1.3 桥梁结构的优化与改进 教学设计-2023-2024学年高中通用技术人教版必修 技术与设计2

桥梁结构的优化与改进 教材分析 本节课为人民教育出版社《通用技术（必修）——技术与设计2》第1单元“结构及其设计”第3节“结构的设计”中的内容。 本单元第3节“结构的设计”要求学生结合生活中的实际需求进行简单的结构设计，经历结构设计的一般过程。对于结构设计的一般过程，“优化与改进”环节既是结构设计的一般过程的最后一环，又是工程问题迭代优化的一个新起点。 实验器材 （1）实验制作材料与工具：基础桥梁结构模型、限定规格与数量的桐木条、502胶水、塑料扎带、美工刀、剪刀、砂纸、钢尺、切割垫板（如图1所示）。 图1 实验制作材料与工具 （2）实验测试工具：加载设备、2kg增坨砝码、激光位移计。（如图2所示） 图2 实验测试工具 实验创新要点/改进点 （1） 实验载体的创新 教材第一单元“结构及其设计”的实验活动的载体见表1，包括蛋壳、硅胶棒、三脚架、人字梯等，从单元整体设计的角度来看，其实验活动内容较为零散。另外，教材第21-22页对于“优化和改进”这个环节描述是：“基于检测和评价的结果，应对设计方案进行改进。改进可以从以下几个方面进行：针对检测出现的问题提出改进；尝试一些新的创意，优化和完善结构设计；对外观设计进行改进。”教材中相应的内容比较单薄，具体教学实施中缺少抓手。 表1 教材“结构及其设计”单元实验活动载体 教材内容 教材实验活动 结构的认识 结构的分类 探索蛋壳的受力 结构与力 硅胶棒受力与形变 结构的功能 稳定性 三脚架 强度 不同横截面杆件的受力形变 功能 多功能人字梯 结构的设计 人字梯模型的设计 从我校学生学情出发，同时考虑立德树人根本任务的落实，本节课所在的单元大项目设计为“修路造桥助发展——桥梁结构设计：设计并制作一座桥梁结构模型，要求符合跨度、宽度等尺寸要求，能够承受特定的跨中荷载，且在荷载作用下跨中形变不超过限定值。”，它源于真实世界真实情境，通过对“桥梁”载体的深入学习，让学生感受“中国桥”的实力与魅力，向学生渗透“中国桥”背后逢山开路、遇水架桥的奋斗精神，提升学生的民族自豪感。单元以“设计与建造桥梁结构”为主线任务，将教材各节的知识点和课标的核心素养要求重构并整合融入项目活动中，通过6课时的结构知识学习和设计过程的体验，巩固知识与技能，全面提升学科核心素养。 各分课时在单元大项目的统整下，进行学习任务和实践任务的分解，形成相互联系的、经过排序的、难度不断提升的活动群、任务群，学生的核心素养水平在螺旋式上升的分解任务实践中得到提高。本节课为单元的最后一课时，学生已具有结构相关的基础知识储备，围绕“桥梁结构设计与制作”任务已经历了结构设计一般过程的前三个环节。本节实验课以“针对某一典型桥梁结构模型进行优化改进”为任务驱动，使学生聚焦于一个具有代表性的桥梁结构模型，学生应用之前所学知识与技能，从多种角度对该特定的不良结构进行强度上的优化，体验优化改进的过程，感受解决工程问题是一个不断迭代优化的过程，进一步提高物化能力和工程思维。 （2） 实验装置的创新 本单元对教学内容进行了项目化的单元重构，因而，本实验为实验内容量身定制了实验装置。本实验最初采用两堆相同高度的书作为桥墩，桥梁结构模型两端搁置于书堆上，在桥梁结构模型中间放置两块正方形质量块作为施加荷载（如图3）。但该实验装置的简易“桥墩”在荷载的作用下易发生形变，且难以测定结构的形变。对于学生制作的桥梁结构只能判断其破坏或没破坏，缺少对其形变的考量，从而使得项目任务的难度降低，学生失去挑战和探究的动力。 图3 最初的实验装置 针对最初版实验装置的问题，第二版改进的实验装置使用两个木块作为桥墩，对桥梁跨中形变的判断采用移动滑块来检测形变量是否超过限定要求（如图4）。 图4 第二版实验装置 在实验实施过程中发现，这种桥墩之间稳定性不足，且无法限制桥梁搁置端水平方向的位移。形变测试的方式不够准确，会因为滑块移动的路径产生误差，且学生只能观测到通过或者不通过，没有定量的数据，难以激发学生对问题进一步的分析探究。更重要的是，当学生将桥梁结构设计为上承式桥时，这套实验装置无法使用（如图5所示）。暴露出了该装置对不同尺寸、形态结构适用性低的弊端，不利于学生发挥创新设计能力。 图5 第二版实验装置不适用于上承式桥梁结构 基于上述问题，对实验装置进行了改进。实验装置采用金属铝材料制造为一体式桥墩（如图6(a)所示），且两侧桥墩之间增加了可调节间距的连接（如图6(b)所示），在提升实验装置整体刚度和强度的同时，又不失其灵活性。两侧桥墩设置了侧板，可限制桥梁结构模型的水平方向位移，通过螺杆可调节侧板，以适用于在限定宽度要求内的任意宽度桥梁模型（如图6(c)所示）。荷载通过增坨砝码施加于桥梁跨中，装置顶部设置激光位移计，可动态测得桥梁