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普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修10：科技人文融合创新专题
第二章 科技人文融合创新专题实践
第一节 桥梁
教学设计
教学背景
习近平总书记在全国教育大会上强调，要在党的坚强领导下，全面贯彻党的教育方针，坚持马克思主义指导地位，坚持中国特色社会主义教育发展道路，坚持社会主义办学方向，立足基本国情，遵循教育规律，坚持改革创新，以凝聚人心、完善人格、开发人力、培育人才、造福人民为工作目标，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人，加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育。
教学目标：
知识与技能目标:
1.理解桥梁建筑与文化、社会、人文、艺术的关系。
2.掌握桥梁建筑材料、结构等主要的技术和工程知识。
3.动手设计制作桥梁模型，测试桥梁模型承重，探究桥梁设计蕴含的科学问题，了解渗透科学、技术、工程、数学等要素的环节。
教学内容分析:
以《普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《标准》）为依据，以全面贯彻落实《标准》所倡导的以提高学生的技术素养和创新能力为目标。本模块的核心价值在于多学科知识的综合运用，科技人文融合创新项目的实施以兴趣、问题、活动等为中心，充分结合科学、技术、工程、艺术、数学、社会等学科知识，适当利用信息技术，注意在教学中融入爱国主义教育和革命传统教育，注意与中华优秀传统文化相结合。
学情分析:
学生对通用技术的了解认识有限，面对未来，他们需要学习有关通用技术的知识。
通过本模块的学习，同学们能理解科学、技术、工程、艺术、数学、社会等各学科之间的紧密联系和科技人文融合创新的重要性；初步掌握相关科学原理及其应用、数学知识及其应用、材料及其加工、模型制作及其工艺等基本知识与基本技能，初步形成在具体领域中运用结构与功能、权衡与优化、设计与创新等技术思想与方法的能力，提高设计创新能力；弘扬劳动精神和创新精神；形成系统思维与工程思维，培养团队意识和合作能力，树立投身我国科技创新以及中华民族伟大复兴事业的人生理想。
教学重难点:
理解桥梁建筑与文化、社会、人文、艺术的关系。
掌握桥梁建筑材料、结构等主要的技术和工程知识。
动手设计制作桥梁模型，测试桥梁模型承重，探究桥梁设计蕴含的科学问题，了解渗透科学、技术、工程、数学等要素的环节。
教学策略:
以案例或项目引入，介绍从事科技人文融合创新项目活动的基础条件，工具、材料、图样、工艺、技术参数等技术要素，以及性能需求、生命周期、标杆分析和反求工程等的分析方法在科技人文融合创新项目活动中的独特作用。以技术与工程问题为牵引，以项目实践为指引，通过设计多种专题实践项目，让同学们经历科技人文融合创新项目活动的全过程。通过这些实践活动，同学们可了解技术与工程项目所蕴含的科学、技术、工程、艺术、数学、社会等因素，并能通过比较、权衡等方法剖析这些因素间的制约关系和通约特性。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修10：科技人文融合创新专题　第二章 科技人文融合创新专题实践　第一节 桥梁。
科技人文融合创新项目以活动为牵引，提出并明确需解决的技术与工程问题，提取和分析其中蕴含的科学与数学原理；设计和选用适当工具来收集、记录、分析信息与数据；应用科学、技术、工程和数学知识与方法，系统考虑艺术、社会因素，提出解决问题的综合方案；制作并使用工程模型进行测试、生成数据，解释和预测现象；依据科学证据、技术试验结论，完善解决方案；以科学观点、经验证据、逻辑论证的相关因素，比较和评估同一问题的不同技术解决方案。
桥梁、交通工具、航空器、医疗器械、矿山工程是当今社会生活的重要领域，这些领域里的技术与工程活动，需要跨学科的视野，需要系统的方法论和工程思维，需要综合运用科学、技术、工程、艺术、数学和社会等学科的知识、方法和基本技能。通过典型科技人文融合创新项目的案例分析和团队合作实践，促进团队成员对结构设计、电子控制、编程等技术的掌握及工程实施能力的提高，提升参与社会创新活动的能力。
建于公元605—617年的赵州桥（又名安济桥）（参见教材P29），是中国石拱桥的杰出代表。
赵州桥由著名匠师李春设计和建造，全长64.4 m，在当时可算是世界上最长的石拱桥。
