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视频课题：第五届全国初中实验教学微课视频《梁式桥的承重测试》-上海
教学设计、课堂实录及教案：第五届全国初中实验教学微课视频《梁式桥的承重测试》-上海市敬业初级中学
桥梁STEM课程---梁式桥的承重测试说课稿
上海市敬业初级中学 谷科
一、 使用教材
校本《STEM桥梁设计》教材，适合初中八、九年级的学生使用，16课次，共一册。
二、 实验器材
应变片传感器实验：应变片，静态电阻应变仪，电阻，有机玻璃桥梁模型，重物，导线；
工程软件辅助分析实验：工程软件Autodesk Inventor 2015以及软件梁式桥模型。
三、 实验原理
应变片传感器实验原理：将应变片顺着形变方向贴好，应变片就会被带着一起发生形变，长度和横截面积就会发生变化，根据电阻定律，应变片电阻就会发生变化 ，将贴好的应变片接入应变仪电路中，根据欧姆定律，电阻变化，电路中电流就会发生变化，从而测出形变量。
工程软件辅助分析实验原理：根据结构力学原理和高等数学等相关知识，利用计算机强大的计算能力，对桥梁或建筑进行有限元分析，推演出桥梁内部内力分布等信息。
四、 实验改进要点
1、实现“看不见” 到“看得清”
传统中学桥梁拓展课程中，没有理论基础，没有认识桥梁内部力学世界；而现在这节课实验设计中，通过观察木质桥板在负荷超载情况下断裂部位，以及有机玻璃桥模型桥板轻微形变难以观察，却可以应变片传感器明显看见，通过应变片传感器实验实现了形变量数据采集，为学生真正打开通往桥梁设计的大门。
2、实现“损毁一次测试” 到“安全多次测试”
实践教学中要进行承重测试，学生花费很长时间做好的桥梁模型，仅有一次测试机会，测试完后桥梁模型就失去了价值！而软件中桥梁模型只要制作好，就可以反复利用。如何研究桥跨长度对于桥板最大承重的影响，需要不断控制桥跨长度，再测桥板中最薄弱位置的应力。而改变一次长度，利用应变片传感器就需要制作不同长度的桥梁模型，不但效率低下，而且成本高！利用软件修改模型桥跨长度，仅仅需要修改一个数据即可。
3、实现“熟悉环境下探究” 到“陌生世界探究”
学生通过探究任务：基于工程软件，探究一座梁式桥，在荷载固定时，桥板最不利位置的最大内部力随跨度变化的规律。使得学生完全在陌生环境中探究有趣的规律，激发学生兴趣，锻炼学生探究能力。
4、实现“单一学科实验研究” 到“跨学科项目式实验研究”
整合了工程、物理、数学、信息技术等学科，让学生学会在真实环境中融合新旧知识综合性解决问题。
五、 实验教学目标
（一）知识与能力
1. 知道电阻定律，理解力是物体对物体的相互作用，知道力可以使物体发生形变，理解部分电路欧姆定理。
2. 知道可以用应变传感器测量物体形变量，从而得到桥梁内部受力大小情况。
3. 知道工程学中的基础环节：包括目标用户分析、工程设计基本流程、手绘草图等等，能正确使用工程分析软件分析桥梁模型受到内力情况。
（二）过程与方法
1. 通过观察分析实验，学生学会基于客观事实进行大胆猜想，合理假设。
2. 通过用实验来检验假设，学会实验对比、分析检验假设的方法。
3. 运用工程设计软件，探究梁式桥板跨度改变对桥板中央最大内力的影响，学会控制变量的研究方法及忽略次要因素，抓住主要因素的科学方法。
（三）情感态度价值观
1. 通过实验活动，经历研究性学习，提高数据记录、数据分析、对比等研究能力，养成良好的研究习惯。
2. 通过实验探究养成规范的实验操作习惯，通过真实的实验实践过程，形成实事求是的研究态度。
六、 实验教学内容
本设计包括三个环节如下：
第一环节 解决一个任务---从学生身边桥梁限载场景引入桥梁载重问题，如何测量梁式桥承重大小？在木制桥梁模型上实践基础上思考梁式桥的承重方案并与同伴交流，发现定性分析桥梁载重不能满足设计需求。
第二环节 验证一个猜想---通过应变片传感器实验的原理学习以及演示实验验证前面猜想，让学生体验工程中如何实现整合学科知识，满足工程测量需求的，而测量工具的改进是实现定性分析到定量分析跨越的关键。
第三环节 探究一个规律---在工程软件辅助下探究：同一梁式桥，荷载相同，桥跨的不同，桥板中间最大内力的变化情况。搭建好的桥梁模型只有一次测试机会，如何提高效率和降低成本成为现实需求，而工程应用软件能很好解决这个问题！学生通过探究任务：同一梁式桥，荷载相同，桥跨的不同，桥板中间最大内力的变化情况，不但亲身体验了工程软件的可靠高效以及工程设计流程，也在数据记录分析过程中实现跨学科知识的整合，综合能力得到锻炼。
