視頻簡介：
視頻標簽：全國初中實驗,教學微課視頻
所屬欄目：模擬課、微型課及試講
視頻課題：第五屆全國初中實驗教學微課視頻《梁式橋的承重測試》-上海
教學設計、課堂實錄及教案：第五屆全國初中實驗教學微課視頻《梁式橋的承重測試》-上海市敬業初級中學
橋梁STEM課程---梁式橋的承重測試說課稿
上海市敬業初級中學 谷科
一、 使用教材
校本《STEM橋梁設計》教材，適合初中八、九年級的學生使用，16課次，共一冊。
二、 實驗器材
應變片傳感器實驗：應變片，靜態電阻應變儀，電阻，有機玻璃橋梁模型，重物，導線；
工程軟件輔助分析實驗：工程軟件Autodesk Inventor 2015以及軟件梁式橋模型。
三、 實驗原理
應變片傳感器實驗原理：將應變片順著形變方向貼好，應變片就會被帶著一起發生形變，長度和橫截面積就會發生變化，根據電阻定律，應變片電阻就會發生變化 ，將貼好的應變片接入應變儀電路中，根據歐姆定律，電阻變化，電路中電流就會發生變化，從而測出形變量。
工程軟件輔助分析實驗原理：根據結構力學原理和高等數學等相關知識，利用計算機強大的計算能力，對橋梁或建筑進行有限元分析，推演出橋梁內部內力分布等信息。
四、 實驗改進要點
1、實現“看不見” 到“看得清”
傳統中學橋梁拓展課程中，沒有理論基礎，沒有認識橋梁內部力學世界；而現在這節課實驗設計中，通過觀察木質橋板在負荷超載情況下斷裂部位，以及有機玻璃橋模型橋板輕微形變難以觀察，卻可以應變片傳感器明顯看見，通過應變片傳感器實驗實現了形變量數據采集，為學生真正打開通往橋梁設計的大門。
2、實現“損毀一次測試” 到“安全多次測試”
實踐教學中要進行承重測試，學生花費很長時間做好的橋梁模型，僅有一次測試機會，測試完后橋梁模型就失去了價值！而軟件中橋梁模型只要制作好，就可以反復利用。如何研究橋跨長度對于橋板最大承重的影響，需要不斷控制橋跨長度，再測橋板中最薄弱位置的應力。而改變一次長度，利用應變片傳感器就需要制作不同長度的橋梁模型，不但效率低下，而且成本高！利用軟件修改模型橋跨長度，僅僅需要修改一個數據即可。
3、實現“熟悉環境下探究” 到“陌生世界探究”
學生通過探究任務：基于工程軟件，探究一座梁式橋，在荷載固定時，橋板最不利位置的最大內部力隨跨度變化的規律。使得學生完全在陌生環境中探究有趣的規律，激發學生興趣，鍛煉學生探究能力。
4、實現“單一學科實驗研究” 到“跨學科項目式實驗研究”
整合了工程、物理、數學、信息技術等學科，讓學生學會在真實環境中融合新舊知識綜合性解決問題。
五、 實驗教學目標
（一）知識與能力
1. 知道電阻定律，理解力是物體對物體的相互作用，知道力可以使物體發生形變，理解部分電路歐姆定理。
2. 知道可以用應變傳感器測量物體形變量，從而得到橋梁內部受力大小情況。
3. 知道工程學中的基礎環節：包括目標用戶分析、工程設計基本流程、手繪草圖等等，能正確使用工程分析軟件分析橋梁模型受到內力情況。
（二）過程與方法
1. 通過觀察分析實驗，學生學會基于客觀事實進行大膽猜想，合理假設。
2. 通過用實驗來檢驗假設，學會實驗對比、分析檢驗假設的方法。
3. 運用工程設計軟件，探究梁式橋板跨度改變對橋板中央最大內力的影響，學會控制變量的研究方法及忽略次要因素，抓住主要因素的科學方法。
（三）情感態度價值觀
1. 通過實驗活動，經歷研究性學習，提高數據記錄、數據分析、對比等研究能力，養成良好的研究習慣。
2. 通過實驗探究養成規范的實驗操作習慣，通過真實的實驗實踐過程，形成實事求是的研究態度。
六、 實驗教學內容
本設計包括三個環節如下：
第一環節 解決一個任務---從學生身邊橋梁限載場景引入橋梁載重問題，如何測量梁式橋承重大小？在木制橋梁模型上實踐基礎上思考梁式橋的承重方案并與同伴交流，發現定性分析橋梁載重不能滿足設計需求。
第二環節 驗證一個猜想---通過應變片傳感器實驗的原理學習以及演示實驗驗證前面猜想，讓學生體驗工程中如何實現整合學科知識，滿足工程測量需求的，而測量工具的改進是實現定性分析到定量分析跨越的關鍵。
