結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性教學(xué)問題探析

1、“結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性”教學(xué)問題探析 肖曉陽 【摘要】三角形的“穩(wěn)定性”不是物理學(xué)上的“穩(wěn)定性”概念，而是一個強度概念；照相機用三腳架的主要原因是，野外不平的地面上能迅速站穩(wěn)，原理是“三點構(gòu)成一個平面”，與三角形的穩(wěn)定性無關(guān)；形狀不是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，結(jié)構(gòu)變形屬于強度問題，由形變引起的穩(wěn)定性變化應(yīng)當(dāng)歸因于重心位置和支撐面積的因素；影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素的探究實驗要注意自變量單一，實驗設(shè)計要簡潔有效?！娟P(guān)鍵詞】三角形、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、實驗、變量針對高中通用技術(shù)技術(shù)與設(shè)計2（蘇教版）“結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性”的教學(xué)，筆者常常潛心思考一些相關(guān)問題，這些問題或來自教材教參，或來自教學(xué)實踐，或來自同行交流。竊以為，這些似是

2、而非的問題，如果不加以廓清，勢必影響教學(xué)的科學(xué)性和有效性。廓清“三角形穩(wěn)定性”的含義在“結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性”教學(xué)中，筆者曾讓每個學(xué)生做一個簡單的實驗：怎樣將課本豎立在桌面上？實驗意在得出“支撐面越大結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定”的結(jié)論。學(xué)生都懂得將書本打開站立，但在回答“這個實驗說明了什么”時，通常會犯兩個錯誤。其一，認(rèn)為是“接觸面”增大而使穩(wěn)定性增強；其二，認(rèn)為是“三角形具有穩(wěn)定性”。而持第二個觀點的學(xué)生不在少數(shù)。怎樣糾正這一錯誤觀點？這就牽涉到怎樣正確理解“三角形的穩(wěn)定性”問題，這一問題在“結(jié)構(gòu)與設(shè)計”章節(jié)的教學(xué)中尤顯重要。然而，這個看似簡單的“常識”，卻常常會被許多師生誤解，因而在解釋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時一再錯誤地引

3、用。筆者經(jīng)過一番梳理，將對“三角形穩(wěn)定性”的正確理解歸納成三點內(nèi)容：1、三條直邊的頂端必須通過三點連接在一起；2、這里的“穩(wěn)定性”是指構(gòu)架不易變形，屬于強度的性質(zhì)，并非物理意義上的穩(wěn)定性（不是指平衡性好）；3、三角形的“穩(wěn)定性”體現(xiàn)在外力方向平行于（或接近平行于）三角形平面時。當(dāng)外力方向垂直于三角形平面時，不能體現(xiàn)三角形的“穩(wěn)定性”。此外，三角形“穩(wěn)定性”的大?。▽崉t是強度的大小）還與材料特性和連接方法有關(guān)。明確以上三點內(nèi)容，就可以很好地辨析具體的實例。如上述例子中，打開的書就沒有構(gòu)成三角形（缺一條邊），因此不能用“三角形的穩(wěn)定性”來解釋。照相機為什么用三腳架技術(shù)與設(shè)計2（蘇教版） P12，“

4、案例分析”論述到：“照相機的支撐架使用三腳架，是因為三腳支架與地面有三個接觸點，形成的三角形結(jié)構(gòu)使照相機的支撐架更容易穩(wěn)定?！边@一解釋含糊不清，按字面分析應(yīng)該是“三角形具有穩(wěn)定性”的緣故，那么這一問題就值得探討了。第一，照相機三腳架有沒有構(gòu)成三角形？第二，既然三個腳“更容易穩(wěn)定”，那么桌子為什么不用三只腳而用四只腳？如前所述，具有“穩(wěn)定性” 的三角形是針對三直邊的頂端通過三點固定連接的形體。假如三角架（如圖）底端插入土中，可以視為每兩個腳都與地面構(gòu)成穩(wěn)定的三角形（一共有三個斜立的三角形，地面相當(dāng)于三角形的底邊）。假如三腳架放置于光滑的巖石上，就不能從三角形的穩(wěn)定性來解釋。因為此時三角架的兩腳只

