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宁波海曙:2019STEM项目作业案例(十)制作棒冰棒桥 周佳甜 宁波市海曙外国语学校

添加日期:2019-06-20    点击率:957    来源:宁波海曙通讯团队    录入人:meool

一、问题与聚焦:

老师先把学生集合起来,给他们讲了非常经典的大桥坍塌事件--加拿大魁北克大桥二度坍塌和韩国首尔桑苏大桥坍塌事件。

事故一:加拿大魁北克大桥二度坍塌。事故时间:1916年9月11日。坍塌原因:由于设计上的缺陷,导致桥体实际承载量远低于设计承载量,并导致该桥两度坍塌。首次坍塌时间为1907年。死亡人数:95人。

事故二:韩国首尔桑苏大桥坍塌,事故时间:1994年10月21日。坍塌原因:大桥主干的支持钢筋在上午上班高峰时间突然断裂,瞬间塌入汉江。大桥在维护过程中出现的焊接失误及大桥的设计缺陷和施工建筑期间的种种问题导致大桥坍塌。死亡人数:31人。

听了这2个事件后,一名学生激动地说:“桥的质量这么重要,影响到车辆和行人的安危,为什么设计桥和造桥时就不能把好关呢?如果当时设计师们能弥补缺陷,工人们施工时又能没有这些失误,就不会有这些悲剧发生了。”其他学生纷纷表示赞同,觉得这些桥的坍塌太可惜了,而且因此造成的人员伤亡太令人悲痛了。

老师告诉学生:“除了刚才介绍的著名的大桥坍塌事故,现在自然灾害也比较多,尤其是夏天会遇到台风、洪水等情况时桥梁也很容易坍塌。当遇到这些情况桥坍塌了,我们得有应急备用的桥梁,让桥梁快速重建,保证交通梳理通行或救灾能顺利展开。对此,我们需要进行桥模型设计约制作。如果让你们自己来设计并建造一座应急备用桥,你们能避免这些缺陷和失误,造出一座非常坚固的桥模型吗?”学生们经过前面事故引发的感触,面对此次任务时充满了强烈的责任感和坚定的决心,都信心满满地表示:“我们可以!”老师继续提要求:“桥模型的的设计制作是有要求的,要用棒冰棒制作桥模型,桥面长度至少要20厘米,宽至少4厘米,且能让6厘米高的船只从桥下通行,当然还要注意材料的节省情况,这些要求可以做到吗?”学生们表示:“没问题。”

二、调查分析和活动体验

1. 收集资料,了解我国桥的发展历史、我国最坚固的桥。

教学目标:了解我国桥的发展历史、桥梁的艺术性,了解中国最坚固的四座桥。

学生通过网络、书籍,或向长辈、老师请教,收集关于“桥的发展历史、我国最坚固的桥、世界上桥的类型”的相关资料,然后进行分享交流。

学习资料1:我国桥的发展历史和桥梁的艺术性
我国的桥梁,大致经历了四个发展阶段。
第一阶段:以西周、春秋为主,包括此前的历史时代,这是古代桥梁的创始时期。此时的桥梁除原始的独木桥和汀步桥外,主要有梁桥和浮桥两种形式。
第二阶段:以秦、汉为主,包括战国和三国,是古代桥梁的创建发展时期。这时不仅发明了人造建筑材料的砖,而且还创造了以砖石结构体系为主题的拱券结构,从而为后来拱桥的出现创造了先决条件。石梁石拱桥的大发展,不仅减少了维修费用、延长了桥的使用时间,还提高了结构理论和施工技术的科学水平。因此,秦汉建筑石料的使用和拱券技术的出现,实际上是桥梁建筑史上的一次重大革命。故从一些文献和考古资料来看,约莫在东汉时,梁桥、浮桥、索桥和拱桥这四大基本桥型已全部形成。

第三阶段:以唐宋为主,两晋、南北朝和隋、五代为辅的时期,这是古代桥梁发展的鼎盛时期。这时创造出许多举世瞩目的桥梁,如隋代石匠李春首创的敞肩式石拱桥--赵州桥,北宋废卒发明的叠梁式木拱桥--虹桥,北宋创建的用筏形基础、植蛎固墩的泉州万安桥,南宋的石梁桥与开合式浮桥相结合的广东潮州的湘子桥等。这些桥在世界桥梁史上都享有盛誉。
第四阶段为元、明、清三朝,这是桥梁发展的饱和期,几乎没有什么大的创造和技术突破。这时的主要成就是对一些古桥进行了修缮和改造,并留下了许多修建桥梁的施工说明文献,为后人提供了大量文字资料。
此外,也建造完成了一些像明代江西南城的万年桥、贵州的盘江桥等艰巨工程。同时,在川滇地区兴建了不少索桥,索桥建造技术也有所提高。 到清末,即1881年,随着我国第一条铁路的通车,迎来了我国桥梁史上的又一次技术大革命。

