《“結構與穩(wěn)定性”教學問題探析》

1、“結構與穩(wěn)定性”教學問題探析肖曉陽【摘要】三角形的“穩(wěn)定性”不是物理學上的“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“三點構成一個平面”，與三角形的穩(wěn)定性無 關；形狀不是影響結構穩(wěn)定性的因素，結構變形屬于強度問題，由形變引起的穩(wěn)定性變化應當歸因于重 心位置和支撐面積的因素；影響結構穩(wěn)定性因素的探究實驗要注意自變量單一，實驗設計要簡潔有效?！娟P鍵詞】三角形、結構、穩(wěn)定性、實驗、變量針對高中通用技術技術與設計2（蘇教版）“結構與穩(wěn)定性”的教學，筆者常常潛心思考一些相 關問題，這些問題或來自教材教參，或來自教學實踐，或來自同行交流。竊以為，這些

2、似是而非的問題, 如果不加以廓清，勢必彫響教學的科學性和有效性。1廓清“三角形穩(wěn)定性”的含義在“結構與穩(wěn)定性”教學中，筆者曾讓每個學生做一個簡單的實驗：怎樣將課木豎立在桌面上？實 驗意在得出“支撐面越大結構越穩(wěn)定”的結論。學生都懂得將書木打開站立，但在回答“這個實驗說明 了什么”時，通常會犯兩個錯誤。其一，認為是“接觸面”增人而使穩(wěn)定性增強；其二，認為是“三角 形具有穩(wěn)定性”。而持第二個觀點的學生不在少數(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“結構與設計”章節(jié)的教學小尤顯重要。然而，這個看似簡單的 “常識”，卻常常會被許多師生誤解，因而在解釋結構的穩(wěn)

3、定性時一再錯誤地引用。筆者經(jīng)過一番梳理, 將對“三介形穩(wěn)定性”的正確理解歸納成三點內(nèi)容：1、三條總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”的大小（實則是強度的大小） 還與材料特性和連接方法有關。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，打開的書就沒有構成三角形（缺 一條邊），因此不能用“三角形的穩(wěn)定性”來解釋。2照相機為什么用三腳架技術

4、與設計2（蘇教版）p12, “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，形成的三角形結構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川四只腳？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）底端插入土屮，可以視為每兩個腳都與地面構 成穩(wěn)定的三角形（一共有三個斜立的三角形，地面相當于三角形的底邊）。假如 三腳架放置于光滑的巖石上，就不能從三角形的

5、穩(wěn)定性來解釋。因為此時三角 架的兩腳只構成“人”字形，而不是三角形。有一種觀點認為“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成三角形，這條邊可以往上移， 具至可以移到頂上，只要牢固固定，它也應該屬于三角形?！边@一觀點顯然是錯 謀的。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，這兩種結構的下 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?。陽“八”字形只有閉合 部分才是真止具冇“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！因為沒有構成三角形，其堅固的原因在于金屬的強度高。'

6、;三腳型”與“三 角形”不可混淆。照相機用三個腳，除了便攜、快捷、節(jié)材的原因外，主耍是利用“三點構成一個平而”的原理。因 為照相機常川于野外，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），三足師才變?yōu)樗淖愠?，四足鼎的支撐面更大，因此也更穩(wěn)定。同理，桌 子因放直于室內(nèi)平地，所以川四只腳比三只腳更穩(wěn)定。3形狀不是影響結構穩(wěn)定性的因素技術與設計2（蘇教版p12）將結構的形狀列為影響結構穩(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

7、說服力的。要探究形狀是不是影響結構穩(wěn)定性的因素，正確的 做法是，在支撐而積、重心位置相同的情況下，測試形狀不同的結構，看看它們的穩(wěn)定性有否差界。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”在木質(zhì)上已歸屬于三腳架了，因為另一 腳是不起作用的。況且支撐而積也人為縮小了，所以二者沒有可比性。事實上野外用的三腳架一般部可 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

8、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。技術與設計2（蘇教版p12 ） “馬上行動”中，讓學生分析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，梯子支撐腳與地而的位置不能同定兩梯腳會向 外滑動，a字形結構被破壞，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構穩(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，當它的兩腳張到最人時，人站上梯了，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。倒是人在梯了上活動時，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），造成梯子的支撐而

9、減小，易于晃動。其次，“a字梯結構被破壞”不屬于穩(wěn)定性問題而是結構強度問題。而a字梯既然“兩梯腳會向外 滑動”，支撐面變大，按理梯子應當更穩(wěn)定，那么“失去平衡”的對象只能是人，與梯子無關，因此這 事例不能證明形狀是影響結構穩(wěn)定性的因索。結構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人小改變或重心位宜改變，而結構形 變的本身屬于強度問題。因此 把形狀視為影響結構穩(wěn)定性的因素有重復z嫌。但對于風中的物體而言, 形狀確實對穩(wěn)定性冇影響，因此，只冇在風的作用下來討論形狀對穩(wěn)定性的影響才冇意義。4影響結構穩(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必修2教參p22-23,教學參考案例穩(wěn)固結

10、構的探析中，用紙屏風分別在平展、 曲折、裝上底座、綁上腳插入盆土中四種情況下，用無極調(diào)風電風扇吹倒屏風，根據(jù)四種實驗的調(diào)速開 關位置（風力）對比，推論影響結構穩(wěn)定性的因素。這樣的實驗雖然玄觀，但不夠簡潔，更主要的是得 出的結論經(jīng)不起推敲，因為對比實驗的自變量不是一個，不符合實驗的基木規(guī)則。先看第一個對比試驗：一字型屏風與折線形屏風被電風扇吹倒所用的風力不同，說明支撐而越人結 構越穩(wěn)定。這個實驗中，因變量是風力，自變量卻有兩個：屏風的支撐而積（底座大小）和屏風的受風 截面積，受風截面積越大屏風越容易倒。那么，一字型屏風容易被吹倒是受風截面積大的原因述是支撐 而小的原因？可見這個實驗不嚴謹。如果將

11、該實驗方法改為：一式兩個屏風，一個一字型，一個折線形, 同時放置于桌而上，搖晃桌了，觀察哪一個屏風先倒，以此得出實驗結論，這樣就可以排除受風截而積 的干擾因素。再看第二個對比實驗：一字型屏風在裝底座與不裝底座兩種狀態(tài)下，被風吹倒所用的風力不同，以 此說明重心越低結構越穩(wěn)定，這個實驗的漏洞就更多了。受風的情況下，屏風的重心高度、質(zhì)量、受風 截面積都是口變量。加上底座后，屏風重心降低、質(zhì)量增大、支撐而（底座）增大、受風截而積增大， 那么，究竟是哪個因素引起穩(wěn)定性增強？可見實驗的不嚴謹。其實要證明重心越低結構越穩(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，結果是水越多（重 心越高）的瓶子越容易倒（此時質(zhì)量因素對以忽略）。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“吹電風扇”實驗，看看在兩種不同的外力作 用下，瓶了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)量差距很人。在電風扇的吹動下，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)量越人物體越穩(wěn)定。而在搖晃桌了時，結論正好相 反，滿瓶先倒，空瓶