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六年级上科学教参(形状与结构)

发表时间:2015-1-5  浏览次数:6693  
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形状与结构
一、单元概述
物体,不管是天然存在的还是人工制造的,大多具有可见的形状和结构,它们以其形而显其身,千姿百态。它们为什么具有这样的形状和结构呢?这其中蕴涵着大自然的客观规律,也反映了人类的聪明才智和科技发展的水平。
本单元所说的形状结构,是指能够承受一定外力作用,不会发生形状和大小改变的构造。学生在学习中要了解身边几种常见的结构,知道结构具有不同特点能满足不同的需要;发现改变物体的形状结构可以改变其承受力的大小;体验科学、技术对社会进步的巨大影响;提高探究兴趣,发展探究能力。
学生在五年级时探究了力和运动的关系,知道了力可以改变物体的运动状态。其实,静止的物体也无不受到力的作用。本单元引领学生探究物体的形状结构,可以发展他们对力的认识,知道力还有使物体形变甚至破坏的作用。
本单元选取了几种最常见的形状结构,联系学生身边熟悉的事物,由浅入深地进行探究,最后进行综合和应用。内容可以分为两大部分。
第一部分(第1~7课)是探究形状结构的科学道理。其中,第1~6课是分别研究条形、拱形、框架等结构,第7课是认识桥梁的结构。
第二部分(第8课)是设计科学合理的形状结构。
各课具体内容是:
第1课“抵抗弯曲”、第2课“形状与抗弯曲能力”研究条形材料抗弯曲能力与形状的关系。
第3课“拱形的力量”、第4课“找拱形”研究拱形承受力的特点,并从认识拱形拓展到认识圆顶形、球形、各种弧形;从对人造物体的研究扩展到生物体的研究。
第5课“做框架”、第6课“建高塔”认识框架结构的特点,研究加固框架结构的方法和物体稳定性问题。
第7课“桥的形状和结构”是认识桥多姿多彩的形状和结构,这课汇集和拓宽了前面几种结构的认识,并为下一课学生造“桥”作了铺垫。
第8课“用纸造一座‘桥’”安排了一个具有挑战性的设计制作活动,是对学生综合运用知识能力和动手能力的培养和评价。
本单元学习的内容与生活的联系十分密切,教学材料简单易得,动手操作特点突出。我们要充分利用这些优势,把制作和探究相结合,把科学教育和技术教育相结合,以取得最佳的教学效果。
二、单元教学目标
科学概念
●柱、梁、拱形、框架等形状结构各有不同特点,能满足人们的不同需要。
●增加梁的厚度可以增加抗弯曲能力。改变材料的形状,可以改变材料的某些性能。
●知道拱形承受力的特点是可以向下和向外传递承受的压力。了解圆顶形、球形等有与拱形相似的特点。
●三角形框架具有稳定性,利用三角形可以加固框架结构。
●上小下大、上轻下重的物体稳定性好。
●形状和结构与它的功能是相适应的。
过程与方法
●制作、预测和测试结构的承受力。
●用简单材料独立探究物体不容易倒的秘密。
●识别和控制变量,记录数据、分析数据,得出合理结论。
●用不同方式进行解释。
●把探究的结果与最初的假设相比较。
情感、态度、价值观
●发展乐于动手、善于合作、不怕困难的品质,体验获得成功的喜悦。
●在探究中既能大胆假设,又能小心求证。
●尊重自己和他人的制作成果。
●发展尊重他人、认真倾听、敢于发表意见的品质。
●感受科学技术对社会的作用,对生活的影响。
●懂得欣赏桥梁建筑形状和结构的美。
三、分课时教学建议
第1课 抵抗弯曲
(一)背景和目标
从形状和结构的角度看建筑物,几乎所有的建筑物都有柱子和横梁或类似柱子和横梁的结构。从承受压力的特征上看横梁,它的抗弯曲能力与其宽度成正比,与高度(厚度)的平方成正比,增加材料的厚度可以非常明显地增大抗弯曲能力。把材料做成“T”“工”“○”等异型形状也利用了抗弯曲能力与材料“厚度”的特殊关系。作为本单元第一课首先引导学生研究纸的厚度与抗弯曲能力的关系,为后面的研究奠定认识的基础。本课有两个活动。
第一,研究梁的抗弯曲能力与什么有关。在有关的因素中实验研究抗弯曲能力分别与梁的宽度、厚度的关系,发现厚度增加,梁的抗弯曲能力大大增加。
第二,研究横截面是长方形的横梁平着放好,还是立着放好。让学生用前面研究的结果进行解释,并用做简单实验的方法来证明。活动由教师指导下的研究变为学生独立的操作和研究。
科学概念
●房屋、桥梁结构中有“柱”和“梁”,梁比柱容易弯曲。
●增加梁的宽度可以增加抗弯曲能力,增加梁的厚度可以大大增加抗弯曲能力。
过程与方法
●识别和控制变量,记录数据,分析数据并得出合理结论。
●用简单实验说明横截面为长方形的横梁为什么都是立着安放的。
情感、态度、价值观
●能够大胆假设又能在实验中小心求证。
(二)教学准备
为小组准备:长度、宽度相同、厚度不同的纸条(相同的卡纸粘贴而成),长度、厚度相同、宽度不同的纸条;铁垫圈、竹片或尺子。
教师自己准备:有关的建筑图片。
(三)教科书说明
本课通过两段文字和四幅图引导学生认识房子、桥梁都有柱子和横梁,是靠柱子和横梁支撑的,横梁比柱子容易弯曲。由此引入本课研究的内容。
第一部分:横梁的抗弯曲能力与什么有关
本部分先让学生推测梁的抗弯曲能力与什么有关。梁的抗弯曲能力与材料有关,与长短有关是比较好理解的。本课只引导学生用实验的方法研究梁的抗弯曲能力与其宽度、厚度之间的关系。
两个实验都是对比实验,教科书都提示了学生思考“应该控制哪些条件不变?怎样控制这些条件不变?”两个实验都要控制垫起纸板的高度不变,“弯曲了”的标准不变,纸板悬空部分的距离不变,放垫圈的位置不变。所不同的是第一个实验是改变纸板宽度而厚度不变,第二个实验是改变纸板厚度而宽度不变。
在两个实验中,改变宽度和改变厚度都要成倍数地改变,这样容易看出实验数据的规律。
通过实验的数据,学生可以发现:纸的宽度增加,抗弯曲能力也会增加。纸的厚度增加,抗弯曲能力会大大增加。他们自然会进行比较思考,要增加抗弯曲能力,增加厚度比增加宽度更有效。
本课的重点是指导学生做好这两个实验,让学生经历预测、实验、记录、分析数据得出结论的过程。
第二部分:横梁平着放好,还是立着放好
学生观察会发现,几乎所有的梁横截面都是长方形的,而且都是立着安放的,也就是梁的厚度比宽度大。教科书要求学生说说这样安放的理由,启发学生用刚学的知识进行解释,还要求他们用做简单的实验来证明自己的看法。学生可以用冰棍木片、塑料尺子进行演示证明。这是对第一部分研究结论的应用。
(四)教学建议
1.认识柱子和横梁。
本课导入部分让学生认识柱子和横梁,这不但是本课的需要,也是整个单元的需要。要从两方面建立新认识。
(1)房子和桥梁都是依靠柱和梁支撑的。这要通过观察、比较最简单的房子和最简单的桥的结构特点来认识。用板凳来比喻柱和梁,用板凳来比喻房子和桥梁,学生就容易理解房子和桥梁结构的共同点了,因为它们在结构上都和板凳是类似的。
(2)通过对比让学生认识到,柱子承受的压力是要把柱子压短、压碎,这当然是很不容易的。横梁承受的压力要把横梁压弯、压断,这就比较容易了。所以,研究横梁抗弯曲能力就很重要了。
2.纸的宽度与抗弯曲能力的实验。
(1)准备纸横梁。选用的纸不能太薄,太薄的纸连自身重量都不能承受或只能承受自身重量,加一点点外力就弯曲了,无法进行对比实验。但纸也不能太厚,太厚没有弹性,或者压不弯,或者压弯时已经压坏了。课前必须对选的纸先行试验,看看合不合用。一般来说,选用0.5毫米左右厚的卡纸,即通常称为薄纸板的纸比较合适。将纸裁成长大约25厘米,宽分别是3厘米、6厘米、12厘米(或2厘米、4厘米、8厘米)的纸条备用。