扩展资料
我国桥梁的艺术性,主要表现在两方面,即造型风格和装饰工艺。造型风格主要体现在曲线柔和、韵律协调和雄伟壮观上。而江南水乡的一些小梁细桥,则更使人联想到“小桥、流水、人家”的诗情画意。
桥梁装饰,在我国总的来说不算很发达,主要体现在石构桥梁中,其部位大致在人们易于驻足观瞻的地方。如常见的有螭龙、凤、狮、象、犀牛,并间有兔、猴、马、狗、云朵、莲花、芳草等图案。也有少数浮雕的河神像、武士像和人物故事形象。

学习资料2:我国最坚固的四座桥

我国著名的大桥非常的多,以坚固著称的也不少,但是真正经历过数百年历史洗礼仍然屹立不倒是著名的“中国四大古桥”。

广济桥(如图1):位于我国广东省潮州市的广济桥,也就做湘子桥,这是一座十分综合性的桥梁,将拱桥、浮桥、梁桥完美的结合在一起,更是“世界上最早的启闭式桥梁”。这座桥在南宋时期就开始建立,一直到明代竣工,至今已经有几百年的历史。现在这座桥仍然屹立着,改造之后更是成为了著名的步行观光景点。

图1

赵州桥(如图2):赵州桥的大名想必大家都知道,是我国古代最著名的桥梁之一,至今已经有着1400年的是了,早已经是文物级的存在,但仍然还焕发着鲜活的生命力。其整桥体都是有石头打造,也是世界上第二早、也是保存最完整的的石拱桥。光是上千年来的风雨洗礼就已经是很大的考验,赵州桥还历经过8次地震, 仍然耸立!

图2

卢沟桥(如图3):在国外有着"马可波罗桥"之称的卢沟桥也是我国四大古桥之一,这里发生过的历史事件更是让无数人铭记着。卢沟桥是北京最古老的一座石造联拱桥,整个桥面有213.15米长,十分的壮观,其制作工艺即使在多年后的今天,也能看得出十分的精细、严谨,其石狮子、白玉碑更是颇受追捧。

图3

洛阳桥(如图4):虽然这座桥叫做洛阳桥,但其实它位于我国的福建省泉州市,到现在也有近千年的历史了,是一座不可多得的古桥。这是一座跨桥接海的大桥,十分的壮观,在建造时更是耗费巨资。现在这里已经成为了一座著名的旅游景点,其月光菩萨塔、中庭碑林、镇风塔 等多个景观都很有名。

图4

2. 动手做一做,建一座简单的桥模型

制作材料:小木棍、橡皮筋(如图5)

制作方法:用小木棍搭建一座简易的桥模型,用橡皮筋捆绑木棍间的连接点。

图5

测试方法:用钩码来测试木棍桥模型的承重能力和牢固度,用能承受的钩码的数量来衡量简易桥模型的牢固度。

学生小组合作制作和测试简易桥模型。

师:大家通过动手实践,制作了简易的桥模型,也用我们的科学书测试了下桥模型的牢固度,大家发现简易桥模型的承重能力强吗?你们在制作和测试过程中有什么体会?

学生交流心得。

生1:我们发现我们的简易桥模型的承重能力很弱,才在桥模型上压了4个钩码,桥就塌了,可能木棍间的连接点绑的不够牢固。

生2:我们发现我们的简易桥模型也不牢固,我们才压了3个钩码书桥就塌了,我们觉得这可能跟我们的桥的形状有关,可能我们的这个桥的形状牢固度是不如其它形状的。

生3:我们组的桥的牢固度也不太好,我们讨论后觉得桥的牢固度可能跟桥墩的粗细和桥墩的多少有关。

生4:我们组测试时发现我们的桥面容易断,可能我们的桥面不够牢固,是不是跟桥面的宽度、厚度有关呢?

学生们继续交流着自己的心得......

2.1桥的结构研究

(1)师呈现不同类型的桥图片。

师:请同学们仔细观察这些不同类型的桥,并请完成表1

 
   


学生完成表1的填写,认识梁桥、拱桥、钢索桥等不同类型的桥。

(2)师:观察这些桥,它们在结构上都有什么相同和不同之处

生:这些桥造型不同,但都有桥面和桥墩,而且它们的桥面和桥墩造型也不一样

师:的确这些不同类型的桥在造型等方面有很多的不同之处,但这些桥都有桥面和桥墩在建筑中,我们也可以把直立的桥墩称为柱子,横放的桥面称为横梁。

(3)师:你们觉得怎样的桥更牢固,抗弯曲能力更强,能承受的重量更多?

生1:横梁宽的桥抗弯曲能力更强。

生2:横梁厚的桥抗弯曲能力更强。

生3:横梁是W形的抗弯曲能力更强。

生4:钢索桥更牢固,能承受的重量更多。

生5:拱桥更牢固。

生6:低矮的桥重心比较低,更牢固。

生7:柱子和横梁连接牢固的桥更牢固。

学生们进行了一系列的猜测......

2.2桥面特点与抗弯曲能力的关系研究

2.2.1桥面宽度因素与抗弯曲能力关系的研究

(1)师:刚才有同学们提到,横梁宽的桥抗弯曲能力更强,怎么来检验这个观点是否正确?

