高中通用技术课程“棚室屋架结构分析”教学实践

【摘 要】本文论述高中通用技术课程“棚室屋架结构分析”教学，提出“课堂引入—知识讲解—知识拓展—实践训练”的教学流程，在教学活动中做好充分的授课准备，注重多媒体技术的应用，并在课堂上与学生积极互动，使学生掌握棚室屋架中各个结构的受力特点，进一步提升学生的学习体验，为其今后进行结构的合理设计与制作奠定坚实基础。

【关键词】高中通用技术课程 棚室屋架结构 教学实践 知识拓展 实践训练

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2021）22-0053-02

“棚室屋架结构分析”是高中通用技术课程中的重要内容，这一部分知识较为抽象，需要学生联系物理学科的知识点进行学习。在教学中为避免学生学习产生枯燥感，激活通用技术课堂，使学生全身心地投入学习活动中，教师应结合课程授课经验，制订一套高效的教学流程，保证教学目标的顺利达成。本文从“课堂引入—知识讲解—知识拓展—实践训练”的流程实施教学，旨在高效地完成课堂授课目标。

一、课堂引入

在教学活动中为更好地吸引学生的注意力，教师应结合本节课的教学内容，创新课堂引入方法，提高学生学习的新鲜感，使其更加认真主动地听课。例如，教师可以在课堂上向学生展示图片、播放相关的视频等，给学生带来视觉冲击，进一步加深其印象。在进行“棚室屋架结构分析”教学时，教师可以在网络上搜索相关的资源，運用多媒体技术展示给学生看。如在课堂上展示北方各种类型的棚室，尤其播放北方菜农们建造塑料棚的相关视频，使学生对塑料棚的建造过程有一个大致的了解，同时介绍塑料棚的重要作用，即能够提供温度适宜的环境，突破温度的限制种植各类蔬菜。在课堂上设计如下问题要求学生思考：（1）塑料棚由哪些部分构成？（2）各个部分运用了哪些结构？（3）各个部分的受力特点是怎样的？在学生思考的过程中，教师可以运用多媒体大屏幕为他们展示课本中的“棚室屋架的构成”图，给学生以指引，降低学生思考问题的难度，提高其学习的自信心。

通过观看大屏幕上展示的内容，学生可清晰地看到棚室的屋面主要由前坡面和后坡面构成，整个屋面由梁承托，而各梁又由立柱与后墙支撑。很多学生通过思考认为在设计各个部分时需要对结构进行受力分析。但是，大部分学生对各个结构的受力特点认识并不清楚，此时可自然地引入要讲解的知识点。

学生对信息技术较为感兴趣，因此在课堂引入中依托信息技术为学生播放相关的视频、展示相关的图片，可以很好地增加课堂的趣味性。结果显示，学生在课堂上表现得非常积极，尤其是与设计相关的问题驱使学生思考，进一步加深了其印象。

二、知识讲解

在设计与建造棚室时需要正确处理经济投入与实现功能之间的关系，只有将棚室各个部分的经济投入控制在合理水平，才能获得更大的经济效益。这就要根据实际情况来设计棚室的结构。显然在设计棚室结构时需要汇总与分析其承受的荷载类型。棚室的各个结构承受的荷载类型主要分为恒载与活载。为使学生更好地理解这两个概念，既要注重理论知识的剖析，又要列举具体的实例。如恒载指的是施加在棚室结构上基本不变的力，如棚室中相关结构的自身重力不会随着时间的变化而变化，为恒载。而雪载、风载等是变化的，为活载。其中柱和墙承载恒载与雪载的压力。另外，风载受风方向的影响较大，但是根据所学的物理知识，可将风载分解为垂直于立柱方向上的力以及沿立柱向下的力。

（一）立柱受力的讲解

为使学生更加直观清晰地看到立柱的受力情况，教师可以用大屏幕为学生播放相关的教学课件，以动画的形式展现立柱的受力情况。学生通过观看视频可清晰地看到立柱受到压力，会发生压缩变形，而垂直于立柱方向上的力会产生弯矩，使其发生弯曲变形，因此要想保证棚室的稳定性需要立柱具备一定的抗压、抗弯性能。

（二）梁受力的讲解

在承受荷载上棚室中的梁也发挥着极其重要的作用。为使学生更好地理解梁的受力情况，课堂上可要求学生做相关的小实验，即用书将直尺的两边垫起来，而后在直尺上施加重物，要求学生认真观察直尺。通过小实验，学生可清晰地看到随着直尺上重物的增加，直尺向下弯曲越来越严重。而后在课堂上为学生预留一定的空白时间，要求学生思考直尺中上下两个部分的受力情况。因学生已经学习物理上的受力分析知识，学生经过积极思考，认真讨论出了正确的结果，即直尺的上部因重物压力的存在而被挤压，下部受拉而出现弯曲。直尺上重物的重力，则会传递给两边的书。当学生认识到这一点后，再为学生讲解棚室梁的受力情况，学生会更加容易理解。完成该部分知识学习后，教师提出问题：“为防止梁出现较大的弯曲，可采用哪些办法解决呢？”显然最为简单易行的办法是在梁的下面增加支撑点，更好地分摊梁传递的力。

