力矩與結構穩定性的教學探索

湛振弟

【摘要】 本文歸納了技術探究的特點和作用，指出通用技術課堂中開展技術探究的必要性，并以“力矩與結構穩定性”作為教學主題，詳述技術探究教學的基本流程，包括通過設置問題、激發學習熱情，設計實驗、用行動找疑點，思考討論、尋找理論支持，運用知識、解決實際問題，總結提煉、內化成為能力等幾個環節。與此同時對教材中關于支撐面積是影響穩定性大小原因提出疑問，提出力矩是影響結構穩定性的關鍵因素這一觀點。

【關鍵詞】 技術探究 支撐面積 重心 穩定性

【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2019）11-063-03

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在新的時代背景下，國家需要更多具有創新精神和創新能力的人才。為了適應這種需求，國家進行了課程改革，在這種期待之下，通用技術作為一門新學科首次出現在高中的課程體系中。因此如何通過這門年輕的學科，培養更多國家需要、全面發展、綜合能力強的優秀人才，需要我們不斷加強研究。下面筆者以“力矩與結構穩定性”教學開展為例，與大家探討如何利用通用技術課堂開展技術探究教學。

一、技術探究的特點和作用

關于什么是技術探究？目前沒有一個準確的說法或定義。一般情況下，我們把在通用技術課堂中，用技術的方法嘗試去驗證原理或解決問題的實踐過程，統稱為技術探究。它的基本過程是從問題出發，通過實驗和思考討論來尋找解決問題的方法，通過知識運用和總結來歸納原理。

技術探究使課堂由重知識傳授向重能力培養轉變。相比于其他學科開展的探究活動，技術探究擁有更開放的內容和形式，學生可以從多側面、多角度運用發散思維去分析和認識問題，可嘗試通過多種方法和途徑去尋求任何可能的解決方法，有利于培養學生的思維能力、動手能力、創造性解決問題的能力。

二、開展技術探究的必要性

2017課標修訂提出通用技術課要“以設計學習、操作學習為主要特征”，“通過技術實踐活動構建默會知識”，“強化學生手腦并用與知行合一”，“采用自主、合作、探究等學習方式”。所以課堂中要積極開展技術探究，是課標對課程實施的要求。

人工智能、工業4.0、3D打印等相關技術的不斷發展，將人們從體力勞動、機械性的重復勞動中解脫出來的同時，對人的能力提出了新的要求。懂設計、會實踐、會學習、能創新、擁有跨學科知識的復合型人才，才是未來所需的人才。技術探究是學生掌握知識、形成技能、發展能力的重要手段，是培養學生創新意識的基本途徑，是學生化知識為能力的過程。所以在通用技術課堂開展技術探究是社會發展對人才培養的要求。

三、技術探究教學的基本流程

（一）設置問題，激發學習熱情

亞里士多德曾說：“思維是從驚訝和問題開始的?！睂W生的創新想法、創造活動，往往來自于對某個問題的興趣和好奇心。俗話也說，“良好的開頭是成功的一半”，課堂導入時教師如能創設有趣的問題，不僅能很快集中學生的注意力，而且能激發學生學習的興趣。

本節課以廣東科技出版社出版的《技術設計2》（2019年1月第3版）“第二章 第二節 探究結構”內容為藍本。教材對結構的穩定，是這樣描述的：“結構要達到穩定，首先，它的整體幾何結構必須科學合理；其次，一個物體的支撐面積越大，重心越低，其穩定性越大?！边@一結論與大多數人認知觀念是一致的。教材還提供不少例子來證明這個結論。

但我卻向學生提出如下的兩個問題：

1.同樣材料組成的兩個立方體，圖一立方體的長寬高為：12×2×6，圖二立方體的長寬高為：4×4×6，（單位：cm），在受力點施加外力，哪個更容易倒呢？經驗告訴我們，應該是圖一的更容易倒，不是說支撐面積大的會更穩定嗎？又如何去解析這種現象呢？如何去驗證呢？

2.我們平常都說不倒翁是一個非常穩定的結構，大多數解析它穩定性，都把重心很低，底面積很大作為主要原因。而事實上不倒翁的底部一般都是圓的，根據幾何知識，一個球面的形狀與一個平面的相接處，接觸的面積不會太大的，幾乎就是一個點，不倒翁的不倒，好像也不是因為它的底面積很大。那我們應該怎樣分析影響不倒翁穩定性的原因呢？

