这份针对初中九年级物理学科的跨学科项目式学习教案, 其主题是桥梁工程, 重点在于探讨其中的力学原理以及进行创新设计实践。
一、教学背景深度分析
1.课程标准与核心素养对标分析
这个教学设计的事情, 是严格地按照《义务教育物理课程标准（2022年版）」里面的那些核心思想来做的。
它的目的嘛, 是想通过一个叫“物理学与工程实践”的主题, 来把那种只死记硬背知识的老办法, 变成一种更注重培养学生综合素质的新方法。这个变化是非常深刻的。那么, 这个设计主要是想把下面提到的这几个核心素养给培养出来:
构建物理观念这一步要做得更深, 重点就是要把几个核心观念给打通。这些核心观念包括什么? 包括“力与运动”, 还有“机械能与能量”, 再有就是“材料的属性”。学生在真实发生的工程情境里面, 去反复体会和理解那些概念。比如在力的作用效果方面怎么体现?
在力的平衡方面怎么样? 包括二力平衡、杠杆平衡。再比如压强这个概念, 以及材料的强度是多少, 材料的刚度又是什么样子。把这些东西都弄懂弄透之后, 还要建立它们彼此之间的动态联系。最后的目的, 是形成一个结构化的知识网络, 这样才算把基础打牢了。
科学思维这个方面, 它需要把重点放在发展多种关键能力上, 这些关键能力涵盖了怎么建立模型、进行逻辑推导、做出论证支持观点以及具备质疑和创新的意识。
教学过程里, 要引导学生面对复杂的桥梁构造时, 能够先把其拆解开来, 简化成像是“梁”、“拱”、“索”这类最基础的力学模型以便理解。紧接着, 学生得运用受力分析和杠杆原理这些工具, 对问题进行定量和定性的推理工作, 算清楚数据关系, 或者搞清楚大致走势。
之后呢, 还要通过具体的实验操作来获取数据, 利用这些数据来证明自己的设计方案究竟是不是可行可靠。最后一步是要求学生保持独立思考的精神, 敢于指出现在已有的方案中存在的不足, 并提出带有批判性的改进建议。
科学探究需要把提出问题, 猜想与假设, 设计实验, 进行实验, 分析与论证, 评估与交流, 这几步完整地全部经历。这个方案把这个过程融入到工程项目周期的定义问题, 方案设计, 原型制作, 测试优化这几个阶段里面234范文网，这样做的结果是使得科学探究具备了非常明确的目的性, 同时也具备了社会性。
要有科学态度去承担责任, 就是要培养的严谨和认真的那种作风, 还有要实事求是, 还要合作并且共享, 这都属于科学态度方面, 与此同时, 要非常深刻地理解物理学对于工程技术这个发展来说, 它起到的是什么推动作用, 然后, 也要知道工程技术它在服务社会还有改善生活这样的一些过程里面, 是背负着非常重大的责任的, 最后, 需要树立起来这样一个观念, 就是技术在实际应用的时候, 它是应该要遵循安全的要求的, 要遵循环保的要求的, 也要遵循伦理的那些道德观念的。
2.对于教材, 还有那些知识体系, 我们要把它们一块儿拿出来做分析。
这个设计是以初中物理力学部分为核心知识基底的, 它涵盖的内容有很多，具体的包括力的概念、重力、弹力、摩擦力、二力平衡、压强、简单机械还有功和能等等这些。同时呢, 它还主动去打破学科之间的壁垒, 进行跨学科知识的整合。
这一过程需要与数学学科进行整合, 其中所包含的内容具体涉及几何图形部分中的三角形稳定性问题, 还有比例计算、数据处理以及与图表绘制相关的内容, 同时也包括对斜拉索角度进行分析时所应用的简单的三角函数内容。