七、 实验教学过程
（一）教学流程
图1
（二）教学活动说明
表1 情境设问1
活动内容 活动设计意图 活动照片
情景：观看桥梁一侧铭牌。
设问1：交通标志什么含义？ 引入“梁式桥承重测试”课题
表2 设计与探究
活动内容 活动设计意图 活动照片
如何测量一个简易木制梁式桥模型的最大载重 培养学生面对结构不良问题时解决问题的能力
表3 演示1设问2
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演示1：把重物放置木制桥梁模型上。
设问2：最下面的桥板没有受到外力，为什么会发生形变，甚至断裂。 通过木制桥梁载重实验，提出内力的概念。
表4 猜想
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猜想木制桥板下5个均匀分布点形变大小关系。 基于客观事实的猜想。
表5 演示2
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演示2：应变片演示实验 通过应变片原理学习，体验力学量是如何转变为一个电学量，将形变量量化，对桥梁的载重研究从看不清到看得见。
表6 数据处理1
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记录形变量数据，并验证猜想 通过真实实验，来验证前面同学们自己的猜想，体会定性分析到定量分析的跨越。
表7 设问3
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应变片传感器实验必须要有桥梁实体才能测量，进行测试仅有一次机会，不能满足设计师防患于未然的需求，设问3：那怎么克服这个问题呢？ 引入工程软件虚拟实验，避免一次性摧毁实验，可重复可修改，方便使用。
表8 学生验证实验
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对虚拟有机玻璃模型进行内力分析，与应变片传感器实验比对。 与真实实验对比，验证工程软件的可靠性，同时再次熟悉软件操作
表9学生探究实验
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在Inventor软件中，利用控制变量法探究：同一梁式桥，荷载相同，桥跨的不同，桥板中间最大内力的变化情况 1、利用工程软件，探究陌生环境中的某些规律
2、体会工程软件几乎无成本进行“安全多次测试”的优点
解决问题。
表10 数据处理2
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将最大内力与跨度数据关系，绘图在直角坐标系里，拟合出一次函数关系。
学会在综合问题中处理数据的能力
表11 交流
活动内容 活动设计意图 活动照片
归纳总结探究成果，并和其它小组进行交流分享 学生学会表达，学会分享，分析数据并进行科学分析的好习惯
八、 实验教学反思
（一）在一个陌生环境中，学生进行规律探究
相对陌生的环境特别能体现学生的能力，在桥梁测重实验过程让学生进行规律探究，又是基于学生已有的知识基础上，包括物理知识（静力学、电阻定律、欧姆定律等）、数学知识（平面直角坐标系、一次函数等）、桥梁知识（桥梁的分类、桥梁结构等）、信息技术技能（工程应用软件基础操作等），学生很好地完成了探究任务。
（二）实现真实实验向虚拟实验的过渡，体验工程设计的真实流程
从粗略的木质桥最大承重测试到精确应变片传感器实验，学生能得到真实体验。再将应变片实验中的真实有机玻璃模型数据输入工程软件中，建立虚拟模型，通过比较验证了虚拟实验的可靠性验证，让学生体验了工程设计的真实流程。
（三）整合学生物理、数学、工程知识
“梁式桥的承重测试”强调同一学科中不同知识模块的整合，传感器基本都是把其它量转化为电学量，而这节课的应变片实验就是把力学量转化为电学量的实验装置。“梁式桥的承重测试”还强调跨学科知识的整合，通过桥梁承重测试这节课，让学生体验各种学科知识在工程应用中的融合，成为基础教学的有益补充，为学生终生学习打下基础。
作者姓名：谷科
单位：上海市敬业初级中学（尚文路73号）
联系电话：
电子邮箱：guke2005@hotmail.com
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