生:将同种材料做的横梁分别做成不同的宽度,然后测试它们分别能承受多少重量。

(2)师:课堂中,我们就用纸这种材料来进行研究。那如何测试纸横梁的抗弯曲能力,测出它能承受多少重量呢?老师先来介绍一下。

师介绍实验方法:今天咱们要用厚纸来做横梁来搭一座桥,首先把纸横梁的两端垫起一定的高度,我们就以四本科学书的高度作为垫起高度,然后把横梁架上去,注意放中间位置,这里有一些垫圈,如何利用它来测试纸横梁抗弯曲能力呢?

生:往纸上放垫圈。

师:垫圈应该放什么位置?怎样放?

生:中间位置,一个一个叠上去轻轻地放。

(3)教师演示实验。

(4)师出示2倍宽和4倍宽的纸横梁。

师:现在我们知道如何测试纸横梁的抗弯曲能力,请根据刚才我们的实验方法来完善研究纸横梁宽度因素对抗弯曲能力影响对比实验。 注意:为了使实验更科学、更公平,我们应该控制哪些条件不改变?怎样控制?

(5)学生设计完善对比实验:将长度、材质、厚度等其它条件都相同,只有宽度不同(分别为1倍宽、2倍宽、4倍宽)的纸横梁,分别架在高度、间距相同的同种桥墩上,用每个质量都相同的垫圈测试它们的抗弯曲能力并进行比较。

(6)师:预测一下,2倍宽和4倍宽的纸横梁分别能放几个垫圈?为什么这么想?

学生预测,并说出自己的预测依据。

(7)学生实验

(8)汇报数据,得出结论。

师:通过刚才大案实验和数据,你发现了什么?

生:宽度增加,横梁抵抗弯曲能力加强了。

2.2.2桥面厚度因素与抗弯曲能力关系的研究

师:刚才也有同学们提到,横梁厚的桥抗弯曲能力更强,怎么来检验这个观点是否正确?有了前面宽度因素的研究,这个应该难不倒大家了吧。请设计一个对比实验,来研究横梁厚度因素与横梁抗弯曲能力之间的关系。

(2)学生交流讨论设计出对比实验:将长度、材质、宽度等其它条件都相同,只有厚度不同(分别为1倍厚、2倍厚、4倍厚)的纸横梁,分别架在高度、间距相同的同种桥墩上,用每个质量都相同的垫圈测试它们的抗弯曲能力并进行比较。

(3)师:预测一下,2倍厚和4倍厚的纸横梁分别能放几个垫圈?为什么这么想?

学生预测,并说出自己的预测依据。

(7)学生实验

(8)汇报数据,得出结论。

师:通过刚才大案实验和数据,你发现了什么?

生:厚度增加,横梁抵抗弯曲能力大大增强。

2.2.3桥面形状与抗弯曲能力关系的研究

(1)师:刚才也有同学提到W形横梁的桥可能抗弯曲能力强,那横梁的形状是否是影响其抗弯曲能力的因素呢,如何来研究?

生1:改变横梁的形状,然后测试它们的抗弯曲能力是否一样。

生2:也可以像研究横梁宽度、厚度因素对抗弯曲能力影响那样用纸做横梁来进行研究实验。

生3:可以把纸折成各种形状,然后用垫圈测试它们的抗弯曲能力。

(2)师出示一张平展的纸横梁。

师:我们用纸来做这个实验。一张平展的纸横梁能承重几个这样的垫圈呢?预测一下。

生预测,师演示。

(3)我们还可以折成哪些形状与这张平展的纸进行比较?

学生讨论交流:工字形、口字形、W形、三角形等。

(4)师:在测试的时候,为了公平,我们应该注意哪些方面?

生交流后得出:一张纸只能折一种形状。放垫圈要轻轻的放。垫圈放的位置要一个一个往上叠。两个桥墩高度、间距要一样……

(5)学生实验测试并完成记录单(表2),师巡视并参与。

表2.形状和抗弯曲能力研究记录表

形状(横截面图)

预测抗弯曲能力

         

实测抗弯曲能力

         

(6)师:观察数据,与没有折的纸进行比较,发现了什么?说明了什么?

学生交流后得出:改变材料的形状,可以改变材料的抗弯曲能力。

(7)师:为什么改变形状也能提高材料的抗弯曲能力呢?

学生交流后得出:改变形状后纸横梁的宽度减小了,但厚度增加了,而且增加厚度比增加宽度更能加强抗弯曲能力。

2.3桥的重心对建筑牢固度的影响研究

(1)师:刚才也有同学们提到,低矮的桥抗弯曲能力更强,你们怎么认为?

生1:我赞同,因为低矮的桥重心比较低,当台风、洪水、地震等灾害来的时候重心低的桥会不容易被吹倒或冲毁。

其他生纷纷觉得有道理。

师:那我们就来研究下重心对建筑牢固度的影响。

(1)出示一些高大的铁塔建筑,简单而生动地介绍一下埃菲尔铁塔。

师:观察这些铁塔的形状结构,它们在形状和结构上有什么相同的地方?是哪些特点使它们不容易倒?