*与工程与技术整合, 我们要引入工程设计这个通用的流程, 具体来说就是先把需求给明确下来, 接着进行方案的构思, 然后制作出模型, 最后进行测试和评估, 同时还需要接触到材料科学的基础知识, 这些基础知识里包括了抗拉、抗压以及抗弯性能等方面的内容, 还要理解结构稳定性这一概念, 再加上对于成本预算还有效益分析要有初步的思想。
与艺术、人文社会整合: 考虑桥梁造型的美学价值, 讨论桥梁作为公共基础设施对社会经济、文化传播、生态环境的影响, 培养学生的系统思维和社会责任感。
3.学情分析与分层策略预设
九年级学生在这一阶段已经拥有了初步掌握的力学基础知识, 但是这些知识大多只是停留在记忆公式和进行简单套用的层面, 并没有形成系统的联系, 导致他们的知识处于碎片化的状态, 因此在面对复杂的实际情况并且需要解决问题时显得能力薄弱。
对于抽象思维、系统建模以及团队协作能力这两个方面来说, 目前正处于发展的关键时期。为了符合最近发展区的理论要求, 所以接下来要做出如下的分层预设工作。
基础层这个A层的意思就是, 学生得能够把力学里面的基本概念和那些规律给原原本本地复述出来, 然后, 要在老师给出那种结构性的指导的时候, 去完成那个指定部件的受力分析也好, 或者是简单的计算也行, 这么做的目的, 就是为了要巩固一下基础, 同时也是为了建立一下自信心。
在发展层的B层, 学生要把好多知识点揉在一起用, 去分析那些结构挺复杂的东西, 举个例子就是像一座完整的桥梁模型, 得自己能定出探究实验怎么搞, 然后把实验从头到尾独立做完, 在小组里头得扛下主要的那些执行活儿, 这个阶段的目的在于让综合运用的本事和搞探究的能力都得到大大的提升。
这是一个拓展层, 也就是大家常说的C层在人员能力方面的要求, 这个阶段的人必须具备主导项目规划以及解决相关问题的能力, 还需要发挥创造性思维, 去提出一些结构上的新颖点子, 或者是给出优化方案, 并且在决策过程中要对多种因素, 例如成本方面、强度方面以及美观性方面等进行综合性的权衡, 最后还要能够做到把自身的设计哲学阐述得清清楚楚明白。
设立这个层级目标的根本出发点在于培养个人的创新思维模式以及领导力素质。
这个教学设计是利用一种策略, 该策略的核心要点在于让核心任务做到完全统一, 同时还把支持性的资源以及评估的标准进行分层处理, 通过这样的方式来保证每一个学生在遇到挑战的时候, 都能够获得成功的体验。
二、教学目标体系
1.核心素养导向的总目标
学生把自己当作桥梁工程师来看待, 去经历一遍那个微型工程项目的完整过程, 把物理、数学还有这些个跨学科方面的知识全都给综合运用起来, 为了解决那个核心的挑战问题, 这个挑战问题是关于设计以及制作一座那种承重能力很强的, 结构方面也比较稳定的, 用到的材料还比较经济的桥梁模型的这件事儿的。
在此过程当中, 需要去深度地理解力学原理在工程实践里面所起到的核心作用。要进一步发展那些更高阶的科学思维, 同时要加强工程实践能力, 并且要培养团队协作精神。最终要去感悟科学、技术、社会与环境之间那种非常紧密的联系。
2.分层细化教学目标
在知识和技能的层面。
在A层这个级别里面, 具体包括了三块内容, 第一块是说能够把桥梁最常见的几种类型, 像梁桥、拱桥、斜拉桥这些, 准确地讲出来, 并且还要说出它们主要的特点是什么。
第二块是说能够对简单的结构, 比如说就一根梁这样的东西, 去进行受力分析, 而且这个分析是在竖直方向上进行的, 要看清楚了里面的压力还有支持力是怎么回事。第三块是说会去使用测力计还有刻度尺这类工具, 来测量力和形变的情况。
