資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修10：科技人文融合創新專題
第二章 科技人文融合創新專題實踐
第一節 橋梁
教學設計
教學背景
習近平總書記在全國教育大會上強調，要在黨的堅強領導下，全面貫徹黨的教育方針，堅持馬克思主義指導地位，堅持中國特色社會主義教育發展道路，堅持社會主義辦學方向，立足基本國情，遵循教育規律，堅持改革創新，以凝聚人心、完善人格、開發人力、培育人才、造福人民為工作目標，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人，加快推進教育現代化、建設教育強國、辦好人民滿意的教育。
教學目標：
知識與技能目標:
1.理解橋梁建筑與文化、社會、人文、藝術的關系。
2.掌握橋梁建筑材料、結構等主要的技術和工程知識。
3.動手設計制作橋梁模型，測試橋梁模型承重，探究橋梁設計蘊含的科學問題，了解滲透科學、技術、工程、數學等要素的環節。
教學內容分析:
以《普通高中通用技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《標準》）為依據，以全面貫徹落實《標準》所倡導的以提高學生的技術素養和創新能力為目標。本模塊的核心價值在于多學科知識的綜合運用，科技人文融合創新項目的實施以興趣、問題、活動等為中心，充分結合科學、技術、工程、藝術、數學、社會等學科知識，適當利用信息技術，注意在教學中融入愛國主義教育和革命傳統教育，注意與中華優秀傳統文化相結合。
學情分析:
學生對通用技術的了解認識有限，面對未來，他們需要學習有關通用技術的知識。
通過本模塊的學習，同學們能理解科學、技術、工程、藝術、數學、社會等各學科之間的緊密聯系和科技人文融合創新的重要性；初步掌握相關科學原理及其應用、數學知識及其應用、材料及其加工、模型制作及其工藝等基本知識與基本技能，初步形成在具體領域中運用結構與功能、權衡與優化、設計與創新等技術思想與方法的能力，提高設計創新能力；弘揚勞動精神和創新精神；形成系統思維與工程思維，培養團隊意識和合作能力，樹立投身我國科技創新以及中華民族偉大復興事業的人生理想。
教學重難點:
理解橋梁建筑與文化、社會、人文、藝術的關系。
掌握橋梁建筑材料、結構等主要的技術和工程知識。
動手設計制作橋梁模型，測試橋梁模型承重，探究橋梁設計蘊含的科學問題，了解滲透科學、技術、工程、數學等要素的環節。
教學策略:
以案例或項目引入，介紹從事科技人文融合創新項目活動的基礎條件，工具、材料、圖樣、工藝、技術參數等技術要素，以及性能需求、生命周期、標桿分析和反求工程等的分析方法在科技人文融合創新項目活動中的獨特作用。以技術與工程問題為牽引，以項目實踐為指引，通過設計多種專題實踐項目，讓同學們經歷科技人文融合創新項目活動的全過程。通過這些實踐活動，同學們可了解技術與工程項目所蘊含的科學、技術、工程、藝術、數學、社會等因素，并能通過比較、權衡等方法剖析這些因素間的制約關系和通約特性。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修10：科技人文融合創新專題　第二章 科技人文融合創新專題實踐　第一節 橋梁。