生交流后得出:这些塔都上面小,下面大,重心比较低,所以不容易倒。

(2)师:好像和我们的猜想是一致的,重心低的建筑可能更牢固稳定些。那怎么来验证我们的猜想是否正确呢?如果我给大家提供若干个同样的塑料、水等材料,该怎样做实验检验我们的观点呢?

(3)生讨论设计实验:①将一个塑料瓶瓶口向下放置,一个塑料瓶瓶口向上放置,1个塑料瓶内放入少量水瓶口向上放置(如图6)。然后用电扇对这些瓶子吹风进行抗风能力测试,看瓶子倒的先后顺序。②将一个塑料瓶瓶口向下放置,一个塑料瓶瓶口向上放置,1个塑料瓶内放入少量水瓶口向上放置,将3个瓶子放在同一块塑料板上(如图7)。逐渐倾斜塑料板进行“抗震能力”测试,看瓶子倒的先后顺序。

6 图7

(4)学生进行实验验证后得出结论:瓶口向下的瓶子最容易倒,瓶口向上的瓶子不容易倒,瓶口向上瓶子里再装少量水的瓶子最不容易倒。

(5)师:为什么会出现这样的实验现象?

生:瓶口向上瓶子里再装少量水的瓶子重心最低,所以最不容易倒;瓶口向下的瓶子重心最高,所以最容易倒。

师:从中我们能得出什么结论?

生:建筑的重心的确是影响建筑牢固度的因素,重心低的建筑牢固度高,更稳。

2.4桥的类型与抗弯曲能力的关系探究

(1)师:生活中桥的种类有很多,有的同学认为拱桥比较牢固,也有同学认为钢索桥比较牢固,那到底哪些类型的桥抗弯曲能力更强些,我们今天来研究一下。

(2)师展示3类桥:直梁桥(图8)、拱桥(图9)、钢索桥(图10)。

图8 图9 图10

师:这三类桥,虽然都有横梁和柱子,但桥的造型不同,你们觉得哪些类型的桥比较牢固?

生预测。

(2)学生用对比实验的方法测试四类纸质桥的承重能力。

(3)测试后各组分享测试结果。

(4)师:测试结果和预测相似吗?基于测试结果,哪些类型的桥更牢固?

生:拱桥、钢索桥相对比较牢固,直梁桥牢固度相对差一些。

(5)师:直梁桥比拱桥等牢固性差,为什么人们还会用到直梁桥呢?

生交流:因为直梁桥施工简单,所以常用。

(6)不同类型的桥都有什么优缺点?分别适合用于哪些地方?

学生交流,师补充相关知识:直梁桥,优点施工简单,受力相对明确,施工工艺成熟;缺点是截面尺寸较大、如果跨度大的话比较耗材。拱桥,优点是外形美观,承载力大,适合较高船体从桥下通行;缺点是要求地基条件好,需要有较大水平反力(适合建在山体之间),施工较为复杂。钢索桥,优点是外形美观,气势磅礴,桥的跨度大;缺点是刚度较小,对地基要求较高(需有较大水平力)。

2.5桥的框架结构与抗弯曲能力关系的研究

(1)师:生活中,为了节省材料,很多建筑都会利用到框架结构,包括桥。什么是框架结构呢?即像如图11铁塔这样骨架式的构造叫做框架结构。

图11

(2)师:在这些框架结构的建筑中,你没看到了哪些组成框架的形状?

生:三角形、平行四边形。

师:那种形状在框架结构中出现的更多?

生:三角形。

(3)师:你们觉得哪种形状更牢固稳定?

生预测。

(4)师:怎么验证你们的猜想?

生讨论后设计出实验:可以把木棍用橡皮筋捆绑成三角形框架和平行四边形框架,然后用手去拉或压三角形框架和平行四边形框架,看它们是否容易变形。

(5)生实验:每个同学拉、按三角形与平行四边形框架。

(6)师:有什么发现?

生1:三角形比较稳固,用手压或拉后不会变形。平行四边形框架在用手拉或压时会变形。

师:其它组有不同意见吗?

生:没有。

师:这个现象说明了什么?

生:三角形稳固,平行四边形不稳固。

(7)师:为什么三角形框架会比较稳固呢?

师课件出示下面的示意图(图12):这是墙上安装的两个不同的三脚架,下面都挂着重物,请同学们说说斜杆受的是推的力,还是拉的力。

图12

学生分析。

师用课件演示并讲解三角形稳定性的力学原理:当三角形两边斜杆受压力向内挤,下面的水平杆就起到推力的作用。当三角形顶端受力作用时,两边斜杆受力向两侧扩张,下面的水平杆就起到拉力的作用。三角形正是通过三边互相之间的推和拉的作用,保持它的稳固性。

(8)师:框架结构的建筑除了能节省材料外,还有什么优点?

生讨论分析后得出:框架结构的建筑抗风能力也比较强,很稳固。

2.6连接结构与桥牢固度的影响

(1)师:有同学提到,桥中柱子和横梁的连接处连接牢固的桥会更稳固,那怎样连接棒冰棒会比较牢固呢?