問題應切合學生的認知水平和特點，能引起學生的認知沖突，具有開放性、新穎性、和層次性，可來源與教材，也可來于生活。上述問題，能有效的引起學生的疑問，學生的情感和興趣被調動起來了。有利于他們保持對接下來課堂學習的內容充滿好奇與探索欲望。

（二）設計實驗，用行動找疑點

技術探究的的核心就是在動手實踐中發現問題，并嘗試通過動手實踐找到問題的答案。俗話說實踐是檢驗真理的唯一標準。對于圖一、圖二兩個立方體那個穩定性更好？如何去驗證？學生各有說法，有些則一臉的迷茫，不知從何回答。這時就要引導學生把抽象描述轉化為具體可測量的指標。這個過程，類似于理化生的實驗設計過程。主要包含5個步驟，分別是問題發現、提出猜想、設計實驗方案、展開實驗以及分析結論。經過分析，提供兩個測試案例讓學生動手探究。

第一個測試的項目是按圖一、圖二完成模型的設計、制作，然后用測力計對受力點施加外力，當結構傾斜時，讀出測力計的讀數，結合結構的重量、邊長等數據，對測出的數據加以計算，推斷結論，發現問題。從這一個方向上測出的數據來看，支撐面積小的結構反而能承受更大的外力，這與支撐面積大，結構更穩定這一說法不一致，是實驗數據有錯？還是這個結論有錯？需要學生思考和反復驗證。

第二個測試就是對圖三的結構（可以是紅磚或其他的類似替代物），分別對它在立放、側放、平放三種不同的放置狀態下，從不同的受力點對它施加外力進行測試，并將數據記錄在設計事先好的表格中。同時提出兩個問題供學生思考：一是這兩輪測試的結果，與教材的結論是否一致？二是對比第1次與第4次、第2次與第5次、第3次與第6次的測試條件和結果，會發現什么問題？

測量后引導學生注意對數據進行縱向、橫向的對比分析。通過此驗證性的技術探究實驗，有助于培養發現問題的能力、獨立思考能力、分析能力和應用能力，也有助于學生建立運用實踐去檢驗真理的意識、增強開展科研探究的意識。

（三）思考討論，尋找理論支持

通過上一階段的技術探索的實踐，學生應該發現不少問題，通過收集、整理，把共性問題拿出來分析討論。討論的形式有多種，可以師生之間，生生個體之間，小組與小組之間。通過思考討論充分交換信息，尋找各種答案。本節要學生重點討論和分析的問題如下。

首先，我們需要理解穩定是什么意思？結構受力大小與穩定性有什么關系？讓學生在教材尋找結論，但教材中對穩定性的解析顯得較為抽象，這時可提供生活中具體的事例，讓學生建立聯系。例如把一塊直立的紅磚推倒，就是改變了它的平衡形式，而推倒時需要對它施加外力的大小，就反應出穩定性的大小，需要的外力越大，穩定性就越大。

其次，從支撐面積的因素不能解析上面實驗的現象出發，引出結構的穩定和什么有關系這一問題。再次引導學生回歸教材，研究教材對跨欄過程中欄的顛覆情況分析，從而有助于理解結構的穩定因素。重點學習力矩的知識，“力和力臂的乘積叫做力對轉動軸的力矩，力對物體的轉動作用取決于力矩的大小，力矩越大，力對物體的轉動作用越大?！绷赜嬎愎娇蓪憺椋篗=F×L，其中M表示力矩，F表示力的大小，L表示與力垂直方向上的力臂大小。

然后進一步推導，用力矩的知識去分析結構穩定性。對一個結構施加一個外力試圖去改變其原有平衡形式時，結構就會產生兩個力矩。一個是外力F對轉動軸的力矩，將引起平衡形式的改變，稱這個力矩為顛覆力矩，記為M1，假設外力大小為F，力臂是力的重心到轉動軸的高度H，顛覆力矩計算則為：M1=F×H。另一個是重力G對轉動軸的力矩，將抵抗平衡形式的改變，以保持結構穩定，稱這個力矩為抗顛覆力矩（也叫重力力矩），記為M2，重力的大小是G，力臂是當前狀態下的重心垂線到轉動軸的距離，記為L，抗顛覆力矩計算則為：M2=G×L，M2越大，其穩定性也越大。當M2≥M1結構維持穩定，反之則狀態會發生改變。