第三環節 探究一個規律---在工程軟件輔助下探究：同一梁式橋，荷載相同，橋跨的不同，橋板中間最大內力的變化情況。搭建好的橋梁模型只有一次測試機會，如何提高效率和降低成本成為現實需求，而工程應用軟件能很好解決這個問題！學生通過探究任務：同一梁式橋，荷載相同，橋跨的不同，橋板中間最大內力的變化情況，不但親身體驗了工程軟件的可靠高效以及工程設計流程，也在數據記錄分析過程中實現跨學科知識的整合，綜合能力得到鍛煉。
七、 實驗教學過程
（一）教學流程
圖1
（二）教學活動說明
表1 情境設問1
活動內容 活動設計意圖 活動照片
情景：觀看橋梁一側銘牌。
設問1：交通標志什么含義？ 引入“梁式橋承重測試”課題
表2 設計與探究
活動內容 活動設計意圖 活動照片
如何測量一個簡易木制梁式橋模型的最大載重 培養學生面對結構不良問題時解決問題的能力
表3 演示1設問2
活動內容 活動設計意圖 活動照片
演示1：把重物放置木制橋梁模型上。
設問2：最下面的橋板沒有受到外力，為什么會發生形變，甚至斷裂。 通過木制橋梁載重實驗，提出內力的概念。
表4 猜想
活動內容 活動設計意圖 活動照片
猜想木制橋板下5個均勻分布點形變大小關系。 基于客觀事實的猜想。
表5 演示2
活動內容 活動設計意圖 活動照片
演示2：應變片演示實驗 通過應變片原理學習，體驗力學量是如何轉變為一個電學量，將形變量量化，對橋梁的載重研究從看不清到看得見。
表6 數據處理1
活動內容 活動設計意圖 活動照片
記錄形變量數據，并驗證猜想 通過真實實驗，來驗證前面同學們自己的猜想，體會定性分析到定量分析的跨越。
表7 設問3
活動內容 活動設計意圖 活動照片
應變片傳感器實驗必須要有橋梁實體才能測量，進行測試僅有一次機會，不能滿足設計師防患于未然的需求，設問3：那怎么克服這個問題呢？ 引入工程軟件虛擬實驗，避免一次性摧毀實驗，可重復可修改，方便使用。
表8 學生驗證實驗
活動內容 活動設計意圖 活動照片
對虛擬有機玻璃模型進行內力分析，與應變片傳感器實驗比對。 與真實實驗對比，驗證工程軟件的可靠性，同時再次熟悉軟件操作
表9學生探究實驗
活動內容 活動設計意圖 活動照片
在Inventor軟件中，利用控制變量法探究：同一梁式橋，荷載相同，橋跨的不同，橋板中間最大內力的變化情況 1、利用工程軟件，探究陌生環境中的某些規律
2、體會工程軟件幾乎無成本進行“安全多次測試”的優點
解決問題。
表10 數據處理2
活動內容 活動設計意圖 活動照片
將最大內力與跨度數據關系，繪圖在直角坐標系里，擬合出一次函數關系。
學會在綜合問題中處理數據的能力
表11 交流
活動內容 活動設計意圖 活動照片
歸納總結探究成果，并和其它小組進行交流分享 學生學會表達，學會分享，分析數據并進行科學分析的好習慣
八、 實驗教學反思
（一）在一個陌生環境中，學生進行規律探究
相對陌生的環境特別能體現學生的能力，在橋梁測重實驗過程讓學生進行規律探究，又是基于學生已有的知識基礎上，包括物理知識（靜力學、電阻定律、歐姆定律等）、數學知識（平面直角坐標系、一次函數等）、橋梁知識（橋梁的分類、橋梁結構等）、信息技術技能（工程應用軟件基礎操作等），學生很好地完成了探究任務。
（二）實現真實實驗向虛擬實驗的過渡，體驗工程設計的真實流程
從粗略的木質橋最大承重測試到精確應變片傳感器實驗，學生能得到真實體驗。再將應變片實驗中的真實有機玻璃模型數據輸入工程軟件中，建立虛擬模型，通過比較驗證了虛擬實驗的可靠性驗證，讓學生體驗了工程設計的真實流程。
（三）整合學生物理、數學、工程知識
“梁式橋的承重測試”強調同一學科中不同知識模塊的整合，傳感器基本都是把其它量轉化為電學量，而這節課的應變片實驗就是把力學量轉化為電學量的實驗裝置。“梁式橋的承重測試”還強調跨學科知識的整合，通過橋梁承重測試這節課，讓學生體驗各種學科知識在工程應用中的融合，成為基礎教學的有益補充，為學生終生學習打下基礎。
作者姓名：谷科
單位：上海市敬業初級中學（尚文路73號）
聯系電話：
電子郵箱：guke2005@hotmail.com
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