在B层的标准里, 第一点是能够分析拱桥里面力的传递路径, 具体来说就是压力转化为沿拱形的推力, 同时还要解释三角形结构为什么稳定。
第二点是说要能够综合运用二力平衡以及杠杆原理这两个知识点, 来分析桥梁模型上多个受力点的情况。第三点是能够设计一个对比性的实验, 去探究不同结构的差异, 比如说不同的拱高这些因素, 对承重能力究竟有什么样地影响。
在C层的标准里, 第一条是, 能够运用材料力学的那些初步概念, 比如对抗弯截面系数做一个定性的分析, 然后解释为什么工字梁会比矩形梁表现得更加优秀。
第二条是, 能够建立起简化过的数学模型, 对设计方案当中所具备的承重性能, 进行一次理论方面的预估工作。第三条是, 能够把基本的桥型组合起来或者加以改进, 从而提出那些具有创新性质的结构方案。
在过程和方法这个层面方面。
A层是指那种情况, 就是在脚手架式工作单的引导下, 要去按着步骤把模型搭建给完成掉, 同时还要去做基础测试这一件事儿, 然后最后还要去把那规范的纪录数据给记录清楚。
在B层级这个方面当中, 学生应当能够做到自主地去规划那些实验步骤, 并且还能够对变量实施非常有效的控制, 此外还可以借助于相关的数据处理工作来得出最后的结论, 最终撰写出一份具有清晰结构的实验报告。
这指的是属于C层这个情况, 在这个情况下, 有能力去全面主持起这个项目从开始到结束的所有管理工作, 具体的方面包含对时间这个东西的管理、对资源这个东西的管理, 还有对于任务怎么去分配这些事情的管理操作, 并且能够运用系统这种思维方式去进行多轮的叫做“设计”再到“测试”最后再“改进”这样一个反复循环变化的过程, 与此同时, 还得采用可以让人一眼就能看到东西的方式来展现出设计的那个逻辑思路在哪里, 比如说使用像思维导图或者概念图这样的工具来表达。
从情感态度方面来讲, 还有从价值观这一层面来说。
让学生们去动手实践, 从中感受到那种乐趣所在。然后在小组一起合作的过程里, 能够切身体会到互助所带来的价值。同时也要养成一种好习惯, 就是要注意爱护实验器材。A层: 让用户参与动手实践的行为当中。
养成那种严谨并且非常踏实认真的科学态度。在面对测试失败的时候, 敢于直面它。积极主动地去寻找出现问题的原因所在。同时要尊重那些和自己在观点上不一样的人。
在C层这一部分, 需要树立起工程伦理意识, 具体表现是在设计这个环节里头, 初步地去考虑所谓的“坚固、实用、美观、经济、环保”这样的多元价值取向, 通过这样的过程去体验作为工程师所肩负的社会责任, 以及由此带来的那种创新方面的荣耀感。
三、教学重难点剖析
1.这一节课的核心内容是什么。
需要重点掌握的核心概念就是力的平衡条件, 这些条件特别是共点力平衡的条件, 还有有固定转动轴物体的平衡的条件, 它们具体应用在复杂结构里面。这不仅仅是物理学里面的核心内容, 同时也是进行结构分析的基础。
在这个探究的过程之中, 我们应当把重点放在工程设计思维的完整流程的实践上面, 尤其是在基于测试的结果来进行迭代的优化这一环节方面。这是将理论转化为实践的关键一步, 也是培养解决问题能力的重要基础。
能力培养的重点, 是要让大家能够把那种真实的、复杂的工程问题给简化掉, 最终变成一种可以让我们去分析的物理模型, 这一点叫做模型建构能力。它是桥梁, 能把物理世界和工程世界的关系连接起来。