科技人文融合創新項目以活動為牽引，提出并明確需解決的技術與工程問題，提取和分析其中蘊含的科學與數學原理；設計和選用適當工具來收集、記錄、分析信息與數據；應用科學、技術、工程和數學知識與方法，系統考慮藝術、社會因素，提出解決問題的綜合方案；制作并使用工程模型進行測試、生成數據，解釋和預測現象；依據科學證據、技術試驗結論，完善解決方案；以科學觀點、經驗證據、邏輯論證的相關因素，比較和評估同一問題的不同技術解決方案。
橋梁、交通工具、航空器、醫療器械、礦山工程是當今社會生活的重要領域，這些領域里的技術與工程活動，需要跨學科的視野，需要系統的方法論和工程思維，需要綜合運用科學、技術、工程、藝術、數學和社會等學科的知識、方法和基本技能。通過典型科技人文融合創新項目的案例分析和團隊合作實踐，促進團隊成員對結構設計、電子控制、編程等技術的掌握及工程實施能力的提高，提升參與社會創新活動的能力。
建于公元605—617年的趙州橋（又名安濟橋）（參見教材P29），是中國石拱橋的杰出代表。
趙州橋由著名匠師李春設計和建造，全長64.4 m，在當時可算是世界上最長的石拱橋。
大拱上面的道路平緩，便于車馬上下。大拱的兩肩上，各有兩個小拱。既節約了石料，又減輕了橋身的重量，還便于排洪。同時，全橋結構勻稱，拱上加拱，橋身更美觀，橋兩邊的石欄石板雕刻花紋古樸美觀，唐朝的張 說，遠望安濟橋猶如“初月出云，長虹引澗”。
趙州橋是凝聚了我國古代勞動人民智慧的標志性建筑，譜寫了中國橋梁建造的輝煌篇章，在世界橋梁史上具有極高的地位，是中華優秀傳統文化的代表。
橋梁的由來可以追溯到人類誕生時期，橋梁與人類是共同發展的，橋梁的歷史就是人類存在的歷史。在遠古，原始人在追逐獵物經過小河流時，就會用樹干搭在兩岸過河，這就是橋梁的由來，所以說橋梁的歷史就是人類的發展史、進步史。
思考
（1）什么叫橋梁？橋梁在我國交通發展上起到了哪些作用？
（2）橋梁的社會用途有哪些？
一、早期橋梁的結構
古代的橋梁一般是用木、石材料建造的，即木橋（圖2-2）（參見教材P30）和石橋。
木橋構造簡單，易于施工，造型美觀，自然環保的木橋一直不斷改進，沿用至今。
程陽風雨橋（圖2-3）（參見教材P30）又叫永濟橋、盤龍橋，位于廣西壯族自治區柳州市三江縣城古宜鎮，是目前保存最好、規模最大的風雨橋，是侗鄉人民智慧的結晶，也是中國木建筑中的藝術珍品。
程陽風雨橋橫跨林溪河，為木石結構大橋及石墩木結構樓閣式建筑，主要由木料和石料建成，建于1912年，橋長64.4 m，寬3.4 m，高10.6 m。
程陽風雨橋是建筑的集大成者，集橋、廊、亭三者于一身，在中外建筑史上獨具風格。整座橋梁不用一釘一鉚，大小條木，鑿木相吻，以榫銜接。全部結構，斜穿直套，縱橫交錯，卻一絲不差。墩臺上建有5座塔式橋亭和19間橋廊，亭廊相連，渾然一體，十分雄偉壯觀。橋的兩旁鑲著欄桿，好似一條長廊。橋中有5個多角塔形亭子，飛檐高翹，猶如羽翼舒展；橋的壁柱、瓦檐、雕花刻畫，富麗堂皇。整座橋俊美壯觀，氣象渾厚，仿佛一道燦爛的彩虹。
二、橋梁的發展
1．鋼鐵橋梁
隨著工業革命的發展，開始由鑄鐵造橋，過渡到鋼材造橋。19世紀70年代又開始用鋼筋混凝土造橋。
金門大橋（圖2-4）（參見教材P31），位于美國舊金山金門海峽之上，是世界著名橋梁之一，也是近代橋梁工程的一項奇跡。
金門大橋于1933年1月始建，1937年5月首次建成通車，歷時4年。橋身全長約1 900 m，橋塔高227 m，每根鋼索重6 412 t，由27 000根鋼絲絞成。共使用10萬多噸鋼材，耗資達3 550萬美元建成。大橋的建成極大便利了人們的工作和生活，有力推動了當地經濟的發展。
2．鋼筋混凝土橋梁