生:可以用热熔胶和AB胶固定。

师分别演示使用热熔胶、AB胶固定棒冰棒。

师:使用热熔胶枪时需要预热一段时候,使用热熔胶固定棒冰棒时要注意安全,刚从热熔胶枪出来的热熔胶温度是比较高,不要用手去触碰,小心烫手。使用AB胶时,A胶和B胶要分别挤出且以1:1的量搅拌在一起,需要3-8分钟可固化定位。

(3)师:那我们用热熔胶和AB胶固定棒冰棒之间的连接点的确可以增加桥的牢固度,但如果每个棒冰棒之间的连接点都用热熔胶或AB胶固定,需要的热熔胶和AB胶的量比较多,会在一定程度上浪费热熔胶和AB胶,成本会比较高。那除了使用热熔胶和AB胶外,还有没有其它方法可以固定棒冰棒呢?

生交流。

师:其实我们制作棒冰棒桥模型,棒冰棒的材质是木头,木材之间自身特殊的连接方式也可以很牢固,榫卯连接就是其中一种比用钉子连接更有优势的连接方式。榫卯结构坚固耐用,可以承受木件之间各个方向的扭动,还不易锈蚀,易于拆装,便于运输和维修。

(2)师介绍木材之间的榫卯结构:榫卯是在两个木构件上所采用的一种凹凸结合的连接方式。凸出部分叫榫(或榫头);凹进部分叫卯(或榫眼、榫槽),榫和卯咬合,起到连接作用。这是中国古代建筑、家具及其它木制器械的主要结构方式。榫卯结构是榫和卯的结合,是木件之间多与少、高与低、长与短之间的巧妙组合。榫卯结构主要是作面与面的接合,也可以是两条边的拼合,还可以是面与边的交接构合。如“槽口榫”、“企口榫”、“燕尾榫”、“穿带榫”、“扎榫”等(如图13)。

图13

(4)学生认识木材的这些连接方式并进行尝试练习。师提醒学生使用榫卯结构时注意安全。

2.7桥的美观优化探究

(1)师:如何让我们的桥不但坚固,而且美观呢?请同学们细心观察生活中这些造型美观的桥,它们的哪些地方值得我们借鉴,让我们的桥更美观?

师出示各种造型美观的桥的图片,学生欣赏。

(2)师:请大家交流一下,欣赏了这些造型美观的桥,你觉得我们可以怎样美化我们的棒冰棒桥模型?

生观察后交流得出:对称是美丽的,我们可以在桥模型上用到“对称”的元素,比如我们自己设计的桥模型可以以桥的中心为界左右对称;可以给棒冰棒上雕刻一些花纹;给棒冰棒用颜料涂上色彩或画上好看的团;在桥上贴上好看的图片等。

2.8总结

师:经过大家的研究,怎样的桥既能抗弯曲能力会强一些,牢固度会更好一些,又能节省材料呢?我们一起来回顾总结一下。

学生回顾总结得出:桥面宽、厚,重心较低的桥比较稳固;拱桥和钢索桥这样类型的桥抗弯曲能力比直梁桥好;棒冰棒之间的连接牢固的桥抗弯曲能力更强,更牢固。利用框架结构和木材的榫卯结构不仅可以使桥牢固,还能节省材料。

三、设计与制作:

1.设计

大桥坍塌经典案例引发的学生认知需求和情感触动,为他们创建了一个有吸引力的学习环境。我国四大坚固的桥梁和影响桥梁抗弯曲能力因素等的研究为学生设计桥模型提供了灵感。学生利益头脑风暴的方法想出了多种桥模型的构建设想,组内每位成员依次提出了自己的设计想法及理由,组员认真倾听并记录下每个想法。最后经过大家的思维碰撞,组内选出大家认为最合适的一些设计并将这些好的设计进行一定的结合,对小组的桥模型设计提出一个初步的构想。

在完成“棒冰棒桥模型”的设计任务前,老师需先要让学生了解如何编写设计方案,因此老师先向学生介绍设计方案的内容:(1)设计图:设计图可以有多份,包括你最初的设计和在整个过程中对此设计进行的修改。(2)成本预算:按照评价表仔细核算成本,如果预算较低,请解释为什么它是一个性价比高的方案;如果预算较高,描述为什么需要这么多的支出。(3)检验与数据:包括整个过程中所有检验的结果、生成的数据,以及基于检验结果作出的修改。

老师还介绍了设计方案中需要重点关注的问题和评价方法,提醒学生如果觉得在其他方面需要补充的可以提出来,具体评价方法如表3。

表3.项目任务作品评分表

关注的问题

评价项目

评价标准

我们用什么材料制作棒冰棒桥模型?选用材料的时候我们需要考虑成本吗

制作成本

(20分)

用学币购买材料:

1. 成本少于15元,得20分;

2. 每多花1元,减2分;

3. 成本最低的小组加10分。

我们用多长时间

制作时间

(10分)

