STEM課程案例-木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)

1、STEM課程案例一木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)一、背景簡(jiǎn)介利用課堂向?qū)W生傳授結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的定義, 以及影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與強(qiáng)度主要影響因素。培養(yǎng)學(xué)生思辨的 科學(xué)精神，突出“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的科學(xué)思想。 讓學(xué)生進(jìn)行木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)。對(duì)細(xì)木條進(jìn)行切割 打磨粘接設(shè)計(jì)，來(lái)滿足木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)的解題要 求。學(xué)生在活動(dòng)中可以“學(xué)中做，做中學(xué)”，從而到達(dá)培養(yǎng) 學(xué)生工程思維的目標(biāo)。二、課程目標(biāo)1、技術(shù)意識(shí)（1）通過(guò)0M賽題的講解，熟悉頭腦奧林匹克的比賽題 目。（2）通過(guò)木質(zhì)承重結(jié)構(gòu)的分析，探究最正確的承重結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)。2、工程思維通過(guò)分析、比擬與實(shí)踐，找到木質(zhì)承重結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，從 實(shí)踐

2、中培養(yǎng)工程思維。3、物化能力通過(guò)木質(zhì)承重結(jié)構(gòu)的制作，使學(xué)生體驗(yàn)?zāi)竟すに嚨囊话?方法和技術(shù)方法，激起學(xué)生設(shè)計(jì)的欲望，培養(yǎng)學(xué)生富于想象、 勇于創(chuàng)新的個(gè)性品質(zhì)。三、課程適用年級(jí)：高一年級(jí)、課程內(nèi)容及課時(shí)規(guī)劃：4課時(shí)木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)，通過(guò)在高中二年級(jí)的10 個(gè)班中開(kāi)設(shè)課程進(jìn)行探究活動(dòng)，依托高中通用技術(shù)課堂，進(jìn) 行科學(xué)課程的全員學(xué)習(xí)與人才培養(yǎng)。1、傳統(tǒng)課堂傳授新知：利用課堂向?qū)W生傳授結(jié)構(gòu)的穩(wěn) 定性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的定義，以及影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與強(qiáng)度主要影 響因素。2、工程式學(xué)習(xí)課堂探討應(yīng)用：利用探究式學(xué)習(xí)，合作 式學(xué)習(xí)，工程式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生思辨的科學(xué)精神，突出“實(shí) 踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的科學(xué)思想。讓學(xué)

3、生進(jìn)行木質(zhì)結(jié) 構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)。對(duì)細(xì)木條進(jìn)行切割打磨粘接設(shè)計(jì)，來(lái) 滿足木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)的解題要求。3、比賽式課堂激發(fā)熱情：學(xué)生在活動(dòng)中可以“學(xué)中做， 做中學(xué)”，從而到達(dá)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)，通過(guò)承重比 賽，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。4、總結(jié)活動(dòng)選拔人才：通過(guò)學(xué)習(xí)過(guò)程與比賽過(guò)程的教 室記錄，可以發(fā)現(xiàn)很多在此工程中有能力有天賦能作為的學(xué) 生，為后續(xù)活動(dòng)發(fā)現(xiàn)人才。5、精細(xì)化培養(yǎng)參加國(guó)內(nèi)國(guó)際大賽：對(duì)人才進(jìn)行深層次 培養(yǎng)，指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)的探究，比方承重木條的主柱應(yīng)該是三 根還是四根，同一木質(zhì)方案使用不同的膠水承重效果有何不 同等，在配合上最新的國(guó)內(nèi)國(guó)際大賽的承重題目，針對(duì)性訓(xùn) 練，已到達(dá)好成績(jī)。后期

4、預(yù)計(jì)目標(biāo)把班級(jí)從10個(gè)班擴(kuò)展到20個(gè)班，從一個(gè) 級(jí)部擴(kuò)展到兩個(gè)級(jí)部，進(jìn)一步完善組織步驟，讓學(xué)生不僅做 還要科學(xué)的總結(jié)。五、教學(xué)指導(dǎo)建議小組合作學(xué)習(xí)堅(jiān)持讓每位學(xué)生動(dòng)手，時(shí)間安排合理，分 工合作，學(xué)生才能在學(xué)習(xí)中更好的提升工程思維的能力六、評(píng)價(jià)方式學(xué)生通過(guò)課堂學(xué)習(xí)，到達(dá)實(shí)踐科學(xué)知識(shí)的目標(biāo)，深層次 立體的明白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的知識(shí)點(diǎn)；以校內(nèi)比賽為 呈現(xiàn)方式，優(yōu)中選優(yōu)并給予獎(jiǎng)勵(lì)；七、實(shí)施過(guò)程XX中學(xué)木結(jié)構(gòu)承重比賽工程類(lèi)挑戰(zhàn)要求團(tuán)隊(duì)使用特定材料來(lái)設(shè)計(jì)并建造一個(gè) 可以測(cè)試的承重木質(zhì)結(jié)構(gòu)A結(jié)構(gòu)概況.設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能獨(dú)立站立的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行承重測(cè)試.測(cè)試結(jié)構(gòu)在壓放承壓板后能承受多少重量.我們鼓勵(lì)參賽隊(duì)在制作

