資源簡介

橋梁結構的優化與改進
教材分析
本節課為人民教育出版社《通用技術（必修）——技術與設計2》第1單元“結構及其設計”第3節“結構的設計”中的內容。
本單元第3節“結構的設計”要求學生結合生活中的實際需求進行簡單的結構設計，經歷結構設計的一般過程。對于結構設計的一般過程，“優化與改進”環節既是結構設計的一般過程的最后一環，又是工程問題迭代優化的一個新起點。
實驗器材
（1）實驗制作材料與工具：基礎橋梁結構模型、限定規格與數量的桐木條、502膠水、塑料扎帶、美工刀、剪刀、砂紙、鋼尺、切割墊板（如圖1所示）。
圖1 實驗制作材料與工具
（2）實驗測試工具：加載設備、2kg增坨砝碼、激光位移計。（如圖2所示）
圖2 實驗測試工具
實驗創新要點/改進點
實驗載體的創新
教材第一單元“結構及其設計”的實驗活動的載體見表1，包括蛋殼、硅膠棒、三腳架、人字梯等，從單元整體設計的角度來看，其實驗活動內容較為零散。另外，教材第21-22頁對于“優化和改進”這個環節描述是：“基于檢測和評價的結果，應對設計方案進行改進。改進可以從以下幾個方面進行：針對檢測出現的問題提出改進；嘗試一些新的創意，優化和完善結構設計；對外觀設計進行改進。”教材中相應的內容比較單薄，具體教學實施中缺少抓手。
表1 教材“結構及其設計”單元實驗活動載體
教材內容 教材實驗活動
結構的認識 結構的分類 探索蛋殼的受力
結構與力 硅膠棒受力與形變
結構的功能 穩定性 三腳架
強度 不同橫截面桿件的受力形變
功能 多功能人字梯
結構的設計 人字梯模型的設計
從我校學生學情出發，同時考慮立德樹人根本任務的落實，本節課所在的單元大項目設計為“修路造橋助發展——橋梁結構設計：設計并制作一座橋梁結構模型，要求符合跨度、寬度等尺寸要求，能夠承受特定的跨中荷載，且在荷載作用下跨中形變不超過限定值。”，它源于真實世界真實情境，通過對“橋梁”載體的深入學習，讓學生感受“中國橋”的實力與魅力，向學生滲透“中國橋”背后逢山開路、遇水架橋的奮斗精神，提升學生的民族自豪感。單元以“設計與建造橋梁結構”為主線任務，將教材各節的知識點和課標的核心素養要求重構并整合融入項目活動中，通過6課時的結構知識學習和設計過程的體驗，鞏固知識與技能，全面提升學科核心素養。
各分課時在單元大項目的統整下，進行學習任務和實踐任務的分解，形成相互聯系的、經過排序的、難度不斷提升的活動群、任務群，學生的核心素養水平在螺旋式上升的分解任務實踐中得到提高。本節課為單元的最后一課時，學生已具有結構相關的基礎知識儲備，圍繞“橋梁結構設計與制作”任務已經歷了結構設計一般過程的前三個環節。本節實驗課以“針對某一典型橋梁結構模型進行優化改進”為任務驅動，使學生聚焦于一個具有代表性的橋梁結構模型，學生應用之前所學知識與技能，從多種角度對該特定的不良結構進行強度上的優化，體驗優化改進的過程，感受解決工程問題是一個不斷迭代優化的過程，進一步提高物化能力和工程思維。
實驗裝置的創新
本單元對教學內容進行了項目化的單元重構，因而，本實驗為實驗內容量身定制了實驗裝置。本實驗最初采用兩堆相同高度的書作為橋墩，橋梁結構模型兩端擱置于書堆上，在橋梁結構模型中間放置兩塊正方形質量塊作為施加荷載（如圖3）。但該實驗裝置的簡易“橋墩”在荷載的作用下易發生形變，且難以測定結構的形變。對于學生制作的橋梁結構只能判斷其破壞或沒破壞，缺少對其形變的考量，從而使得項目任務的難度降低，學生失去挑戰和探究的動力。
圖3 最初的實驗裝置
針對最初版實驗裝置的問題，第二版改進的實驗裝置使用兩個木塊作為橋墩，對橋梁跨中形變的判斷采用移動滑塊來檢測形變量是否超過限定要求（如圖4）。
圖4 第二版實驗裝置
