秦真科

橋梁中蘊(yùn)含著豐富的力學(xué)原理，高中階段開展以“如何提高橋梁承重能力”為主題的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，通過問題識別、問題聚焦、分析問題、解決問題，讓學(xué)生在完整的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、建造、探究、協(xié)作的學(xué)習(xí)過程中，既能完成力學(xué)知識的有效學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用，又能培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，激發(fā)創(chuàng)造思維，提高解決復(fù)雜問題的能力。

橋梁與力學(xué)的融合關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

橋梁材料設(shè)計(jì)對應(yīng)材料力學(xué)知識，該部分知識僅限于定性討論；橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對應(yīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)，與高中物理知識關(guān)聯(lián)緊密，此部分可設(shè)置部分典型的定量計(jì)算，主要集中于不同橋梁結(jié)構(gòu)中的力學(xué)分析和計(jì)算（圖1）。在教學(xué)過程中，設(shè)計(jì)理論模塊的關(guān)鍵知識節(jié)點(diǎn)和實(shí)踐模塊的關(guān)鍵項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)為相互支撐螺旋式融合推進(jìn)2 條主線（知識主線和項(xiàng)目主線），在節(jié)點(diǎn)中關(guān)注學(xué)生表現(xiàn)，并引導(dǎo)學(xué)生以問題為引領(lǐng)，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，在問題中尋找解決方法，在任務(wù)中提出解決方案。

方案創(chuàng)新點(diǎn)

“橋梁+ 力學(xué)”為主題的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)中較基本的實(shí)際問題，具有一定輻射性、可推廣性；利用工程模擬軟件出色的空間建模能力和分析能力，進(jìn)行模擬分析和驗(yàn)證，在拱形橋的力學(xué)分析階段，可結(jié)合3D 打印技術(shù)進(jìn)行理論分析、計(jì)算和實(shí)踐驗(yàn)證；橋梁搭建小游戲APP+木條造橋?qū)嵺`，幫助學(xué)生化身為專業(yè)的建橋工程師，在造橋?qū)嵺`中鍛煉動(dòng)手能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

方案對象

在高一、高二年級，開設(shè)理工實(shí)踐類拓展課程“橋梁中的力學(xué)原理”，選拔對理工科及科技創(chuàng)新有興趣的學(xué)生，結(jié)合高中力學(xué)知識，進(jìn)行力學(xué)理論學(xué)習(xí)及工程實(shí)踐。除了以拓展課形式開展科技活動(dòng)外，還可舉辦校級科技達(dá)人秀活動(dòng)，學(xué)生組隊(duì)參與“承重橋梁設(shè)計(jì)”或“世界名橋復(fù)制”項(xiàng)目比賽。

實(shí)施過程和步驟

真實(shí)情境引入

近年來，橋梁坍塌事件時(shí)有發(fā)生，造成了不同程度的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。橋梁中蘊(yùn)含著豐富的力學(xué)原理，只有準(zhǔn)確掌握這些知識，才能解決橋梁建設(shè)中遇到的力學(xué)問題。

橋梁主要荷載為橋梁自重和橋上的車輛、行人等。以簡支梁橋?yàn)槔?，其結(jié)構(gòu)簡單，主梁兩端有支承點(diǎn)，以主梁為研究對象，主梁主要受到自身重力、交通荷載壓力及橋墩的支持力。

在承重增加情況下，橋梁可能會(huì)發(fā)生坍塌現(xiàn)象。如何從力學(xué)角度解釋橋梁斷裂現(xiàn)象？這是驅(qū)動(dòng)性關(guān)鍵問題，引導(dǎo)學(xué)生從受力角度分析問題，激發(fā)學(xué)生一探究竟的學(xué)習(xí)熱情。

情境理解與識別——建立物理模型

橋梁在荷載作用下，橋面板主要產(chǎn)生向下的彎曲形變，建立如圖2所示模型。當(dāng)荷載施加的向下作用力增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致橋面板彎曲形變程度增加，當(dāng)形變超過橋梁允許的范圍時(shí)，橋梁可能會(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

聚焦問題——提出真實(shí)待解決問題和任務(wù)