2.教学难点
*认知难点: 要弄明白力是怎么在结构里传递和重新分布的。学生常常倾向于孤立地盯着某个具体点进行受力分析, 这样就很难建立起结构整体协同受力的完整系统观念。举个例子来说吧, 拱桥的作用就是能够把竖向的荷载转化成为侧向的推力, 而这一部分最终的压力则由桥台来承担。
这个技能的难点在于, 学生必须在进行多因素的影响下进行综合决策并且做好权衡工作。当学生在进行优化设计的时候, 他们通常只会去追求那个单一的指标, 比如说最大承重是多少, 而不去考虑那些其他的约束条件, 这里面就包括了材料的成本问题, 还有制作工艺的复杂性问题, 以及美学方面的问题等等。
在团队项目之中, 要实现有效的沟通以及协作, 这是一个实践中比较难的点, 尤其是把那些抽象的力学分析内容, 变成具体的制作工艺要求的时候。
3.突破策略
针对前面说到的那些困难情况, 我们要拿出下面的办法来处理。要用动态力学分析软件, 或者用物理仿真的动画效果, 来把力在结构内部是怎么流动的这条路径给清楚地展示出来, 让大家都能一眼看明白。
还要引入像“工程设计挑战赛”那样的规则要求, 在里面要明确地定好各种评价指标的标准, 这些标准得包括承重比这个东西的数值要算清楚, 也就是拿承重除以自重, 同时还得考虑成本效益怎么样以及美观度好不好, 这些都是多维度的评判依据。
另外, 要给出一份团队里角色分工作的建议表格, 表格里面可以写上比如首席设计师、应力分析师、建造总监、测试工程师、财务官这样的具体职位分工。还要安排定期的环节, 这个环节是用来检查团队的进度进展情况的, 同时也让大家互相进行评价打分。
四、教学资源这一块, 还有环境创设这一头。
1.物理环境与器材
需要准备桐木条, 这些桐木条的截面大小是不同的, 还要准备卡纸、棉线, 用来模拟缆索的情况, 接着要准备好胶水、连接件，具体的连接件像是大头针以及小木销。把材料按照成本进行标价处理, 引入经济性约束条件。
测试设备包括数字化力传感器、数据采集器、位移传感器、砝码或标准重物块、桥梁测试台, 其支座是可以调节的。
信息技术方面, 可以用交互式白板, 还有平板电脑。此外, 也可以用上结构力学仿真APP, 比如那个“桥梁建造师”简易版什么的。如果条件允许的话, 3D建模软件也是可以选用的。最后呢, 还要用协作共享文档来用于小组同步记录这些内容。
可视化资源, 这部分包含世界著名桥梁案例图集与力学原理剖析图；接着是不同类型桥梁受力分析的动态示意图；最后是显示工程设计流程（EDP）的海报。
2.智力环境与支架
针对分层任务卡这一块内容, 它是为A层学生、B层学生以及C层学生提供不同的引导问题, 同时也会提供挑战提示, 这些问题和提示的复杂度是存在差异的。
这是专家思维工具, 具体包括受力分析网格纸、设计草图模板、实验数据记录表（这个表里面还包含了误差分析栏）、项目进度甘特图（这个是简化版, 还有一个同行评议表）, 这些都是在工作中非常有用的工具。
提供知识资源包, 这个包里包含一些关键的微课视频链接, 学生可以通过这些链接进行自主的查找和填补空白的操作, 还有包括塔科马海峡大桥风振这种经典的桥梁工程失败案例的分析资料, 使用资料的目的是为了要强调那些科学原理具有多么重要的事情。
3.心理与社会环境
通过建立工程设计工作室这样的环境氛围, 去鼓励那些正在学习的人把自己看作是工程师。我们在墙面上贴上一些标语, 比如把失败说成是获取成功的数据来源, 再比如说要拿出多个方案然后从中选择最好的一个。