(2)为了纸条不被过度弯曲而能够多次使用,在实验中,纸条垫起的高度要控制在2厘米左右。这也是为了保证每次实验纸条弯曲的程度相同。每次实验以纸条中部接触到桌面为最大弯曲度,这时承载的垫圈数为它的抗弯曲能力。
(3)在讨论这个对比实验应该怎样做时,要让学生清楚应控制哪些条件不变。除纸横梁厚度、长度相同,弯曲程度相同外,纸横梁架空的长度也要相同(纸条架空长度可控制在20厘米左右),垫圈都要放在中间位置,都要轻轻地放。实验改变的只是纸的宽度。为了便于比较,我们要成倍地变化。
(4)在第一次测试后,可以设问:猜想一下,宽度增加一倍抗弯曲能力是多少?宽度增加两倍呢?先预测后实测,不但能提高学生对实验数据的关注程度,更重要的是促使他们思考宽度与抗弯曲能力的关系。
3.纸的厚度与抗弯曲能力的实验。
(1)准备纸横梁。把0.5毫米左右厚的卡纸切成长约25厘米、宽约3厘米(或2厘米)的条形,再分两张、四张分别粘在一起压平,做成厚为1张纸、2张纸、4张纸而长宽相等的三个纸横梁。粘纸条的时候,最好把纸头错开一点,能明显看出是几张纸粘成的。糨糊要尽量少放。
(2)同样要让学生清楚这个对比实验应控制哪些条件不变,改变的是哪个条件。
(3)这个实验纸横梁抗弯曲能力差别十分明显。得出的结论可以是描述性的:厚度增加,抗弯曲能力大大增加。或者厚度增加一倍,抗弯曲能力的增加大大超过一倍……
(4)在做完这个实验后,应该引导学生比较一下,要增加纸横梁的抗弯曲能力,增加纸横梁宽度与增加纸横梁厚度,哪种方法更好。让学生通过实验数据的对比认识到增加纸横梁的厚度是增加其抗弯曲能力的好办法。
4.解释横梁平着放好还是立着放好。
(1)如果有条件,可以先让学生观察教室顶上的钢筋混凝土横梁,横截面是什么形状的,它是平放的,还是立着放的。指出这里平着放和立着放都是针对横截面而言的。然后再用图像提供一些观察对象。
(2)提问:横梁为什么都是立着安放的呢?你们怎样用尺子(或冰糕木片)来证明你们的观点呢?(用手弯折尺子,平着很容易折弯,立着折不弯。说理由的关键点是,厚度比宽度更能提高梁的抗弯曲能力)。 [NextPage] 第2课形状与抗弯曲能力
(一)背景和目标
增强材料抗弯能力的另一种方法是改变材料的形状,这种方法的道理根源于改变材料的宽度和厚度。现在来研究材料的形状与抗弯曲能力,可以让学生认识到为什么改变形状就可以改变抗弯曲能力了。本课有两个活动。
第一,研究形状与抗弯曲能力的关系。用同样的纸做成像条形钢材那样的各种形状,测量它们的抗弯曲能力,并与平展的纸比较,认识改变材料形状可以改变其抗弯曲能力。更进一步的道理,教科书用资料形式给出,学生可以通过阅读来理解。
第二,研究瓦楞纸板的形状结构。瓦楞纸板有三层或五层,中间一层或两层是波浪形的,这几层薄纸板黏合在一起形成一个整体。这种结构使瓦楞纸板的强度大大增加,比把三、五层薄纸板平粘在一起强度大多了。研究瓦楞纸板不但可以加强对第一个活动的认识,而且可以让学生有新的发现或产生疑问,从而引导学生的认识向较复杂的形状结构前进。
科学概念
●改变材料的形状,可以改变材料的抗弯曲能力。
过程与方法
●做纸的形状与抗弯曲能力关系的实验。
●观察瓦楞纸板的结构,作出解释和提出问题。
情感、态度、价值观
●意识到小组合作做实验进行探究的必要性。
●乐于根据观察作出解释和提出问题。
(二)教学准备
为小组准备:实验用的大小相同的纸若干张、铁垫圈、胶水、包装箱瓦楞纸板。
教师自己准备:一些不同形状的钢、铝型材样品或相关图片。
(三)教科书说明
本课让学生观察不同形状的钢材、铝材,并提出问题引入研究。教科书插图中是角钢、工字钢、槽钢、圆钢管、口形钢等条形材料。
第一部分:形状与抗弯曲能力
本部分指导学生用平展的纸梁和折成钢材形状的纸梁做实验来研究形状与抗弯曲能力的关系。插图中折的和记录表中画的几种形状都是比较好放铁垫圈的。研究的目的不是要区分这几种形状抗弯曲能力的大小,而是与平展的纸比较,发现改变薄形材料的“-”字形形状,都可以增大其抗弯曲能力。
要使测试公平,就应当用长、宽、厚薄都与平展的纸一样的纸来折各种形状,纸梁架空的距离一样,放垫圈的位置一样。
实验后,教科书提出了两个研讨问题。第一个问题“各种形状的纸横梁比平板纸横梁抗弯曲能力大多少?”是引导学生认识改变薄形材料的形状都可以增大它的抗弯曲能力。
第二个问题“为什么改变形状也能提高材料的抗弯曲能力?”是引导学生对这种现象进行思考,发现现象后面隐藏的实质。这个实质要让学生独立发现是有困难的,教科书中有一段配图的文字供学生阅读,教师可以根据学生实际灵活处理,可研讨、可阅读、可讲解。
第二部分:瓦楞纸板的研究
经过手掰瓦楞纸板感觉其软硬,撕开观察其构造,学生会发现瓦楞纸板有特殊的构造,正是这种构造使其抗弯曲能力变得很大。观察后研讨这样的结构为什么使柔软的纸变坚硬了,要学生作出自己的解释,这是对本节课形成的科学概念的变式应用。希望学生能发现瓦楞纸板不只是把纸单纯的弯折,也不是把纸单纯的平粘增加厚度,而是又折又黏合。
要求学生提出一些问题,是希望他们能发现得更多,思考得更多。如瓦楞纸板方向不同,抗弯曲能力是不同的,为什么?弯曲的中间层好似一个个连续的拱形,拱形有什么特点……让探究的触角伸展开来。
(四)教学建议
1.研究形状与抗弯曲能力的关系。
(1)在学习形状结构与抗弯曲能力的关系内容时,如果能找一些做塑钢窗、铝合金窗的边角余料给学生实际观察,效果就更好了。在导课时,出示这些材料,介绍它们的名称,看一看材料壁的厚薄,感觉一下它们的结实程度。让学生解释一下这些材料为什么要做成这种样子。然后引入研究课题,并具体化为折纸横梁来测量它们的抗弯曲能力。
(2)提供给学生做实验的纸不能太薄,纸太薄保持不住折成的形状,也就无法研究下去了。用牛皮纸、挂历纸那样厚的纸比较合适,容易折叠又比较容易保持住形状。折不同形状的纸大小应该是相同的。
(3)同样做这个实验,可以让学生自己去折不同的形状来做研究。教科书插图中和测试记录表中几种形状是列举性的,不是规定必须测量的。研究的最终目的也不是要找到哪一种形状抗弯曲能力最强,而是要发现用不同形式改变薄形材料的“-”字形形状,都可以增大它的抗弯曲能力。当然,学生测量了几种形状,是可以比较出哪一种形状承重能力更强些,但这不是主要的。
(4)让学生认识到这个实验控制不变的条件是做纸横梁所用纸的大小,因此折出来的长度、架空的距离、放垫圈的位置都应该是一样的。唯一改变的是纸横梁的形状。
形状改变,宽度自然改变,实质上厚度也改变了,所以,学生说宽度改变了是对的,说厚度改变了也是对的。但是教师要指出,这些改变也就是形状改变含义的一个方面。
(5)折成不同形状的纸比平展的纸更能抗弯曲,是学生原来就有的认识,不是通过现在的实验才发现的,这个实验是在验证和强化学生原有的认识。所以我们需要继续把科学概念向前推进,问:为什么折成这些形状抗弯曲能力就增大了呢?学生自己想不明白说不清楚没关系,可以阅读教科书上的资料,通过阅读资料来学习。然后,要学生用自己的话说说这些形状为什么相当于增加了材料的厚度。
(6)要注意的是,清楚地认识和表述为什么改变形状可以增加抗弯曲能力不是对每个学生的要求,我们的教学目标是“认识改变材料的形状,可以改变材料的抗弯曲能力”。引导学生思考一下这是为什么,是为了加强这个目标。
同时,也不能认为这个目标还是学生原来的认识水平。不是的,现在的这个认识已经是用实验数据证明,有科学道理支撑的认识。
2.瓦楞纸板的研究。
(1)瓦楞纸板的各层是粘在一起的,在教学时要完整地解剖一部分,有一定的难度也费时间。所以建议课前先把一些瓦楞纸板剥开,作为只供观察的材料。另外再提供一些瓦楞纸板让学生去弯折感觉软硬,撕开后再感觉软硬。
(2)观察过程中教师可以提一些问题引导学生思考:瓦楞纸板一共有几层?每层的厚薄、软硬、形状如何?瓦楞纸板的结构有什么特点?
