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《5.2 桥梁的结构与制作》教学设计
课程名称 5.2 桥梁的结构与制作 课程类型 新授课
教学目标 1.科学观念：知道常见桥梁一般由主梁、桥墩、桥台等组成，理解各部分的功能（主梁直接承受自身重量以及车辆等的重量；桥墩承受主梁向下的力并将力传到基座；桥台指桥的两端起支撑作用的部分）；掌握四种常见桥梁的结构与受力特点——梁式桥（梁或桁架梁作主要承重结构）、拱桥（拱圈或拱肋承重，基座受竖直压力和水平推力）、悬索桥（索塔悬挂缆索锚固两岸、吊杆吊住桥面主梁）、斜拉桥（拉索直接把主梁拉在桥塔上）；理解结构设计的一般过程（明确内容→制订设计方案→制作模型或原型→优化与完善）。 2.科学思维：通过比较四种桥梁的受力特点（梁式桥主梁受弯、拱桥产生指向桥台的挤压力、斜拉桥荷载经缆索传至索塔再传至基座），建立“结构—受力—功能”的分析思维；通过讨论斜拉桥索塔高度问题（高塔使缆索角度变大、力臂变长而省拉力，但成本高、遇大风地震不稳定），培养辩证权衡的工程决策思维。 3.探究实践：能完成悬索桥模拟工程实践：利用木板、绳子、书建造悬索桥（椅子背对背拉两根绳子，同学用手拉住两端，在两根长绳之间系三段绳子放木板，往木板上加书测试承重），理解“绳子的两端必须拉紧”是为了更好地模拟悬索桥缆索承受拉力的状态；能完成桥梁模型的制作与探究：确定标准（长度、宽度、承重等参数）→设计方案并绘制设计图→学习拼接技术和斜拉加强杆（正四边形加入斜拉加强杆后变得异常牢固）→按图纸组装制作→测试评价（测量长度、宽度、高度、自重、承重力等参数）→实验探究桥梁模型承重力的影响因素并撰写实验报告。 4.态度责任：通过港珠澳大桥（至今为止世界上最长的跨海大桥）、赵州桥（建于 595～605 年的单孔敞肩石拱桥，跨度 37.37m）、四渡河大桥（主跨 900m，全球最长深山峡谷悬索桥）、北盘江大桥（主跨 720m，全球最高斜拉桥）等成就的学习，增强民族自豪感；通过桥梁建筑艺术（科学、技术和艺术凝结，体现结构与受力平衡的美）的学习，提升审美情趣；在模型制作中养成团队协作、精益求精的工匠精神。
教学重难点 （一）教学重点： 1.四种常见桥梁（梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥）的结构特点和受力分析。 2.结构设计的一般过程；桥梁模型的设计、制作与测试评价。 （二）教学难点： 分析拱桥、悬索桥、斜拉桥的传力路径；在桥梁模型制作中运用三角形稳定性等结构知识提高承重力，并设计实验探究承重力的影响因素。
教学过程 【环节一】情景导入 展示情境：连通香港、珠海、澳门的港珠澳大桥，是至今为止世界上最长的跨海大桥，极大地缩短了三地之间的距离。提出问题：桥梁有什么特征？为什么桥梁不仅能够支撑起自身的重，而且还能够承载来来往往的车辆？由此导入本课学习。 【环节二】新知探究 一、桥梁的结构 （1）核心知识点： 桥梁的组成：现代的桥梁多采用强度大的钢材来建造。常见的桥梁一般由主梁、桥墩、桥台等组成。主梁直接承受自身重量以及车辆等的重量；桥墩承受主梁向下的力并将力传到基座；桥台指桥的两端起支撑作用的部分。 梁式桥：采用梁或桁架梁作为主要承重结构的桥梁。在结构简单的桥梁中，工程师直接把主梁的两端架在桥台上。桁架——由许多杆件在其端点处相互连接起来成为三角形的结构。桁架桥是指用桁架梁作为主要承重结构的桥梁，它实际上是一种加固了的梁式桥。 拱桥：用拱圈或拱肋作为桥身主要承重结构的桥。举世闻名的赵州桥是我国古代石拱桥的杰出代表，建于 595～605 年，为单孔敞肩石拱桥，跨度 37.37m。