同时还要建立起一种课堂讨论的文化, 这种文化是以尊重别人、认真倾听别人以及在建设性的基础上去提出质疑作为主要准则的。
五、这个用于具体执行教学任务的详细方案总计包含了八课时的内容, 并且在整体结构上被划分成了四个不同的实施阶段。
在第一阶段中, 主要进行情境的深入融入以及问题的明确界定, 这一过程总共需要花费1至2个课时。
这是上课的第1课时, 咱们要走进桥梁的世界这一回事儿, 从景观这一方面来讲, 再到力学那一方面去讲。
我们安排了一个主要的活动, 这个活动的名称叫做桥梁选美与探秘。
1.进行情境创设, 这个环节大概需要十分钟的时间。播放一段视频, 这段视频里融入了古今中外那些著名的桥梁, 比如赵州桥、金门大桥、港珠澳大桥等等, 画面非常具有震撼力, 同时还配上了气势恢宏的音乐背景。
然后提问说: “这些人类工程领域里的瑰宝, 难道仅仅是为了好看吗? ”、“它们背后究竟隐藏着怎样的物理方面的‘密码’呢? ”。
2.首先进行初步的发现还有分类, 这一部分大概需要耗费十五分钟左右的时间。学生们按照小组来行动去观察不同的桥梁图片或者模型。
他们尝试根据这些桥梁的具体形状来进行一种划分工作比如说像梁式拱式悬索式斜拉式等等。接着由教师来加以引导让他们能够清楚地明白这样一个情况那就是这样做的本质是和力的传递方式紧密相关的。
3.把注意力集中在核心问题上, 这个过程需要花费二十分钟的时间。
受地方政府的委托情况是这样的, 我们班的这个工程团队需要去负责一个具体的项目, 这个项目的对象是一条景观河道, 并且是为这条河道去设计一座人行桥的模型, 其中桥梁的实际跨度指标是50厘米, 在这个设计的过程中必须严格遵守几项关键要求, 第一点是必须在结构设计上最大程度地节省材料, 以此来控制整体的成本, 第二点是要确保结构具备足够的稳定性和安全性, 这一点需要通过承重测试来进行验证, 第三点是需要在整体造型上追求优美和谐效果, 面对这些要求, 我们应该采取什么样的具体方法与步骤来成功完成这项具有挑战性的任务。
开展知识关联检索工作, 具体做法是大家一起进行头脑风暴, 把可能要用到的、以前学过的物理知识都列出来, 比方说重力、弹力、平衡、压强、杠杆这些内容。然后呢, 老师会在黑板上以思维导图的形式把这些写出来板书, 以此来建立起一个比较初步的相互之间的联系。
<1> 我们要发布一份名叫“项目任务书”的文件。这份文件需要把最终的交付物讲清楚, 这些交付物包括桥梁的实物模型、设计报告以及测试视频。任务书还需要写明时间节点。同时, 还要公布评价标准。这个评价标准是用量规来体现的。这个量规包含了多个维度, 比如承重性能、成本、设计的创新性以及报告的质量等。
第 2 课时, 解密结构之力, 从现象到原理。
在这个核心活动里, 我们是在一个专注于力学方面的实验室环境下开展相关的操作与研究工作的。
1.这是一个叫做迷你探究一的环节, 其主题是关于梁柱保持挺直状态以及随之而来的弯曲所带来的各种烦恼, 这个过程预计需要花费二十分钟的时间。
学生使用木条来搭建一个简易的梁, 然后在中间的位置悬吊起重物进行实验, 接着去观察发生的弯曲形变情况。
我们要引导大家去思考一下梁的上下两部分材料的情况, 哪一边是被拉长了? 哪一边才是被压缩了? 这是为了引入拉应力和压应力的定性概念, 那么到底应该如何让这梁变得更加坚强一点?