160分钟内完成制作:

1. 用时少于160分钟得10分;

2. 每超1分钟,减1分;

3. 160分钟未完成,不得分;

4. 用时最少的组加5分。

实物棒冰棒桥模型的最终得分包括哪些

桥承重效果

(40分)

以承受的重量计算:

①小于等于5千克,得5分

②每增加1千克,增加1分

模型规格

(10分)

①桥面长度≧20厘米,宽度≧4厘米,能让6厘米高的船只模型从桥下通行

②每个维度达不到标准,减3分

美观度

(10分)

棒冰棒桥模型造型美观满分10分,根据实际造型酌情打分。

我们如何汇报工程

工程设计方案(内含设计图)

(10分)

设计方案内容完整,条例清晰,得6分;

设计方案内容完整,数据和研究过程详细、准确,得8分;

设计方案中有个性化的设计与表达,并能够有效的帮助解决最终任务,得10分。

加分项目

现场互动

(10分)

次项目满分为10分。小组汇报结束后,评委可根据互动交流环节中学生的表现给予分数。

教师还出示了各种材料的价位表(表4):

表4.材料价位表

材料

价格(元)

棒冰棒(大号/每根)

0.2

棒冰棒(小号/每根)

0.1

棉线(每20厘米)

0.5

热熔胶棒(每根)

5

AB胶(每份)

5

学生需要根据以上研究内容、评价方法、材料价位表整理相关数据,设计棒冰棒桥模型并完成设计方案(如图14)中的“工程预算”和“设计图”。

图14

在学生完成设计方案中的设计草图和工程预算的过程中,能够很好地体现他们所具有的造桥的相关知识以及他们是如何设计桥模型的。一组学生最初的设计方案是这样的,如图15。将设计方案和小伙伴们分享交流后,小伙伴们提出了疑问和建议,小组在交流的基础上改进了设计方案,改进后的设计方案如图16。

图15 图16

2.制作

在画好初步图纸后,老师给了学生几种材料:棒冰棒、橡皮筋、AB胶、热熔胶、棉线,要求他们思考思考这些材料的性质,然后决定用哪些材料最有利于他们制作坚固的桥模型,并把它们记录下来。一学生写道:“热熔胶和AB胶都能较牢固地将棒冰棒连接起来,比橡皮筋更方便和美观,棉线可以作为钢锁桥结构模型的悬索部分增加桥模型的牢固度。”也有学生认为橡皮筋也是不错的棒冰棒连接工具,也可以作为一部分钢锁桥模型的钢锁部分。

学生们利用棒冰棒、AB胶、热熔胶、棉线、剪刀等材料,通过小组合作完成棒冰棒桥模型的制作。如何利用已学的材料的宽度和厚度特点、材料形状、桥的形状等因素与桥抗弯曲能力的关系用棒冰棒来制作一座坚固的桥模型呢?老师将学生聚集在教室,并提问:“怎样用棒冰棒来增加桥面和桥墩的宽度、厚度?如何将棒冰棒造出不同形状的桥,拱形、框架等结构该怎样制作出来?热熔胶和AB胶等应如何使用来连接固定棒冰棒,达到既牢固又美观的效果?”

学生的制作过程中,老师提醒学生们使用棒冰棒连接材料时注意模型的牢固度和美观度,还要注意桥模型的制作要求,桥面至少要保证20厘米长、4厘米宽,桥的高度至少要达到6厘米且给船只通行留出足够的空间。一学生制作时说道:“我们要做就要做出承重能力最强的桥模型,且好看又能保证高6厘米的船只通行。”学生制作完后,老师提供重物—钩码和测量长度的工具—尺子,评估学生制作的桥模型。

四、测试与优化:

桥模型的承重能力该如何测量呢?一学生说道:“我们可以仿照研究宽度、厚度因素对桥抗弯曲能力影响的承重测试方法,在桥面上一个一个放垫圈,看桥面能承受多少个垫圈时桥面会坍塌。”老师问:“大家觉得这个方法可行吗?”马上有学生提出不同的想法:“我们在研究宽度和厚度因素对桥抗弯曲能力的影响时,用的是纸质材料做的桥,现在我们自己做的桥模型是棒冰棒材质的,用垫圈测试桥的承重能力是不是太费时费劲了?我们自己试了下,用钩码来做重物更为合适,效率会更高。”其他学生对这一建议纷纷表示赞同。