在實驗實施過程中發現，這種橋墩之間穩定性不足，且無法限制橋梁擱置端水平方向的位移。形變測試的方式不夠準確，會因為滑塊移動的路徑產生誤差，且學生只能觀測到通過或者不通過，沒有定量的數據，難以激發學生對問題進一步的分析探究。更重要的是，當學生將橋梁結構設計為上承式橋時，這套實驗裝置無法使用（如圖5所示）。暴露出了該裝置對不同尺寸、形態結構適用性低的弊端，不利于學生發揮創新設計能力。
圖5 第二版實驗裝置不適用于上承式橋梁結構
基于上述問題，對實驗裝置進行了改進。實驗裝置采用金屬鋁材料制造為一體式橋墩（如圖6(a)所示），且兩側橋墩之間增加了可調節間距的連接（如圖6(b)所示），在提升實驗裝置整體剛度和強度的同時，又不失其靈活性。兩側橋墩設置了側板，可限制橋梁結構模型的水平方向位移，通過螺桿可調節側板，以適用于在限定寬度要求內的任意寬度橋梁模型（如圖6(c)所示）。荷載通過增坨砝碼施加于橋梁跨中，裝置頂部設置激光位移計，可動態測得橋梁跨中的形變（如圖6(d)所示），激光位移計的支架可使得激光位移計相對于橋梁結構模型在上下、左右、前后三個方向上進行調節，提高了實驗裝置對不同結構模型的適用性。此外，橋梁跨中形變由激光位移計測得后，則可以釋放出橋梁下部的空間，通過增高橋墩的方式，原先難以測試的上承式橋梁結構也可開展實驗（如圖7）。
圖6 現使用的實驗裝置
圖7 現實驗裝置可適用上承式橋梁結構
實驗可視化的創新
在結構模型的承重測試過程中，結構的形變或是破壞往往發生在荷載施加到結構上的瞬間，不利于學生對結構變化的觀察。尤其是當橋梁結構在加載時若發生破壞，破壞的瞬間稍縱即逝，也無法重復測試觀察。因此，本實驗借助攝影設備及慢動作回放、定格動畫等信息化技術手段，即時實現結構測試過程的可視化，助力課堂即時的生生交流、師生評價，為實驗的分析和反思提供清晰的證據（如圖8所示）。
圖8 橋梁結構測試破壞瞬間
通過上述信息化技術可讓學生觀察到橋梁結構在荷載作用下的宏觀變化，但對于結構內部產生的應力和應變仍不得而知，學生則難以開展更加深入的分析與思考。然而，借助計算機輔助設計及虛擬仿真技術，如inventor、SAP2000等軟件，能夠實現結構內部的應力應變可視化，幫助學生聚焦于結構的薄弱點，從而達到具有針對性的結構優化和改進（如圖9所示）。
圖9 橋梁結構力學分析結果
實驗設計思路
實驗模型的制作
本實驗模型的制作主材為桐木條，其各個方向的力學性能相近，因而與鋼材的力學特性相似，可以較好地模擬實際工程中裝配式鋼橋的搭建方式及其受力特性。同時，學生在初中已掌握簡易木工的加工制作，用桐木、502膠水等材料制作橋梁結構模型易于達成目標。
在模型制作中，為學生提供了不同規格且限定數量的桐木條，包括橫截面為矩形、工字形和梯形的桿件，連接材料有502膠水和塑料扎帶。材料的多樣性豐富了實現結構優化目標的技術路徑。
對于優化改進的基礎模型，考慮到橋梁結構是一個相對復雜的系統，各小組對結構與強度相關知識的理解和應用側重又有所不同，在前置環節中各小組間的實物作品呈現出了高度的離散化的趨勢，結構優劣程度差異較大。若在優化環節組織各小組在自己結構模型的基礎上進行實踐，那么基礎結構的差異，會拉開小組間優化和實施的難度，導致學生的課堂表現難以被比較和評價。幸而，設計與制作過程中，各小組均是針對的同一情境，有著相似的測試標準（尺寸合規、施加特定荷載后是否仍能保持結構的安全性及形變限制等），課堂學生評價環節存在很多共性的特征可以被提取，形成有效的活動效果和學習效果度量。因而，本實驗采用固定優化對象的方式，學生針對同一個橋梁結構模型（如圖10），分析其測試結果，針對其薄弱點進行優化和改進，在此過程中經歷“結構優化和改進”的技術過程，進一步提高創新設計、物化能力和工程思維。
圖10 待優化的基礎橋梁結構模型
實驗裝置與測試