大拱上面的道路平缓，便于车马上下。大拱的两肩上，各有两个小拱。既节约了石料，又减轻了桥身的重量，还便于排洪。同时，全桥结构匀称，拱上加拱，桥身更美观，桥两边的石栏石板雕刻花纹古朴美观，唐朝的张 说，远望安济桥犹如“初月出云，长虹引涧”。
赵州桥是凝聚了我国古代劳动人民智慧的标志性建筑，谱写了中国桥梁建造的辉煌篇章，在世界桥梁史上具有极高的地位，是中华优秀传统文化的代表。
桥梁的由来可以追溯到人类诞生时期，桥梁与人类是共同发展的，桥梁的历史就是人类存在的历史。在远古，原始人在追逐猎物经过小河流时，就会用树干搭在两岸过河，这就是桥梁的由来，所以说桥梁的历史就是人类的发展史、进步史。
思考
（1）什么叫桥梁？桥梁在我国交通发展上起到了哪些作用？
（2）桥梁的社会用途有哪些？
一、早期桥梁的结构
古代的桥梁一般是用木、石材料建造的，即木桥（图2-2）（参见教材P30）和石桥。
木桥构造简单，易于施工，造型美观，自然环保的木桥一直不断改进，沿用至今。
程阳风雨桥（图2-3）（参见教材P30）又叫永济桥、盘龙桥，位于广西壮族自治区柳州市三江县城古宜镇，是目前保存最好、规模最大的风雨桥，是侗乡人民智慧的结晶，也是中国木建筑中的艺术珍品。
程阳风雨桥横跨林溪河，为木石结构大桥及石墩木结构楼阁式建筑，主要由木料和石料建成，建于1912年，桥长64.4 m，宽3.4 m，高10.6 m。
程阳风雨桥是建筑的集大成者，集桥、廊、亭三者于一身，在中外建筑史上独具风格。整座桥梁不用一钉一铆，大小条木，凿木相吻，以榫衔接。全部结构，斜穿直套，纵横交错，却一丝不差。墩台上建有5座塔式桥亭和19间桥廊，亭廊相连，浑然一体，十分雄伟壮观。桥的两旁镶着栏杆，好似一条长廊。桥中有5个多角塔形亭子，飞檐高翘，犹如羽翼舒展；桥的壁柱、瓦檐、雕花刻画，富丽堂皇。整座桥俊美壮观，气象浑厚，仿佛一道灿烂的彩虹。
二、桥梁的发展
1．钢铁桥梁
随着工业革命的发展，开始由铸铁造桥，过渡到钢材造桥。19世纪70年代又开始用钢筋混凝土造桥。
金门大桥（图2-4）（参见教材P31），位于美国旧金山金门海峡之上，是世界著名桥梁之一，也是近代桥梁工程的一项奇迹。
金门大桥于1933年1月始建，1937年5月首次建成通车，历时4年。桥身全长约1 900 m，桥塔高227 m，每根钢索重6 412 t，由27 000根钢丝绞成。共使用10万多吨钢材，耗资达3 550万美元建成。大桥的建成极大便利了人们的工作和生活，有力推动了当地经济的发展。
2．钢筋混凝土桥梁
现代桥梁按建桥材料可分为钢筋预应力混凝土桥、钢筋混凝土桥、钢桥和斜拉桥(图2-5）（参见教材P31）。
20世纪以来，人们在宽阔的河流、宽深的峡谷上建桥；在大城市建造立交桥；在海湾、海峡修建特大跨度桥梁；在海岛与陆地之间修建长桥。
桥梁修建的需求大增，也促进了建桥技术的发展，引用新材料、新工艺、新桥式，不断提高技术水平，对桥梁结构进行更精确的数值分析，采用更精确的结构试验进行验证，以使桥梁建设的经济效益不断提高，桥梁的强度也不断加强，安全性也越来越高。
桥梁工程始终是在生产发展与各类科学技术进步的综合影响下，遵循实用、安全、稳固、美观、经济的原则，不断地向前发展。
港珠澳大桥（图2-6）（参见教材P32）是连接我国香港、珠海、澳门的超大型跨海通道，全长55 km，其中主体工程“海中桥隧”长35.578 km，海底隧道长约6.75 km，是世界最长的跨海大桥，设计的通车时速为100~120 km。
作为中国建设史上里程最长、投资最多、施工难度最大的跨海桥梁项目，港珠澳大桥受到海内外广泛关注。港珠澳大桥沉管隧道是全球最长的公路沉管隧道和全球唯一的深埋沉管隧道，生产和安装技术有一系列的创新，为世界海底隧道工程技术提供了独特的样本和宝贵的经验。
大桥的建设经过严格的环境保护评估，既要保护海洋生物多样性，又要保证船舶航路在任何水文条件下正常航行，还要保证邻近香港机场的飞机起降飞行安全。
港珠澳大桥是国家高速公路网中G4-京港澳高速以及G94-珠三角环线高速的部分路段，连接了世界最具活力的经济区，快速通道的建成对香港、澳门、珠海三地经济社会一体化意义重大而深远，支持了香港、澳门更好地融入国家发展大局，有力推进了粤港澳大湾区建设。
讨论
通过了解桥梁的发展历史和古今桥梁建设的变化，你能否归纳在桥梁的建设中，如何体现了科技人文融合创新？
三、桥梁的设计与制作
设计稳固、结实、实用、美观、环保的桥梁，不仅取决于结构的设计，材料的选择，桥基的稳固，还要受环境的影响，地质条件、水文变化都是制约的因素，更要考虑社会用途、车辆流量、承载重量、工程预算等因素，因而，建设一座桥梁必须要进行多方面、多学科的综合科学考察评估。
