力矩与结构稳定性的教学探索

湛振弟

【摘要】 本文归纳了技术探究的特点和作用，指出通用技术课堂中开展技术探究的必要性，并以“力矩与结构稳定性”作为教学主题，详述技术探究教学的基本流程，包括通过设置问题、激发学习热情，设计实验、用行动找疑点，思考讨论、寻找理论支持，运用知识、解决实际问题，总结提炼、内化成为能力等几个环节。与此同时对教材中关于支撑面积是影响稳定性大小原因提出疑问，提出力矩是影响结构稳定性的关键因素这一观点。

【关键词】 技术探究 支撑面积 重心 稳定性

【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2019）11-063-03

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在新的时代背景下，国家需要更多具有创新精神和创新能力的人才。为了适应这种需求，国家进行了课程改革，在这种期待之下，通用技术作为一门新学科首次出现在高中的课程体系中。因此如何通过这门年轻的学科，培养更多国家需要、全面发展、综合能力强的优秀人才，需要我们不断加强研究。下面笔者以“力矩与结构稳定性”教学开展为例，与大家探讨如何利用通用技术课堂开展技术探究教学。

一、技术探究的特点和作用

关于什么是技术探究？目前没有一个准确的说法或定义。一般情况下，我们把在通用技术课堂中，用技术的方法尝试去验证原理或解决问题的实践过程，统称为技术探究。它的基本过程是从问题出发，通过实验和思考讨论来寻找解决问题的方法，通过知识运用和总结来归纳原理。

技术探究使课堂由重知识传授向重能力培养转变。相比于其他学科开展的探究活动，技术探究拥有更开放的内容和形式，学生可以从多侧面、多角度运用发散思维去分析和认识问题，可尝试通过多种方法和途径去寻求任何可能的解决方法，有利于培养学生的思维能力、动手能力、创造性解决问题的能力。

二、开展技术探究的必要性

2017课标修订提出通用技术课要“以设计学习、操作学习为主要特征”，“通过技术实践活动构建默会知识”，“强化学生手脑并用與知行合一”，“采用自主、合作、探究等学习方式”。所以课堂中要积极开展技术探究，是课标对课程实施的要求。

人工智能、工业4.0、3D打印等相关技术的不断发展，将人们从体力劳动、机械性的重复劳动中解脱出来的同时，对人的能力提出了新的要求。懂设计、会实践、会学习、能创新、拥有跨学科知识的复合型人才，才是未来所需的人才。技术探究是学生掌握知识、形成技能、发展能力的重要手段，是培养学生创新意识的基本途径，是学生化知识为能力的过程。所以在通用技术课堂开展技术探究是社会发展对人才培养的要求。

三、技术探究教学的基本流程

（一）设置问题，激发学习热情

亚里士多德曾说：“思维是从惊讶和问题开始的。”学生的创新想法、创造活动，往往来自于对某个问题的兴趣和好奇心。俗话也说，“良好的开头是成功的一半”，课堂导入时教师如能创设有趣的问题，不仅能很快集中学生的注意力，而且能激发学生学习的兴趣。

本节课以广东科技出版社出版的《技术设计2》（2019年1月第3版）“第二章 第二节 探究结构”内容为蓝本。教材对结构的稳定，是这样描述的：“结构要达到稳定，首先，它的整体几何结构必须科学合理；其次，一个物体的支撑面积越大，重心越低，其稳定性越大。”这一结论与大多数人认知观念是一致的。教材还提供不少例子来证明这个结论。

但我却向学生提出如下的两个问题：

1.同样材料组成的两个立方体，图一立方体的长宽高为：12×2×6，图二立方体的长宽高为：4×4×6，（单位：cm），在受力点施加外力，哪个更容易倒呢？经验告诉我们，应该是图一的更容易倒，不是说支撑面积大的会更稳定吗？又如何去解析这种现象呢？如何去验证呢？

2.我们平常都说不倒翁是一个非常稳定的结构，大多数解析它稳定性，都把重心很低，底面积很大作为主要原因。而事实上不倒翁的底部一般都是圆的，根据几何知识，一个球面的形状与一个平面的相接处，接触的面积不会太大的，几乎就是一个点，不倒翁的不倒，好像也不是因为它的底面积很大。那我们应该怎样分析影响不倒翁稳定性的原因呢？

