棉花糖高塔教学课件

棉花糖高塔教学课件第一章引入与目标什么是棉花糖高塔？棉花糖高塔是一种使用棉花糖和牙签搭建的立体结构，既是一项趣味活动，也是学习结构力学和空间设计的绝佳方式本课学习目标•理解基础结构力学原理•掌握高塔搭建的关键技巧•培养创新思维和解决问题的能力棉花糖高塔的魅力科学与艺术的结合团队合作的平台在搭建过程中，学生既需要应用物理小组协作完成高塔搭建，培养沟通、力学知识，又能发挥创意想象力，将协调、分工与合作精神，体验集体智科学原理与艺术设计完美融合慧的力量创新思维的训练面对材料限制和结构挑战，学生需要突破常规思维，寻找创新解决方案，培养解决复杂问题的能力材料介绍棉花糖牙签柔软、有弹性，可作为结构的连接点细长、坚硬，是结构的主要支撑元素•优点粘性好，容易固定牙签•优点轻量、刚性好，易于操作•挑战软化变形，承重能力有限•挑战单根承重有限，需合理分配力•技巧避免挤压变形，保持形状完整•技巧斜向支撑比垂直支撑更稳固辅助工具提高搭建效率与精确度•尺子测量高度和间距•剪刀调整牙签长度（可选）•托盘提供稳定的搭建平台结构基础知识三角形的力量为什么三角形是最稳固的形状？三角形是唯一一个在角不变的情况下边长不可改变的形状，这使得它成为最稳定的几何结构当外力施加时，三角形能均匀分散力，保持形状不变三角形是结构力学中的金刚不坏之身，也是棉花糖高塔成功的关键生活中的三角形应用•桥梁的桁架结构•建筑屋顶的三角支撑•电视塔的三角形框架•自行车车架的三角结构三角形，建筑的秘密武器设计原则底座宽大，重心低宽底座提升稳定性重心越低，塔越不易倒塌均衡分布确保平衡底座越宽，支撑面积越大，高塔的稳定性就越好就像金字塔一样，宽大的底部物理学原理告诉我们，重心越低的物体越稳定在设计棉花糖高塔时，应尽量将材料在水平方向上的均衡分布同样重要，避免结构偏向一侧，防止因重心偏移导为整个结构提供了坚实的基础更多材料用于底部，保持重心位置低致的倾倒成功与失败案例分析左图中成功的高塔采用了金字塔式设计，底部宽大，层层收缩，重心保持在底部而右图中失败的高塔底座过小，重心过高，结构不均衡，导致倾倒力学小知识压缩力与拉力牙签承受的力类型压缩力牙签两端受到向内的挤压力拉力牙签两端受到向外的拉伸力弯曲力牙签中间部分受到侧向力牙签在承受压缩力方面表现出色，但对弯曲力的抵抗能力较弱因此，在设计高塔时，应尽量让牙签处于直线受力状态棉花糖连接点的特点棉花糖作为连接点，具有一定的弹性，能够吸收部分外力，但也容易变形课堂活动预告12分组挑战记录过程将全班分为4-5人一组，每组配发相同材料每组指定一名记录员，负责•10颗棉花糖•绘制设计草图•20根牙签•记录搭建中的重要决策•1把尺子（测量高度）•记录结构变化及问题解决方法•1个托盘（作为搭建平台）•拍摄搭建过程的关键时刻目标在30分钟内搭建尽可能高且稳定的塔3思考问题在搭建过程中，思考以下问题•如何设计底座以提供最大稳定性？•如何有效利用有限材料实现最大高度？•结构中的三角形如何布置最合理？•出现问题时，如何调整设计？第二章搭建步骤详解第一步搭建稳固的底座使用4-6根牙签和3-4颗棉花糖，构建一个三角形或三角棱柱形的底座确保底座水平放置，各个连接点牢固这是整个高塔的基础，决定了塔的稳定性底座建议使用至少三个连接点，形成稳定的三角形结构第二步逐层向上搭建在底座基础上，逐层添加牙签和棉花糖，形成立体框架每层都应保持平衡，避免偏向一侧可采用金字塔式设计，使上层略小于下层，保持重心稳定每添加一层，轻轻测试结构稳定性，及时调整第三步加固连接点检查每个棉花糖连接点，确保牙签插入深度适当对重要的支撑点，可以使用额外的牙签进行交叉加固特别注意底部连接点的牢固，它们承受的压力最大避免在一个棉花糖上插入过多牙签，以防分裂搭建技巧分享牙签插入技巧插入角度尽量保持牙签相互之间呈60°-120°角，避免过于平行或垂直插入深度插入棉花糖约1/3-1/2长度，过深会穿透，过浅会松动均衡用力插入时用力均匀，避免棉花糖变形或开裂棉花糖状态对结构的影响新鲜棉花糖弹性好，抓握牙签能力强陈旧棉花糖较硬，不易变形，但也不易插入受潮棉花糖过软，易变形，不建议使用常见错误警示避免高而不稳的设计，宁可降低高度，也要确保结构稳固单一的垂直结构比网格状结构更容易倒塌棉花糖与牙签的连接是结构稳定的关键动手实践，体验科学魅力通过亲手搭建棉花糖