(3)学生观察后可以提出问题:你们认为瓦楞纸板抗弯曲能力强的原因是什么?启发他们作出自己的解释。还有什么问题吗?希望他们能提出一些自己的疑问。
如果学生能大胆地试着作解释,提出他们想知道的问题,我们的目标就达到了。[NextPage]   第3课拱形的力量
(一)背景和目标
拱形结构是一类很重要的结构,应用广泛。拱形结构又叫推力结构,它的特点是把受到的压力分解成向下的压力和向外的推力,是所有结构中唯一产生外推力的结构。研究拱形的承重特点更具趣味性和挑战性。本课有两个活动。
第一,测试纸拱的承重能力。用纸拱做实验研究拱形的承重特点,材料好找、简单易行。实验中不断想办法控制拱变形的问题,使纸拱不断承载更大的重压。通过实验引导学生认识拱形承重的特点。
第二,搭一个瓜皮拱。纸拱毕竟是一个不会轰然垮掉的拱,做一个瓜皮拱不但饶有趣味,而且更能感受到拱形的承重特点。当学生小心翼翼地把很滑的、小块的瓜皮搭成一个拱,看到这个拱并未垮掉甚至还能承重时,他们对拱形承重的特点会感受很深,会惊叹拱形的“力量”大。两个活动相比,前者是更理性的探究,后者是更感性的制作,相辅相成。
科学概念
●拱形可以向下和向外传递承受的压力,所以能够承受很大的压力。
过程与方法
●根据观察到的拱形产生的形变来推想它受力的状况。
情感、态度、价值观
●认识到边实验边思考,对不断深入研究的重要性。
(二)教学准备
为小组准备:做拱形的纸,铁垫圈若干。
教师自己准备:相关的图片资料。
学生自己准备:搭瓜皮拱的瓜皮、小刀。
(三)教科书说明
本课从古代城门都是拱形,柔软的纸做成拱形就变“坚硬”的事实引入对拱形结构的研究。
第一部分:测试纸拱的承重能力
用适当厚的纸做拱很容易,教科书选用纸拱来研究拱形承重的特点。研究纸拱承重能力分为三个步骤。
第一步,做一个纸拱放在桌上测试它能承受多少个垫圈的压力,这样的拱受一点点压力就伸展开了。让学生经历这样一个过程,他们会发现拱在受压力时,拱脚会向两边推,会产生向外推的力。
第二步,怎样使纸拱的形状保持不变呢?用书抵住拱脚。学生继续测试研究,会知道这样的拱能承受比较大的压力,而且观察到随着压力的增大,拱开始慢慢变形。这一步的重点是引导学生根据拱形的变化分析力的作用,认识到拱形承受压力的特点。
第三步,怎样才能使纸拱承载更大的重量?教科书作了提示:看它是怎样变形的,想怎样使它不变形。引导学生想到把两边的书摞高些,更好抵住拱的外推力。
研究纸拱的承重能力是一个连续的过程,前后承重差别很容易观察,所以没有要求做实验记录。本课配图的资料“拱形承重的秘密”能帮助学生把研究获得的感性认识提升一步。
第二部分:搭一个瓜皮拱
搭瓜皮拱是模拟人们用砖、石块建拱的活动。插图中是用西瓜皮搭拱,呈现了搭瓜皮拱的过程和效果。教学中也可以用其他的瓜皮搭拱。教科书最后要求对瓜皮拱不垮作出解释,解释的过程是学生把新知识内化的一个过程。
(四)教学建议
1.测试纸拱的承重能力。
(1)搭纸拱的纸要有适当的厚度,如牛皮纸、旧挂历纸或卡纸。这样的纸当平展着时不能承载多大的重量,但做成拱形后能承载相当的重量,对比比较鲜明。
(2)纸拱有其特点,变形很严重了都不垮塌,到底怎么算它“能承受多大的重量”?所以,我们在教学时要先让学生认识到这个特点,并约定一个标准,纸拱变形到什么程度就算是超过它的承载能力了,就相当于“垮掉了”,这样才便于研究比较。
尽管约定的这个标准也不是很标准,但是是很必要的。
(3)做实验的步骤和指导。
①要求学生把纸先卷一卷再松开,做成一个拱形,用铁垫圈测试一下它能承受多大的压力。这个拱不能借助其他物体帮助。
研究为什么这个拱不能承受稍微大一点的压力,要使拱能多承受几个垫圈,怎么办。
(这个拱受压就伸展平了,所以承受不了多大的压力。把拱足抵住,就可能多承受垫圈的重量)。
②用两本书分别抵住两边拱脚,使纸拱不塌下来。测量这样的拱能承受几个垫圈的重量。
提问:随着压力不断增加,纸拱有什么变化?怎样才能让纸拱承受更多的垫圈?
(纸拱变形了,多用几本书抵挡住拱形,使它不变形)。
③用较多的书抵住纸拱,再测量能承受多少个垫圈(可以承受更多的垫圈)。
(4)实验中不断想办法解决纸拱变形的问题,实质是解决抵消拱的外推力的问题。因为力是看不见的,拱产生的形变是可以看见的,所以前面是以“怎么使纸拱不变形”来指导研究。在此基础上,这时就需要引导学生认识外推力了。
研讨为什么我们抵住拱足,拱就可以承受那么大的压力。希望学生从实验观察中悟出:拱形受压要向下和向两边挤,抵住拱足就抵消了它向两边挤的力。在经过一段讨论后,阅读教科书上的资料,进一步了解拱形承受力的特点。
2.搭一个瓜皮拱。
(1)选半圆形瓜皮,切下一个弧形条,宽度在3厘米至4厘米。
(2)把这根弧形的瓜皮条切成5块。切口线的方向要指向想象中的圆心。切5块是为了在搭建拱时两手好拿。切成块后注意按原来的顺序放好。
(3)搭拱时可以在接缝处夹一张纸巾吸收渗出的水,纸巾大小与切口面相同或略小。要用物体把拱脚处抵住。
(4)可以全班共同搭建一个瓜皮拱,也可以要求学生课外做。
本课最后,可以给学生讲述我国的赵州桥石拱的构造和特点。  [NextPage]     第4课 找拱形
(一)背景和目标
在研究了典型的拱形的特点后,本课进一步发展学生对拱形的认识:认识圆顶形和球形等具有拱形相似特点的弧形结构;认识生活物品中的拱形;认识生物体中的拱形。这不但使学生对拱形的概念加深,也使学生过程与方法的能力有所提高。本课有三个活动。
第一,了解圆顶形和球形的承重特点。狭义的拱形概念是指像上一课纸拱、瓜皮拱那样的拱。其他由不同曲面构成的形状分别叫圆顶形、球形、弧形、抛物线形,等等。广义的拱形结构概念则包括所有的弧形,因为它们有共同的特征,又称作弧形结构。基于学生的水平,我们采用狭义的称呼。“找拱形”就是要在圆顶形、球形、不规则弧形结构中找出拱形的特征,采用的方法是引导学生把圆顶形、球形看成是拱形的组合。使学生对弧形结构有一个概貌性的了解。
第二,观察分析塑料饮料瓶形状结构的设计。让学生通过观察、分析悟出其中的道理,可以提高学生观察、分析能力,体会到科学技术与生活的密切联系。这项活动有综合性、开放性特点,可以涉及美观、方便或其他方面的一些问题。
第三,了解生物体中的拱形结构。与生命世界的学习联系,加深对生物体结构与功能关系的认识。
科学概念
●圆顶形、球形等有和拱形相似的特点,可以承受很大的压力。
过程与方法
●用已有知识对常见弧形结构承受力的特点作解释。
●发展观察、联想和逻辑推理能力。
情感、态度、价值观
●感受科学技术对我们生活的影响。
(二)教学准备
为小组准备:完整的和对半剖开的乒乓球,完整的和剪开的塑料饮料瓶。
教师自己准备:类似拱形、圆顶形和球形的物品或相关图片,若干根相同的硬纸条(演示拱形拼成圆顶形和球形)。
(三)教科书说明
本课开篇引导学生回顾拱形结构承重的特点,说说知道的拱形建筑。插图从左至右是黄土高原上的窑洞、古代拱门、现代拱形屋顶。这是连接上一课和这一课的纽带。接着引申到圆弧形物体,提出它们“有相似的特点吗”的问题展开研究。
第一部分:了解圆顶形和球形承受力的特点
本部分先让学生知道什么是圆顶形和球形,然后观察对半剖开的乒乓球壳,通过“看”“捏”发现乒乓球壳本身不厚、较软。
接下来做实验,三个剖开的乒乓球壳承载了一大摞书。最后用手捏、压乒乓球,乒乓球“纹丝不动”。
这些都会让学生直接感受到圆顶形和球形承受力的特点。
找圆顶形与拱形相似的地方,是要学生从“形”上找相似,插图表现了一个拱形以拱顶和拱脚中点连线为轴旋转,就成了圆顶形的情景,所以圆顶形可以看成是若干拱形的组合。试着解释圆顶形承受压力的特点,是要学生在“力”上作分析,教科书对圆顶形特点作了简要说明。
对球形认识的思路与此相同。拱旋转成球形的插图强调了球形是以拱脚连线为轴旋转形成的。
最后让学生再举一些类似拱形的形状以扩展拱形的概念。悉尼歌剧院、中国国家大剧院两幅插图为学生举例提供了借鉴,它们的一个共同特点是内部空间很大但是没有柱子,这正是它们形状和结构的优点所在。
第二部分:观察分析塑料瓶形状设计的科学道理
教科书前三句话提示了用比较观察、分部分观察、用手捏观察等方法来观察研究。
塑料瓶的上部是圆顶形(有的是明显的圆锥形,瓶口是圆柱形)。中部瓶身是圆柱形,表面有环状的拱形,竖着的拱形或其他凸凹形状。底部一般向内凹进去,类似圆顶形。最厚的地方是瓶口,最薄的地方是瓶身。分析起来,这些都与瓶子承受力的需要有关。
在实际教学时,可能对形状结构知识有多方面的涉及,还可能涉及美观、实用、方便等内容。
第三部分:了解生物体中的拱形结构
教科书列举了人的头骨、肋骨及足拱构造,还有龟壳、贝壳等。这部分可以
使学生从结构与功能的角度对生物体构造有更深的认识。这样的例子很多,教学中可以再多举一些。
(四)教学建议
本课教学开始时,先回忆拱形承重的特点,观察一些典型的拱形建筑。这是向本课内容过渡的需要。然后让学生观察一些弧形的东西,大到建筑(图片),小到物品。指出我们周围有许多圆弧形的东西,老师可通过提出问题,把教学引导到研究课题上来。
1.认识圆顶形、球形承受力的特点。
(1)观察一些圆顶形建筑和物品的图片。告诉学生这些形状叫圆顶形或半球形。
提出问题:圆顶形承受压力的能力如何?