根據(jù)工程軟件Abaqus 對橋梁承重的模擬分析結(jié)果，應(yīng)力最大的地方集中在主梁中心（又稱“跨中”）的上下表面處，如圖3 所示。通過海綿在承重下發(fā)生彎曲形變的演示實(shí)驗(yàn)（圖4），分析可知橋梁上表面受到壓力，下表面受到拉力。當(dāng)荷載施加的作用力增加時(shí)，橋梁上表面受到的壓力和下表面受到的拉力均增大，當(dāng)拉力或壓力超過橋梁材料的最大受力極限時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)斷裂坍塌現(xiàn)象。通過軟件模擬和海綿形變模擬，橋梁坍塌問題就聚焦在主梁上下表面的受力情況上，作為一名工程師，如何提升橋梁承重能力呢？

從定性、定量角度分析問題

提高橋梁承重能力，可引導(dǎo)學(xué)生從材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)2 個(gè)角度分析問題并設(shè)計(jì)改造方案。

材料力學(xué)分析 結(jié)合材料力學(xué)知識，從理論角度分析解決實(shí)際工程中的問題，比如不同材料的勁度各有不同：混凝土堅(jiān)硬耐壓，但缺乏彈性，容易在拉伸時(shí)斷裂，鋼筋則耐拉伸，因此常把二者結(jié)合起來使用。

為了避免鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早出現(xiàn)裂縫，人們在長期生產(chǎn)實(shí)踐中創(chuàng)造了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，即在建造過程中先張拉鋼筋產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，用以減小或抵消外荷載所引起的拉應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼筋本身不容易被壓彎，還提高了周圍混凝土抵抗壓彎的能力，在荷載作用下，構(gòu)件裂縫不出現(xiàn)或推遲出現(xiàn)，提高了構(gòu)件的剛度，增加了結(jié)構(gòu)的耐久性。此外，該技術(shù)還可減小橋梁的自重。

熱脹冷縮也是橋梁設(shè)計(jì)和建造中必須考慮的問題。由于溫度變化，橋梁的長度和尺寸會(huì)發(fā)生變化，從而影響其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。鋼結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)相對較大，這意味著溫度變化時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的形變，影響橋梁的安全性和使用性能。在鋼結(jié)構(gòu)橋的關(guān)鍵部位常設(shè)置溫度補(bǔ)償裝置，比如伸縮縫、滑動(dòng)支座等，以適應(yīng)溫度變化引起的變形，避免結(jié)構(gòu)損壞。

結(jié)構(gòu)力學(xué)分析 結(jié)構(gòu)力學(xué)一般可分為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、結(jié)構(gòu)斷裂、疲勞理論和整體結(jié)構(gòu)理論等。橋梁結(jié)構(gòu)與高中物理力學(xué)知識關(guān)聯(lián)緊密，此部分可以設(shè)置部分典型定量計(jì)算，主要集中于力的合成與分解、共點(diǎn)力的平衡等。

為了提升橋梁的抗彎性能和承重能力，橋梁工程師設(shè)計(jì)了簡支梁橋、連續(xù)梁橋、拉橋、懸索橋、拱橋、斜腿鋼構(gòu)橋等。工程結(jié)構(gòu)上的受力構(gòu)件，主要包括拉、壓和彎曲3 種基本受力方式。

實(shí)踐與問題解決

通過上述問題分析，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。教師提供長為100 cm、寬和高均為3 mm 的方形桐木條，讓學(xué)生設(shè)計(jì)跨度為40 cm 的承重橋梁。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)成果橋梁作品如圖6 所示，隨后開展承重能力比賽，將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)推向高潮，比賽現(xiàn)場如圖5 所示。

知識遷移與拓展

此外，還可開展基于光學(xué)等方法的橋梁監(jiān)測技術(shù)、橋梁風(fēng)振和共振現(xiàn)象、橋梁防火和防腐蝕材料等的拓展學(xué)習(xí)。

實(shí)際問題中的逆向思維

在我國南方地區(qū)，進(jìn)入多雨天氣時(shí)不少地區(qū)會(huì)出現(xiàn)汛情，這時(shí)不僅沒有把跨江跨河的鐵路封鎖起來，反而將列車停在橋梁上。有人提出了自己的疑問，洪水本身就對橋梁造成了不小的威脅，為什么還讓鐵路橋梁承受這么大的壓力呢？實(shí)際上，這種方式被稱作“重車壓梁”，是鐵路部門比較常規(guī)的汛期應(yīng)急方案之一，因?yàn)楹芏噼F路橋梁都是鋼梁大橋，自身重量不大，當(dāng)河水淹至梁底且流速過大時(shí)，如果不進(jìn)行壓梁防護(hù)，沿線鐵路橋就有可能被洪水沖垮。