高塔，学生们不仅学习结构力学知识，更能培养动手能力、创新思维和解决问题的技巧这种融合科学与艺术的教学方式，让抽象的物理原理变得直观可感结构优化策略三角形框架增强稳定性交叉支撑的作用将三角形作为基本构建单元，在各个方向形成三角形在关键部位添加交叉牙签，形成X形支撑，有效抵支撑水平、垂直和对角线方向的三角形组合，能最抗侧向力和扭转力，防止结构变形大限度提高结构的整体稳定性•底部加强交叉支撑•底部使用大三角形•薄弱连接点处增加支撑•中部使用中等三角形•高层部分适当减少材料用量•顶部使用小三角形层叠增加承重能力采用层叠式设计，每层相对独立又相互连接，上层重量均匀分布到下层多个支撑点，避免局部承重过大•层与层之间形成网格结构•上下层支撑点错开分布•核心部分形成中轴支撑优化后的高塔结构图示注意三角形框架的应用、交叉支撑的布置以及层叠设计的实现这些优化策略综合应用，能显著提高高塔的稳定性和高度失败案例分析常见倒塌原因连接点松动棉花糖与牙签连接不牢固，导致结构松动随着时间推移，牙签可能从棉花糖中滑出，特别是在塔身较高时重心偏移结构不平衡，重心位置过高或偏向一侧，导致塔身倾斜并最终倒塌这常发生在非对称设计或顶部过重的结构中底座不稳底座设计不合理，支撑面积不足或结构不够坚固，无法承担上部结构的重量，导致整体坍塌第三章科学探究与实验设计实验底座形状对塔高的影响通过对比实验，探究不同底座形状对棉花糖高塔稳定性和最大高度的影响实验变量自变量底座形状（三角形、正方形、五边形）因变量塔的最大高度、稳定时间控制变量材料数量、搭建时间、环境条件数据记录表格底座形状最大高度cm稳定时间分钟倒塌原因三角形____________正方形____________五边形____________实验设计数据收集知识链接STEM数学物理棉花糖高塔活动与数学知识的结合点高塔搭建过程中涉及的物理原理•测量高度和角度•力的平衡与分解•计算三角形面积和体积•重心位置与稳定性•探索几何形状的稳定性•材料的弹性与刚性•理解空间结构的对称性•压缩力与拉力的传递•数据分析与图表制作•结构振动与共振可应用勾股定理计算斜向支撑的长度和角度理解力矩原理有助于设计更平衡的结构工程棉花糖高塔体现的工程设计原则•结构设计与优化•材料选择与利用•负载分析与分配•模型测试与改进•工程约束与创新遵循工程设计循环设计-构建-测试-改进棉花糖高塔活动是STEM教育的绝佳实例，将科学、技术、工程和数学知识自然融合，通过动手实践加深对抽象概念的理解创意拓展不同材料的尝试替代棉花糖的材料果冻更有弹性，但粘性较差，连接点易滑动适合短期结构，不适合长时间展示橡皮泥可塑性强，粘性好，便于调整缺点是较重，增加了结构的负担棉花球重量轻，易于插入，但抓握力弱，连接不够牢固，需要额外固定替代牙签的材料吸管重量轻，可弯曲，但承重能力弱适合制作轻型、大型结构竹签强度高，承重能力强，但较粗，不易插入连接点适合大型结构橡皮筋材料选择的考虑因素有弹性，可承受拉力，但不能承受压力与刚性材料结合使用效果好强度与重量比理想的材料应该强度高而重量轻连接方式材料之间如何有效连接耐久性结构需要保持多长时间可获得性材料是否容易获取成本在预算范围内的材料选择安全性避免尖锐、有毒或不安全的材料材料创新，激发无限可能不同材料的特性为高塔设计带来新的可能性和挑战通过探索各种材料组合，学生们能够深入理解材料科学的原理，培养创新思维和解决问题的能力每种材料都有其独特的优势和局限，关键在于如何巧妙利用这些特性来优化结构设计团队合作与角色分工设计师建造者记录者负责高塔的整体设计和结构规划执行实际的高塔搭建工作负责记录整个过程和重要数据•绘制初步设计草图•精确操作牙签和棉花糖•测量和记录高塔高度•确定结构形式和材料分配•根据设计图纸进行构建•记录设计变更和关键决策•预测可能的问题并提出解决方案•及时反馈搭建过程中的问题•拍摄过程照片，准备总结报告关键能力空间想象力、创新思维关键能力手部精细操作、耐心细致关键能力观察力、数据分析有效团队合作的要素明确沟通清晰表达想法，积极倾听他人意见民主决策集思广益，共同决定最佳方案相互尊重尊重每个成员的想法和贡献灵活调整根据实际情况调整计划和角色反思改进定期回顾进展，分享经验教训有效的团队合作不仅能提高高塔的质量，也是培养学生社交能力和领导力的重要途径挑战升级承重测试承重测试方法

