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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

视频标签:全国初中实验,教学微课视频

所属栏目:模拟课、微型课及试讲

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
活动内容 活动设计意图 活动照片
 
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
活动内容 活动设计意图 活动照片
 
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
活动内容 活动设计意图 活动照片
 
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
活动内容 活动设计意图 活动照片
 
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
活动内容 活动设计意图 活动照片
 
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
活动内容 活动设计意图 活动照片
 
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
活动内容 活动设计意图 活动照片
 
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
活动内容 活动设计意图 活动照片
 
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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