如前述，學生的學習項目是基于真實世界的工程問題“橋梁的設計與建造”，經過凝練簡化提出的。因此，橋梁結構的加載測試也應盡量符合真實情境。在實際工程中，橋梁的橋跨部分簡支于兩側橋墩上是最為廣泛應用的形式，即一端為活動支座，另一端為鉸支座，這種橋梁屬于靜定結構，受力方式簡單，適合高中生進行探索。因此，本實驗的加載裝置設計為可以擱置橋跨結構的兩個橋墩，橋墩之間由金屬條連接，提高了裝置的整體穩定性，也可對橋墩之間的跨度進行調節。
橋梁是用以使車輛行人等能順利通行的構筑物，其承受的主要荷載是橋面上的車輛和行人荷載，為豎向荷載。根據力學原理，當橋面上的荷載作用在橋梁跨中時，會引起最大的橋梁跨中形變。據此，本實驗將橋梁承受的荷載簡化為在跨中施加豎向的靜力荷載，采用2kg的增坨砝碼懸吊于橋梁結構模型的跨中。加載裝置的上部中間位置固定激光位移計，可實時測得橋梁的跨中形變。
實驗教學目標
知識與技能
能夠根據實驗結果分析影響結構優化的因素，從而制訂優化方案并完成制作。
學會結構優化改進的一般方法。
過程與方法
通過對結構優化方案的制訂與模型制作，增強物化能力及運用工程思維解決實際技術問題的能力。
通過優化結構的加載測試，考察結構優化目標的達成度，體會技術試驗在技術活動中的重要作用。
通過完整體驗結構設計的一般過程，理解解決結構設計問題是一個不斷迭代優化過程。
情感態度與價值觀
感受“中國橋”背后逢山開路、遇水架橋的奮斗精神，提升學生的民族自豪感。
關注農村山區的發展困境，激發學生的民族使命感。
實驗教學內容
學生明確結構優化目標，基于橋梁結構的力學計算結果及承重測試結果，結合結構優化的一般方法，制訂橋梁結構的優化方案，并對優化方案進行交流。
學生通過優化方案的分享交流，集思廣益，并進一步修改優化方案，參照優化方案進行模型制作。
學生按小組輪流對各自優化后的結構模型進行展示和承重測試，撰寫實驗報告。
實驗教學過程
復習導入
【活動目的】通過交流分享結構的改進設想，提煉結構優化的一般方法。
【活動內容】學生根據上節課各自小組橋梁結構承重測試情況（如圖11），結合影響結構強度的因素，交流對結構的反思改進設想，提煉結構優化的一般方法，如調整結構體系、改變構件的橫截面形狀、加強節點的連接、替換材料等。
圖11 學生交流結構的反思改進設想
結構優化方案的制訂
【活動目的】基于模擬試驗結果，分析影響結構優化的因素，制訂優化方案，增強運用工程思維解決實際技術問題的能力。
【活動內容】明確本課需要優化的橋梁結構模型——一個具有代表性的學生作品，仔細觀察該結構的承重測試情況，描述導致結構破壞的主要形變方向（如圖12）；明確結構優化目標（能夠承受跨中2kg豎向荷載），基于橋梁結構的力學計算結果及承重測試結果，結合結構優化的一般方法，制訂橋梁結構的優化方案（如圖13），在導學案的橋梁結構三視圖上進行標注（如圖14為導學案相關內容）；交流橋梁結構的優化方案。
圖12 分析待優化結構的不足 圖13 優化方案的制訂
圖14 導學案：優化方案的制訂案例
優化方案修改與優化結構制作
【活動目的】依照優化方案進行橋梁結構的制作，提高物化能力與團隊協作能力。
【活動內容】根據方案交流過程中發現的不足與問題，進一步完善結構優化方案；依據優化方案，使用限定的材料（木材橫截面、長度均有限制）及工具，進行橋梁結構的加工制作（如圖15）；小組間進行相互評價，填寫課堂評價表中相應的他評內容（如圖16為導學案中課堂評價內容）。
圖15 優化結構的制作
圖16 導學案：活動評價表案例
優化結構的展示與測試
【活動目的】通過優化結構的加載測試，考察結構優化目標的達成度，體會技術試驗在技術活動中的重要作用。
【活動內容】結合優化方案圖樣介紹小組結構優化的重點；對優化后的橋梁結構進行承重測試（如圖17），觀察實驗現象、記錄實驗數據，撰寫實驗報告（如圖18為導學案中實驗報告內容）及課堂評價表中自我評價內容。