常见桥梁有框架结构，也有壳体、实体的结构。而大型桥梁一般采用框架结构，不仅节省了材料，还大量减少了自身的重量，如港珠澳大桥；中小型桥梁一般采用壳体结构，可将桥顶的承载力分散传递到桥墩的各个部位，如赵州桥；小型桥梁多是采用实体结构，结构简单。
框架结构外形各异，有条形，有拱形，也有其他形状，其受力大小和特点是不同的。
情景导学
为了迎接学校科技节的桥梁结构模型设计赛，小洪和同学们组成研究学习小组，进一步研究结构受力与设计制作的关系，分别用同等量的桐木条（便于比较）做方案一和方案二的试验，深入了解影响结构受力的因素及制作的技术。同时，还要进行桥梁造型设计制作的研究，探究桥梁设计与社会、人文、艺术的结合，参加桥梁模型创意设计赛。
探索实践
试验一
设计制作一个平直的桥梁模型（图2-7）（参见教材P33），结构不限，所用材料为长1 000 mm、宽3 mm、高3 mm的桐木条25根，快干胶水。桥梁用指定的材料和尺寸，设计制作桥梁模型，测试承重，比较分析科技人文融合创新的要素是如何体现的。
要求：
（1）桥梁模型的跨度≥380 mm。
（2）桥梁模型的总长度=500 mm。
（3）桥面宽度为80 mm。
（4）进行承重测试，直到桥梁模型被压倒垮塌，并记录承重的质量。
（桥梁模型承重时间小于或等于5 s，不计成绩。）
（5）测试模式为桥梁模型中间直接承压，受力面长100 mm、宽80 mm。
（6）测试桥墩之间相距 380 mm。
试验二
设计制作一个拱形的桥梁模型（图2-8）（参见教材P34）。所用材料为长1 000 mm、宽3 mm、高3 mm的桐木条25根，快干胶水。测试承重，比较分析桥梁模型结构如何体现科技人文融合创新的要素。
要求：
（1）桥梁模型的跨度≥380 mm。
（2）桥梁模型的总长度=500 mm。
（3）桥面宽度=80 mm。
（4）进行承重测试，直到桥梁模型被压倒垮塌，并记录承重的质量。
（桥梁模型承重时间小于或等于5 s，不计成绩。）
（5）测试模式为桥梁模型中间直接承压，受力面长100 mm、宽80 mm。
（6）测试桥墩之间相距380 mm。
思考
设计制作两种不同结构的桥梁模型，经测试后，根据试验现象，请你分析：
（1）桥梁模型受力大小与什么有关？
（2）影响桥梁模型结构稳固的因素有哪些？
探究
小洪和伙伴们经过两种方案的试验比较分析（表2-1），决定综合考虑，从系统的工程思维出发，寻找一个结合两者优点的结构方案，来迎接学校的科技节桥梁结构竞赛。
表2-1 两种方案的试验比较
结 构 结 构 特 点 承重断裂处
条形 结构密集 在桥的两边部分
拱形 结构松散 在桥的中间部分
讨论
想想看，这个结合两者优点的结构是怎样的呢？
四、桥梁设计竞赛
竞赛项目：
使用指定的材料和工具，设计制作一个桥梁模型，具体规格和示例如图2-9（参见教材P35）所示。
（1）30根长1 000 mm、宽3 mm、高3 mm的桐木条，快干胶水。
（2）木条上不能涂任何颜料及其他物料。
（3）桥梁模型的跨度≥380 mm。
（4）桥梁模型的总长度=500 mm。
（5）桥梁模型的承托高度=150 mm。
（6）桥面宽度=80 mm。
（7）桥底中央空间：100 mm（高）×380 mm（宽）。
（8）桥面中央预留一个面积为30 mm×30 mm的垂直空间。
（9）桥梁模型总质量不得超过90 g。
（10）桥梁的测试模式为在桥梁中间直接承压，受力面为100 mm×100 mm的方块，由两名同学配合进行测试。（桥梁承重时间小于或等于5s，不计成绩。）
（11）注意安全，遵守规则。
a．制作和测试过程中戴上防护眼镜。
b．杠铃片要轻拿轻放，小心砸脚及伤到其他人。
c．测试时，先放质量大的杠铃片，再放质量小的杠铃片，然后交替叠放。
d．测试完毕后要整理现场。
（12）竞赛通过比重（比重=承重 / 桥梁总质量）来排名，比重高者为胜。
课后作业
习 题
桥梁模型创意设计赛要求：
以3~5人为一组，利用指定的材料和工具，设计和制作创意桥梁模型，桥梁必须跨越一条宽80 cm的“河流”，能够承受移动载重300 g小车的考验。最后，从设计创意、模型制作和载重能力三个方面进行评价。
板书设计
第二章 科技人文融合创新专题实践
第一节 桥梁
一、早期桥梁的结构
二、桥梁的发展
1.钢铁桥梁
2．钢筋混凝土桥梁
三、桥梁的设计与制作
四、桥梁设计竞赛
通用技术
选择性必修10：科技人文融合创新专题
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：徐 明
本册副主编：李鲋瑞 刘海峰
广东教育出版社
广东科技出版社

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