(2)通过对乒乓球的观察、实验和分析,认识圆顶形承受力的特点。
①观察剖成两半的乒乓球,看一看球壳的厚薄,捏一捏皮的软硬。
(可以看到乒乓球球壳并不厚,很薄;捏乒乓球皮,感觉比较软)
把半个乒乓球扣在桌上,向下压它,感觉又如何?(感觉很硬)
②我们在三个这样的半个乒乓球上放书,看能放多少本?(可以放很重的书)
试着解释一下,为什么能承受这么重的书?
③用纸条弯成拱形,演示说明几个相同的拱形可以拼成一个半圆形。这样把教科书上无形的说明变成了有形的实体,学生更易理解。有条件时,让学生亲手做一做,把几根纸条粘成一个半球形。
提问:拱形承重时拱脚是要用力抵住的,圆顶形还需要抵住吗?可以作个比喻,如果几个人手牵手围成一个圆圈,每个人都向外退,能退开吗(这里的每个人都相当于一个拱的拱足)?
(3)借助对圆顶形特点的理解,认识球形承受力的特点。首先让学生用手掌压乒乓球,说感觉(感觉很难压瘪)。然后师生共同分析,两个半球形可以组合成一个球形,球形也可以看成是若干个拱形的组合(用纸条拱形照教科书中方法演示)。球形在各个方向上都是拱形。球形的任何一个地方受力,力都可以向四周均匀地分散开来,所以球形比任何形状都更坚固。
2.塑料瓶形状的观察和分析。
(1)要指导学生用比较、分部分、手捏的方法来进行观察。教科书上的“塑料饮料瓶的观察记录”清楚地标明了观察的内容和部分。可以用这个表指导学生观察和记录。观察后的分析也按照这个表的项目进行,对每个项目问一个为什么。
(2)这部分的研究开放性较强,因为瓶子形状的设计还要考虑美观、容易生产、使用方便等方面,所以学生的见解不一定相同。教学时放开解释,只要见解有道理即可,不求统一答案。我们更追求的是让学生乐于观察、喜爱分析、独立思考。
(3)在我们周围,利用弧形增加材料强度的例子很多,如在小勺的把上压一个弧形的槽,在薄塑料碗、纸碟子上压凹凸痕等。教师还可以再提供一些材料,扩展学生的见识。
3.认识生物体结构中的拱形结构。
(1)人们利用拱形、圆顶形、球形的特点创造了很多人造物体,在自然界,有没有天然的拱形呢?我们自己身体上有拱形结构吗?引入对头骨、肋骨、足骨的研究。这部分可以观察骨骼模型,可以观察图片,也可以摸自己的身体感知。对足拱的观察还可以间接观察足印。
(2)扩展到对其他生物体上拱形的观察。观察龟壳、贝壳、蛋壳,请学生说说这些形状对动物自身有什么意义。这部分教学可以再举出一些例子。[NextPage] 第5课做框架
(一)背景和目标
起重机架、输电线铁塔是一种框架式结构。框架结构的优点是能用较少的材料建构巨大的物体,支撑出很大的空间。用木材、钢材建造的物体几乎都是框架结构的。研究框架结构又给学生打开了一扇认识形状结构的窗口。本课有两个活动。
第一,做简单框架。三角形框架和四边形框架是最简单最基本的框架。让学生自己捆扎这样的框架,并发现三角形框架稳定,四边形框架不稳定。进一步研究怎样把四边形框架加固,认识斜杆的作用。为下一个活动作认知和技能上的准备。
第二,做一个坚固的正方体框架。这部分内容是引导学生自己制作并加固一个正方体框架,在活动过程中进一步认识框架结构的特点,掌握加固框架的技能。它是第一个活动的必然发展。
科学概念
●三角形框架具有稳定性,利用三角形框架可以加固框架结构。
过程与方法
●用三角形框架来加固框架结构。
●设计、制作一个可以支承重物的框架结构。
情感、态度、价值观
●体验动脑、动手合作做框架的必要,获得成功的喜悦。
(二)教学准备
为小组准备:筷子或塑料吸管、橡皮筋、剪子。
教师自己准备:框架结构建筑的图片或影像。
(三)教科书说明
本课开始部分的插图都是框架结构的物体。通过观察,可以直观建立起“框架”的概念,用“骨架式”来说明框架结构是很容易理解的。
第一部分:做简单框架
教科书中的第一幅插图是材料图,建议教学中使用筷子和橡皮筋来捆扎框架。第二、三幅图引导学生比较三角形框架和四边形框架哪一个容易变形。第四幅图是加固后的四边形框架,结实不易变形。
三角形框架稳定,四边形框架不稳定,在四边形框架中加一根斜杆可以加固四边形框架。这些对学生来讲都是比较容易的,怎样激活学生的思维呢?教科书引导学生去分析在四边形框架中增加的斜杆起什么作用。教科书中漫画小人的推和拉的动作可以启发学生的想象,想象出斜杆在不同情况下产生的作用。左图中小人(相当于斜杆)的推力阻止了四边形框架变形,右图中小人的拉力阻止了四边形框架变形。
第二部分:做一个坚固的正方体框架
做正方形框架用的杆件只需一种长度,加的斜杆也是一种长度,比作长方体框架用材简单,所以教科书选用了做正方体框架。
这部分教学的目的在于通过动手做,让学生灵活应用知识,体验框架的作用。为了较好地达到这个目的,教科书提出了一些启发性问题,使学生认识到如果承受向下的压力,考虑到节约材料,上下面可以不加斜杆,只在周围的四个面各加一根斜杆就可以了。当然四周各交叉加两根肯定是更牢固一些,这要看实际的需要。左下插图中的框架是四周各加一根的。
制作完成后,让学生测试一下做的框架能承重多少,学生会具体感受到框架巨大的“力量”。教科书还要求试分析一根斜杆的作用,而不是只抽象地说说斜杆的作用。
(四)教学建议
本课首先让学生观察教科书中的插图或图片,认识框架结构。然后可以提问:这些框架结构建筑有什么特点?引导学生认识框架结构能支撑起物体,起到柱子和横梁的作用,而且花费的材料又少。
当学生思维有困难时,可以启发他们想象,如果把这些框架结构改成实体的结构会怎样。这样,学生在认识框架结构时也会加深对框架结构的理解。
1.做简单框架。
(1)可以用橡皮筋捆筷子、竹棍、竹签或塑料吸管。因为要加斜杆,所以要准备一些长的筷子、竹棍、竹签或吸管。
(2)不管选用哪种材料都要先教方法并进行练习。用橡皮筋捆扎杆件的接头要用缠绕的方法,不用打结的方法,可以作示范给学生看。
(3)做好三角形框架和四边形框架后,观察二者受到力的作用时有什么不同,哪一个容易变形。要求学生用适当大小的力,从不同的方向用力。
学生做的四边形框架是平面框架,最好把框架平放在桌面上,用手在桌面上推、拉。
学生充分感受了三角形框架稳定,四边形框架不稳定后,会提出想办法加固四边形框架的要求。
(4)研究增加的斜杆起了什么作用(起“拉”“推”的作用,使框架不变形)时,可让学生用框架演示说明什么情况下起拉的作用,什么情况下起推的作用。
(5)可以考虑是否出示下面的示意图,告诉学生这是墙上安装的两个不同的三脚架,下面都挂着重物,说说斜杆受的是推的力,还是拉的力。
(6)最后,观察大型框架结构中的小格子差不多都是三角形,要学生作出自己的解释。
2.做一个坚固的正方体框架。
有了前面的基础,学生做正方体框架和加固框架就不成问题了。怎么引导学生在制作中继续探究,是教师要解决的问题,可以注意从下面(1)~(4)点上引导学生思考。
(1)让学生说说加固这个框架可以在什么位置加斜杆。这个问题可以说没有错误答案,在什么位置上都可以加斜杆,一般说来,可以在上、下、左、右、前、后六个面上加,也可以在正方体内部斜着加。让学生意识到具体加固框架的方法是多样的,可选择的。
(2)给出具体需要(框架是承受向下的压力),让学生说说哪些地方可以不加斜杆。这是引导学生考虑实际需要和节约材料的问题。
(3)要让学生注意到制作要求是“用较少的斜杆”加固这个正方体框架。在后面的评价中,要用这个标准来检查评价。不考虑需要,任意多加斜杆是不符合要求的。这已经涉及到了技术设计的一个基本思想:满足需要,节约成本。
(4)用一根斜杆为例,分析它起的作用。教学中可选择一根斜杆,要学生具体说说是形成了什么样的力使它能阻止框架倾斜、垮塌,这要用实际的演示操作配合。各根斜杆的作用是相同的,说明一两根的作用就可以了。
(5)各小组检验制作的框架能承重多少。这是对框架结构的肯定,也是学生对自己制作作品的肯定。[NextPage] 第6课建高塔
(一)背景和目标