我们可以提供不同截面的木条比如矩形的还有工字型的给大家进行对比测试, 在B层和C层的挑战环节中需要尝试解释一下为什么工字梁能够节省材料的并且强度还高, 这就是为了让大家都能够定性地接触理解到抗弯截面系数的这个概念。
2.这是一个关于小小研究的环节, 叫做拱的魔力, 核心内容是看力是如何转向的, 这个部分大概需要花费二十分钟的时间。
建议大家是使用硬纸片或者是使用积木来搭建一个拱形的结构, 然后去测试这个拱形结构能够承受多大的重量。接着, 再拿出一个跨度大小是完全一样的平直的梁来进行对比观察。
关键的一点是观察, 用手指去感受那个拱脚, 它有一个向两边推的劲头在那儿。老师会用一根带箭头的绳子来演示这个力量是怎么沿着拱形的结构传过去的, 最后就变成了一种对着桥台或者对着两岸去的侧面的推力。
这里有一个事情是需要进行一下讨论的, 那就是我们通常所说的拱桥这个事物, 它适合被修建在什么样的地基上面去。
3.这个迷你探究项目是专注于索的牵引这一主题, 并且其核心内容是探讨悬挑结构方面的艺术表现力, 该环节的计划时长为二十分钟。
通过亲身去体验一下, 用一根绳子把重物给吊起来, 这样就能更清楚地明白, 这当中的拉力是一个什么样的概念。
我们来建造一个很简单的悬索桥模型, 这个模型里面有一个高高的塔, 然后使用棉线来拉引桥面, 接着大家需要去分析这根线会对桥面产生多大的拉力, 同时也会分析这根线会对那个高塔施加什么样的压力。
首先进行*A层任务, 这个任务的要求是数一数模型里面拉索到底有多少根, 并且看清楚它们的方向是怎么回事。
其次是B和C层的任务, 这部分内容是要去分析一下为什么那些大型的斜拉桥上面的拉索非要做成扇形分布的样子, 而不是让它们排成平行线呢。然后还需要猜测一下, 拉索和桥面之间的夹角大小会对分担荷载产生什么样的影响。
4.把这一部分作为课后的任务, 也就是项目的启动环节, 各个小组都需要去领取《项目规划书》这份文件, 然后开始开展初步的构思工作，确定主攻的桥型是什么样的, 这个桥型可以是融合的形态, 最后还需要绘制出第一版的样子作为概念草图。
进入第二阶段, 大家会集中精力去进行方案的设计, 同时还会完成相应的模型构建, 这部分内容大概需要花费三至五课时的时间来完成。
在第3个课时里, 大家的创意像水一样涌出来, 最后对方案做了什么决定。
咱们那个核心的活动嘛, 说白了就是要把设计方案给拿出来好好审一审。
1.在这一部分, 各个小组需要花费二十五分钟的时间来进行小组内的构思以及草图的绘制工作, 这些小组是依据前期的研究内容, 对设计方案进行进一步的细化处理的过程。
大家要求在草图上标注出主要尺寸, 还要说明选择的是什么材料, 同时需要对关键受力部位进行分析, 这一过程中可以使用箭头来简单示意力的方向和情况。
教师针对学生的不同层次进行分层的指导。教师要协助A层的小组, 把基本的结构给理清楚。教师要跟B层的小组去讨论, 看承重的路径是不是合理的。教师还要挑战C层的小组去思考创新点在哪里, 还有潜在的风险是什么。
2.这个环节被设定为小组方案宣讲与质询, 并且总时长要控制在30分钟。具体来说, 每个小组会有3分钟的限时代码, 用来展示草图与设计思路。与此同时其他小组和教师会担任评审委员会的角色然后进行2分钟的质询。
质询的焦点问题包括, 关于这个部位力具体是如何进行传递的这个情况需要说明白, 其次还要回答如果在这个位置施加了加载之后究竟是哪一个部分会出现最先失效的情形, 最后还需要详细解释你的设计在成本控制方面究竟有什么样的考虑。
在这个环节中, 我们会强制引入多视角的思考方式, 这样就可以提前暴露出设计里面的缺陷。
3.方案优化与材料采购的部分, 时间是5分钟。各组需要根据反馈的信息来修改方案。然后填写《材料采购单》。接下来要根据预算去“购买”相关的一些材料。这个过程引入了真正的经济约束条件。
