一、項(xiàng)目定位：為何選擇橋梁模型制作？演講人01.02.03.04.05.目錄項(xiàng)目定位：為何選擇橋梁模型制作？理論筑基：橋梁模型的核心知識(shí)框架實(shí)踐流程：從設(shè)計(jì)到測(cè)試的全周期操作拓展與升華：從模型到工程的思維躍遷結(jié)語(yǔ)：橋梁模型的教育本質(zhì)是“連接”2025高中科技實(shí)踐之橋梁模型制作課件作為一名從事中學(xué)科技教育十余年的實(shí)踐課教師，我始終相信：最好的科學(xué)教育，是讓知識(shí)從課本“站”起來，變成可觸摸、可驗(yàn)證、可改進(jìn)的真實(shí)存在。橋梁模型制作正是這樣一個(gè)典型載體——它將力學(xué)原理、工程思維、創(chuàng)新實(shí)踐熔于一爐，既是對(duì)物理知識(shí)的具象化應(yīng)用，更是對(duì)“工程問題解決”能力的系統(tǒng)訓(xùn)練。今天，我將以第一視角，從實(shí)踐指導(dǎo)者的角度，帶大家完整梳理這一科技實(shí)踐項(xiàng)目的核心邏輯與操作路徑。01項(xiàng)目定位：為何選擇橋梁模型制作？1教育價(jià)值的多維融合高中階段的科技實(shí)踐，既要對(duì)接學(xué)科核心素養(yǎng)（如物理的“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度”），又要培養(yǎng)跨學(xué)科應(yīng)用能力（數(shù)學(xué)建模、工程制圖），更要滲透“做中學(xué)”的實(shí)踐智慧。橋梁模型制作恰好能實(shí)現(xiàn)這三重目標(biāo)：學(xué)科關(guān)聯(lián)：直接關(guān)聯(lián)物理必修中的“相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律”“機(jī)械能及其守恒定律”，讓學(xué)生在制作中理解拉、壓、彎、剪等基本應(yīng)力；能力培養(yǎng)：從方案設(shè)計(jì)到材料加工，從荷載測(cè)試到結(jié)構(gòu)優(yōu)化，全流程訓(xùn)練系統(tǒng)思維與工程實(shí)踐能力；價(jià)值引領(lǐng)：通過模擬真實(shí)橋梁的“安全-經(jīng)濟(jì)-美觀”平衡，傳遞工程倫理與社會(huì)責(zé)任意識(shí)。1教育價(jià)值的多維融合去年指導(dǎo)的高二（3）班，有位學(xué)生在總結(jié)中寫道：“當(dāng)我第一次看到自己設(shè)計(jì)的木梁橋模型在20kg荷載下保持穩(wěn)定時(shí)，突然明白課本里的‘力的分解’不是抽象公式，而是能托住生命重量的工程智慧?！边@種認(rèn)知躍遷，正是科技實(shí)踐的魅力所在。2可行性與挑戰(zhàn)性的平衡03工具安全：以手工刀、砂紙、直尺、直角尺為主，避免使用電鉆、電鋸等危險(xiǎn)工具；02材料易得：主要使用木片（桐木、輕木）、竹條、A4紙、白膠等常見材料，成本控制在50元/組以內(nèi)；01考慮到高中生的知識(shí)儲(chǔ)備與操作能力，橋梁模型需滿足“低門檻入門、高上限探索”的特征：04難度分層：基礎(chǔ)要求是完成能承載10倍自重的簡(jiǎn)支梁橋，進(jìn)階可挑戰(zhàn)拱橋、懸索橋的復(fù)合結(jié)構(gòu)，甚至引入“生態(tài)材料”（如秸稈、蘆葦）的創(chuàng)新應(yīng)用。02理論筑基：橋梁模型的核心知識(shí)框架理論筑基：橋梁模型的核心知識(shí)框架要制作一座“既穩(wěn)又輕”的橋梁模型，必須先建立清晰的理論認(rèn)知。