资源简介

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
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。
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，可动态测得桥梁跨中的形变（如图6(d)所示），激光位移计的支架可使得激光位移计相对于桥梁结构模型在上下、左右、前后三个方向上进行调节，提高了实验装置对不同结构模型的适用性。此外，桥梁跨中形变由激光位移计测得后，则可以释放出桥梁下部的空间，通过增高桥墩的方式，原先难以测试的上承式桥梁结构也可开展实验（如图7）。
图6 现使用的实验装置
图7 现实验装置可适用上承式桥梁结构
实验可视化的创新
在结构模型的承重测试过程中，结构的形变或是破坏往往发生在荷载施加到结构上的瞬间，不利于学生对结构变化的观察。尤其是当桥梁结构在加载时若发生破坏，破坏的瞬间稍纵即逝，也无法重复测试观察。因此，本实验借助摄影设备及慢动作回放、定格动画等信息化技术手段，即时实现结构测试过程的可视化，助力课堂即时的生生交流、师生评价，为实验的分析和反思提供清晰的证据（如图8所示）。
图8 桥梁结构测试破坏瞬间
通过上述信息化技术可让学生观察到桥梁结构在荷载作用下的宏观变化，但对于结构内部产生的应力和应变仍不得而知，学生则难以开展更加深入的分析与思考。然而，借助计算机辅助设计及虚拟仿真技术，如inventor、SAP2000等软件，能够实现结构内部的应力应变可视化，帮助学生聚焦于结构的薄弱点，从而达到具有针对性的结构优化和改进（如图9所示）。
图9 桥梁结构力学分析结果
实验设计思路
实验模型的制作
本实验模型的制作主材为桐木条，其各个方向的力学性能相近，因而与钢材的力学特性相似，可以较好地模拟实际工程中装配式钢桥的搭建方式及其受力特性。同时，学生在初中已掌握简易木工的加工制作，用桐木、502胶水等材料制作桥梁结构模型易于达成目标。
在模型制作中，为学生提供了不同规格且限定数量的桐木条，包括横截面为矩形、工字形和梯形的杆件，连接材料有502胶水和塑料扎带。材料的多样性丰富了实现结构优化目标的技术路径。
对于优化改进的基础模型，考虑到桥梁结构是一个相对复杂的系统，各小组对结构与强度相关知识的理解和应用侧重又有所不同，在前置环节中各小组间的实物作品呈现出了高度的离散化的趋势，结构优劣程度差异较大。若在优化环节组织各小组在自己结构模型的基础上进行实践，那么基础结构的差异，会拉开小组间优化和实施的难度，导致学生的课堂表现难以被比较和评价。幸而，设计与制作过程中，各小组均是针对的同一情境，有着相似的测试标准（尺寸合规、施加特定荷载后是否仍能保持结构的安全性及形变限制等），课堂学生评价环节存在很多共性的特征可以被提取，形成有效的活动效果和学习效果度量。因而，本实验采用固定优化对象的方式，学生针对同一个桥梁结构模型（如图10），分析其测试结果，针对其薄弱点进行优化和改进，在此过程中经历“结构优化和改进”的技术过程，进一步提高创新设计、物化能力和工程思维。
图10 待优化的基础桥梁结构模型
实验装置与测试
如前述，学生的学习项目是基于真实世界的工程问题“桥梁的设计与建造”，经过凝练简化提出的。因此，桥梁结构的加载测试也应尽量符合真实情境。在实际工程中，桥梁的桥跨部分简支于两侧桥墩上是最为广泛应用的形式，即一端为活动支座，另一端为铰支座，这种桥梁属于静定结构，受力方式简单，适合高中生进行探索。因此，本实验的加载装置设计为可以搁置桥跨结构的两个桥墩，桥墩之间由金属条连接，提高了装置的整体稳定性，也可对桥墩之间的跨度进行调节。
桥梁是用以使车辆行人等能顺利通行的构筑物，其承受的主要荷载是桥面上的车辆和行人荷载，为竖向荷载。根据力学原理，当桥面上的荷载作用在桥梁跨中时，会引起最大的桥梁跨中形变。据此，本实验将桥梁承受的荷载简化为在跨中施加竖向的静力荷载，采用2kg的增坨砝码悬吊于桥梁结构模型的跨中。加载装置的上部中间位置固定激光位移计，可实时测得桥梁的跨中形变。
实验教学目标
知识与技能
能够根据实验结果分析影响结构优化的因素，从而制订优化方案并完成制作。
学会结构优化改进的一般方法。
过程与方法
通过对结构优化方案的制订与模型制作，增强物化能力及运用工程思维解决实际技术问题的能力。
通过优化结构的加载测试，考察结构优化目标的达成度，体会技术试验在技术活动中的重要作用。
通过完整体验结构设计的一般过程，理解解决结构设计问题是一个不断迭代优化过程。
情感态度与价值观
感受“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。
关注农村山区的发展困境，激发学生的民族使命感。
实验教学内容
学生明确结构优化目标，基于桥梁结构的力学计算结果及承重测试结果，结合结构优化的一般方法，制订桥梁结构的优化方案，并对优化方案进行交流。
学生通过优化方案的分享交流，集思广益，并进一步修改优化方案，参照优化方案进行模型制作。
学生按小组轮流对各自优化后的结构模型进行展示和承重测试，撰写实验报告。
实验教学过程
复习导入
【活动目的】通过交流分享结构的改进设想，提炼结构优化的一般方法。
【活动内容】学生根据上节课各自小组桥梁结构承重测试情况（如图11），结合影响结构强度的因素，交流对结构的反思改进设想，提炼结构优化的一般方法，如调整结构体系、改变构件的横截面形状、加强节点的连接、替换材料等。