实际测量时,每组学生的桥模型都用钩码测试承重能力,有的桥模型只能承受4、5盒钩码的重量(每盒钩码约重500克)(如图17),有的能承受10多盒钩码的重量,甚至还有很多桥模型在其桥面上放置了近20盒的钩码后依然纹丝不动(图18)。面对桥模型非常坚固而又没有更多的钩码可以继续测量其承重能力的情况,老师随即向学生提出了这样一个问题:“怎么办呢?学校里已经没有更多的钩码了,这些桥的承重能力该怎样评判呢?”学生经过讨论后,一生答道:“我们可否做这样一个约定:如果桥模型能承受住学校里所有的钩码,我们就将这座桥模型归为非常牢固的一类,而具体它能承受多少重量就不再去测量,不知道这样行不行?”老师继续将问题抛给同学:“大家觉得呢?有没有不同的想法?”很多学生举起手表达了自己不同的想法,一生激动地说:“我觉得这样不可行,大家可以看到有大部分的桥模型都能承受这么多的钩码,但是它们的牢固度不一定是相同的,就这样将它们归为牢固度强的一类有些不公平,还应该用更多的重物继续测量,这样在这类坚固的桥中继续区分出牢固度的强弱更有意义些。”老师让学生举手表决更支持哪一种评判方法,一轮表决后结果大部分同学都支持后者,希望能用更重的重物来测试桥的承重能力。于是,学校课堂上没法继续完成的桥的承重能力测试被延续到了课后,这些测试需要同学们用电子称称量出桥模型能承受的所有重物的总重并以照片为证。经过这一轮的测试后,之前都能承受学校所有钩码重量的一类桥又有了新的区分,有些桥模型指南承受40千克左右的重量(图19),有的桥模型的牢固度却远超出了老师和学生们的意料,竟能承受50千克以上人的重量(图20),让大家都惊叹不已。这个过程中,通过一些问题的提出与引导,学生的思维发展得到了一定程度的锻炼,他们工程技能的学习和发展也得到了一定程度的提高。

图17 图18 图19 图20

在全班同学测试了桥模型的承重能力后,老师向学生说明:“工程师在工作时常常需要进行几轮的修改,最后才能创造出最好的设计和作品。我们要向工程师学习,像他们一样百折不挠,不断完善我们的作品。那对于已有的桥模型,你们是否想要继续加固,是它在符合任务要求的情况下变得更牢固美观呢?”每组学生无论是他们的桥承重能力强的还是承重能力弱的,都表示要继续改进作品,让作品变的更坚固、更美观。于是,每一组都在修复桥模型的破损部分后还进行了一定的改进,有的组对原来桥模型中没有符合任务要求的部分进行改进,有的组对原桥模型中不是很牢固的部分改变了它的结构,有的组对原来的桥面和桥墩进行了加宽加厚,大家都非常努力地在改善自己组的作品。

接下来,大家进行了第二轮测试,经过改进后的桥模型承重能力果然都提高了不少,原来只能承受两三盒钩码的组这次能承受10多盒钩码了(图21),原来能承受50千克左右重量的桥模型这次居然能承受超过80千克的重量了(图22、图23、图24),这让每组成员都惊叹不已。

图21 图22 图23 图24

四、展示与评价

每组成员在整个项目任务的完成过程中都有很多收获和体会,有很多感悟想表达。于是老师请每一组同学都上台分享交流,展示小组作品的同时请小组代表介绍说明桥的特点、设计理念、设计制作中遇到的困难、如何克服和改进等,每位成员也都分享自己在设计、制作、改进中的点滴感悟。其中有一位学生是怎样分享的:“从这次桥模型的正规制作中,我学到了很多关于桥方面的知识,跟以往的学习不同的是,这次的学习我的目的性很明确,我从一开始就知道我的任务是小组合作造一座桥模型,然后接下来的学习我们都是围绕着这个任务展开的,每个知识点的学习我们小组的伙伴都会联想到我们的桥作品,想着可以将哪些好的结构用到我们的作品中去,这种学习方式让我的学习更有动力了。”很多同学都不自觉的点头表示赞同:“我们也有这种感觉!”还有一位平常非常腼腆的学生在这次分享时非常勇敢且感悟颇深:“以前我都是比较害羞的,小组交流时我很害怕和大家说,一是因为我本身胆子比较小,二是我觉得我没有把知识点学好,不知道怎么把知识点和作品联系起来,不知如何去应用学过的知识,所以也没什么想法可以和大家交流。这次在学习时我的目的性比较强,每个知识点的学习我也都会去联想到我们组的桥模型,虽然学的可能也没那么好,但我有自己的思考可以跟伙伴们交流了,不会像以前一样一轮到我说时就无话可说。而且伙伴们都很耐心地鼓励我,于是我试着跟大家说说我自己的一些小想法,伙伴们会耐心地跟我说这些想法里他们赞同的地方和觉得不太合适的地方。渐渐的,我发现原来跟大家一起分享交流其实也没那么难,只要我勇敢地说出来,我也可以很好地参与到小组的交流中来的。”当这位腼腆的孩子说完这些,台下响起了非常热烈的掌声,同学们对他勇敢的改变感到开心和祝贺。

整个学生交流展示过程中,老师提供了一份项目任务作品评分表(如表5),学生根据项目任务作品评分表互相评价,取长补短;评委也根据该评分表从科学性、美观性等多种角度出发进行评价,科学老师、美术老师、数学老师共同打分。

表5.项目任务作品评分表

评价项目

评价标准

得分

建模成本(20分

棒冰棒数量200根以内,得20分;

棒冰棒数量在200根以上,每多100根减3分;

用量最少的小组加10分。

模型规格(20分)

