一 模型教学实录

教学案例

学 科：通用技术 课 题：桥梁模型的设计（一）

时 间：2015年4月13 日 地 点：想创基地101 执教老师：豆浩 执教班级：高一走班选课

【课程标准】

能确定一个简单对象进行结构设计，并绘制设计图纸，做出模型或原型。

【教学主题阐述】

制作木质桥梁模型在我校有多年的传统，通用技术教研组保留了相当多的往届学生的设计作品和图片视频资料。每年的模型制作课都会进行载重测试，并评选最佳承重、最佳荷质比和最佳设计等奖项。桥梁模型制作要求多年来不断改进，目前的制作要求如下：

1.

制作材料由学校统一提供：单体长度<=15cm、宽高<=0.8cm的方形模型木条，同一品牌的502胶水。不得使用其他任何材料。

2.

桥整体自重不超过100g。

3.

桥面能通过边长为5cm的方形模块；桥底高度大于5cm；桥下能通过长30cm高2cm的矩形木块。

4.

桥梁模型在承重测试时必须不依赖其他设施（措施）独自站立。

5.

桥面中间位置必须有区域能放置底面为5cm×8cm的承重辅助木块，桥体能穿过挂重螺栓。

【教材分析】

“简单结构的设计”是技术与设计二“结构与设计”单元中最重要的一章，其教学目标是：熟悉设计一个简单结构应考虑的主要因素；确定一个简单对象进行结构设计，并绘制设计图纸，做出模型或原型。

【教学目标】

1、学生能应用简单的结构知识设计本组桥梁结构模型，能画出桥梁主干部分

2、能识别不同类型的桥梁并用力学知识分析其受力特点

2、初步形成自己桥梁模型方案的雏形并画出设计草图

【教学过程】

一、引导学生用结构知识进行宏观设计分析，确定“桥梁模型”的结构形式

制作木质桥梁模型的项目和要求提出后，引导学生讨论采取哪种类型的桥梁最有利于承重，并初步分析其承重特点。

拱形桥，直觉拱形桥是最佳的承重结构，但限定的材料制作拱形桥有一定的难度；斜拉桥和悬索桥，悬索桥能以较小的桥身自重达到较大的承重，但对制作材料有特殊要求；公路铁路桥梁常见的桁架结构

“结构的强度与结构的形状、使用的材料、构件之间的连接方式有着密切的关系。”

讨论后达成共识一：不论是什么形状的桥梁，承重垮塌的最终原因有两个：一是某根木条无法支撑最先断裂；二是某个节点最先崩溃。后者可以通过改进连接方式和提高制作工艺来解决，而前者必须依据形状来分析哪一根木条或者哪几根木条承受了较大的力，进而对其进行加固。

达成共识二：无论采取何种形状，桥体必须稳固，桥体左右两面最好垂直且保持形状尺寸一致，且中间必须有横梁相连，以保证承重时不会因横向弯曲而垮塌。

二、桥梁受力分析

引导学生先撇开材料限制、连接方式和制作工艺，冷静地分析哪一类型的桥梁具备更优秀的承重能力。

1、桥梁大体按照形状可以分为：梁桥（实体结构）；拱桥（壳体结构）；桁架桥（框架结构）；斜拉桥和悬索桥（实体结构和框架结构相结合）。鼓励学生用力的分解，结合“常见结构的认识”一节中内力的概念和基本受力形式分析每种桥梁的受力特征。

2、梁桥最薄弱的部分在梁的中心位置，采用微观分析方法，截取中间受力部分作力的分解（如图），该部分受四个力作用，垂直向下的重力（木条重力可忽略）和承量配重的压力和内力。此时的内力为了平衡配重产生的压力，必然是水平方向略带向上角度的（即截面下部分拉力大于上部分压力），然而木条的弹性形变是有限的，内力偏角很小，因此内力会比配重的压力大得多得多。

3、采用同样的方法分析拱形桥：为平衡配重产生的压力，截面的内力必然是有向上偏角的压力。这个偏角和截面的垂直偏角相同，由于桥梁成“拱形”，这个偏角相对较大，因而内力和上面分析的梁桥相比要小得多。

4、斜拉桥和悬索桥力的分析看似简单——斜拉索和悬索承受了较大的拉力（拉力远小于拱桥和梁桥的内力），并将力转移到塔柱。但值得注意的是，斜拉桥和悬索桥比梁桥和拱桥结构复杂，节点较多，塔柱要求有一定的高度，还要承受很大的弯曲力。

5、桁架是一种基于三角形的特殊框架结构，桁架必须满足这样的公式：M + 3 = 2*N ，M是杆的数量，N是结点的数量。通过Bridge Designer软件进行定量分析，向同学展示了对不同桁架的受力情况。

上图单桁结构模型图中，蓝色表示杆承受压力，红色表示杆承受拉力，三图比较可知，三角形底角角度越大，杆内力越小。当三角形底角接近零度时候，单桁架桥类似梁桥，杆内力极大。

从上图的多桁结构看，位于中部斜向分布的腹杆内力基本相同。位于上下两边水平分布的弦杆内力会因为位置而不同，上中部的弦杆承受比其他弦杆较大的压力，下部靠中间的弦杆承受比两边弦杆较大的拉力。

【教学反思】

“简单结构的设计”是技术与设计二“结构与设计”单元中最重要的一章，其教学目标是：熟悉设计一个简单结构应考虑的主要因素；确定一个简单对象进行结构设计，并绘制设计图纸，做出模型或原型。以“木质桥梁模型的设计和制作”作为案例进行教学，并将高中物理力的分解以及软件模型分析引入其中，取得了较好的效果。同学们可以有的放矢的进行结构的设计，避免了照抄。课程后期承重过程的观察与记录让学生可以直观的对比设计时对薄弱点的判断，引导学生进行思考和改进。