图11 学生交流结构的反思改进设想
结构优化方案的制订
【活动目的】基于模拟试验结果，分析影响结构优化的因素，制订优化方案，增强运用工程思维解决实际技术问题的能力。
【活动内容】明确本课需要优化的桥梁结构模型——一个具有代表性的学生作品，仔细观察该结构的承重测试情况，描述导致结构破坏的主要形变方向（如图12）；明确结构优化目标（能够承受跨中2kg竖向荷载），基于桥梁结构的力学计算结果及承重测试结果，结合结构优化的一般方法，制订桥梁结构的优化方案（如图13），在导学案的桥梁结构三视图上进行标注（如图14为导学案相关内容）；交流桥梁结构的优化方案。
图12 分析待优化结构的不足 图13 优化方案的制订
图14 导学案：优化方案的制订案例
优化方案修改与优化结构制作
【活动目的】依照优化方案进行桥梁结构的制作，提高物化能力与团队协作能力。
【活动内容】根据方案交流过程中发现的不足与问题，进一步完善结构优化方案；依据优化方案，使用限定的材料（木材横截面、长度均有限制）及工具，进行桥梁结构的加工制作（如图15）；小组间进行相互评价，填写课堂评价表中相应的他评内容（如图16为导学案中课堂评价内容）。
图15 优化结构的制作
图16 导学案：活动评价表案例
优化结构的展示与测试
【活动目的】通过优化结构的加载测试，考察结构优化目标的达成度，体会技术试验在技术活动中的重要作用。
【活动内容】结合优化方案图样介绍小组结构优化的重点；对优化后的桥梁结构进行承重测试（如图17），观察实验现象、记录实验数据，撰写实验报告（如图18为导学案中实验报告内容）及课堂评价表中自我评价内容。
图17 优化结构的展示与测试
图18 导学案：实验报告案例
课堂小结与作业布置
【活动目的】通过优化与改进桥梁结构，进一步理解和应用影响结构强度的多个关键因素进行设计和制作，完整体验结构设计的一般过程，理解解决结构设计问题是一个不断迭代优化的过程。
【活动内容】总结结构优化的方法：调整结构体系、改变构件的横截面形状、加强节点的连接、替换材料。教师布置作业：完成课后评价表，根据各组桥梁结构的力学计算结果，结合结构优化的方法，进一步优化结构（如图19为导学案中作业内容）。
图19 导学案：作业
实验效果评价
本节课利用导学案（如图14、16、18、19所示）辅助学生进行实验活动。配合学生活动各个环节设计导学案，导学案给学生提供了待优化结构的测试破坏图、力学分析结果，明确了结构优化的目标、可利用的材料和工具等信息，学生在导学案中绘制优化方案草图、撰写试验报告。评价表也通过导学案呈现给学生，让学生可以对照评价内容进行活动实践。学生在实验活动中的表现通过综合运用组内自评、组间生生互评、教师评价等多元化的评价方式开展。依据《课标》课程内容要求及学业质量要求、《上海市高级中学通用技术学科教学基本要求（试用本）》、教材《技术与设计1》第2章《设计分析评价表》、教材《技术与设计2》第1章《模型评价表示例》，结合活动内容和活动载体的特征，为本节课的实验活动设计了课堂和课后评价工具表。课堂评价以组内自评和组间互评为主，评价内容设置为能快速判断有和无的量表，以求提高课堂效率。课后评价以侧重客观描述的自评和教师评价为主，帮助学生回顾实践过程，总结实践经验，启发思考。
综合学生在实验活动中的表现、完成的结构模型和导学案（包括方案图、试验报告、课内外评价表），本节课的学习活动促进了学生在技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力这五大学科核心素养水平的提升。
工程思维
基于待优化桥梁结构模型的力学计算结果及承重测试结果，学生能够对其薄弱点进行系统分析。在优化方案的制订中，能够综合考虑结构的安全性和经济性，力求高效达到优化的目标。从优化模型的测试结果来看，学生的优化目标达成度高，如在视频课中，6组优化结构模型中5组成功达成优化目标，学生运用工程思维解决问题的能力可见一斑。
创新设计
虽然本实验活动是针对同一个初始的桥梁结构进行优化，且达成的优化目标和受到的实验器材限制相同，但每组学生都呈现出了各自独特的创意和构思（如图20）。无论是从结构的架构形态还是局部的杆件截面、节点连接方式等，学生都展现出了独特的创新设计能力。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
图20 学生的优化结构模型
图样表达
各小组能够按照要求，在导学案提供的基础结构三视图中清晰地标注优化位置、尺寸、使用的材料规格等，明确、详细地表达自己的设计构想（如图14所示）。
物化能力
依照制订的优化设计方案，学生都能够合理地选择工具和材料，在规定的课堂时间内，通过动手实践完成优化模型的制作。
技术意识
承重测试为学生建立了技术试验的意识，让学生切身体会到技术试验在技术活动中的重要作用。通过试验报告的撰写，培养了学生的技术规则意识。
活动中，学生置身于真实世界的工程问题情境中，体验了结构工程师的心路历程。在承重测试的环节，无论测试成败与否，都让学生对结构设计这项“工作”感受到了不小的震撼。许多小组提到经历这一实践活动，感受到了结构工程师的不易，也对结构设计产生了敬畏之心，如图21为学生在课后评价表中记录的体悟。这正是通过潜移默化的方式，让学生树立起社会责任担当。
图21 学生课后评价案例

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