《结构与稳定性教学问题探析》.docVIP

“结构与稳定性”教学问题探析 肖晓阳 【摘要】三角形的“稳定性”不是物理学上的“稳定性”概念，而是一个强度概念；照相机用三脚架的主要原因是，野外不平的地面上能迅速站稳，原理是“三点构成一个平面”，与三角形的稳定性无关；形状不是影响结构稳定性的因素，结构变形属于强度问题，由形变引起的稳定性变化应当归因于重心位置和支撑面积的因素；影响结构稳定性因素的探究实验要注意自变量单一，实验设计要简洁有效。 【关键词】三角形、结构、稳定性、实验、变量 针对高中通用技术《技术与设计2》（苏教版）“结构与稳定性”的教学，笔者常常潜心思考一些相关问题，这些问题或来自教材教参，或来自教学实践，或来自同行交流。窃以为，这些似是而非的问题，如果不加以廓清，势必影响教学的科学性和有效性。 １．廓清“三角形稳定性”的含义 在“结构与稳定性”教学中，笔者曾让每个学生做一个简单的实验：怎样将课本竖立在桌面上？实验意在得出“支撑面越大结构越稳定”的结论。学生都懂得将书本打开站立，但在回答“这个实验说明了什么”时，通常会犯两个错误。其一，认为是“接触面”增大而使稳定性增强；其二，认为是“三角形具有稳定性”。而持第二个观点的学生不在少数。怎样纠正这一错误观点？这就牵涉到怎样正确理解“三角形的稳定性”问题，这一问题在“结构与设计”章节的教学中尤显重要。然而，这个看似简单的“常识”，却常常会被许多师生误解，因而在解释结构的稳定性时一再错误地引用。笔者经过一番梳理，将对“三角形稳定性”的正确理解归纳成三点内容： 1、三条直边的顶端必须通过三点连接在一起； 2、这里的“稳定性”是指构架不易变形，属于强度的性质，并非物理意义上的稳定性（不是指平衡性好）； 3、三角形的“稳定性”体现在外力方向平行于（或接近平行于）三角形平面时。当外力方向垂直于三角形平面时，不能体现三角形的“稳定性”。此外，三角形“稳定性”的大小（实则是强度的大小）还与材料特性和连接方法有关。 明确以上三点内容，就可以很好地辨析具体的实例。如上述例子中，打开的书就没有构成三角形（缺一条边），因此不能用“三角形的稳定性”来解释。 ２．照相机为什么用三脚架 《技术与设计2》（苏教版） P12，“案例分析”论述到：“照相机的支撑架使用三脚架，是因为三脚支架与地面有三个接触点，形成的三角形结构使照相机的支撑架更容易稳定。”这一解释含糊不清，按字面分析应该是“三角形具有稳定性”的缘故，那么这一问题就值得探讨了。第一，照相机三脚架有没有构成三角形？第二，既然三个脚“更容易稳定”，那么桌子为什么不用三只脚而用四只脚？ 如前所述，具有“稳定性” 的三角形是针对三直边的顶端通过三点固定连接的形体。假如三角架（如图）底端插入土中，可以视为每两个脚都与地面构成稳定的三角形（一共有三个斜立的三角形，地面相当于三角形的底边）。假如三脚架放置于光滑的岩石上，就不能从三角形的稳定性来解释。因为此时三角架的两脚只构成“人”字形，而不是三角形。有一种观点认为“三脚架的两脚之间不一定非要通过地面上的一条边连接才构成三角形，这条边可以往上移，甚至可以移到顶上，只要牢固固定，它也应该属于三角形。”这一观点显然是错误的。三角形的底边往上移，形成的是“A”字形，再往上移至顶点形成“人”字形，这两种结构的下两只脚是容易被折的（相比三角形的两个斜边而言），因为它们缺少底边的支持。而“A”字形只有闭合部分才是真正具有“稳定性”的三角形。那么，古人制作的三脚青铜鼎很坚固，能不能用“三角形的稳定性”解释呢？同样不能！因为没有构成三角形，其坚固的原因在于金属的强度高。 “三脚型”与“三角形”不可混淆。 照相机用三个脚，除了便携、快捷、节材的原因外，主要是利用“三点构成一个平面”的原理。因为照相机常用于野外，三脚架能在不平的地面上迅速站稳。如果用四脚架，常常是三脚着地一脚悬空，这样容易产生摇晃。远古人制作的陶鼎、陶鬲都是三只脚，这也是基于同样的考虑。随着居住环境的改善（从地面不平到地面平整），三足鼎才变为四足鼎，四足鼎的支撑面更大，因此也更稳定。同理，桌子因放置于室内平地，所以用四只脚比三只脚更稳定。 ３．形状不是影响结构稳定性的因素 《技术与设计2》（苏教版P12）将结构的形状列为影响结构稳定性的因素之一，举证的例子就是照相机的三脚架“更容易稳定”，这是没有说服力的。要探究形状是不是影响结构稳定性的因素，正确的做法是，在支撑面积、重心位置相同的情况下，测试形状不同的结构，看看它们的稳定性有否差异。例如，在支撑面积、重心位置一样的情况下，三脚架是否比四脚架更容易稳定？作这一比较的关键点是“架脚须着地”，否则对比没有意义。如前所述，三脚架对比四脚架的优势在于，野外三脚架能迅速站稳（三脚着地），而四脚架常常不稳（一脚悬空）。但此时的“四脚架”在本质上已归属于三脚架