5、之前畫(huà)設(shè)計(jì)圖.結(jié)構(gòu)必須是參賽隊(duì)設(shè)計(jì)，制作必須完全由參賽隊(duì)自己 動(dòng)手切割，塑型，組裝B結(jié)構(gòu)材料.設(shè)計(jì)并制作一個(gè)僅利用提供的桐木或basa木做成的 結(jié)構(gòu).任何市面上買(mǎi)得到的各種可造成永久粘合的粘合劑C結(jié)構(gòu)規(guī)格.結(jié)構(gòu)總重量不得超過(guò)15g.結(jié)構(gòu)高度必須至少20厘米以上（并不超過(guò)23厘米）.結(jié)構(gòu)必須是一個(gè)單一個(gè)體，放置數(shù)個(gè)獨(dú)立的部件在承 重臺(tái)內(nèi)是不符合挑戰(zhàn)規(guī)定的。.當(dāng)結(jié)構(gòu)坐落在承重臺(tái)底座時(shí)，結(jié)構(gòu)必須完全在承重臺(tái) 里面，承重臺(tái)里的安全柱必須能夠穿過(guò)結(jié)構(gòu)。.結(jié)構(gòu)必須有一個(gè)由上而下的開(kāi)口，并可容納一個(gè)內(nèi)徑 為5. 1厘米的圓柱體。.結(jié)構(gòu)不能接觸安全柱。D結(jié)構(gòu)測(cè)試程序.先測(cè)量重量，不高于15g即可進(jìn)行承重。.參

6、賽隊(duì)隊(duì)員進(jìn)行測(cè)試，先放結(jié)構(gòu)，再放好承壓板，再 放置第一片杠鈴片，放好后，逐一放置杠鈴片，直至結(jié)構(gòu)損 壞。.每次只能壓放一片杠鈴片。E比賽評(píng)分（100分）.設(shè)計(jì)圖（10分）.材料使用（10分）5根一10分，6根一5分，7根級(jí)以上0分.承重重量（80分）重量最高組計(jì)總分值80分，其余各組承重成績(jī)按比例賦 分。學(xué)生研究日志一、第一次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，觀看了承重結(jié)構(gòu)世界賽和全國(guó) 賽的視頻，看到了帶回來(lái)的上一屆世界冠軍的承重結(jié)構(gòu)模型。我們團(tuán)隊(duì)決定模仿制作一個(gè)。由于是第一次實(shí)驗(yàn)，缺少 經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)制作耗費(fèi)了大量的時(shí)間，最后出現(xiàn)了：承重結(jié)構(gòu) 重量超標(biāo)，底面不平，高度小于原模型，而且少四根橫梁等 現(xiàn)象，分析應(yīng)為技術(shù)問(wèn)

7、題。先不進(jìn)行承重實(shí)驗(yàn)，暫時(shí)保存以 備日后比擬、參考。二、第二次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)制作。為方便，采取如下記錄方式：立柱，4x4,表示4根桐木條合成一根，共合成4根。斜撐，4x4,表示結(jié)構(gòu)四面每一面4根，共4面。橫梁，2x4,表示每一面2根，共4面。用膠：401, 502,品牌不一。粘合過(guò)程中，出現(xiàn)涂膠不均勻，膠合不牢等技術(shù)問(wèn)題以 及桐木條質(zhì)量不一、密度不均等材料問(wèn)題。參與人數(shù)：4人。完成用時(shí)：1小時(shí)。結(jié)構(gòu)重量:17.2g；高度：20.5cm。承重?cái)?shù)據(jù)記錄：20kg,無(wú)形變40kg,無(wú)形變60kg,無(wú)形變80kg,無(wú)形變100kg,無(wú)形變120kg, 一開(kāi)始無(wú)形變，一段時(shí)間后略傾斜

8、，放置5分鐘，無(wú)變化。140kg,剛剛放上，馬上斷裂。斷裂方式：立柱斷裂（三根）向一側(cè)傾倒式，皆從中間 斷裂，未斷裂的那根沿膠合方向縫隙分開(kāi)，斜撐、橫梁均無(wú) 損害。三、原因分析：通過(guò)幾次討論、請(qǐng)教、試驗(yàn)、回看前面的視頻，分析上 一次出現(xiàn)的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)1）用膠不緊未壓實(shí)一一膠問(wèn)題，壓實(shí)技術(shù)問(wèn)題。2）結(jié)構(gòu)中承載120kg時(shí)，保持長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)時(shí) 間把握，放置技術(shù)問(wèn)題。3）四根立柱長(zhǎng)度不一，使得結(jié)構(gòu)放置于地面時(shí)，底面 有傾角且4條腿不同時(shí)著地一一打磨技術(shù)不過(guò)關(guān)。4）結(jié)構(gòu)質(zhì)量超標(biāo)一一涂膠量沒(méi)有掌握好；也忽略了膠 的密度。5）在杠鈴片放置時(shí)，杠鈴片重心不在中央，使木條受 力不均勻，致使其向一側(cè)偏倒?？傊?/p>