本课将引导学生认识框架铁塔稳定不倒的形状结构特点。物体都有稳定性问题,研究这个问题,不但可以加深对框架铁塔的认识,也能够认识所有物体的稳定性问题。本课以铁塔为什么稳定不倒为起点和归宿,中间用塑料瓶做实验和制作“高塔”来探究物体稳定性问题。探究学习的过程为“推测——探索和制作——将探索结果与假设相比较”。本课有三个活动。
第一,研究物体不容易倒的秘密。让学生用塑料瓶和沙去自主研究教科书提出的三个问题,初步认识上小下大、上轻下重的物体不容易倒。
第二,建造不容易倒的“高塔”。学生建造不容易倒的“高塔”是对前一个活动研究结论的应用和再检验,是一个继续研究的过程。这里不是制作框架式高塔,主要考虑是不与上课重复和教学时间的限制。
第三,铁塔不容易倒的再思考。将探索的结果与最初的假设相比较进行反思,是培养探究能力的一个策略。这个活动希望学生经历这样的过程,体会比较、反思的意义。同时,通过再思考使学生加深对框架铁塔不容易倒的道理的认识。
科学概念
●上小下大、上轻下重的物体稳定性好。
过程与方法
●用简单材料独立地探究物体不容易倒的秘密。
●应用知识和经验制作不容易倒的“高塔”。
●把探究的结果与最初的假设相比较。
情感、态度、价值观
●体验合作与交流,尊重自己和他人的制作成果。
(二)教学准备
为小组准备:几个大小不同的塑料瓶、沙、吸管、胶带、水。
(三)教科书说明
教科书中的三幅图分别是法国的埃菲尔铁塔、钻井铁架、高压输电铁塔,它们都展现了高大的框架铁塔的特点。它们要承受本身的重量和其他重压,还要承受侧面来的风的力量。从形状结构上来看,哪些特点使它们不容易倒?要求学生猜想并把猜想写下来,为研究和研究后的反思打下基础。
第一部分:研究物体不容易倒的秘密
教科书插图是空塑料瓶和一些沙子,教科书提出了三个要研究的问题:怎样放最容易倒?怎样放不容易倒?怎样做最不容易倒?学生通过实验,会自己研究出瓶口向下最容易倒,瓶口向上不容易倒,瓶口向上瓶子里再装一些沙子最不容易倒。
在此基础上,教科书提出问题“要想使物体不容易倒,可以用些什么方法?”这里的“物体”是指一般物体,不专指塑料瓶。“方法”是经过归纳的一般方法,不再只是针对塑料瓶的方法。通过对这个问题的思考、讨论,希望学生能想到把物体下面做大些、重些,上面做小些、轻些,物体就不容易倒了。这是为下面建“高塔”打下基础。
第二部分:建造不容易倒的“高塔”
本部分使用教科书插图中的材料,利用刚研究的原理建“高塔”。希望学生能够用到大瓶在下、小瓶在上,用吸管、胶带给塑料瓶做一个大些的底座,在大瓶中装一些水或沙的方法。要学生用扇风的方法检验建造的“高塔”的抗风能力,是启发学生认识框架结构的物体抗风能力比实体的物体强。
第三部分:铁塔不容易倒的再思考
教科书再次回到框架铁塔的研究上来。通过前两个动手活动的研究,学生回答教科书上的问题是不难的。重要的是让学生“看看我们先前的猜想,哪些得到了验证,哪些需要修正、补充”。希望学生经历这样的过程,体会到把自己探究的结果与最初的假设相比较的意义。同时,通过再思考能使学生加深对框架铁塔稳定性特点的认识。
(四)教学建议
引入本课,除了观察一些高大的铁塔建筑外,还可以简单而生动地介绍一下埃菲尔铁塔(见教学参考资料)。这会引起学生对铁塔建筑的极大兴趣。
1.提出问题,记录猜想。
(1)提出问题,引导思考。首先指出,这些框架铁塔都建造得很高,不但框架结实不变形,还能保持在各种情况下都稳定不倒。然后因势提出问题,这些高大的铁塔会受到哪些力的作用?观察这些铁塔的形状结构,是哪些特点使它们不容易倒?
(2)在讨论的基础上,让学生写下自己的猜想。写下的猜想要清楚简明,分成若干条。
(3)本课最后部分,要把研究的结果与猜想相对照。体会把探究的结果与最初的假设相比较的意义。
2.研究物体不容易倒的秘密。
(1)这是个简单的实验,教师不需要作指导,学生会很快找到三个问题的答案。为了方便学生对比,提供两个同样的空塑料瓶,只用一个来做,进行前后实验现象对比也是可以的。因为三种情况稳定性差别是非常明显的。
(2)当学生回答了教科书上的三个问题后,教师要问一下这是为什么,促使学生动脑思考这样做的道理,但是不要求学生能清楚完整地表述。
(3)让学生说说要想使物体不容易倒,可以用些什么方法,促进学生知识迁移,为下面的制作活动作铺垫。
3.建造不容易倒的“高塔”。
(1)根据学校实际,提供的材料可以更换。但材料搭配要有结构,能改变上下的大小,改变上下的轻重,能增大支撑的底面。
(2)学生制作塔的方法一定是各不相同的,这里面渗透着他们的思考和创造。在制作后,要让学生说说为什么要采用这些方法来制作高塔。
(3)本课没有涉及塔基问题,实际的铁塔都是有基础的,在地面挖坑灌注水泥墩,并把铁塔与基础相连,这样做的实质也是增加下部的重量。学生如果提出问题,要给予简要解释,学生能自己解释,只要基本合理就应当给予充分肯定。
(4)用扇风的方法测试学生建的“高塔”的抗风能力,是希望学生认识到框架铁塔的另一个特点——风的阻力小。如果学生做的“高塔”下面很重,底面很大,扇风可能既不能吹动它更不能吹倒它,在提供的材料方面要考虑尽量避免这种可能。
(5)在“铁塔不容易倒的再思考”部分,要把学生在本课探究的结果与先前的猜想进行比较,所以,必须要明确总结出学生探究的结论,基本意思是:框架铁塔上小下大、上轻下重,空气阻力小使它不容易倒。[NextPage] 第7课桥的形状和结构
(一)背景和目标
桥的形状结构明显外露,容易观察研究。桥的形状结构变化反映了人类科学技术的进步和发展。本课带领学生了解多种多样的桥梁结构,可以加深和拓宽前面的知识,可以深入地感受科学技术对社会进步的贡献,还可以为下一课用纸造桥培养兴趣和开阔视野。本课有两个活动。
第一,观察比较各式各样的拱桥。通过这个活动,可以开阔学生视野,得到美的享受,也了解一些不同拱桥的特点。
第二,了解大跨度的钢索桥。通过这个活动,除了开阔视野,享受美之外,对科学技术给我们带来的方便也会印象深刻,同时可以认识一种新的结构“拉索结构”。但是不一定要告诉学生这个名称。
最后,“观察研究我们家乡的桥”,为有条件的学校提供了一个学生自主研究的好课题。
科学概念
●桥梁有多种不同结构,有的桥梁把多种结构合为一体。
●桥的形状和结构与它的功能是相适应的。
过程与方法
●提高观察、比较、描述和评价的能力。
情感、态度、价值观
●体会科学技术对社会进步的作用。
●感受和欣赏桥梁的形状结构之美。
(二)教学准备
为小组准备:吸管或竹片、粗线。
为全班准备:木板或瓦楞纸板、绳子。
教师自己准备:各种桥梁的图片或影像资料。
(三)教科书说明
教科书从观察三种结构的桥开始,左上图是苏州的宝带桥,是一座连续的石拱桥。左下图是常见的高架公路桥,是水泥直梁桥。右图是南京长江大桥,是钢框架梁桥。这是前几课研究过的拱形、条形和框架三种结构。然后用“随着科学技术的发展,桥梁的结构越来越多样了”一句引入认识多样的拱桥和钢索桥。
第一部分:各式各样的拱桥
本部分插图是四种不同的拱桥。上图是西藏拉萨铁路大桥,是桥面在拱下方的拱桥,使用了钢筋水泥又用了钢框架结构。下左图是法国古代的石拱桥——加尔德桥,桥上流着从山上引下来的水,桥又跨过下面的河。下中图是长江三峡崇山峻岭中的一座钢筋水泥拱桥。下右图是扬州瘦西湖里造型优美的“二十四桥”(石拱桥)。教科书要学生找出它们的相同之处和不同之处,找出各自的优点所在。他们在观察比较中会加深对拱形结构的认识,同时还感受了拱桥特有的美。学生们有自己观察的视角,可能从桥的大小、用途,拱的形状以及建造用的材料来寻找不同。教科书从桥拱与桥面相对位置的角度来引导学生研究。模拟“做一个没有外推力的拱”,可以使学生直接感受到桥面在拱下方的桥的优点。
第二部分:大跨度的钢索桥
这部分内容要求在观察的基础上,让学生找一找、说一说钢索桥的结构和显著特点。钢索桥主要由钢缆、桥塔、桥面组成。钢缆是桥承重的主要构件,桥塔是支承钢缆的主要构件。显著特点从结构上看是吊桥,即桥面被钢缆吊起来;从功能上看是跨度很大。教科书对江阴大桥作了介绍并配了图,能给学生留下深刻的印象。左起第二幅小图是修建江阴大桥安钢缆时的情景,可以清楚地看到钢缆的粗大。