赵州桥在桥梁的两端各设置两个小拱（敞肩拱），减轻了桥自身所受的重力，提升了泄洪能力。拱桥造型优美，是我国古代常见的桥梁类型，京杭大运河上始建于明朝的拱宸桥也属于拱桥。 悬索桥：通过索塔悬挂缆索，并将缆索锚固于两岸（或桥两端），从缆索上垂下吊杆，吊住桥面主梁。2016 年建成通车的、主跨达 900m 的四渡河大桥，是目前在深山峡谷里修建的全球最长的悬索桥。 斜拉桥：将主梁用许多根拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁。斜拉桥由承受拉力的桥塔、拉索和主梁组成。例如，2016 年建成通车的、主跨达 720m 的北盘江大桥，跨越云、贵两省交界的大峡谷，为全球最高的斜拉桥。 （2）学生活动：辨认四种桥梁的照片并归类；实践活动——画一画上学途中经过的桥梁的大致形状。 （3）教师指导：用“谁在承重”（梁、拱、缆索、拉索）作为区分四种桥梁的抓手。 二、桥梁的受力 （1）核心知识点： 梁式桥：在荷载的作用下，桥的主梁受到向下的作用力发生形变而向下弯曲，主梁就产生向上的弹力，支撑着梁上的物体。 拱桥：在竖直方向荷载作用下，对整座桥产生了一个指向桥台的挤压的力，把桥的拱部紧紧地挤压在一起。桥的拱部把受到的荷载重力传递至拱形结构的两端，因此基座不仅受到竖直向下的压力，也受到水平方向的力；从而两侧基座会给拱形结构施加相互作用力，即竖直向上的支持力和水平方向的力。 悬索桥：荷载由吊杆传至缆索，缆索传至索塔和锚锭，再传至基座。 斜拉桥：将多根缆索的一端固定在索塔上，另一端拉着桥的主梁。荷载通过缆索传至索塔，再通过索塔传至桥的基座。与悬索桥相比，斜拉桥在荷载作用下的结构形变小，且其抵抗风的能力比悬索桥强。 思考与讨论（斜拉桥的索塔）：索塔建得高的好处——力的分散：缆索角度变大，能更好地分散主梁受力；力臂变长：根据杠杆原理，力臂长，缆索拉力小，省拉力。但并非越高越好——成本高：建设材料、施工难度和费用增加；不稳定：遇大风、地震等，结构易摇晃、损坏。 （2）学生活动：画四种桥梁的受力示意图，比较传力路径的异同；讨论索塔高度的利弊。 （3）教师指导：强调“拱桥基座受水平推力”是拱桥区别于其他桥梁的受力特征；引导学生用利弊分析表权衡工程决策。 三、工程实践与桥梁的设计制作 （1）核心知识点： 工程实践（建一座模拟悬索桥）：①利用一块木板、绳子、书建造一座悬索桥；②把两张椅子背对背地放置，在椅子的靠背上拉两根绳子，两端让同学用手拉住；③接着在两根长绳之间系上三段绳子，然后在上面放上一块木板；④请同学紧紧拉住绳子的两端，然后往木板上加书，看看究竟能够堆多少本书；⑤想一想：为什么绳子的两端必须拉紧？——更好地模拟悬索桥缆索承受拉力的状态。 建筑艺术（科学阅读）：桥梁是人类文明的产物，它作为科学、技术和艺术凝结成的建筑构造，体现出实用价值和审美价值。一座桥梁不仅体现了技术方面的巧妙和精湛，也体现着桥梁与自然、桥梁结构与受力平衡的美。工程师们以确定具有比例的简单几何形状（如圆形、方形、三角形等）作为基准来控制建筑整体，特别是外形轮廓及各局部的设计构图，使其形成一定的有几何形状的结构，从而获得和谐美。 结构设计的一般过程：明确内容→制订设计方案→制作模型或原型→优化与完善。人们设计和制作的结构是为了完成某种任务或满足特定的需要，桥梁的作用就是帮助人们跨越河流峡谷等自然屏障，这就需要对桥梁的跨度、所能承受的荷载有一定要求。 工程实践（桥梁模型的制作与探究）：目标——依据条件设计和制作高承重、有创意的桥梁模型，对桥梁模型进行测试，并开展相关实验探究。