圖17 優化結構的展示與測試
圖18 導學案：實驗報告案例
課堂小結與作業布置
【活動目的】通過優化與改進橋梁結構，進一步理解和應用影響結構強度的多個關鍵因素進行設計和制作，完整體驗結構設計的一般過程，理解解決結構設計問題是一個不斷迭代優化的過程。
【活動內容】總結結構優化的方法：調整結構體系、改變構件的橫截面形狀、加強節點的連接、替換材料。教師布置作業：完成課后評價表，根據各組橋梁結構的力學計算結果，結合結構優化的方法，進一步優化結構（如圖19為導學案中作業內容）。
圖19 導學案：作業
實驗效果評價
本節課利用導學案（如圖14、16、18、19所示）輔助學生進行實驗活動。配合學生活動各個環節設計導學案，導學案給學生提供了待優化結構的測試破壞圖、力學分析結果，明確了結構優化的目標、可利用的材料和工具等信息，學生在導學案中繪制優化方案草圖、撰寫試驗報告。評價表也通過導學案呈現給學生，讓學生可以對照評價內容進行活動實踐。學生在實驗活動中的表現通過綜合運用組內自評、組間生生互評、教師評價等多元化的評價方式開展。依據《課標》課程內容要求及學業質量要求、《上海市高級中學通用技術學科教學基本要求（試用本）》、教材《技術與設計1》第2章《設計分析評價表》、教材《技術與設計2》第1章《模型評價表示例》，結合活動內容和活動載體的特征，為本節課的實驗活動設計了課堂和課后評價工具表。課堂評價以組內自評和組間互評為主，評價內容設置為能快速判斷有和無的量表，以求提高課堂效率。課后評價以側重客觀描述的自評和教師評價為主，幫助學生回顧實踐過程，總結實踐經驗，啟發思考。
綜合學生在實驗活動中的表現、完成的結構模型和導學案（包括方案圖、試驗報告、課內外評價表），本節課的學習活動促進了學生在技術意識、工程思維、創新設計、圖樣表達、物化能力這五大學科核心素養水平的提升。
工程思維
基于待優化橋梁結構模型的力學計算結果及承重測試結果，學生能夠對其薄弱點進行系統分析。在優化方案的制訂中，能夠綜合考慮結構的安全性和經濟性，力求高效達到優化的目標。從優化模型的測試結果來看，學生的優化目標達成度高，如在視頻課中，6組優化結構模型中5組成功達成優化目標，學生運用工程思維解決問題的能力可見一斑。
創新設計
雖然本實驗活動是針對同一個初始的橋梁結構進行優化，且達成的優化目標和受到的實驗器材限制相同，但每組學生都呈現出了各自獨特的創意和構思（如圖20）。無論是從結構的架構形態還是局部的桿件截面、節點連接方式等，學生都展現出了獨特的創新設計能力。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
圖20 學生的優化結構模型
圖樣表達
各小組能夠按照要求，在導學案提供的基礎結構三視圖中清晰地標注優化位置、尺寸、使用的材料規格等，明確、詳細地表達自己的設計構想（如圖14所示）。
物化能力
依照制訂的優化設計方案，學生都能夠合理地選擇工具和材料，在規定的課堂時間內，通過動手實踐完成優化模型的制作。
技術意識
承重測試為學生建立了技術試驗的意識，讓學生切身體會到技術試驗在技術活動中的重要作用。通過試驗報告的撰寫，培養了學生的技術規則意識。
活動中，學生置身于真實世界的工程問題情境中，體驗了結構工程師的心路歷程。在承重測試的環節，無論測試成敗與否，都讓學生對結構設計這項“工作”感受到了不小的震撼。許多小組提到經歷這一實踐活動，感受到了結構工程師的不易，也對結構設計產生了敬畏之心，如圖21為學生在課后評價表中記錄的體悟。這正是通過潛移默化的方式，讓學生樹立起社會責任擔當。
圖21 學生課后評價案例

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