在第4到第5个课时当中, 所涉及到的内容是关于精益建造, 以及对于过程进行的记录。
核心活动是那个叫做“工程师的工坊”的东西。
这两堂课是紧挨着进行的, 学生们把注意力全都集中在了手工制作模型这件事上面。
*过程要求：
1.要把设计图变成按一比一尺寸绘制的施工图, 这个过程叫做精确放样。
2.工艺规范这部分, 它是要去强调连接点的牢固度到底怎么样, 这里面包括了胶水用量的多少、还有加固方式是什么这样的内容, 这个细节它是属于模型成败的关键物理细节。
3.这是进行实时记录的过程, 具体做法是在共享文档这个地方, 使用类似于“工程日志”那样的方式去记东西, 所记录的内容包括制作时的步骤、遇到的各类问题、临时候采取的解决措施还有团队成员之间是如何分工的, 此外还应该鼓励大家去拍一些照片来记录关键的那些过程环节。
4.过程评估这个环节是这样的, 教师会进行巡视工作, 但是教师不再直接去解答关于怎么做的问题了, 而是通过提问的方式来引导, 比如教师会问学生你觉得这个接头能够承受多大的剪切力, 教师还会问学生如果这里出现了晃动的情况, 那么是增加三角形的支撑呢, 还是增加材料的截面更为经济。
5.期中检查时间点是这样规定的, 到了第五个课时结束的时候, 各个小组所完成的模型应该要把主体结构搭好。然后, 要进行初步的站立测试还有轻微的加载动作, 这样是为了去检查是否存在重大结构缺陷问题。
第三阶段, 这是一个测试评估与迭代优化的过程, 它发生在第六到第七个课时。
这是第6个课时, 内容是关于科学方面的测试还有数据的分析工作。
核心活动是“极限负载挑战赛”。
1.要制定测试方案, 这个过程大概花费十分钟的时间, 让各个小组都进行激烈的讨论, 并且最终确定采用什么样的加载方式, 到底是选择集中加载还是分布加载, 还要明确具体的加载位置在哪里, 同时需要设定好失效的判别标准, 例如出现垮塌现象或者出现过大的形变情况, 并且要对整个结构的最大承载数值做出预测, 同时还要分析可能存在的最薄弱的环节和部位。
。
2.进行标准化测试并且实施数据采集, 这一环节的时间长度为30分钟。
<在测试台统一进行>。使用数字化力传感器缓慢加载, 同时用位移传感器测量关键点形变。数据实时投影。
焦点在于, 既要重视最终破坏载荷, 还要仔细去看加载时形变是咋一步步发展的, 还有结构发出的响声, 以及最后到底是怎么坏的, 比如说是不是压溃了、拉断了或者失了稳性。这些是最能诊断问题的宝贵信息。
各小组都得进行观摩活动, 还得把他组的测试情况给记录清楚。
3.进行初步的数据分析, 这个环节大概需要十分钟的时间。
各个小组要动手计算承重比, 计算方法就是用最大负载数值除以一个模型的自重数值, 之所以这样算, 是因为承重比是衡量一个结构效率的最核心的指标这一点是大家必须要知道的, 紧接着还需要去认真地分析一下结构的破坏模式到底是怎么样的, 并且要把这种实际发生的破环模式, 和之前做计划时候所预测的情况做一个对比看一看它们究竟是不是一致的。
第7课时：反思优化与再设计
核心活动是“基于证据的改进”, 意思就是要靠着真实存在的材料来做调整, 而不是凭空的猜想。
1.深度归因分析需要二十分钟的时间, 各个小组要回看测试视频, 并且要查看数据分析曲线, 还要结合已经毁坏了的实物残骸来开一个叫作事故分析会的会议。
引导框架主要关注的是破坏发生的起始位置具体是在哪里, 然后需要判断这种破坏行为属于什么样的性质类型, 比如说是表现为弯曲、剪切、压溃还是连接失效这样的形式, 接着还要根据物理学的原理去深入分析造成这一种破坏现象的根本原因究竟是什么, 例如是材料自身的强度不够所导致的, 又或者是整体结构的稳定性出现了问题, 再或者是因为力的分布方式存在不合理的地方等等。