9、與上一屆冠軍結(jié)構(gòu)比照有立柱少、底面不平、涂 膠不均、選材不當(dāng)?shù)葐?wèn)題。制作過(guò)程中，也存在分工不明確， 切割木條時(shí)角度難以控制等問(wèn)題。四、期間，通過(guò)屢次回看錄像視頻，發(fā)現(xiàn)比賽時(shí)用三角 形結(jié)構(gòu)所用木條比擬輕，同等情況下承重比擬多，計(jì)劃做成 三角形結(jié)構(gòu)。具體計(jì)劃如下：立柱，4x3斜撐,4x3橫梁，2x3膠水：502或401,集中試驗(yàn)幾個(gè)品牌的膠水。出現(xiàn)問(wèn)題：在制作過(guò)程中，橫梁切面、斜撐切面角度特 殊，無(wú)法到達(dá)要求，無(wú)法膠合，分析受力情況，各斜撐起不 到應(yīng)有的作用。計(jì)劃和制作用時(shí)一小時(shí)左右，未完成，中途經(jīng)過(guò)分析發(fā) 現(xiàn)達(dá)不到技術(shù)要求高度和預(yù)期目標(biāo)，放棄該計(jì)劃。重新制定計(jì)劃為：立柱，3x4斜撐，4x4橫梁，

10、2x4膠水，502或401時(shí)間較晚了，計(jì)劃未實(shí)施。五、實(shí)施計(jì)劃。鑒于上幾次實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)分析決定放棄使用401膠，確定 使用502膠，原因在于401干燥時(shí)間長(zhǎng)，膠合力差，密度大 造成結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，不適合使用。并尋找出所用502膠的品牌， 解決了用膠問(wèn)題。關(guān)于兩種502膠的比擬實(shí)驗(yàn)如下：膠種類(lèi)凝固時(shí)間膠合力使用方法適用同鼓較長(zhǎng)較小倒置擠壓立柱。膠合方便整齊，但是不牢 固，硬化后太硬，質(zhì)量大。華慶較短較大倒置點(diǎn)滴橫梁。膠合快而牢。但是硬化太 快，不易操作。另外，找老師交流溝通，制定關(guān)于工具使用和技術(shù)革新 的研究方案。然后，依計(jì)劃制作各個(gè)局部。速度略有提升，團(tuán)隊(duì)合作 日漸默契。掌握了一定的立柱底面打磨技巧

11、，將鋰刀改為砂 紙一一先粗后細(xì)，用直角鋼拐尺比著保證其豎直，握住木條 的中下部，且偶數(shù)個(gè)一起同時(shí)打磨等方法。將改良的斜撐嘗試采用“X”形整體對(duì)接膠合做成整體 斜撐，但尚未實(shí)驗(yàn)效果。屢次研討、交流后發(fā)現(xiàn)，之前對(duì)于結(jié)構(gòu)受力分析出現(xiàn)失 誤，斜撐作用應(yīng)為內(nèi)拉力而非外撐，立柱為主要承重部件, 其余僅僅為輔助，為此將計(jì)劃更改如下：1、趕緊斜撐技術(shù)，改為半卯梯結(jié)構(gòu)加膠合一一將桐木 條切割一半左右，摳成一個(gè)正好等于立柱寬度的卡口，卡住 并膠接在立柱上，那么可以將內(nèi)側(cè)支撐力改為外側(cè)牽拉力。2、改進(jìn)膠水及其用法，用華慶502膠水并配上涂膠的 專(zhuān)用管頭。3、進(jìn)行機(jī)械研究，制造簡(jiǎn)易機(jī)械，提高效率。包括： 鋼鎮(zhèn)尺，用以比齊桐木條；切割器，類(lèi)似于鋼刀，用以快捷 利落切斷桐木條，使切口齊整；結(jié)構(gòu)粘合模具；打磨工具, 如由粗到細(xì)的砂紙以及電動(dòng)砂輪等等。4、改進(jìn)打磨技術(shù)。5、放置技術(shù)改進(jìn)，三人分工合作：一人遞二人放。一 人遞兼放平板，二人放并看結(jié)構(gòu)與平板是否位于正中心。幾番改進(jìn)，此次，我們制作了一個(gè)結(jié)構(gòu)，承重到達(dá)了 200kg,高于前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們會(huì)不斷改進(jìn)，改善結(jié)構(gòu)， 提高其承重力和穩(wěn)定性。八、實(shí)踐效果及反思通過(guò)木質(zhì)結(jié)構(gòu)承重強(qiáng)度探究活動(dòng)，讓學(xué)生學(xué)以致用，全 員參與，通過(guò)比賽，選拔人才，將學(xué)科課程與科技比賽完美 打通，讓學(xué)生學(xué)而致用，更多考慮的是安全問(wèn)題與學(xué)生投入