（三）拱结构的讲解

课堂上可结合棚室的结构图，提问学生：“为什么棚室的顶盖要设计成向外凸出的曲线？”教师要求学生结合自身的生活经验进行回答。根据生活经验，将棚室的顶盖设计成拱结构，这样雪不容易累积在上面，从而能够在一定程度上减少雪载的影响。但是拱结构的受力特点又是怎样的呢？此时可为学生讲解阅读材料中“拱的受力”内容。同时，为使学生更加清晰地了解拱内部的受力情况，课堂上可运用多媒体技术为学生播放相关的动画，直观地展示出拱内部的受力情况。学生通过观看动画可清晰地看到拱在竖向荷载作用下的水平反力方向指向内，从而抵消一部分弯矩。因此，与水平梁相比，拱结构能够跨越更大的宽度。另外，为使学生更好地关注生活中的拱结构，可要求其联系生活，思考哪些事物中存在拱结构。学生发现生活中很多事物都运用了拱结构，如桥洞多设计成拱形的、窑洞的门也设计成拱形的，等等。教学中为使学生更好地掌握拱的结构形式，可结合棚室图片为学生剖析棚室拱结构的构成，使学生认识到棚室的拱结构由弯曲的曲面以及支撑结构构成，而支撑结构主要是通过两个铰进行连接的，为两铰拱。不仅如此，根据铰的多少，还分为三铰拱、无铰拱，并要求学生课下查阅相关的资料，了解三种拱结构形式的优点以及区别。

三、知识拓展

课堂上学生虽然已掌握了棚室中梁结构的受力特点，但是其抗变形能力和哪些因素有关，在工程中可采用哪些方法提高梁的抗变形能力等知识，学生并不理解。为更好地开阔学生的视野，教师可为学生讲解课本中阅读材料“梁的受力与变形”“梁的受力与平衡知识”。

在进行该部分知识讲解中，为更好地加深学生印象，增加學习的趣味性，教师可采用“小实验+多媒体”的方式进行授课。课堂上为学生准备长度和厚度不同的竹片、若干砝码、钢尺、直尺、细线等材料，要求学生自己设计实验分别探究：（1）竹片变形量和竹片长的关系;（2）竹片变形量和垂直方向尺寸的关系;（3）不同材质，受到相同荷载的变形情况;（4）竹片变形量和荷载位置的关系。

课堂上将班级学生分成若干小组，以小组为单位设计实验进行探究。其中，在探究竹片变形量和竹片长的关系时为控制变量，选取厚度相同、长度不同的竹片，使用书本垫两端，而后均在竹片的中间位置放上数量相同的砝码，观察、使用直尺测量两个竹片的形变量。同时，改变砝码质量进行多次实验，并做好实验数据的统计。在探究竹片变形量和垂直方向尺寸的关系时使用两个长度相同、厚度不同的竹片，在相同位置放上数量相同的砝码进行实验。探究不同材质受到相同荷载的变形情况时，使用长度相同的竹片和钢尺，分别在相同位置放上数量相同的砝码，观察竹片和钢尺的变形情况。探究竹片变形量和荷载位置的关系时，选择一个竹片，在其不同位置放上数量相同的荷载，观察、测量其形变量。学生通过实验，认真分析实验数据，不难得出如下定性实验结果：荷载相同的条件下竹片越长，变形越大;竹片垂直方向上的尺寸越大，越不容易变形;材料的弹性系数不同，变形程度也不同。荷载越靠近竹片的中心，变形量越大。课堂上运用多媒体技术展示梁变形的规律，使学生认识到梁变形的规律和实验中的结果一致。在工程中混凝土和石材虽然具有较强的抗压能力，但抗拉能力较弱，因此常常在梁的下边布设钢筋，以增强梁的抗拉能力，避免其出现裂缝。

另外，在讲解“梁的平衡与受力情况”内容时，可要求学生认真回顾物理中“物体的平衡”知识，使其认识到要想保持梁的平衡，应确保其在各个方向上的受力平衡。在三维坐标轴中受力应满足，弯矩应满足：，如此梁才不会发生位移和旋转。

四、实践训练

为进一步帮助学生巩固所学知识，提高学生运用所学知识分析相关结构的能力，注重联系学生生活，为其布置相关的实践任务，鼓励学生开展相关的实践训练活动。如要求学生认真观察身边的事物，选择某一事物，分析其构成以及不同的结构的受力情况，并提出可行的加固方案。如一些学生以操场上的篮球架为例，对其结构进行分析，得出篮球架主要由底座、弯梁、力臂、伸臂、篮板等构成。其中立臂起到支撑的作用，相当于立柱。同时，因篮板、篮筐等荷载的作用产生弯矩。为保证篮球架的稳定性，需要增加立柱的直径。同时，将底座加大，并在后侧增加拉杆，防止其发生翻转。教学中教师认真检查学生实践任务的完成情况，并根据学生的实践任务完成质量，做出合理的评价，尤其给予学生针对性地鼓励，使其尝到实践的成就感，在提升其学习体验的同时，进一步增强学生学以致用的能力。

“棚室屋架结构分析”在高中通用技术课程中占有重要地位。教学中教师应对该部分知识进行整体把握，并结合自身授课经验，制订详细的授课计划，按照课堂引入、知识讲解、知识拓展、实践训练等流程开展教学，教学的过程中既注重信息技术的应用，也鼓励学生亲自动手做相关的小实验。课堂上学生认真听讲、积极讨论，牢固地掌握了所学知识，并通过实践训练进一步增强其分析结构受力情况的能力，达到了预期的授课目标。

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【作者简介】覃福军（1979— ），男，壮族，广西东兰人，中学一级教师，研究方向为高中信息技术和通用技术。

（责编 李 言）