模拟钢索桥的活动可以让学生实际感受到钢索桥的特点。让绳子下垂多些和拉直一些,能感受到用力大小不同,从而理解桥塔修得很高是为了降低钢缆的拉力。
教科书还引导学生注意到很多现代大桥不是一种单纯的结构,而是把多种结构合为一体。这对开启学生思维有潜移默化的影响。
作为拓展内容,教科书最后安排了观察研究家乡的桥的活动。有条件的学校尽可开展这项活动。
(四)教学建议
●为了把这一课上得内容充实、形式活泼,教师在课前要布置学生收集桥的图片和资料,告诉他们上课时要请他们介绍这些图片和资料。教师自己也要收集一些桥的资料,其实这是很有意思的工作。
●上课时,先请学生展示图片,介绍自己了解的桥。教师再补充一些桥的图片,尽量涉及不同结构、不同材料的各种桥,哪怕是简单到一条河沟上架起的一块木板。
●可以请学生说说什么是桥,看似简单的问题,可一下子也难于回答,这倒可以激起学生的兴趣。教师可以帮助学生认识桥是一种跨越障碍的特殊建筑,但不要把它当成定义。
1.各式各样的拱桥。
(1)拱桥是各式各样的,用千姿百态来形容一点不为过。教科书在让学生知道拱桥是多种多样的同时,重点是认识桥面在拱下方的拱桥。为此,教科书上有一段文字说明,还要引导学生做一个简单的模拟实验。在教学时,要突出这个重点。
(2)为了便于教学,可以利用教科书中的四幅拱桥的图来进行观察比较。教学中可以启发学生从不同的方面来观察不同点,比如使用的材料、大小、用途、桥拱与桥面的位置等。
(3)在学生多方面比较的基础上,可以集中到比较桥面与拱的相对位置上来。图中有桥面在拱下方的,有桥面在拱上方的。可以参考下面的内容适时、适量对学生点拨指导:
桥面在拱上方:桥下空间高,便于船的通行(教科书上三幅小图是这种拱桥)。
桥面在拱下方:桥面低,与道路连接容易;桥面拉住拱足,能抵消拱的外推力(青藏铁路拉萨大桥就是这种拱桥。它全长928.85米,主跨108米,采用双层叠拱结构。该桥的主桥桥墩设计为牦牛腿式双圆柱墩,结构新颖,融民族特色与现代风格于一体,成为拉萨市一个重要的景观)。
(4)制作并试验。桥面在拱的下方,可以拉住拱脚抵消拱的外推力,做一个模型试试。试验一下,向下压拱圈或拉拱圈,它容易变形吗?能承受压力或拉力吗?
2.大跨度的钢索桥。
(1)教师可以简单介绍索桥的“家史”:很早很早以前,人们从缠绕在大树间的藤蔓得到启示,用藤蔓做成了吊桥,后来用铁链代替藤蔓建造出了铁索桥。再后来得益于科技的发展,用钢丝编成的缆绳建造出了跨度达千米以上的钢索桥。
(2)让学生观察教科书上的钢索桥结构。提示观察钢缆的粗大。
适时提问,钢索桥主要由哪些部分组成?钢索起什么作用?桥塔起什么作用?你们认为钢索桥有什么显著特点?(桥被钢缆吊起,桥的跨度很大)适时阅读教科书中关于江阴长江大桥的数据资料。
(3)进行模拟钢索桥的体验活动。用木板或瓦楞纸板做“桥面”,用绳子做“钢缆”,用椅子背做“桥塔”搭成一个“钢索桥”。在纸板上放书包,不同程度地拉紧绳子,感觉用力的大小,体会把桥塔修得很高的道理。
为了帮助学生理解桥塔修得很高的道理,可以再打个比方:两手提水,把手臂水平伸直费力,还是不伸直费力。
(4)观察分析教科书第42页那座红色的钢索桥(美国旧金山金门大桥,跨度为1280米),它使用的什么结构,让学生注意到这座桥把框架结构、拱形结构、钢索结构都用上了。
(5)最后,可以根据情况决定是否提出这样的问题:想一想,桥为什么呈现出这么多不同的形状和结构?什么对桥的形状和结构影响最大?
(决定桥的形状和结构的主要因素是用途、材料和技术。桥梁反映着科学技术的进步状况)
3.观察、研究家乡的桥。
(1)如果有条件,指导学生观察研究家乡的桥是很有价值的活动,可以把科学技术与社会联系起来,培养学生热爱家乡,关心社会的思想感情。
(2)开展这样的活动,要先讨论如何观察、描述一座桥(可归纳成用什么材料,采用什么结构,为什么采用这种结构,估计跨度大约是多少,它的作用是什么,有什么特点等)。
(3)联合语文老师、美术老师指导学生写、画“家乡的桥”“著名的桥”……
(4)必要时要强调安全。[NextPage]  第8课用纸造一座“桥”
(一)背景和目标
纸易于剪裁,又比较结实,它可以为“小小建筑师”们提供很大的想象和创造的空间。本课要求学生在规定时间里(比如20分钟),用纸造一座有一定大小和载重能力的桥。学生们在经历设计、制作和交流评价的过程中,能够发展诸方面的素养,也可以为本单元的学习评价提供一定的依据。本课有两个活动。
第一,用纸造桥要考虑哪些问题。本部分是对学生如何设计作指导。用纸造桥,需要综合考虑许多因素,如材料的特性和数量,形状和结构,部件的组合和连接,等等。教科书用卡通讨论的形式作了一些提示,希望通过这四个发言打开学生的思路,学生可能就会由此想到彼。最后整理思路,填写设计方案表。
第二,介绍评价我们的桥。这是制作好纸桥后的活动,是一个必要的过程,可以达到前面教学不能达到的目标,如培养表达、倾听、评价等方面的能力。
科学概念
●设计和建造桥需要综合考虑许多因素,如造桥的要求,材料的特性和数量、形状和结构等。
过程与方法
●经历设计、制作、介绍交流的过程,体会设计的重要性。
●应用形状结构的知识及经验设计和制作。
情感、态度、价值观
●发展乐于动手、善于合作、不怕困难的品质。
●发展尊重他人、认真倾听、敢于发表意见的品质。
(二)教学准备
为小组准备:旧报纸一张、胶带、剪子、尺子。
(三)教科书说明
本课开篇直接提出用纸造桥的要求,要求限制了时间,规定了使用的材料、桥的跨度、宽度、载重等。接下来就是造桥了。
第一部分:用纸造“桥”要考虑哪些问题
教科书中四个学生的讨论发言可以归纳成两个方面。第一,要考虑纸的特性。纸承受力的特点是抗拉而不抗压,即抗弯曲能力很差。纸是“薄板型”材料,要考虑怎样增强它的抗弯曲能力。第二,我们的桥选择什么样的形状和结构。这两方面是相互联系和影响的,要结合在一起进行思考、选择。另外,纸是限量的,我们的桥由哪几部分组成,各用多少材料,怎么牢固地连接在一起……这些让学生自己去考虑设计了。
经过讨论后,就可动手制订设计方案了。教科书中的设计方案表也是对设计的一种指导。
设计好了就可以开始建造纸桥了,教科书没有呈现这部分的内容。
第二部分:介绍评价我们的“桥”
怎样介绍我们的“桥”,教科书给了五方面内容的参考,包括对桥本身的说明,对知识的应用,制作过程的介绍和反思。对介绍评价活动的过程,教科书无须再作说明和指导。
用纸造桥是一个创造性活动,特点是制作不难,设计难。教科书中没有学生制作好的纸桥的图,意图是激发学生的想象力和创造力,不让他们依样画瓢。
(四)教学建议
1.关于材料准备和纸桥的标准。
(1)旧报纸是很容易找的材料,可以由教师为每个小组准备,也可以要求学生自己准备。准备旧报纸要注意三点,一是大小要一样,大多数报纸展开的尺寸是长77厘米、宽55厘米,报纸大小不一样,建桥要求应当不一样。二是报纸应该是没有揉搓过或过多折叠过的。三是要准备备用的报纸,当学生需要重做时,可以再发一张。
(2)教科书上的建桥标准是举例式的,这个标准不是轻而易举就能做成的,但经过仔细设计和制作,是可以做成的。根据学生的实际,可以对“建桥标准”降低一点要求。当学生制作成功一次后,再提高要求,也许更能激发他们的积极性。
“建桥标准”还可以增强一些情景性,比如出示几辆玩具车,提出的要求是可以承载几辆这样的玩具车,桥的宽度为两车道,可以让玩具车对开通过等。
建议教师自己先“秘密”造几座桥,再估计一下学生的水平,标准自在心中了。
(3)可以考虑允许用胶水粘贴纸管,因为比用胶带缠绕固定来得容易和迅速。使用的工具不限。
2.用纸造桥要考虑哪些问题。