过程：①确定标准——依据选用的材料对桥梁的长度、宽度等基本参数设定标准并填表（长度/宽度/承重等维度）；②设计方案——依据配件或自选器材，设计桥梁的整体结构，绘制出设计图；③制作桥梁——先学习技术：基本结构（直杆 A 为各接口间的连接杆，2 根直杆拼接后可作为非等腰直角三角形的斜边，斜杆 B 作为等腰直角三角形的斜边，盖板作为桥梁中间的路面连接）、斜拉加强杆（正四边形是一个很不稳定的形状，在正四边形里加入斜拉加强杆后，结构就会变得异常牢固），再按照设计图纸组装制作桥梁模型；④测试评价——依据标准对桥梁的长度、宽度、高度、自重、承重力等参数进行测量、评价，设计记录表格并将结果记录于表中；⑤实验探究——桥梁模型的承重力与哪些因素有关？设计实验方案并进行实验，撰写实验报告。 （2）学生活动： 分组完成模拟悬索桥工程实践，记录最大承重并分析绳子拉紧的原因。 分组完成桥梁模型的设计与制作，明确分工，先设计后制作，测试评价后开展承重力影响因素的实验探究。 完成“小试牛刀”：赵州桥属于拱结构；拱桥受到水平推力；吸管和胶带常用于模拟框架结构；桥梁设计中需优先考虑安全性。 （3）教师指导：强调设计先于制作（工程的关键是设计）；引导各组在测试后依据数据优化方案（如增加斜拉加强杆、改进连接方式）。 【环节三】课堂小结 引导学生回顾本课核心内容： 桥梁由哪些部分组成？四种桥梁分别靠什么承重？ 四种桥梁的传力路径各有什么特点？ 结构设计的一般过程是什么？制作桥梁模型要注意什么？ 学生梳理知识框架，教师总结强调“受力决定结构、结构服务于功能”。 【环节四】作业设计 1.完成课件“小试牛刀”中的习题（赵州桥的结构类型、受水平推力的桥梁、吸管和胶带模拟的结构、桥梁设计优先考虑的因素）。 2.完善本组桥梁模型的实验报告：写出承重力与某个因素关系的猜想、实验方案、数据与结论，并提出一条改进设计的建议。
板书设计 5.2 桥梁的结构与制作 一、桥梁组成：主梁（承车辆行人）＋桥墩（传力到基座）＋桥台（两端支撑） 二、四种桥梁（按承重构件分） 梁式桥：梁/桁架梁承重，主梁受弯产生向上的弹力 拱桥：拱圈/拱肋承重，力沿拱传向桥台→基座受竖直压力＋水平推力（赵州桥） 悬索桥：缆索＋吊杆承重（四渡河大桥，主跨 900m） 斜拉桥：拉索直接拉主梁，荷载→缆索→索塔→基座（北盘江大桥，主跨 720m） 三、索塔高度：高→省拉力、分散受力；过高→成本高、不稳 四、设计流程：明确内容→制订方案→制作模型→优化完善 制作要点：三角形桁架、正四边形加斜拉加强杆→牢固
教学反思 1. 效果评估： （1）知识掌握：大部分学生能区分四种桥梁的结构类型并说出赵州桥、港珠澳大桥等代表桥梁；但传力路径的分析（尤其拱桥的水平推力、悬索桥的缆索传力）仍需更多图示支撑。 （2）实践操作：模拟悬索桥活动中学生兴趣浓厚，各组承重数据差异成为分析“绳子拉紧程度影响承重”的好素材；桥梁模型制作中，多数小组能按“确定标准→设计→制作→测试”流程开展，部分小组忽视了先设计后制作的流程要求。 （3）思维培养：索塔高度的利弊分析让学生初步体验了工程决策的多目标权衡；模型测试后的数据驱动改进培养了迭代优化意识。 （4）态度责任：港珠澳大桥、北盘江大桥等超级工程成就极大增强了学生的民族自豪感；小组分工协作培养了团队精神。 2. 改进方向： （1）可提前发放模型材料包，把“学习拼接技术”制成微视频供课前预习，课堂留足制作时间。 （2）承重力探究实验需明确控制变量（如只改变加强杆数量），避免盲目堆料。 （3）可增加桥梁安全事故案例（如共振、超载）渗透工程伦理与规范意识。 （4）评价环节可引入组间互评（美观、创意、承重分项打分），促进交流学习。
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