1.确保高塔结构完全稳定，等待2分钟观察

2.准备一系列轻质小物品（纸币、硬币、轻质积木等）

3.从最轻的物品开始，小心放置在高塔顶部

4.每次放置后等待10秒，观察结构反应

5.逐渐增加重量，直到结构变形或倒塌

6.记录最大承重量和倒塌方式课堂互动你会怎么改进？学生改进方案讨论观察当前的高塔结构，思考以下问题•这个结构的优点和缺点是什么？•哪些部分最容易失败？为什么？•如何改进底座设计？•如何优化材料分配？•有没有创新的连接方式？批判性思考是创新的起点通过分析现有方案的不足，我们才能设计出更优的解决方案小组讨论流程头脑风暴（5分钟）每位组员提出至少一个改进点，不评判对错方案筛选（3分钟）讨论各个方案的可行性，选出最有潜力的想法方案整合（5分钟）将多个好点子整合成一个完整的改进方案草图绘制（7分钟）将方案绘制成草图，标注关键改进点真实世界的高塔建筑启示著名摩天大楼的结构设计原理深厚基础现代摩天大楼都有深入地下的坚实基础，类似棉花糖高塔需要稳固的底座如上海中心大厦的基础深达38米核心筒结构大多数超高层建筑采用中央核心筒设计，提供主要支撑，类似棉花糖高塔的中心支柱这种设计在台北101和哈利法塔中都有应用交叉支撑建筑物外立面的交叉支撑增强抵抗侧向力的能力，如香港汇丰银行总部的外部支撑结构，与棉花糖高塔的交叉牙签原理相同相同的科学原理虽然规模和材料不同，但棉花糖高塔与真实建筑共享相同的基本科学原理建筑师解决稳定性问题的方法棉花糖高塔真实建筑减重技术使用轻质高强材料，减轻上部结构重量三角形结构桁架系统阻尼器在高层建筑中安装减震装置，抵消风力和地震空气动力学设计设计特殊形状减少风载荷，如上海环球金融中心的开口设计宽底座深厚基础交叉支撑抗侧力支撑重心管理质量调谐阻尼器从小塔到摩天楼，科学无处不在无论是由棉花糖和牙签搭建的迷你高塔，还是耸入云霄的哈利法塔，它们都遵循着相同的物理规律和结构原理这种从微观到宏观的相似性，正是科学普适性的生动体现通过棉花糖高塔实验，学生们能够亲身体验世界上最高建筑背后的工程奥秘反思与总结结构知识动手能力了解基础力学原理，掌握稳定结构的设计要素培养精细操作与空间构建的实践技能•三角形结构的稳定性•材料特性的理解与应用•力的传递与分配•精确构建与调整能力•重心位置对稳定性的影响•空间关系的直观把握跨学科学习团队合作体验科学、数学、艺术融合的综合学习发展协作沟通与集体创造的社交能力•数学与物理知识应用•角色分工与责任承担•美学与功能性平衡•有效沟通与意见整合•工程设计思维培养•共同解决问题的能力创新思维科学探究激发突破常规与问题解决的创造力形成实验设计与数据分析的科学思维•多角度思考问题•提出假设并设计实验•打破常规的勇气•系统收集与分析数据•从失败中学习并改进•基于证据得出结论棉花糖高塔活动是一次全方位的学习体验，它不仅传授知识，更培养学生终身受益的能力和素养学生作品展示设计理念分享搭建心得分享我们的团队决定采用金字塔型设计，底部使用多个三角形形成稳固基础，向上最大的挑战是如何平衡高度与稳定性一开始我们只追求高度，结果塔总是倒逐渐收窄为增加稳定性，我们在关键节点增加了交叉支撑，并保持重心在中塌后来我们学会了先建立坚固的基础，再逐步向上构建，还发现三角形结构轴线上确实比方形更稳定——七年级学生团队——八年级学生团队以上展示的学生作品展现了丰富的创意和对结构原理的深刻理解每个团队都采用了不同的设计思路，但都成功地应用了课程中学到的核心概念这些作品不仅是知识应用的成果，更是团队协作和创新思维的结晶教师指导建议如何引导学生思考与实验提问而非告知通过问题引导学生自主发现问题和解决方案鼓励试错强调失败是学习过程的自然部分，鼓励从错误中学习设置适当挑战根据学生能力调整难度，保持适度的挑战性引导反思活动后组织学生分享经验，总结学到的知识和技能联系实际帮助学生将棉花糖高塔与现实世界的建筑和结构联系起来课后延伸活动家庭版棉花糖高塔挑战几何结构模型设计数学与结构的深度探究鼓励学生在家中与家人一起完成棉花糖高塔挑战，将课堂所学应用到家拓展制作其他几何结构模型，如结合数学课程，进行更深入的结构分析庭环境中建议准备•正四面体、正八面体、正二十面体•测量和计算结构中的角度•30颗棉花糖•球形网格结构•分析三角形组合的空间效率•50根牙签•建筑标志性结构（如埃菲尔铁塔）•计算结构的表面积与体积比•计时器和尺子探索不同几何形状的特性和应用，加深对三维空间的理解建立数学模型，预测不同设计的理论承重能力完成后拍照分享，讲述家庭合作的经历和心得跨学科整合建议长期项目发展与艺术课结合探索结构美学，创造既美观又实用的设计棉花糖高塔活动可以发展为长期科学探究项目与历史课结合研究不同时期和文化的建筑结构特点