2.进行优化再设计的时间是二十五分钟, 要基于分析得出来的结论, 提出具体的、有针对性的优化方案, 并且修改设计图。
关键原则是优化, 这种优化不是推倒重来, 而是靶向治疗, 可能是局部增加一根拉杆, 也可能是改变一个连接方式初中九年级物理泸科版初中九年级物理泸科版，或者是调整一个角度。
在允许使用剩余预算购买少量补充材料的情况下, 可以对某些东西进行加固或者修改。
3.进行快速的验证工作, 大约需要花费五分钟的对优化后的关键部位进行局部的测试或者整体的轻载测试, 以此来验证改进思路是否有效。
进入第四个阶段, 这个阶段的重点是进行成果整合与工作素养的迁移应用, 对应的教学安排是第八个课时。
这个核心活动是工程成果博览会。
1.在进行布展与准备工作, 也就是在上课之前这个时间点, 各个小组要把展台布置好, 然后陈列出最终做出来的模型, 还要把设计报告拿出来, 这份报告里面得包含迭代的过程, 与此同时, 还得摆放上测试数据的图表, 以及工程日志。
2.采用“画廊漫步”这种形式来进行成果巡展和答辩环节, 并且规定时长为30分钟。在过程中, 一半的小组成员需要待在各自的展位上不走动, 一边讲解作品的情况, 一边接受来访的同学以及受邀的教师提出的问题的提问；与此同时, 另外一半的成员要离开展位去向其他地方移动, 去进行参观学习和汲取经验。
中途的时候, 两组组员要进行轮换工作。针对所有的提问行为, 都必须基于相关的物理原理和深入的设计思考这两个方面来展开。
3.在展示环节达到高峰以及进行颁奖的时候, 这一部分的时长会控制在十分钟之内, 对于评选工作, 我们要按照桥型的种类来做区分, 或者是采用综合考量的方式来进行, 针对具体的奖项设置, 这里面包含了最佳承重奖, 最佳设计创新奖, 最佳工程报告奖, 还有最佳团队协作奖等等内容存在的意义在于, 要让大家看清楚过程性评价所包含的多元性的特点。
4.把进行总结以及实现升华还有促成迁移的这一步给做完, 大概需要花费五分钟的时间。
教师引导学生去回顾整个项目的过程, 把那些比较分散的体验, 逐步地提升成为一种系统的认知。
核心总结的部分大家必须清楚, 我们不仅仅是制作出了关于一座桥的模型产品, 而且我们还完整地参加和体验了属于工程思维的一种训练过程, 我们非常清楚地明白了其中的道理, 一个被称为优秀的工程项目本身, 需要做到将物理原理所代表的科学性质、将通过创造而产生的发明所体现的技术属性、因为受到各种资源限制而导致的经济状况要求、以及为了照顾人的情感与需求而体现出的人文关怀态度, 这四个方面全都达到一种完美的平衡状态才行。
迁移这个动作的展望未来, 我们会去展示一些图片, 这些图片里面包含了物理学在别的工程领域里面的应用案例, 比如航空航天、医疗器械和智能建筑这些领域, 同时要指出这次项目里面获得的对于建模、探究、协作以及决策的能力具有普遍的价值, 以此来鼓励学生要继续保持对于世界的好奇心以及去改造这个世界的那种热情。
六、分层作业设计与评价方案
1.这个项目里面有分层级的任务, 这些任务是贯穿整个项目的始终的, 而这些任务属于嵌入式的作业类型。
针对*A层, 这个层级主要是用来巩固理解的, 要求同学们把《桥梁力学分析基础练习册》给做完。在每一个探究环节里面, 需要去做受力分析图填空的标准化任务, 还有去解简单的计算题。等到做项目报告的时候, 重点就是把“我做了什么”和“我观察到了什么”这两部分给清晰地描述出来。
在这一名为B层, 同时也代表了综合应用能力的那个阶段里面, 需要完成那个叫做《工程设计探究记录册》的任务书里面的相关事项, 并且要自己来设计至少两个对比实验, 比如去观察不同拱高对承重的影响这样的情况, 然后在项目报告里必须包含完整的所谓问题到假设再到实验最后得出结论的那个探究循环分析过程。