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[科教展台]“桥”见未来 润物释“力”——基于真实情境的“桥梁+力学”项目化学习方案

秦真科/上海市甘泉外国语中学

2024-01/总第334期

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桥梁中蕴含着丰富的力学原理,高中阶段开展以“如何提高桥梁承重能力”为主题的项目式学习,通过问题识别、问题聚焦、分析问题、解决问题,让学生在完整的创意、设计、建造、探究、协作的学习过程中,既能完成力学知识的有效学习与实践应用,又能培养学生的问题意识,激发创造思维,提高解决复杂问题的能力。


桥梁与力学的融合关联设计

桥梁材料设计对应材料力学知识,该部分知识仅限于定性讨论;桥梁结构设计对应结构力学,与高中物理知识关联紧密,此部分可设置部分典型的定量计算,主要集中于不同桥梁结构中的力学分析和计算(图1)。在教学过程中,设计理论模块的关键知识节点和实践模块的关键项目节点,以节点为相互支撑螺旋式融合推进2条主线(知识主线和项目主线),在节点中关注学生表现,并引导学生以问题为引领,以任务为驱动,在问题中寻找解决方法,在任务中提出解决方案。


方案创新点

“桥梁+力学”为主题的项目式学习涉及结构力学中较基本的实际问题,具有一定辐射性、可推广性;利用工程模拟软件出色的空间建模能力和分析能力,进行模拟分析和验证,在拱形桥的力学分析阶段,可结合3D打印技术进行理论分析、计算和实践验证;桥梁搭建小游戏APP+木条造桥实践,帮助学生化身为专业的建桥工程师,在造桥实践中锻炼动手能力,培养团队合作精神。


方案对象

在高一、高二年级,开设理工实践类拓展课程“桥梁中的力学原理”,选拔对理工科及科技创新有兴趣的学生,结合高中力学知识,进行力学理论学习及工程实践。除了以拓展课形式开展科技活动外,还可举办校级科技达人秀活动,学生组队参与“承重桥梁设计”或“世界名桥复制”项目比赛。

实施过程和步骤

真实情境引入

近年来,桥梁坍塌事件时有发生,造成了不同程度的人员伤亡和经济损失。桥梁中蕴含着丰富的力学原理,只有准确掌握这些知识,才能解决桥梁建设中遇到的力学问题。

桥梁主要荷载为桥梁自重和桥上的车辆、行人等。以简支梁桥为例,其结构简单,主梁两端有支承点,以主梁为研究对象,主梁主要受到自身重力、交通荷载压力及桥墩的支持力。

在承重增加情况下,桥梁可能会发生坍塌现象。如何从力学角度解释桥梁断裂现象?这是驱动性关键问题,引导学生从受力角度分析问题,激发学生一探究竟的学习热情。

情境理解与识别——建立物理模型

桥梁在荷载作用下,桥面板主要产生向下的弯曲形变,建立如图2所示模型。当荷载施加的向下作用力增大时,会导致桥面板弯曲形变程度增加,当形变超过桥梁允许的范围时,桥梁可能会出现坍塌现象。

聚焦问题——提出真实待解决问题和任务

根据工程软件Abaqus对桥梁承重的模拟分析结果,应力最大的地方集中在主梁中心(又称“跨中”)的上下表面处,如图3所示。通过海绵在承重下发生弯曲形变的演示实验(图4),分析可知桥梁上表面受到压力,下表面受到拉力。当荷载施加的作用力增加时,桥梁上表面受到的压力和下表面受到的拉力均增大,当拉力或压力超过桥梁材料的最大受力极限时,就会出现断裂坍塌现象。通过软件模拟和海绵形变模拟,桥梁坍塌问题就聚焦在主梁上下表面的受力情况上,作为一名工程师,如何提升桥梁承重能力呢?

从定性、定量角度分析问题

提高桥梁承重能力,可引导学生从材料力学和结构力学2个角度分析问题并设计改造方案。

材料力学分析 结合材料力学知识,从理论角度分析解决实际工程中的问题,比如不同材料的劲度各有不同:混凝土坚硬耐压,但缺乏弹性,容易在拉伸时断裂,钢筋则耐拉伸,因此常把二者结合起来使用。

该项目获得第37届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖


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