1.第一阶段基础结构探索（本课内容）与计算机课结合使用3D建模软件设计虚拟结构

2.第二阶段材料特性研究（不同连接点和支撑材料的对比）与语文课结合撰写设计说明书或创作以建筑为主题的故事

3.第三阶段环境因素影响（温度、湿度对结构的影响）

4.第四阶段功能性结构设计（具有特定功能的结构）

5.第五阶段学校结构设计展览（展示学生作品和研究成果）资源推荐视频教程资源《棉花糖挑战工程设计入门》介绍基本原理和搭建技巧的系列教学视频《TED演讲棉花糖挑战背后的创新思维》探讨棉花糖挑战对创新思维培养的价值《结构工程基础从小到大》解释结构力学原理的动画教程系列《世界著名建筑的结构奥秘》分析全球标志性建筑的工程原理互动游戏与模拟软件《桥梁构造者》虚拟桥梁设计与测试游戏《物理结构模拟器》可视化力的传递和结构变形《建筑师工具箱》3D建筑设计入门软件《力学实验室》探索各种力学原理的交互式应用相关书籍推荐《动手玩科学50个STEM项目》包含多个结构设计活动的实用指南《建筑的语言认识结构与形式》讲解建筑结构基本原理的入门读物QA环节问棉花糖开始变软后，高塔会变得不稳定，有什么解决方法？问如何评判不同高度和不同设计的高塔孰优孰劣？问如何处理小组中出现的意见分歧？答这是很好的观察！棉花糖在空气中暴露时间长了会变软，影响结构稳定性解决方法有1活动答评判高塔可以采用多维度标准1高度与稳定性比值（高度÷持续稳定的时间）；2材料利用效答意见分歧是团队合作的自然部分，也是学习的机会建议1鼓励学生表达自己的想法并说明理前将棉花糖放入冰箱短暂冷藏，增加硬度；2在关键连接点使用双层棉花糖；3减少每个棉花糖上插率（高度÷使用的材料数量）；3承重能力（能承受的最大重量）；4创新性（设计的独特程度）；由；2引导学生尝试结合多种想法的优点；3在无法达成一致时，可以采用实验验证的方法，快速入的牙签数量，避免过度负荷；4活动完成后，可用喷发胶轻轻喷洒结构表面进行固定（仅用于长期5美观度综合这些因素可以更全面地评价高塔的质量，而不仅仅看高度测试不同方案；4提醒学生尊重他人观点，学会妥协和建设性地提出批评；5作为教师，避免直接给展示）出正确答案，而是引导学生自己寻找解决方案教学经验分享在多年的教学实践中，我发现棉花糖高塔活动最大的价值在于培养学生的失败耐受力很多学生第一次尝试时会失败，但经过反思和调整，他们的第二或第三次尝试往往会有质的飞跃这种从失败中学习的经历，对培养学生的韧性和解决问题的能力非常宝贵——张老师，五年教学经验结束语棉花糖高塔科学与创意的持续探索，勇于创新完美结合希望这次活动能激发你们对科学和工程的兴趣，培养探索未知的勇气和解决问通过本次课程，我们不仅学习了结构力题的能力真正的学习不止于课堂，鼓学的基本原理，更体验了动手实践的乐励大家将今天学到的原理应用到生活中趣和团队合作的力量棉花糖高塔活动的其他方面，保持好奇，不断尝试将抽象的科学概念转化为具体可感的体验，让我们看到科学与艺术、理论与实期待看到你们的下一个创意，下一座高践如何完美融合塔，下一次突破！让我们带着这份探索精神，挑战更高的梦想！每一座高塔都是一次探索，每一次失败都是一步成长谢谢大家的参与和付出！。