5、構(gòu)成“人”字形，而不是三角形。有一種觀點認(rèn)為“三腳架的兩腳之間不一定非要通過地面上的一條邊連接才構(gòu)成三角形，這條邊可以往上移，甚至可以移到頂上，只要牢固固定，它也應(yīng)該屬于三角形?！边@一觀點顯然是錯誤的。三角形的底邊往上移，形成的是“A”字形，再往上移至頂點形成“人”字形，這兩種結(jié)構(gòu)的下兩只腳是容易被折的（相比三角形的兩個斜邊而言），因為它們?nèi)鄙俚走叺闹С?。而“A”字形只有閉合部分才是真正具有“穩(wěn)定性”的三角形。那么，古人制作的三腳青銅鼎很堅固，能不能用“三角形的穩(wěn)定性”解釋呢？同樣不能！因為沒有構(gòu)成三角形，其堅固的原因在于金屬的強度高。 “三腳型”與“三角形”不可混淆。照相機用三個腳，除了便攜

6、、快捷、節(jié)材的原因外，主要是利用“三點構(gòu)成一個平面”的原理。因為照相機常用于野外，三腳架能在不平的地面上迅速站穩(wěn)。如果用四腳架，常常是三腳著地一腳懸空，這樣容易產(chǎn)生搖晃。遠(yuǎn)古人制作的陶鼎、陶鬲都是三只腳，這也是基于同樣的考慮。隨著居住環(huán)境的改善（從地面不平到地面平整），三足鼎才變?yōu)樗淖愣?，四足鼎的支撐面更大，因此也更穩(wěn)定。同理，桌子因放置于室內(nèi)平地，所以用四只腳比三只腳更穩(wěn)定。形狀不是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素技術(shù)與設(shè)計2（蘇教版P12）將結(jié)構(gòu)的形狀列為影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素之一，舉證的例子就是照相機的三腳架“更容易穩(wěn)定”，這是沒有說服力的。要探究形狀是不是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，正確的做法是，在支撐面

7、積、重心位置相同的情況下，測試形狀不同的結(jié)構(gòu)，看看它們的穩(wěn)定性有否差異。例如，在支撐面積、重心位置一樣的情況下，三腳架是否比四腳架更容易穩(wěn)定？作這一比較的關(guān)鍵點是“架腳須著地”，否則對比沒有意義。如前所述，三腳架對比四腳架的優(yōu)勢在于，野外三腳架能迅速站穩(wěn)（三腳著地），而四腳架常常不穩(wěn)（一腳懸空）。但此時的“四腳架”在本質(zhì)上已歸屬于三腳架了，因為另一腳是不起作用的。況且支撐面積也大為縮小了，所以二者沒有可比性。事實上野外用的三腳架一般都可伸縮。如果四腳架懸空的一腳也調(diào)節(jié)為著地狀態(tài)，那么，三腳架怎么能比四腳架“更容易穩(wěn)定” 呢？所謂“更容易穩(wěn)定”實質(zhì)是“更便于找到穩(wěn)定狀態(tài)”而已。 技術(shù)與設(shè)計2（蘇

8、教版P12 ）“馬上行動”中，讓學(xué)生分析A字梯橫桿的作用，以及橫桿長短對梯子穩(wěn)定性的影響。按教參的說法“如果沒有橫桿，梯子支撐腳與地面的位置不能固定兩梯腳會向外滑動，A字形結(jié)構(gòu)被破壞，失去平衡，梯上的人會跌落下來?！庇眠@一說法證明形狀是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，同樣是站不住腳的。首先，A字梯如果沒有橫桿，當(dāng)它的兩腳張到最大時，人站上梯子，兩個梯腳是不會再往外滑動的，因為頂上的兩個踏板（有的是用活扣）頂住了。倒是人在梯子上活動時，由于梯腳的彈性作用，梯子的兩腳會逐漸地往內(nèi)靠（筆者親自試驗過），造成梯子的支撐面減小，易于晃動。其次， “A字梯結(jié)構(gòu)被破壞”不屬于穩(wěn)定性問題而是結(jié)構(gòu)強度問題。而A字梯既然“

