STEM课程案例-木质结构承重强度探究活动

1、STEM课程案例一木质结构承重强度探究活动一、背景简介利用课堂向学生传授结构的稳定性与结构强度的定义, 以及影响结构稳定性与强度主要影响因素。培养学生思辨的 科学精神，突出“实践是检验真理的唯一标准”的科学思想。 让学生进行木质结构承重强度探究活动。对细木条进行切割 打磨粘接设计，来满足木质结构承重强度探究活动的解题要 求。学生在活动中可以“学中做，做中学”，从而到达培养 学生工程思维的目标。二、课程目标1、技术意识（1）通过0M赛题的讲解，熟悉头脑奥林匹克的比赛题 目。（2）通过木质承重结构的分析，探究最正确的承重结构 设计。2、工程思维通过分析、比拟与实践，找到木质承重结构的关键，从 实践

2、中培养工程思维。3、物化能力通过木质承重结构的制作，使学生体验木工工艺的一般 方法和技术方法，激起学生设计的欲望，培养学生富于想象、 勇于创新的个性品质。三、课程适用年级：高一年级、课程内容及课时规划：4课时木质结构承重强度探究活动，通过在高中二年级的10 个班中开设课程进行探究活动，依托高中通用技术课堂，进 行科学课程的全员学习与人才培养。1、传统课堂传授新知：利用课堂向学生传授结构的稳 定性与结构强度的定义，以及影响结构稳定性与强度主要影 响因素。2、工程式学习课堂探讨应用：利用探究式学习，合作 式学习，工程式学习，培养学生思辨的科学精神，突出“实 践是检验真理的唯一标准”的科学思想。让学

3、生进行木质结 构承重强度探究活动。对细木条进行切割打磨粘接设计，来 满足木质结构承重强度探究活动的解题要求。3、比赛式课堂激发热情：学生在活动中可以“学中做， 做中学”，从而到达培养学生科学素养的目标，通过承重比 赛，激发学生的学习热情。4、总结活动选拔人才：通过学习过程与比赛过程的教 室记录，可以发现很多在此工程中有能力有天赋能作为的学 生，为后续活动发现人才。5、精细化培养参加国内国际大赛：对人才进行深层次 培养，指导学生科学的探究，比方承重木条的主柱应该是三 根还是四根，同一木质方案使用不同的胶水承重效果有何不 同等，在配合上最新的国内国际大赛的承重题目，针对性训 练，已到达好成绩。后期

4、预计目标把班级从10个班扩展到20个班，从一个 级部扩展到两个级部，进一步完善组织步骤，让学生不仅做 还要科学的总结。五、教学指导建议小组合作学习坚持让每位学生动手，时间安排合理，分 工合作，学生才能在学习中更好的提升工程思维的能力六、评价方式学生通过课堂学习，到达实践科学知识的目标，深层次 立体的明白结构稳定性与结构强度的知识点；以校内比赛为 呈现方式，优中选优并给予奖励；七、实施过程XX中学木结构承重比赛工程类挑战要求团队使用特定材料来设计并建造一个 可以测试的承重木质结构A结构概况.设计并制作一个能独立站立的结构，并进行承重测试.测试结构在压放承压板后能承受多少重量.我们鼓励参赛队在制作

5、之前画设计图.结构必须是参赛队设计，制作必须完全由参赛队自己 动手切割，塑型，组装B结构材料.设计并制作一个仅利用提供的桐木或basa木做成的 结构.任何市面上买得到的各种可造成永久粘合的粘合剂C结构规格.结构总重量不得超过15g.结构高度必须至少20厘米以上（并不超过23厘米）.结构必须是一个单一个体，放置数个独立的部件在承 重台内是不符合挑战规定的。.当结构坐落在承重台底座时，结构必须完全在承重台 里面，承重台里的安全柱必须能够穿过结构。.结构必须有一个由上而下的开口，并可容纳一个内径 为5. 1厘米的圆柱体。.结构不能接触安全柱。D结构测试程序.先测量重量，不高于15g即可进行承重。.参

6、赛队队员进行测试，先放结构，再放好承压板，再 放置第一片杠铃片，放好后，逐一放置杠铃片，直至结构损 坏。.每次只能压放一片杠铃片。E比赛评分（100分）.设计图（10分）.材料使用（10分）5根一10分，6根一5分，7根级以上0分.承重重量（80分）重量最高组计总分值80分，其余各组承重成绩按比例赋 分。学生研究日志一、第一次进入实验室，观看了承重结构世界赛和全国 赛的视频，看到了带回来的上一届世界冠军的承重结构模型。我们团队决定模仿制作一个。由于是第一次实验，缺少 经验，结构制作耗费了大量的时间，最后出现了：承重结构 重量超标，底面不平，高度小于原模型，而且少四根横梁等 现象，分析应为技术问