(1)要让学生明白,设计是要受条件限制的,现在的限制就是造桥的标准。设计是可以有多种选择的,根据要求能够设计出不同的纸桥,选择要从需要和可能两方面加以权衡。设计的一切考虑都是指向任务完成的,我们需要解决的最主要问题是,桥在压力的作用下不发生弯曲和破坏。
这些思想是技术设计中的一般思想,如果在指导学生设计时渗透了这些思想,将对学生产生长远影响。
(2)一开始,学生的考虑可能是杂乱和跳跃的,其实我们在面临新问题时也是这样。此时要引导学生把考虑的问题慢慢条理化起来。可以引导他们把考虑的问题归纳成以下几点:根据纸的特性,怎样增强它的抗弯曲能力;选择什么样的形状结构造桥;各部分怎样分配材料;怎样牢固地连接各部分。
(3)教师在学生需要时作必要的指导。让他们回忆过去是怎样折纸横梁的,知道可以把报纸卷成粗细不同的圆管,也可以把报纸搓成结实的纸杆等。
(4)要让学生在“桥”的设计方案表中“结构说明”一栏填写使用了哪一种或哪几种结构。
(5)要告诉学生,造好的桥先不能过分承重和过久承重,如果压塌一次,恢复后载重量会大大减小。
3.介绍评价我们的桥。
(1)介绍评价活动可以分为三个步骤:小组准备作介绍,请他们看教科书上的参考内容;向全班同学介绍自己小组的桥;对制作的桥作评价。
(2)介绍交流制作的桥,采取讲解说明并且演示的方式进行。要指导学生不要像回答问题似的介绍,要根据情况抓住重点有所选择,给自己的桥取个好听的名字。
(3)对桥的评价主要进行鼓励性评价,要指出设计得好、设计得巧妙的地方。不要分等级。
(4)如果学生有兴趣,课后可以提高造桥的要求,可以增加材料,如两张纸,再设计制造一座更大更好的桥。
4.纸桥参考图。(缺图片)
(1)连体双管桥。把报纸对卷成两个圆筒,用胶带连接。筒口横向加胶带可以加强支撑力。
连体双管桥桥面连体双管桥底面
(2)直管框架桥。搓纸管,用胶带连接成“目”字形框架,再粘在“桥面”上。
直管框架桥桥面直管框架桥底面
(3)三角形吊桥。用胶带做“钢缆”,桥面做成槽形。
三角形吊桥桥面三角形吊桥底面
(4)加固槽形桥。与直管框架类似,桥面做成槽形增加抗弯曲能力。
加固槽形桥桥面加固槽形桥底面
四、评价建议
1.评价学生是否认识学过的几种结构,知道厚度、形状怎样影响材料抗弯曲能力,知道拱形承重特点,知道加固框架的方法,知道什么样的物体稳定不容易倒。
2.评价学生在制作纸横梁、拱形、框架结构过程中的能力和表现。
3.评价学生在研究塑料瓶时表达的独立见解。
4.组织学生评价设计制作的纸桥和设计制作的过程。
5.评价学生积极参与研究活动,动手动脑动口,乐于探究、不怕困难、与同学合作的表现。
6.利用学生记录表,评价学生观察、实验、收集数据的表现。
五、参考资料
横梁和拱
横梁必须能够抵抗弯曲,否则就会被压塌而发生事故。要提高材料的抗弯曲力,选择合适的材料是一个办法,但是,同一种材料,形状不同,它的抗弯曲力也会不同。许多房屋、桥梁使用的梁,横切面都是长方形的或近似于长方形的,而且总是竖着放置,这是为什么?
要弄清这个问题,我们可以先做一个实验。用一块矩形的橡皮,在它的表面画上几条等距离的纵线和横线,两端分别搁在两块木头上,然后上面加压。我们会发现,橡皮的上面部分缩短了(说明受到了压力),底下部分拉长了(说明受到了拉力),中间有一层既没有伸长,也没有缩短。(缺图片)
在外力作用下,横梁中间长度没有改变的那一层叫做中性层。由实验可以看出,横梁真正起着承受重量、抵抗弯曲的那部分材料,是上下两边的材料,离开中性层愈远,所起的作用愈大,而中性层几乎一点作用也没有发挥。中间这部分材料除了起连接上下两边材料的作用外,实际是白白浪费的。并且,还会增加自身重量,加大两边材料的负担。
建筑力学指出,横梁的抗弯曲力与梁的宽度成正比,与梁的高度(厚度)平方成正比,与梁的长度成反比。这就是说,长方形截面的梁以截面竖着放为最佳。这是因为横梁截面竖放时,中性层附近所占材料最少,承担抗弯曲的材料最多。但是,过厚而太窄的梁容易扭曲,失去稳定而产生破坏。所以,横梁的宽与高(厚)之比,一般不超过1∶2。
拱是在竖向压力作用下拱足处产生水平推力的曲杆结构,又叫推力结构。拱结构是一种重要的结构形式,在桥梁、渡槽和房屋建筑中都经常用到。拱是主要承受压力的结构,可采用受压性能好、价格低廉的砖、石、混凝土建造。
拱形受力与横梁不同,一是拱形内部受的力主要是压力,而且力的分布也比较均匀,直横梁受的是弯曲力,受力集中在受力点上。二是拱形受竖向压力时,同时要产生向两边的水平推力,直梁没有这种推力。
我国的石拱桥和赵州桥
我国石拱桥有着悠久的历史,早在东汉中期就已经开始修建石拱桥。石拱桥的主要优点是:能充分做到就地取材,耐久性好,外形美观,桥下行船容易。石拱桥用雕凿成楔形的一块块小石块(拱石)拼砌而成,桥洞呈半圆形或弧形,拱石间的所有缝隙都对准拱的中心(圆弧的中心)。为了在拱的正中间得到的不是缝隙而是一块拱石,所以拱石总是单数。中间这块拱石叫龙门石,龙门石比其他拱石厚。在拱石受压时,必然会将力传递给相邻的拱石,各部分拱石彼此挤推,彼此支撑,全部的拱推力,最后都集中在了拱脚上。每一块拱石受到的只是压力,而这正是石料最能胜任的,所以没有断裂之忧虑。
赵州桥,又名安济桥,坐落在河北省石家庄东南约40多千米的赵县城皎河之上,当地俗称大石桥,建于隋代大业元年至十一年(605—616),由匠师李春监造。它以高超的科学艺术价值驰名中外,是中国现存最著名的古代石拱桥。
赵州桥全长64.4米,拱顶宽9米,结构坚固,雄伟壮观。它的设计完全合乎科学原理,施工技术堪称巧妙绝伦。古人说它“制造奇特,人不知其所为”。从整体来看,是一座单拱桥,拱长达37.4米,在当时可算是世界上最长的石拱。赵州桥桥洞不是普通半圆形,而采用了极其平缓的圆弧形式,桥面坡度约为1∶12,像一张弓。这种形式被称为“坦拱”。桥面平坦宽阔,兼顾了水陆交通,方便了车船运行,又和一马平川的环境高度统一。宋代诗人杜德源在“安济桥诗”中写道:“坦平简直千人过,驿使驰驱万国通。”是很有见地、很恰当的。
石拱由28道拱圈纵向并列砌成,每道拱圈可独立站稳,自成一体,既便于施工,又便于单独修补。这样大跨度的坦拱,对桥台水平推力很大,建造难度高。而桥台却是既浅又小的普通矩形,厚度仅1.529米,由五层排石垒成。其地基是承载力较小的亚黏土。在这样的地基上,用这样的小桥台,建这样大跨度的石拱桥,在世界上是罕见的。
赵州桥最大的科学贡献,则在于它的“敞肩拱”的创造。在大拱的两肩,砌了四个并列的小孔,既增大流水通道,节省石料,减轻桥身重量,又利于小拱对大拱的被动压力,增强了桥身的稳定性。据测算,这四个小桥洞就可以减轻桥重500吨,节省石料约180立方米。这就有力地保证了安济桥在1400多年的历史中,经受住无数次洪水冲击,8次大地震摇撼,以及车辆重压,至今仍巍然挺立在皎河之上。
赵州桥“敞肩拱”的运用,实为世界桥梁史上的首创。1883年,法国在亚哥河上修建的安顿尼特铁路桥,揭开了欧洲建造大跨度敞肩拱桥的序幕,但它比安济桥晚了1200多年。西方学者承认,安济桥敞肩拱建筑,是现代许多钢筋混凝土桥梁的祖先,开了一代“桥风”。
赵州桥又是一件建筑艺术的珍品。它横跨皎河,宛如一道长虹,气势雄伟。弧形平坦的主拱线上,对称地轻伏着四个小拱,仿佛四个巨型玉环,装饰在桥身两肩。巨身空灵,线条明快,在恢弘之中,透出矫健、轻盈的美感。大桥顶部,塑造出想象中的吸水兽,寄托了人们祝福大桥不受水害、长存无疆的良好愿望;栏板上和望柱上雕刻着各式蛟龙、兽面、花饰、竹节等,其中尤以蛟龙最为精美。蛟龙或盘踞游戏,或登陆入水,变幻多端,神态极为动人。雕作刀法遒劲有力,艺术风格新颖豪放。1991年,美国土木工程师学会选定中国赵州桥作为第十二个国际历史土木工程的里程碑,为中国石拱桥增添了新的光彩。
薄壳结构
人们发现,蛋壳、蚌壳本身是很薄的,但是这样的外形形状却使它们变得坚固起来。建筑师们从中得到启发,设计出了省工省料、优美轻便的薄壳结构。
