据或现象，并在此基础上分析和总结影响结构稳定性的主要因素。

④知识应用。在分析稳定性影响因素探究结果的基础上，用所探究的知识分析解释生活中稳定性问题或案例。这一教学环节是知识巩固和应用的过程，可以用于检验和反馈教学效果。

3.实践好结构设计过程

学生通过基本概念和基本知识学习，将其应用于设计实践。在本教学环节中应注意以下问题。

①要与“技术与设计1”中的设计实践相区别

“技术与设计1”设计实践的教学目的，是经历设计制作过程，体验设计的一般过程，通过“做中学”领悟设计的一般思想方法。“技术与设计2”结构设计实践的教学目的，是通过“学中做”有针对性或有侧重地进行专题性设计，它的针对性或侧重点主要有结构的稳定性和强度问题，以及由此延伸的重心、支撑面、形状、材料、连接等问题。教学过程不能重复“技术与设计1”，或简单地用“技术与设计1”的设计实践替代“技术与设计2”的结构的设计实践。

②设计载体的选择要充分体现结构设计的特点

设计载体的选择要体现结构特点。如简易相片架、简易书架、简易文具架等都是合适的设计载体。从力学角度理解，它们就是能承受一定外力的结构框架。因此在选择制作材料时，要考虑材料的强度和可加工性，以及能实现的连接方式，如钉子连接、榫接、铰接等，从而尽可能体现结构稳固性的设计因素。

参考文献：

[1]顾建军.理解与实践通用技术新课程[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]叶黔.结构力学[M].北京：科学出版社，2009.

[3]林宏华，陈长亚.直击新课程学科教学疑难（通用技术）[M].教育科学出版社，2015.

责任编辑：黄大灿