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【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 ]
[1]黄亚美.问题——探究教学模式初探.[J].中等职业教育。2008(11).
[2]普通高中通用技术课程标准.[M].北京.人民教育出版社.
[3]朱红专.自主探索式教学课堂模式研究.[J].湖南人文科技学院学报.2005年 6月(3).
[4]广东基础教育课程资源研究开发中心通用技术教材编写组.技术与设计2.[M].广东科技出版社.
[5]张剑义.化学探究性实验设计之我见.[J].考试周刊.2019(37).
【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 ]
[1]黄亚美.问题——探究教学模式初探.[J].中等职业教育。2008(11).
[2]普通高中通用技术课程标准.[M].北京.人民教育出版社.
[3]朱红专.自主探索式教学课堂模式研究.[J].湖南人文科技学院学报.2005年 6月(3).
[4]广东基础教育课程资源研究开发中心通用技术教材编写组.技术与设计2.[M].广东科技出版社.
[5]张剑义.化学探究性实验设计之我见.[J].考试周刊.2019(37).