這部分內(nèi)容需緊扣“結(jié)構(gòu)-材料-荷載”的三角關(guān)系，用“問題鏈”引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象到本質(zhì)深入思考。1橋梁的基本類型與力學(xué)特性橋梁按結(jié)構(gòu)形式可分為梁橋、拱橋、懸索橋、斜拉橋四大類（圖1），每種類型的受力特點(diǎn)差異顯著：梁橋：以受彎為主，跨中彎矩最大（圖2）。模型中常用矩形截面木梁，但需注意“高跨比”（高度/跨度）不宜小于1/15，否則易發(fā)生剪切破壞；拱橋：通過拱圈將荷載轉(zhuǎn)化為軸向壓力，材料（如竹條）的抗壓強(qiáng)度可被充分利用。需重點(diǎn)關(guān)注拱腳的固定，避免“水平推力”導(dǎo)致基礎(chǔ)滑移；懸索橋：主纜受拉，加勁梁受彎，索塔受壓。模型中可用魚線或細(xì)鐵絲模擬主纜，但需注意“垂跨比”（垂度/跨度）需控制在1/10-1/12，過小會(huì)導(dǎo)致主纜拉力劇增。去年有組學(xué)生嘗試制作“斜拉橋”，因未考慮斜拉索的角度與拉力關(guān)系，測(cè)試時(shí)索塔突然傾倒。這讓他們深刻理解了“力的分解”在工程中的具體應(yīng)用——斜拉索與橋面夾角越小，水平分力越大，對(duì)索塔的側(cè)向穩(wěn)定要求越高。2材料性能的實(shí)測(cè)與選擇“材料決定上限”是工程領(lǐng)域的鐵律。在模型制作中，學(xué)生需通過簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)掌握常用材料的力學(xué)性能：木片：選取厚度1-2mm的桐木片（密度約0.3g/cm3），用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（或自制拉壓裝置）測(cè)試其抗拉強(qiáng)度（約30MPa）、抗壓強(qiáng)度（約15MPa）；竹條：選取寬度5mm、厚度1mm的竹條（密度約0.7g/cm3），其抗拉強(qiáng)度可達(dá)150MPa（是木片的5倍），但脆性較大，需避免急彎；白膠：推薦使用“木工白膠”（如大力膠），其剪切強(qiáng)度可達(dá)3MPa，固化時(shí)間約24小時(shí)，需提醒學(xué)生“涂膠后加壓10分鐘”以確保粘結(jié)效果。我常帶學(xué)生做“單搭接剪切試驗(yàn)”：將兩片木片用白膠粘結(jié)（搭接長(zhǎng)度20mm），用彈簧秤拉斷，記錄最大拉力。這一實(shí)驗(yàn)不僅讓學(xué)生直觀感受膠黏劑的作用，更培養(yǎng)了“用數(shù)據(jù)說話”的科學(xué)態(tài)度。3荷載的模擬與計(jì)算橋梁模型的最終目標(biāo)是“在自重最小的前提下承載最大荷載”。需引導(dǎo)學(xué)生明確兩類荷載：恒載：模型自身重量（需精確稱量，誤差≤0.5g）；活載：模擬車輛、行人的外加荷載（通常用砝碼逐級(jí)加載，步長(zhǎng)500g）。關(guān)鍵指標(biāo)是“荷載自重比”（活載/恒載），優(yōu)秀模型的比值可達(dá)50:1以上。例如，2023年?？萍脊?jié)中，一組學(xué)生用輕木制作的懸索橋模型，自重僅82g，最終承載4.5kg砝碼，比值達(dá)54.9:1，其核心在于通過“主纜-加勁梁”的協(xié)同工作，將荷載均勻傳遞。03實(shí)踐流程：從設(shè)計(jì)到測(cè)試的全周期操作實(shí)踐流程：從設(shè)計(jì)到測(cè)試的全周期操作橋梁模型制作是“設(shè)計(jì)-制作-測(cè)試-優(yōu)化”的循環(huán)過程，需嚴(yán)格遵循工程流程，培養(yǎng)“計(jì)劃先行、步步驗(yàn)證”的習(xí)慣。