7、题。先不进行承重实验，暂时保存以 备日后比拟、参考。二、第二次进入实验室，重新设计结构，进行结构制作。为方便，采取如下记录方式：立柱，4x4,表示4根桐木条合成一根，共合成4根。斜撑，4x4,表示结构四面每一面4根，共4面。横梁，2x4,表示每一面2根，共4面。用胶：401, 502,品牌不一。粘合过程中，出现涂胶不均匀，胶合不牢等技术问题以 及桐木条质量不一、密度不均等材料问题。参与人数：4人。完成用时：1小时。结构重量:17.2g；高度：20.5cm。承重数据记录：20kg,无形变40kg,无形变60kg,无形变80kg,无形变100kg,无形变120kg, 一开始无形变，一段时间后略倾斜

8、，放置5分钟，无变化。140kg,刚刚放上，马上断裂。断裂方式：立柱断裂（三根）向一侧倾倒式，皆从中间 断裂，未断裂的那根沿胶合方向缝隙分开，斜撑、横梁均无 损害。三、原因分析：通过几次讨论、请教、试验、回看前面的视频，分析上 一次出现的问题，发现1）用胶不紧未压实一一胶问题，压实技术问题。2）结构中承载120kg时，保持长时间工作状态时 间把握，放置技术问题。3）四根立柱长度不一，使得结构放置于地面时，底面 有倾角且4条腿不同时着地一一打磨技术不过关。4）结构质量超标一一涂胶量没有掌握好；也忽略了胶 的密度。5）在杠铃片放置时，杠铃片重心不在中央，使木条受 力不均匀，致使其向一侧偏倒。总之，

9、与上一届冠军结构比照有立柱少、底面不平、涂 胶不均、选材不当等问题。制作过程中，也存在分工不明确， 切割木条时角度难以控制等问题。四、期间，通过屡次回看录像视频，发现比赛时用三角 形结构所用木条比拟轻，同等情况下承重比拟多，计划做成 三角形结构。具体计划如下：立柱，4x3斜撑,4x3横梁，2x3胶水：502或401,集中试验几个品牌的胶水。出现问题：在制作过程中，横梁切面、斜撑切面角度特 殊，无法到达要求，无法胶合，分析受力情况，各斜撑起不 到应有的作用。计划和制作用时一小时左右，未完成，中途经过分析发 现达不到技术要求高度和预期目标，放弃该计划。重新制定计划为：立柱，3x4斜撑，4x4横梁，

10、2x4胶水，502或401时间较晚了，计划未实施。五、实施计划。鉴于上几次实验，经过分析决定放弃使用401胶，确定 使用502胶，原因在于401干燥时间长，胶合力差，密度大 造成结构质量大，不适合使用。并寻找出所用502胶的品牌， 解决了用胶问题。关于两种502胶的比拟实验如下：胶种类凝固时间胶合力使用方法适用同鼓较长较小倒置挤压立柱。胶合方便整齐，但是不牢 固，硬化后太硬，质量大。华庆较短较大倒置点滴横梁。胶合快而牢。但是硬化太 快，不易操作。另外，找老师交流沟通，制定关于工具使用和技术革新 的研究方案。然后，依计划制作各个局部。速度略有提升，团队合作 日渐默契。掌握了一定的立柱底面打磨技巧

11、，将锂刀改为砂 纸一一先粗后细，用直角钢拐尺比着保证其竖直，握住木条 的中下部，且偶数个一起同时打磨等方法。将改良的斜撑尝试采用“X”形整体对接胶合做成整体 斜撑，但尚未实验效果。屡次研讨、交流后发现，之前对于结构受力分析出现失 误，斜撑作用应为内拉力而非外撑，立柱为主要承重部件, 其余仅仅为辅助，为此将计划更改如下：1、赶紧斜撑技术，改为半卯梯结构加胶合一一将桐木 条切割一半左右，抠成一个正好等于立柱宽度的卡口，卡住 并胶接在立柱上，那么可以将内侧支撑力改为外侧牵拉力。2、改进胶水及其用法，用华庆502胶水并配上涂胶的 专用管头。3、进行机械研究，制造简易机械，提高效率。包括： 钢镇尺，用以比齐桐木条；切割器，类似于钢刀，用以快捷 利落切断桐木条，使切口齐整；结构粘合模具；打磨工具, 如由粗到细的砂纸以及电动砂轮等等。4、改进打磨技术。5、放置技术改进，三人分工合作：一人递二人放。一 人递兼放平板，二人放并看结构与平板是否位于正中心。几番改进，此次，我们制作了一个结构，承重到达了 200kg,高于前面的实验结果。我们会不断改进，改善结构， 提高其承重力和稳定性。八、实践效果及反思通过木质结构承重强度探究活动，让学生学以致用，全 员参与，通过比赛，选拔人才，将学科课程与科技比赛完美 打通，让学生学而致用，更多考虑的是安全问题与学生投入