问题应切合学生的认知水平和特点，能引起学生的认知冲突，具有开放性、新颖性、和层次性，可来源与教材，也可来于生活。上述问题，能有效的引起学生的疑问，学生的情感和兴趣被调动起来了。有利于他们保持对接下来课堂学习的内容充满好奇与探索欲望。

（二）设计实验，用行动找疑点

技术探究的的核心就是在动手实践中发现问题，并尝试通过动手实践找到问题的答案。俗话说实践是检验真理的唯一标准。对于图一、图二两个立方体那个稳定性更好？如何去验证？学生各有说法，有些则一脸的迷茫，不知从何回答。这时就要引导学生把抽象描述转化为具体可测量的指标。这个过程，类似于理化生的实验设计过程。主要包含5个步骤，分别是问题发现、提出猜想、设计实验方案、展开实验以及分析结论。经过分析，提供两个测试案例让学生动手探究。

第一个测试的项目是按图一、图二完成模型的设计、制作，然后用测力计对受力点施加外力，当结构倾斜时，读出测力计的读数，结合结构的重量、边长等数据，对测出的数据加以计算，推断结论，发现问题。从这一个方向上测出的数据来看，支撑面积小的结构反而能承受更大的外力，这与支撑面积大，结构更稳定这一说法不一致，是实验数据有错？还是这个结论有错？需要学生思考和反复验证。

第二个测试就是对图三的结构（可以是红砖或其他的类似替代物），分别对它在立放、侧放、平放三种不同的放置状态下，从不同的受力点对它施加外力进行测试，并将数据记录在设计事先好的表格中。同时提出两个问题供学生思考：一是这两轮测试的结果，与教材的结论是否一致？二是对比第1次与第4次、第2次与第5次、第3次与第6次的测试条件和结果，会发现什么问题？

测量后引导学生注意对数据进行纵向、横向的对比分析。通过此验证性的技术探究实验，有助于培养发现问题的能力、独立思考能力、分析能力和应用能力，也有助于学生建立运用实践去检验真理的意识、增强开展科研探究的意识。

（三）思考讨论，寻找理论支持

通过上一阶段的技术探索的实践，学生应该发现不少问题，通过收集、整理，把共性问题拿出来分析讨论。讨论的形式有多种，可以师生之间，生生个体之间，小组与小组之间。通过思考讨论充分交换信息，寻找各种答案。本节要学生重点讨论和分析的问题如下。

首先，我们需要理解稳定是什么意思？结构受力大小与稳定性有什么关系？让学生在教材寻找结论，但教材中对稳定性的解析显得较为抽象，这时可提供生活中具体的事例，让学生建立联系。例如把一块直立的红砖推倒，就是改变了它的平衡形式，而推倒时需要对它施加外力的大小，就反应出稳定性的大小，需要的外力越大，稳定性就越大。

其次，从支撑面积的因素不能解析上面实验的现象出发，引出结构的稳定和什么有关系这一问题。再次引导学生回归教材，研究教材对跨栏过程中栏的颠覆情况分析，从而有助于理解結构的稳定因素。重点学习力矩的知识，“力和力臂的乘积叫做力对转动轴的力矩，力对物体的转动作用取决于力矩的大小，力矩越大，力对物体的转动作用越大。”力矩计算公式可写为：M=F×L，其中M表示力矩，F表示力的大小，L表示与力垂直方向上的力臂大小。

然后进一步推导，用力矩的知识去分析结构稳定性。对一个结构施加一个外力试图去改变其原有平衡形式时，结构就会产生两个力矩。一个是外力F对转动轴的力矩，将引起平衡形式的改变，称这个力矩为颠覆力矩，记为M1，假设外力大小为F，力臂是力的重心到转动轴的高度H，颠覆力矩计算则为：M1=F×H。另一个是重力G对转动轴的力矩，将抵抗平衡形式的改变，以保持结构稳定，称这个力矩为抗颠覆力矩（也叫重力力矩），记为M2，重力的大小是G，力臂是当前状态下的重心垂线到转动轴的距离，记为L，抗颠覆力矩计算则为：M2=G×L，M2越大，其稳定性也越大。当M2≥M1结构维持稳定，反之则状态会发生改变。