以下以“簡(jiǎn)支梁橋”為例，詳細(xì)說明各階段操作要點(diǎn)（圖3為流程示意圖）。1設(shè)計(jì)階段：從需求到方案設(shè)計(jì)是模型的“靈魂”，需完成三項(xiàng)核心任務(wù)：需求分析：明確跨度（建議20-30cm）、寬度（8-10cm）、設(shè)計(jì)荷載（≥5kg）、材料限制（木片≤50g，竹條≤20g）；草圖繪制：用A3紙繪制三視圖（正視圖、側(cè)視圖、俯視圖），標(biāo)注關(guān)鍵尺寸（如梁高、梁寬、支座間距），特別注意“節(jié)點(diǎn)構(gòu)造”（如梁與支座的連接方式）；力學(xué)驗(yàn)算：用簡(jiǎn)化公式估算跨中彎矩（M=qL2/8，q為線荷載），校核木梁的抗彎強(qiáng)度（σ=M/W，W為截面抵抗矩）。若計(jì)算結(jié)果超過材料強(qiáng)度，需調(diào)整梁高或增加腹板。我要求學(xué)生在設(shè)計(jì)階段必須完成“頭腦風(fēng)暴”與“方案比選”。例如，有組學(xué)生最初設(shè)計(jì)了“工字形截面梁”，認(rèn)為“空心結(jié)構(gòu)更輕”，但通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)腹板過薄會(huì)導(dǎo)致局部失穩(wěn)，最終改為“矩形截面+兩側(cè)加勁肋”，在重量增加12%的情況下，承載力提升了40%。2制作階段：精準(zhǔn)加工與規(guī)范組裝制作是“將設(shè)計(jì)落地”的關(guān)鍵，需重點(diǎn)把控三個(gè)環(huán)節(jié)：材料切割：用手工刀沿直尺切割木片（需墊亞克力板防損桌面），切割誤差≤0.5mm；竹條可用斜口鉗截?cái)?，斷面需用砂紙打磨平整（避免?yīng)力集中）；節(jié)點(diǎn)處理：梁與支座的連接是薄弱點(diǎn)，推薦“雙木片夾膠”工藝（圖4）：將支座木片（厚2mm）與梁底木片（厚1mm）用白膠粘結(jié)，再在梁頂覆蓋一片木片（厚1mm），形成“三明治”結(jié)構(gòu)，剪切強(qiáng)度可提升3倍；干燥固化：所有粘結(jié)部位需用夾具（如晾衣夾、木工夾）固定，加壓時(shí)間≥30分鐘，完全固化需24小時(shí)（可置于40℃烘箱加速，但需避免高溫變形）。去年有組學(xué)生因急于測(cè)試，未等白膠完全固化就加載，導(dǎo)致梁與支座脫膠破壞。這讓他們明白：工程中的“耐心”是對(duì)安全的基本尊重。3測(cè)試階段：科學(xué)觀測(cè)與數(shù)據(jù)記錄測(cè)試是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的“試金石”，需嚴(yán)格遵循以下步驟：預(yù)加載：先施加0.5kg荷載，觀察模型是否變形（如梁體下?lián)铣^跨度的1/200需警惕）；分級(jí)加載：以0.5kg為步長(zhǎng)逐級(jí)增加荷載，每級(jí)荷載保持1分鐘，用鋼尺測(cè)量跨中撓度；破壞記錄：記錄最終破壞荷載、破壞位置（如跨中斷裂、支座滑移、節(jié)點(diǎn)脫膠）及破壞模式（彎曲破壞、剪切破壞、失穩(wěn)破壞）。我會(huì)為每組學(xué)生提供“測(cè)試記錄表”（表1），要求記錄“荷載-撓度”曲線，并標(biāo)注關(guān)鍵現(xiàn)象（如“加載至3kg時(shí)，梁側(cè)出現(xiàn)微小裂紋”）。這些數(shù)據(jù)不僅是優(yōu)化的依據(jù)，更能培養(yǎng)學(xué)生“尊重事實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)記錄”的科學(xué)精神。