一、課程導(dǎo)入：身邊的建筑密碼——為什么它們能“站”得穩(wěn)？演講人01課程導(dǎo)入：身邊的建筑密碼——為什么它們能“站”得穩(wěn)？02核心探究：建筑結(jié)構(gòu)的“力學(xué)智慧”——從簡單到復(fù)雜的進(jìn)化史03實踐探索：動手搭建筑——結(jié)構(gòu)與材料的“實戰(zhàn)檢驗”目錄2025小學(xué)四年級科學(xué)下冊建筑科技的結(jié)構(gòu)與材料課件各位同學(xué)、老師們，大家好！我是陪伴大家探索科學(xué)世界的張老師。今天，我們要開啟一場特別的“建筑之旅”——從校門口的教學(xué)樓到家鄉(xiāng)的老石橋，從爺爺奶奶記憶里的土坯房到城市里的玻璃幕墻大樓，這些我們每天都能見到的“大家伙”，背后藏著怎樣的科學(xué)秘密？讓我們一起用科學(xué)的眼光，重新認(rèn)識“建筑科技的結(jié)構(gòu)與材料”。01課程導(dǎo)入：身邊的建筑密碼——為什么它們能“站”得穩(wěn)？課程導(dǎo)入：身邊的建筑密碼——為什么它們能“站”得穩(wěn)？上周課間，我聽到幾個同學(xué)在討論：“咱們的教學(xué)樓為什么用那么多柱子？”“奶奶家的老房子用泥巴砌墻，怎么沒倒？”“電視里的大體育館像個大貝殼，風(fēng)大了會不會被吹走？”這些問題，都指向了建筑科技的兩個核心——結(jié)構(gòu)和材料。結(jié)構(gòu)是建筑的“骨架”，決定了它如何承受重量、抵抗外力；材料是建筑的“肌肉”，決定了它能否勝任結(jié)構(gòu)賦予的任務(wù)。舉個真實的例子：去年暑假，我?guī)W(xué)生們參觀本地的“非遺建筑館”，館里保留了明清時期的木構(gòu)老宅。大家蹲在屋檐下數(shù)“斗拱”（一種木構(gòu)件），發(fā)現(xiàn)每一層斗拱都像搭積木一樣嵌套，講解員說：“這些小木塊能把屋頂?shù)闹亓糠稚⒌街由希阅呐陆?jīng)歷幾百年風(fēng)雨，房子也不會塌?！蹦且豢?，孩子們眼睛發(fā)亮——原來“結(jié)構(gòu)”不是課本上的抽象詞，而是藏在生活里的“力學(xué)魔法”。02核心探究：建筑結(jié)構(gòu)的“力學(xué)智慧”——從簡單到復(fù)雜的進(jìn)化史1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：最原始的“承重邏輯”建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，本質(zhì)是人類對“力”的認(rèn)知史。最早的人類住在山洞里，不需要結(jié)構(gòu)；當(dāng)他們開始用樹枝、石頭搭棚子，結(jié)構(gòu)就誕生了。我們可以從三個最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)類型入手：1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：最原始的“承重邏輯”1.1柱梁結(jié)構(gòu)——“頭頂重物，腳底生根”柱梁結(jié)構(gòu)是人類最早掌握的“承重組合”：兩根柱子（豎直的支撐物）托起一根橫梁（水平的承重物）。比如農(nóng)村的柴火棚，用兩根木柱架起一根粗木，上面堆柴火；再比如教室里的門框，左右兩個門柱撐起門梁。關(guān)鍵原理：柱子把橫梁和上方的重量傳遞到地面，就像我們用雙手舉著一本書，手臂（柱子）必須足夠結(jié)實，才能承受書（橫梁+上方重量）的壓力。小實驗：用吸管做柱梁結(jié)構(gòu)——取兩根吸管（柱子）立在桌面，中間橫放一根吸管（橫梁），在橫梁上放硬幣。你會發(fā)現(xiàn)：柱子越粗（吸管越多并排）、橫梁越短，能承受的硬幣越多。1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：最原始的“承重邏輯”1.1柱梁結(jié)構(gòu)——“頭頂重物，腳底生根”2.1.2拱結(jié)構(gòu)——“把壓力變成推力，讓重量‘繞著走’”如果說柱梁結(jié)構(gòu)是“硬扛重量”，拱結(jié)構(gòu)就是“巧卸壓力”。大家見過趙州橋嗎？它的橋洞是半圓形的拱，這種結(jié)構(gòu)能把橋面的重量向兩邊“推開”，最終傳遞到兩岸的巖石上。對比觀察：用卡紙做一個平梁（柱梁結(jié)構(gòu)）和一個拱梁，分別在上面放重物。平梁中間會下彎甚至斷裂，而拱梁能把重量分散到兩端，更穩(wěn)固。