①桥模型桥面长度≧20厘米,高度≧6厘米,宽度≧4厘米

②每个维度达不到标准,减5分

模型承重(30分)

以承受重量(千克)计算:

①<5千克,得5

②5千克—9.9千克,得10分

③10千克—14.5千克,得15分

④15千克—19.9千克,得20分

⑤20千克—29.9千克,得25分

⑥≧30千克,的30分

⑦模型承重能力最多的小组加20分

模型美观度

(10分)

①棒冰棒排列整齐、粘贴材料(如AB胶、热熔胶等)粘贴量少整齐、整体造型美观

②每个维度达不到标准,减2分

汇报情况(10分)

①汇报完整,条理清晰,得6分

②汇报完整,数据与研究过程详细、准确,得8分

③汇报中有个性化设计且能清晰流畅表达,能科学详尽介绍设计理念、设计制作中遇到的困难及最终的有效解决方案、感悟,得10分

现场互动(10分)

此项目满分10分。小组汇报结束后,评委可视互动交流环节中的表现给予分数。

最后,老师综合学生的互评和评委的打分,给每一组的桥模型作出最终的评价,评出一等奖、二等奖、三等奖的作品(学生部分作品如图25)

图25

整个项目任务结束后,学生们根据自评表(如表6)对自己在整个项目任务中的表现进行自评打分,反思整个项目任务中获得的收获和不足。每位学生都很认真地回顾了整个项目任务中的表现,如实地填写了自评表

表6.自评表

评价内容

自我评价

(每项10分)

项目任务

学习过程

评价

认识各种各样的桥

 

了解材料特点、桥的重心、桥的形状结构、框架结构、桥的连接结构对桥承重能力的影响

 

能够积极参与活动、积极交流分享

 

能够画出设计草图

 

能够根据设计图建立模型

 

在活动中提出了有创意的想法

 

项目任务

学习结果

评价

掌握了完成项目任务——棒冰棒桥模型的流程

 

能够根据任务要求制作一个棒冰棒桥模型

 

在项目任务学习过程中,有什么收获,分析一下成功与失败的原因:

五、拓展与应用

老师先跟大家分享了工程师的故事:为了解决现实问题,工程师通常会遵循一个多步骤、反复的工程过程,通过对数学、科学概念及创造性思维的时间应用来完成这个过程。这一过程的第一步是识别和定义问题。第二步是“头脑风暴”出可能的解决方案,并提出一种设计。这种设计可能会包含蓝图、绘画和材料清单等。之后,工程师就要建立模型:可能是一个一定比例的物理3D模型,可能是计算机模型。一旦建立了模型,工程师就要检验模型,确保它的表现符合预期。在检验过程中,工程师需要搜集数据、分析模型的表现。分析过程中,工程师需要与客户交流,如果模型没有像预期一样解决问题,就需要重新设计模型。工程师不会将不成功的模型视为失败,相反,他们将它看成能被用来建立最好方案的一种可能。

师:在同学们的研究过程中,大家也同工程师一般,经历了提出问题、收集资料、体验分析、设计方案、制作改进等一系列过程,终于制作出了自己较为满意的应急棒冰棒桥模型。这个过程中,大家遇到过很多困难和问题,大家并不气馁,而是像真正的工程师一般积极动手动脑去解决问题,老师要为每一位同学的这种精神点赞。

师:当然,制作应急的棒冰棒桥模型只是我们解决生活中遇到的困难的一个例子,生活中我们会遇到的问题和困难还有很多,那当我们再次遇到问题时我们该怎么办?

有学生提出:“既然可以用《形状与结构》单元的知识并用棒冰棒制作出坚固的桥模型,我们也可以用所学制作出更多实用有意义的作品,比如棒冰棒椅子,这样我们可以随处带着这椅子,等累了就可以坐一坐,很方便。”有学生补充:“我们也可以制作棒冰棒书架,可以把书放在我们自己制作的书架上;我们也可以做棒冰棒小书桌,等我们要做作业或者下棋,都可以用到自制的棒冰棒小书桌。”也有学生补充:“我也可以用棒冰棒制作小屋,让我的小宠物仓鼠住在我建造的棒冰棒小屋里。”还有学生补充:“我觉得我们还可以制作棒冰棒鞋架,这样我们的鞋子可以收纳在鞋架上,放的整整齐齐了。”

学生的想法都很有创意,他们对继续用所学去制作出更多有趣实用的棒冰棒作品兴趣十足,很多学生还将自己的想法付诸行动,真的制作出了美观实用的作品,比如棒冰棒椅子(如图26)、棒冰棒宠物小屋(如图27)等。

图26 图27

棒冰棒桥模型的制作开启了学生“小工程师”之路,期待他们能继续用所学解决生活中的问题,,制作出更多实用且有意义的作品。

[参考文献]

[1]中华人民共和国教育部.科学(1-6年级)课程标准[M].北京:北京师范大学出版社.

[2]李扬.STEM教育视野下的科学课程构建[D].金华:浙江师范大学,2014.

[3]唐小为,王唯真.整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析[J].教育研究,2014(9):61-68.

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