因為問題從學生中來，學生較容易有言可發，有事可議，討論也比較投入，教師要給學生提供討論的充足時間。教師此時要注意加強引導和點撥。學生通過對具體事項與抽象概念結合討論過程中，必要時，可補充實驗或講解，解決討論中未解決的問題。幫助學生把零散的新知識進行概括、歸納、形成新認識。

（四）運用知識，解決實際問題

學習不是為了把知識死記硬背于腦中，而是要用于解決生活中的實際問題。因此課堂還要創造運用知識的機會，通過對知識的運用，進一步鞏固對知識的理解，強化學生歸納知識，總結規律的能力，真正做到學以致用。

讓學生用力矩知識從M1與M2關系出發，去分析圖一、圖二、圖三的案例。從而可以分析推導出：降低了物體的重心，會使顛覆力矩M1的力臂H值減少，要保持M1大小不變，則需要增加外力F的值，所以物體的重心越低，其穩定性越大。而物體的支撐面積增大，實際就是物體重心垂線到轉動軸的距離L增大了，從而導致M2的值增大，所以物體的支撐面積大，其穩定性也增大。假如支撐面積很大，但受力方向上的力臂很小，結構的穩定性一樣很小。

而關于不倒翁的問題，同樣運用力矩的知識進行解析，結合不倒翁的結構示意圖（圖四）進行分析。當不倒翁直立時，由于沒有外力的作用，外力的力矩為零，而重力的力矩由于重心垂線與地面的接觸點重合，力臂為零，力矩也為零，所以結構保持穩定。當我們從左側對不倒翁施加一個外力時，不倒翁向右傾斜，撤離外力后，外力的力矩為零，這時重心垂線落在支撐面的左側，重力的力矩使結構向左偏轉。由于慣性的關系，不倒翁經過中心后會繼續向左偏轉，使重心垂線落在支撐面的右側，從而又導致重力的力矩使結構向右偏轉，周而復始，最后在空氣阻力作用下停止。

由此得知，結構的穩定和它的支撐面積沒有直接的關系。支撐面積只是間接反應力臂大小，最后要轉化力臂來計算力矩的大小，因此力矩才是影響結構穩定性的關鍵因素。

及時對實際問題的解決，有利于學生體會成功的樂趣，有利于建立學習與生活的聯系、學會活用知識，有利于提升學生綜合素質和能力。

（五）總結提煉，內化成為能力。

通過前面的分析，明確了影響結構穩定性的主要原因后，再來看教材中“一個物體的支撐面積越大，重心越低，其穩定性越大”這一描述，就覺得不夠嚴謹和不夠科學?？梢宰屚瑢W進行觀點提煉，并用自己的語言表達出來。

通過對同學的意見進行梳理歸納后，對結構穩定性的總結內容如下：

結構的穩定需要滿足兩個條件：一是結構重心所在的垂線要落在支撐面的范圍內，原因是重心垂線在支撐面之內，外力為零時才能保證重力的力矩也為零，如果不在支撐面之內，重力的力矩不為零，且會使物體發生轉動；二是結構的整體幾何結構必須科學合理。

力矩是影響結構穩定性的關鍵因素。在受力相同的情況下，結構重心垂線到轉動軸的距離越大，重心越低，其穩定性越大。

總結就是知識的鞏固、是為了能力的提升，是為了激發再認識，再發現，再創新。

結束語

通過一次次的技術探究，在不斷的動手嘗試過程中，有效進行多方面思考、全面分析、歸納總結的訓練，有助于學生在知識學習中學會提煉出方法、有助于學生把知識內化成解決問題的能力。通過對問題的獨立思考和批判性思維，有助于學生養成敢于質疑權威的精神品質，提高合理提出質疑的能力。

通用技術作為一門年輕的學科，涉及的內容寬廣，并且教無定法，如何才能更好地開展通用技術的教學？如何通過通用技術為國家培養更多優秀的人才，還需要我們全體通用技術教師不斷努力。

[ 參 考 文 獻 ]

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