4優(yōu)化階段：基于數(shù)據(jù)的針對(duì)性改進(jìn)測(cè)試后需組織“模型診斷會(huì)”，引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化：如果破壞發(fā)生在跨中（彎曲破壞）：增加梁高（如從10mm增至12mm），或在梁底粘貼竹條（利用竹的高抗拉強(qiáng)度）；如果破壞發(fā)生在支座（剪切破壞）：加寬支座接觸面積（如從20mm增至25mm），或在支座與梁之間增加斜撐（將剪切力轉(zhuǎn)化為斜撐的壓力）；如果模型過輕但易失穩(wěn)：在梁體兩側(cè)增加“抗風(fēng)撐”（用細(xì)木片制作X形支撐），提升側(cè)向剛度。2024年校賽中，一組學(xué)生的梁橋在測(cè)試時(shí)發(fā)生“整體側(cè)傾”，通過分析發(fā)現(xiàn)是橋面寬度（8cm）與跨度（30cm）的比值過?。▽捒绫?0.27，建議≥0.3）。他們將橋面加寬至10cm，并在兩側(cè)增加垂直支撐，最終承載力從3.2kg提升至5.1kg。04拓展與升華：從模型到工程的思維躍遷拓展與升華：從模型到工程的思維躍遷橋梁模型制作的終極目標(biāo)，是讓學(xué)生從“做模型”走向“懂工程”，從“解決問題”走向“創(chuàng)造價(jià)值”。以下是三個(gè)延伸方向：1跨學(xué)科融合：與信息技術(shù)的結(jié)合可引入“3D建模軟件”（如Tinkercad）進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，用“有限元分析”（如在線工具SimScale）模擬荷載分布，對(duì)比虛擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，培養(yǎng)“數(shù)字孿生”思維。去年有學(xué)生用Tinkercad設(shè)計(jì)了“曲線梁橋”，通過SimScale發(fā)現(xiàn)“凸面受拉、凹面受壓”的應(yīng)力分布，實(shí)際制作時(shí)在凸面粘貼竹條加強(qiáng)，最終承載力超出預(yù)期20%。2工程倫理教育：安全與美觀的平衡在優(yōu)化階段，可引導(dǎo)學(xué)生思考：“為了提高承載力，是否可以無(wú)限制增加材料？”“如何在有限預(yù)算內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全與美觀的統(tǒng)一？”例如，有組學(xué)生為模型橋設(shè)計(jì)了“仿趙州橋”的敞肩拱，在減輕自重的同時(shí)增加了觀賞性，這正是“工程美學(xué)”的初步實(shí)踐。3社會(huì)問題關(guān)聯(lián)：從模型到真實(shí)需求鼓勵(lì)學(xué)生關(guān)注身邊的橋梁?jiǎn)栴}，如“鄉(xiāng)村小橋的荷載需求”“校園景觀橋的行人荷載”，嘗試用模型制作解決真實(shí)問題。2023年，有學(xué)生團(tuán)隊(duì)針對(duì)學(xué)校池塘上的木橋（常因超載開裂），制作了“竹木結(jié)構(gòu)模型橋”，其荷載自重比達(dá)45:1，為真實(shí)橋梁的加固提供了思路。05結(jié)語(yǔ)：橋梁模型的教育本質(zhì)是“連接”結(jié)語(yǔ)：橋梁模型的教育本質(zhì)是“連接”回顧十余年的指導(dǎo)經(jīng)歷，我深刻體會(huì)到：橋梁模型制作的核心，是“連接”——連接課本知識(shí)與工程實(shí)踐，連接個(gè)