現代橋梁按建橋材料可分為鋼筋預應力混凝土橋、鋼筋混凝土橋、鋼橋和斜拉橋(圖2-5）（參見教材P31）。
20世紀以來，人們在寬闊的河流、寬深的峽谷上建橋；在大城市建造立交橋；在海灣、海峽修建特大跨度橋梁；在海島與陸地之間修建長橋。
橋梁修建的需求大增，也促進了建橋技術的發展，引用新材料、新工藝、新橋式，不斷提高技術水平，對橋梁結構進行更精確的數值分析，采用更精確的結構試驗進行驗證，以使橋梁建設的經濟效益不斷提高，橋梁的強度也不斷加強，安全性也越來越高。
橋梁工程始終是在生產發展與各類科學技術進步的綜合影響下，遵循實用、安全、穩固、美觀、經濟的原則，不斷地向前發展。
港珠澳大橋（圖2-6）（參見教材P32）是連接我國香港、珠海、澳門的超大型跨海通道，全長55 km，其中主體工程“海中橋隧”長35.578 km，海底隧道長約6.75 km，是世界最長的跨海大橋，設計的通車時速為100~120 km。
作為中國建設史上里程最長、投資最多、施工難度最大的跨海橋梁項目，港珠澳大橋受到海內外廣泛關注。港珠澳大橋沉管隧道是全球最長的公路沉管隧道和全球唯一的深埋沉管隧道，生產和安裝技術有一系列的創新，為世界海底隧道工程技術提供了獨特的樣本和寶貴的經驗。
大橋的建設經過嚴格的環境保護評估，既要保護海洋生物多樣性，又要保證船舶航路在任何水文條件下正常航行，還要保證鄰近香港機場的飛機起降飛行安全。
港珠澳大橋是國家高速公路網中G4-京港澳高速以及G94-珠三角環線高速的部分路段，連接了世界最具活力的經濟區，快速通道的建成對香港、澳門、珠海三地經濟社會一體化意義重大而深遠，支持了香港、澳門更好地融入國家發展大局，有力推進了粵港澳大灣區建設。
討論
通過了解橋梁的發展歷史和古今橋梁建設的變化，你能否歸納在橋梁的建設中，如何體現了科技人文融合創新？
三、橋梁的設計與制作
設計穩固、結實、實用、美觀、環保的橋梁，不僅取決于結構的設計，材料的選擇，橋基的穩固，還要受環境的影響，地質條件、水文變化都是制約的因素，更要考慮社會用途、車輛流量、承載重量、工程預算等因素，因而，建設一座橋梁必須要進行多方面、多學科的綜合科學考察評估。
常見橋梁有框架結構，也有殼體、實體的結構。而大型橋梁一般采用框架結構，不僅節省了材料，還大量減少了自身的重量，如港珠澳大橋；中小型橋梁一般采用殼體結構，可將橋頂的承載力分散傳遞到橋墩的各個部位，如趙州橋；小型橋梁多是采用實體結構，結構簡單。
框架結構外形各異，有條形，有拱形，也有其他形狀，其受力大小和特點是不同的。
情景導學
為了迎接學?？萍脊澋臉蛄航Y構模型設計賽，小洪和同學們組成研究學習小組，進一步研究結構受力與設計制作的關系，分別用同等量的桐木條（便于比較）做方案一和方案二的試驗，深入了解影響結構受力的因素及制作的技術。同時，還要進行橋梁造型設計制作的研究，探究橋梁設計與社會、人文、藝術的結合，參加橋梁模型創意設計賽。
探索實踐
試驗一
設計制作一個平直的橋梁模型（圖2-7）（參見教材P33），結構不限，所用材料為長1 000 mm、寬3 mm、高3 mm的桐木條25根，快干膠水。橋梁用指定的材料和尺寸，設計制作橋梁模型，測試承重，比較分析科技人文融合創新的要素是如何體現的。
要求：
（1）橋梁模型的跨度≥380 mm。
（2）橋梁模型的總長度=500 mm。
（3）橋面寬度為80 mm。
（4）進行承重測試，直到橋梁模型被壓倒垮塌，并記錄承重的質量。
（橋梁模型承重時間小于或等于5 s，不計成績。）