9、兩梯腳會向外滑動”，支撐面變大，按理梯子應(yīng)當(dāng)更穩(wěn)定，那么“失去平衡”的對象只能是人，與梯子無關(guān)，因此這一事例不能證明形狀是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。結(jié)構(gòu)形狀改變確實能引起穩(wěn)定性變化，但其歸因仍然是支撐面大小改變或重心位置改變，而結(jié)構(gòu)形變的本身屬于強度問題。因此，把形狀視為影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有重復(fù)之嫌。但對于風(fēng)中的物體而言，形狀確實對穩(wěn)定性有影響，因此，只有在風(fēng)的作用下來討論形狀對穩(wěn)定性的影響才有意義。影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素的探究實驗要注意自變量單一蘇教版通用技術(shù)必修2教參P22-23，教學(xué)參考案例穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的探析中，用紙屏風(fēng)分別在平展、曲折、裝上底座、綁上腳插入盆土中四種情況下，用無極調(diào)風(fēng)電風(fēng)扇吹倒屏

10、風(fēng)，根據(jù)四種實驗的調(diào)速開關(guān)位置（風(fēng)力）對比，推論影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。這樣的實驗雖然直觀，但不夠簡潔，更主要的是得出的結(jié)論經(jīng)不起推敲，因為對比實驗的自變量不是一個，不符合實驗的基本規(guī)則。先看第一個對比試驗：一字型屏風(fēng)與折線形屏風(fēng)被電風(fēng)扇吹倒所用的風(fēng)力不同，說明支撐面越大結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。這個實驗中，因變量是風(fēng)力，自變量卻有兩個：屏風(fēng)的支撐面積（底座大?。┖推溜L(fēng)的受風(fēng)截面積，受風(fēng)截面積越大屏風(fēng)越容易倒。那么，一字型屏風(fēng)容易被吹倒是受風(fēng)截面積大的原因還是支撐面小的原因？可見這個實驗不嚴(yán)謹(jǐn)。如果將該實驗方法改為：一式兩個屏風(fēng)，一個一字型，一個折線形，同時放置于桌面上，搖晃桌子，觀察哪一個屏風(fēng)先倒，以此得出

11、實驗結(jié)論，這樣就可以排除受風(fēng)截面積的干擾因素。再看第二個對比實驗：一字型屏風(fēng)在裝底座與不裝底座兩種狀態(tài)下，被風(fēng)吹倒所用的風(fēng)力不同，以此說明重心越低結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，這個實驗的漏洞就更多了。受風(fēng)的情況下，屏風(fēng)的重心高度、質(zhì)量、受風(fēng)截面積都是自變量。加上底座后，屏風(fēng)重心降低、質(zhì)量增大、支撐面（底座）增大、受風(fēng)截面積增大，那么，究竟是哪個因素引起穩(wěn)定性增強？可見實驗的不嚴(yán)謹(jǐn)。其實要證明重心越低結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，完全有更為簡單有效的實驗方法：用同樣的三個礦泉水瓶，分別裝水三分之一、三分之二、滿瓶，將它們同置于桌上，一字型分開站立，搖晃桌子，結(jié)果是水越多（重心越高）的瓶子越容易倒（此時質(zhì)量因素可以忽略）。這一實驗還可以這樣拓展：將空瓶、滿瓶、三分之一瓶的礦泉水瓶同時放置桌上，分別作“搖晃桌子”和“吹電風(fēng)扇”實驗，看看在兩種不同的外力作用下，瓶子倒伏的順序有何不同。這個拓展實驗之所以要把空瓶與滿瓶進行對比，是因為它們的重心高度是一致的，但質(zhì)量差距很大。在電風(fēng)扇的吹動下，空瓶很快就被吹倒（或吹走），而滿瓶卻最難被吹倒，說明此時質(zhì)量已成為影響穩(wěn)定性的主要因素，質(zhì)量越大物體越穩(wěn)定。而在搖晃桌子時，結(jié)論正好相反，滿瓶先倒，空瓶