生活中的拱：除了石橋，教堂的尖拱、隧道的頂部，甚至我們的腳弓（足弓）都是拱結(jié)構(gòu)——這是自然界和人類共同的“力學(xué)智慧”。1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：最原始的“承重邏輯”1.1柱梁結(jié)構(gòu)——“頭頂重物，腳底生根”2.1.3懸索結(jié)構(gòu)——“用拉力代替壓力，讓跨度更大”當(dāng)人類想建更大的跨度（比如跨江大橋），柱梁結(jié)構(gòu)的柱子會太密，拱結(jié)構(gòu)的跨度有限，懸索結(jié)構(gòu)就登場了。懸索結(jié)構(gòu)用粗大的鋼索（懸索）拉住橋面，鋼索的拉力能抵消橋面的重量。案例：江陰長江大橋的主跨有1385米，這么長的橋面全靠兩根直徑1米多的主纜鋼索拉著。鋼索里有2萬多根鋼絲，每根鋼絲能承受1噸以上的拉力——這相當(dāng)于用頭發(fā)絲粗細(xì)的鋼絲吊起兩頭大象！2復(fù)合結(jié)構(gòu)：現(xiàn)代建筑的“全能選手”隨著建筑越來越高、功能越來越復(fù)雜，單一結(jié)構(gòu)已經(jīng)不夠用了?，F(xiàn)代建筑常把多種結(jié)構(gòu)組合，形成“復(fù)合結(jié)構(gòu)”，最典型的是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)。2復(fù)合結(jié)構(gòu)：現(xiàn)代建筑的“全能選手”2.1框架-剪力墻結(jié)構(gòu)——“剛?cè)岵?jì)的高樓守護(hù)者”我們住的高層住宅樓大多用這種結(jié)構(gòu)：由鋼筋混凝土的梁、柱組成“框架”，像骨骼一樣支撐整體；再在電梯井、樓梯間等位置加“剪力墻”（厚實的混凝土墻），像肌肉一樣抵抗風(fēng)的推力和地震的搖晃。對比體驗：用冰棒棍搭一個純框架（只有梁和柱），輕輕一推就會歪；在框架里加幾面“剪力墻”（用硬紙板做），推起來穩(wěn)多了——這就是為什么30層的高樓能“站”得直。2復(fù)合結(jié)構(gòu)：現(xiàn)代建筑的“全能選手”2.2殼體結(jié)構(gòu)——“薄殼也能扛重?fù)?dān)”大家吃過雞蛋嗎？蛋殼很薄，但用手捏兩端很難捏碎，因為蛋殼是“薄殼結(jié)構(gòu)”，能把壓力均勻分散到整個表面?，F(xiàn)代建筑中的體育館（比如北京水立方）、糧倉常采用殼體結(jié)構(gòu)，用很薄的材料就能承受很大重量。趣味實驗：用A4紙卷成一個圓柱形（殼體），立在桌面，上面放書本。你會發(fā)現(xiàn)，看似脆弱的紙筒能撐起幾本書——這就是殼體結(jié)構(gòu)的“以柔克剛”。三、材料革命：從“自然饋贈”到“人工創(chuàng)造”——建筑材料的進(jìn)化之路1天然材料：祖先的“就地取材”智慧人類最早的建筑材料，都來自大自然。不同地區(qū)的人根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源，創(chuàng)造了獨特的建筑文化。1天然材料：祖先的“就地取材”智慧1.1木材——“會呼吸的建筑精靈”在森林茂密的地區(qū)（比如中國南方、北歐），木材是首選材料。木材輕、易加工，還有“呼吸”功能（調(diào)節(jié)濕度）。但它怕火、易腐爛，所以古人發(fā)明了“榫卯結(jié)構(gòu)”（不用釘子，用木塊互相咬合），既穩(wěn)固又能減少對木材的損傷。文化鏈接：日本的法隆寺是世界最古老的木構(gòu)建筑，用了1300多根木柱，沒有一根釘子，歷經(jīng)多次地震仍完好——這就是木材與結(jié)構(gòu)的完美配合。1天然材料：祖先的“就地取材”智慧1.2石材——“最耐久的時間證人”在山區(qū)或缺乏木材的地方（比如古希臘、古埃及），人們用石頭建房子。石頭堅硬、耐風(fēng)化，所以金字塔、羅馬萬神殿能保存幾千年。但石頭很重，搬運和加工困難，所以古代石建筑的跨度都不大（比如石拱的跨度通常不超過20米）。觀察活動：觀察學(xué)校附近的老石橋，注意橋拱的石頭是怎么排列的——每塊石頭都像楔子，互相擠緊，這就是“拱石”的奧秘。1天然材料：祖先的“就地取材”智慧1.3土——“最溫暖的鄉(xiāng)土記憶”在黃土高原，人們挖窯洞；在南方農(nóng)村，以前的房子用“土坯”（黏土+稻草做成的磚）砌墻。土材料造價低、保溫好，但怕水（一下雨墻會軟），所以古人會在屋頂做很陡的斜坡，讓雨水快速流走，還會在土墻外抹石灰防潮。我的回憶：小時候住在奶奶家的土坯房里，冬天不用開暖氣，墻壁像被子一樣暖；夏天卻很涼快?