（5）測試模式為橋梁模型中間直接承壓，受力面長100 mm、寬80 mm。
（6）測試橋墩之間相距 380 mm。
試驗二
設計制作一個拱形的橋梁模型（圖2-8）（參見教材P34）。所用材料為長1 000 mm、寬3 mm、高3 mm的桐木條25根，快干膠水。測試承重，比較分析橋梁模型結構如何體現科技人文融合創新的要素。
要求：
（1）橋梁模型的跨度≥380 mm。
（2）橋梁模型的總長度=500 mm。
（3）橋面寬度=80 mm。
（4）進行承重測試，直到橋梁模型被壓倒垮塌，并記錄承重的質量。
（橋梁模型承重時間小于或等于5 s，不計成績。）
（5）測試模式為橋梁模型中間直接承壓，受力面長100 mm、寬80 mm。
（6）測試橋墩之間相距380 mm。
思考
設計制作兩種不同結構的橋梁模型，經測試后，根據試驗現象，請你分析：
（1）橋梁模型受力大小與什么有關？
（2）影響橋梁模型結構穩固的因素有哪些？
探究
小洪和伙伴們經過兩種方案的試驗比較分析（表2-1），決定綜合考慮，從系統的工程思維出發，尋找一個結合兩者優點的結構方案，來迎接學校的科技節橋梁結構競賽。
表2-1 兩種方案的試驗比較
結 構 結 構 特 點 承重斷裂處
條形 結構密集 在橋的兩邊部分
拱形 結構松散 在橋的中間部分
討論
想想看，這個結合兩者優點的結構是怎樣的呢？
四、橋梁設計競賽
競賽項目：
使用指定的材料和工具，設計制作一個橋梁模型，具體規格和示例如圖2-9（參見教材P35）所示。
（1）30根長1 000 mm、寬3 mm、高3 mm的桐木條，快干膠水。
（2）木條上不能涂任何顏料及其他物料。
（3）橋梁模型的跨度≥380 mm。
（4）橋梁模型的總長度=500 mm。
（5）橋梁模型的承托高度=150 mm。
（6）橋面寬度=80 mm。
（7）橋底中央空間：100 mm（高）×380 mm（寬）。
（8）橋面中央預留一個面積為30 mm×30 mm的垂直空間。
（9）橋梁模型總質量不得超過90 g。
（10）橋梁的測試模式為在橋梁中間直接承壓，受力面為100 mm×100 mm的方塊，由兩名同學配合進行測試。（橋梁承重時間小于或等于5s，不計成績。）
（11）注意安全，遵守規則。
a．制作和測試過程中戴上防護眼鏡。
b．杠鈴片要輕拿輕放，小心砸腳及傷到其他人。
c．測試時，先放質量大的杠鈴片，再放質量小的杠鈴片，然后交替疊放。
d．測試完畢后要整理現場。
（12）競賽通過比重（比重=承重 / 橋梁總質量）來排名，比重高者為勝。
課后作業
習 題
橋梁模型創意設計賽要求：
以3~5人為一組，利用指定的材料和工具，設計和制作創意橋梁模型，橋梁必須跨越一條寬80 cm的“河流”，能夠承受移動載重300 g小車的考驗。最后，從設計創意、模型制作和載重能力三個方面進行評價。
板書設計
第二章 科技人文融合創新專題實踐
第一節 橋梁
一、早期橋梁的結構
二、橋梁的發展
1.鋼鐵橋梁
2．鋼筋混凝土橋梁
三、橋梁的設計與制作
四、橋梁設計競賽
通用技術
選擇性必修10：科技人文融合創新專題
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：徐 明
本冊副主編：李鮒瑞 劉海峰
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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