方案實(shí)踐環(huán)節(jié)比賽內(nèi)容及規(guī)則

本方案在具體實(shí)踐過程中，考慮到學(xué)生對科學(xué)、人文、歷史、美學(xué)等的興趣愛好，創(chuàng)設(shè)不同的探究學(xué)習(xí)空間，設(shè)計(jì)了2 個(gè)主題，分別是“承重橋梁設(shè)計(jì)”和“世界名橋復(fù)制”，以最大限度滿足學(xué)生的差異化需求。

項(xiàng)目1. 承重橋梁設(shè)計(jì)

用桐木條構(gòu)建一架橫梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)須能架設(shè)在2 個(gè)相距40 cm的橋墩上，并進(jìn)行承重測試。

橋梁結(jié)構(gòu)要求 橫梁的全部必須在橋墩平面之上，最高點(diǎn)不得大于16 cm（與橋墩平面的距離），橋面寬度為3 ～ 6 cm。在橋梁結(jié)構(gòu)的中心上方必須有一個(gè)承壓平臺，平臺上必須標(biāo)出1 個(gè)承壓點(diǎn)，承壓點(diǎn)所在水平面不得低于5 cm（距橋墩平面）。桐木條截面尺寸為3 mm×3 mm，完成后的橫梁結(jié)構(gòu)長度不大于50 cm。

壓力儀 壓力儀為簡易電動(dòng)液壓機(jī)，產(chǎn)生一個(gè)由上往下的壓力，壓力儀與橫梁結(jié)構(gòu)接觸的是一個(gè)直徑4 cm 的圓形平板（呈水平狀態(tài)），測試時(shí)平板中心與承壓點(diǎn)對齊，示意圖如圖6 所示。

承重測試 測試時(shí)由參賽隊(duì)將結(jié)構(gòu)放置在橋墩上，不能用任何物品（比如膠帶等）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。然后進(jìn)行施壓測試，記錄結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂前一瞬間的壓力值，記為最大承重值（如圖7）。承重得分＝結(jié)構(gòu)最大承重（kg）/ 結(jié)構(gòu)自重（g），即為單位質(zhì)量的承重能力，該比值越大越好。

上交作品 橋梁成品、設(shè)計(jì)方案說明PPT、3 min 小組制作過程視頻。

評價(jià)要素 設(shè)計(jì)理念、所含力學(xué)原理、單位質(zhì)量的承重能力、外形設(shè)計(jì)、視頻制作與現(xiàn)場講解。

項(xiàng)目2. 世界名橋復(fù)制

由學(xué)生自行選擇感興趣的中外名橋進(jìn)行復(fù)制搭建，盡可能復(fù)制外觀，并理解橋所蘊(yùn)含的科學(xué)、人文、歷史、美學(xué)等知識。

上交作品 橋梁成品、名橋介紹、小組制作過程視頻。

評價(jià)要素 名橋介紹、橋梁復(fù)制還原度、視頻制作與現(xiàn)場講解。

學(xué)生作品如圖8 所示。

方案反思與總結(jié)

以橋梁為主題的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，包含兩條主線，一條是項(xiàng)目主線，一條是力學(xué)知識主線。兩條主線的螺旋式融合推進(jìn)是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)有效實(shí)施的關(guān)鍵，不僅要精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，還對教師的宏觀把控能力提出了要求。通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)從現(xiàn)實(shí)場景中提取科學(xué)場景的素養(yǎng)，提高了學(xué)生在未來學(xué)習(xí)生活中解決復(fù)雜問題的能力。

教師在教學(xué)中需強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)與建造中蘊(yùn)含的復(fù)雜力學(xué)原理、材料原理等。此外，力的計(jì)算是一項(xiàng)龐大的工程，且橋梁結(jié)構(gòu)處在自然環(huán)境之中，受到各種自然因素的影響，比如風(fēng)力、溫度變化、水流沖擊及地震作用等，高中階段只是從靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行簡化分析。

該項(xiàng)目獲得第37 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)