，F(xiàn)在雖然住進(jìn)了樓房，但每次看到土坯房，總覺得那是“會說話的老材料”。2人工材料：科技賦予的“超級能力”工業(yè)革命后，人類開始“改造材料”，創(chuàng)造出比天然材料更強大的人工材料，徹底改變了建筑的面貌。2人工材料：科技賦予的“超級能力”2.1混凝土——“建筑界的‘萬能膠’”混凝土是水泥、沙子、石子和水的混合物，凝固后像石頭一樣硬，還能澆筑成各種形狀。更厲害的是，在混凝土里加鋼筋（變成“鋼筋混凝土”），能同時抵抗壓力（混凝土擅長）和拉力（鋼筋擅長），所以現(xiàn)在90%的建筑都用它。小常識：上海中心大廈（632米）用了40萬噸混凝土，相當(dāng)于把2000頭大象的重量“凝固”在建筑里。2人工材料：科技賦予的“超級能力”2.2鋼材——“讓建筑‘長高’的秘密”鋼材強度高、重量輕（同樣承重，鋼材比混凝土輕60%），所以超高層建筑（比如迪拜塔）和大跨度橋梁（比如港珠澳大橋）都靠它。鋼材還能“彎曲”——用鋼板做成弧形、球形，就能建造出各種奇特造型的建筑。對比數(shù)據(jù)：19世紀(jì)末，紐約最高樓只有40米（用磚石）；20世紀(jì)初發(fā)明了鋼結(jié)構(gòu)，1931年帝國大廈就建到了381米，現(xiàn)在的迪拜塔更是突破800米——這就是材料進(jìn)步的力量！2人工材料：科技賦予的“超級能力”2.3新型材料——“會‘思考’的未來建筑”現(xiàn)在，科學(xué)家還在發(fā)明“智能材料”：比如“自修復(fù)混凝土”（里面加了細(xì)菌，裂縫時細(xì)菌會分泌物質(zhì)補好）；“光伏玻璃”（能把陽光變成電，讓建筑自己發(fā)電）；“氣凝膠”（最輕的固體材料，保溫性能是傳統(tǒng)材料的10倍）。這些材料正在讓建筑從“被動承重”變成“主動服務(wù)”。未來展望：也許你們長大后，會住在“會呼吸、會發(fā)電、會自我修復(fù)”的房子里——這需要你們現(xiàn)在就學(xué)好科學(xué)，去創(chuàng)造！03實踐探索：動手搭建筑——結(jié)構(gòu)與材料的“實戰(zhàn)檢驗”1任務(wù)設(shè)計：用“限定材料”搭建“承重小塔”今天的實踐課，我們分成4人小組，用以下材料搭建一座“承重小塔”（高度≥20厘米，頂部能放一個裝滿水的塑料杯）：01基礎(chǔ)材料：吸管（20根）、A4紙（2張）、膠帶（1卷）02可選材料：回形針（5個）、棉線（1米）032過程指導(dǎo)：科學(xué)思維的“三步法”分析需求：塔需要“高”（結(jié)構(gòu)穩(wěn)定）和“承重”（材料強度），所以要考慮：吸管是空心的，容易被壓彎，怎么讓它更結(jié)實？紙可以卷成筒，增加抗壓性嗎？設(shè)計方案：有的小組可能用吸管做框架（柱梁結(jié)構(gòu)），用紙筒做支撐（殼體結(jié)構(gòu)）；有的小組可能用棉線拉索（懸索結(jié)構(gòu)）固定吸管，防止傾斜。測試改進(jìn)：搭好后放杯子，觀察哪里先變形（比如吸管彎曲、接口松動），然后調(diào)整：加膠帶加固接口，用回形針把吸管并排（增加柱子的截面積），或者把紙筒套在吸管外（增強抗壓性）。0102033分享與總結(jié)實踐結(jié)束后，每組展示作品，分享“成功經(jīng)驗”和“失敗教訓(xùn)”。比如有個小組發(fā)現(xiàn)：“把3根吸管并排用膠帶纏緊當(dāng)柱子，比單根吸管能多承重2倍！”另一個小組說：“紙筒套在吸管底部，能防止柱子被壓彎——這和趙州橋的拱把壓力分散的道理一樣！”通過這個活動，大家會真正理解：沒有“最好”的結(jié)構(gòu)或材料，只有“最適合”的組合——就像我們選運動鞋，跑步要輕便（材料），登山要防滑（結(jié)構(gòu)），不同需求需要不同的設(shè)計。五、總結(jié)與升華：建筑科技的“核心密碼”——結(jié)構(gòu)與材料的“共生之美”同學(xué)們，今天我們從身邊的建筑出發(fā)，認(rèn)識了結(jié)構(gòu)的“力學(xué)智慧”（柱梁、拱、懸索到復(fù)合結(jié)構(gòu)），見證了材料的“進(jìn)化之路”（天然到人工再到智能），還動手驗證了“結(jié)構(gòu)與材料如何配合”。3分享與總結(jié)但更重要的是，我們發(fā)現(xiàn)：建筑不是冰冷的磚塊和鋼筋，而是人類應(yīng)對自然、創(chuàng)造美好生活的“科學(xué)結(jié)晶”。從原始棚屋到智能大廈，每一次結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、材料的突破，背后都是人類對“更