因为问题从学生中来，学生较容易有言可发，有事可议，讨论也比较投入，教师要给学生提供讨论的充足时间。教师此时要注意加强引导和点拨。学生通过对具体事项与抽象概念结合讨论过程中，必要时，可补充实验或讲解，解决讨论中未解决的问题。帮助学生把零散的新知识进行概括、归纳、形成新认识。

（四）运用知识，解决实际问题

学习不是为了把知识死记硬背于脑中，而是要用于解决生活中的实际问题。因此课堂还要创造运用知识的机会，通过对知识的运用，进一步巩固对知识的理解，强化学生归纳知识，总结规律的能力，真正做到学以致用。

让学生用力矩知识从M1与M2关系出发，去分析图一、图二、图三的案例。从而可以分析推导出：降低了物体的重心，会使颠覆力矩M1的力臂H值减少，要保持M1大小不变，则需要增加外力F的值，所以物体的重心越低，其稳定性越大。而物体的支撑面积增大，实际就是物体重心垂线到转动轴的距离L增大了，从而导致M2的值增大，所以物体的支撑面积大，其稳定性也增大。假如支撑面积很大，但受力方向上的力臂很小，结构的稳定性一样很小。

而关于不倒翁的问题，同样运用力矩的知识进行解析，结合不倒翁的结构示意图（图四）进行分析。当不倒翁直立时，由于没有外力的作用，外力的力矩为零，而重力的力矩由于重心垂线与地面的接触点重合，力臂为零，力矩也为零，所以结构保持稳定。当我们从左侧对不倒翁施加一个外力时，不倒翁向右倾斜，撤离外力后，外力的力矩为零，这时重心垂线落在支撑面的左侧，重力的力矩使结构向左偏转。由于惯性的关系，不倒翁经过中心后会继续向左偏转，使重心垂线落在支撑面的右侧，从而又导致重力的力矩使结构向右偏转，周而复始，最后在空气阻力作用下停止。

由此得知，结构的稳定和它的支撑面积没有直接的关系。支撑面积只是间接反应力臂大小，最后要转化力臂来计算力矩的大小，因此力矩才是影响结构稳定性的关键因素。

及时对实际问题的解决，有利于学生体会成功的乐趣，有利于建立学习与生活的联系、学会活用知识，有利于提升学生综合素质和能力。

（五）总结提炼，内化成为能力。

通过前面的分析，明确了影响结构稳定性的主要原因后，再来看教材中“一个物体的支撑面积越大，重心越低，其稳定性越大”这一描述，就觉得不够严谨和不够科学。可以让同学进行观点提炼，并用自己的语言表达出来。

通过对同学的意见进行梳理归纳后，对结构稳定性的总结内容如下：

结构的稳定需要满足两个条件：一是结构重心所在的垂线要落在支撑面的范围内，原因是重心垂线在支撑面之内，外力为零时才能保证重力的力矩也为零，如果不在支撑面之内，重力的力矩不为零，且会使物体发生转动；二是结构的整体几何结构必须科学合理。

力矩是影响结构稳定性的关键因素。在受力相同的情况下，结构重心垂线到转动轴的距离越大，重心越低，其稳定性越大。

总结就是知识的巩固、是为了能力的提升，是为了激发再认识，再发现，再创新。

结束语

通过一次次的技术探究，在不断的动手尝试过程中，有效进行多方面思考、全面分析、归纳总结的训练，有助于学生在知识学习中学会提炼出方法、有助于学生把知识内化成解决问题的能力。通过对问题的独立思考和批判性思维，有助于学生养成敢于质疑权威的精神品质，提高合理提出质疑的能力。

通用技术作为一门年轻的学科，涉及的内容宽广，并且教无定法，如何才能更好地开展通用技术的教学？如何通过通用技术为国家培养更多优秀的人才，还需要我们全体通用技术教师不断努力。

[ 参 考 文 献 ]

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