从外观看,这些薄壳结构有的像半球形,有的像圆球形,有的像不规则但非常美观的弧形。尽管它们形态各异,却都有着共同的力学特征。薄壳结构在受到外力的作用时,能够把力沿着整个壳体表面向四周均匀传递,使壳体上单位面积受的力并不大。更为重要的是,在壳体上不存在作用力集中于一个地方的情况。建筑物垮塌不是建筑物每一处都承受不住力了,而往往是有一处不能承受重压而导致整个建筑物垮掉,所以,薄壳结构这个特点很重要。
因为薄壳结构能够承受很大的压力,所以建筑师们用它们做成很大、很薄的屋顶。这不但减轻屋顶重量,节约大量材料,而且内部可以空间很大而又没有柱子,所以大型建筑如大厅、体育场馆很多首选薄壳结构。
三角形和四边形框架简析
只要三角形三条边的长度不变了,三角形三个角的角度也不能改变了,三角形是不会变形的形状,我们说三角形具有稳定性。
三角形框架,即使三个顶点的连接是完全活动的链接,它也是不会变形的。不管从哪个方向对三角形框架用力,它总是通过三根杆的推和拉的作用达到平衡。比如当三角框架顶端被向下压时,两边斜杆受压,下面水平杆受拉,这时两边斜杆产生推力,下面水平杆产生拉力,与外加压力达到平衡。
四边形、五边形等框架受到外力作用时就不能像三角形框架那样产生内力与外力平衡了,其结果是变形了,形状结构被破坏了。但是,聪明的人们又从另一个角度利用了四边形的活动性特点,比如,伸缩式晒衣架和伸缩式遮阳棚就是利用了四边形容易变形的特点。
埃菲尔铁塔
法国巴黎的埃菲尔铁塔(图见教科书第38页),1887年动工,1889年建成开放,距今已有100多年的历史了。
埃菲尔铁塔,耸立在巴黎市区塞纳河畔的战神广场上。四个基脚成正方形,每边长100米。埃菲尔铁塔全身都用钢铁构成,采用框架结构。塔高320.75米,是当时世界最高建筑,这个世界纪录一直保持了四十多年。塔分三层,共1711级台阶,分别在离地面57米、115米和276米处建有平台,供游客在此休息,领略独具风采的巴黎市区全景。每逢晴空万里,这里可以看到远达70公里的景色。
该塔共用钢铁7000吨,12000个金属部件,由250万只铆钉连接起来。埃菲尔精打细算,一丝不苟,尽量避免一丝一毫的偏差。他在工地上搭起的巨大“积木”,精确度几乎高达1/10毫米。1888年春天,4根塔柱开始合拢,第一块板安上去时,每个孔洞都相当精确,以致铆接时都不用锉一下。
1889年5月15日,埃菲尔为国际博览会开幕式剪彩,他亲手将法国国旗第一次升到了300多米的高空。为了铭记这位钢铁建筑之父,人们将铁塔命名为“埃菲尔铁塔”,并在塔下为他塑了一座半身铜像。
从那以后,参观铁塔的各国游客络绎不绝,估计总数已达1.9亿多人,其中有近8000万人次登上了铁塔。这座表现现代建筑技术和艺术的铁塔成了巴黎最重要的标志。
各种结构的桥梁
桥梁是指为跨越河流、湖泊、海峡、山谷或其他障碍物而修建的建筑物。作用于其上的可以是铁路、公路、人群、管道、渠道等或它们的组合。按照桥的不同结构,桥梁可以分为很多的类型,最基本的有四大类型:梁桥、拱桥、拉索桥、浮桥。
梁桥由梁和桥墩构成,梁和桥墩是主要承重结构,梁以其抗弯曲能力来承受荷载,桥墩主要承受垂直于地面的压力。梁桥的梁有的用钢筋水泥梁,横断面形式有矩形、T形、梯形、箱形等,有的用框架式钢梁。
要通过宽阔的河流,可在河中修多个桥墩,其梁不间断地跨越几个桥孔。
拱桥主要受力构件是拱圈,拱圈主要承受压力,同时在拱脚处存在巨大的水平推力,这是拱桥的典型力学特点。桥墩除承受垂直于地面的压力外,还需要承受拱传递来的水平推力。所以,拱桥桥墩最好建在坚固的岩石地基上。还有一种解决外推力的办法是在两个拱足处安拉杆,用拉杆的拉力去抵消拱的外推力,这种拱又叫拉杆拱。
拱桥是外观形式最为多姿、活泼的桥型。桥面可在拱形以下、以上或穿过其中。因其拱形可以使所受的力均匀分布在整个结构上,而不是让某一点来承受很大的重量,所以其他结构的桥也往往同时使用拱形结构。
拉索桥以缆索作为承重构件的桥,根据拉索的安装方法又分悬索桥和斜拉桥。第7课讲的钢索桥就是钢缆拉索桥。
悬索桥由两个桥塔将弧形主缆架起,成为主要承力构件,主钢缆与桥两岸地下的锚碇相连,并将主钢缆中的拉力传递给巨大的地基基础——锚碇。
悬索桥是一种有悠久历史的桥型。劳动人民早就创造出了由藤条、竹片悬结成的悬索桥。我国大渡河上著名的泸定桥是由13根铁链悬结而成,每根铁链长101米。
由于计算技术的发展,施工手段和材料科学的进步,现代悬索桥已是大跨度飞越江河湖海的首选桥种。美国早在1937年建成的旧金山金门大桥主跨径为1280米,此桥曾保持世界最大跨径的纪录达27年之久。1991年日本建成的明石海峡大桥,主跨径1990米。
悬索桥的主要特征有三个:一是用了高耸的桥塔。二是它那条弧形主缆呈优美曲线,与挺拔的塔和刚劲的桥形成了直与曲、刚与柔的对比。三是在桥的两岸各有一个体积巨大的锚碇块用来固定拉到岸边的主缆。这个锚碇块的重量要足以抵抗主缆形成的斜着向上的拔力,保证桥的安全。
斜拉桥是现代才发明的一种桥梁,它由索塔往两边斜伸出的拉索将桥梁吊起。斜拉桥不用锚碇,从经济效益上胜过了悬索桥。我国上海杨浦大桥就是一座斜拉桥,跨度达602米。斜拉桥的塔架形式很多,使斜拉桥呈现出千姿百态的风采。
浮桥是利用水的浮力来承载桥面的一种临时性桥梁,主要用在军事上或建筑工地上。
另外,组合体系桥梁的应用也越来越多,它由几个不同结构的受力体系所组成,互相联系,共同受力,更好地发挥不同结构的优势。
江阴长江大桥
大桥位于江苏省靖江市、江阴市之间。该桥采用一跨过江、大跨径钢悬索桥型。主跨1385米,大桥南引桥168米,北引桥1518米,全长3071米。
桥面按六车道高速公路设计,宽33.8米;设计行车速度为100千米/小时。桥下通航净高50米,可满足五万吨级的巴拿马型散装货船通航。主桥上部梁体采用扁平钢箱梁,箱高3米,箱总宽36.9米,需钢材18000吨。
两根主缆,各由直径5.35毫米的镀锌高强钢丝两万多根组成,共17000吨,累计长10万千米。主缆拉力可达6万多吨。主缆通过高190米的南北桥塔系在两岸的锚碇上。
北岸锚碇混凝土重37.5万吨,南岸锚碇重22.5万吨。北锚碇相当于九个半篮球场那么大的20层高的楼房埋进地底下,锚碇要承担大桥主缆6.4万吨的拉力。
学生了解设计性质的参考要求
在三至五年级,学生将明白,设计是一个有用的计划过程,通过设计,他们可以对每天碰到的实际问题提出可行的解决方案。在打好幼儿园至二年级的基础之后,这个阶段的学生应该对一个产品或系统的设计、开发、制造、使用和评估有一个更深入的理解。当学生进行他们自己的设计时,应该鼓励他们去考虑所有的阶段;应该鼓励他们去提问题,并为他们提供机会去针对一个给定问题寻找多个解决方案。
学生应该认识到,在设计中正面和负面效果是很普遍的,就像在生活中一样,有时解决了一个问题的同时又可能产生另外的问题。他们应该对自己有设计建模、测试和评估的自由,发现问题后再重新设计。这种不断提高的过程是现代技术进步中的一个重要概念。设计过程要有一个目标或目的,并被一组制约条件所约束。典型的制约条件包括成本、外观、用途、安全和市场吸引力等。在实验室或教室,一般事先明确规定的要求有:具体的问题、材料的成本以及可以使用的工具。这些参数后来就是学生必须遵守的明确的制约条件。
为了了解设计的属性,三至五年级的学生应该知道:
设计过程是一个目标明确的、按部就班地寻找解决问题的实际方案的方法。设计的过程有助于把想法变成产品和系统。这个过程是直觉的,它包括几个步骤:产生创意、用语言和草图来表达创意、做出设计模型、测试设计方案以及评估解决方案。
对一个设计的制约条件包括诸多因素,如我们希望一个产品或系统所具有的要素和特征或是设计所受的限制。一般来说,技术设计要成功就必须满足制约条件。这些制约条件通常与这个产品或系统的目的或功能有关。其他的制约条件,比如尺寸和成本,则是对设计的限制。
摘自《美国国家技术教育标准》
(注:美国三至五年级相当于中国中高年级)