设计一座美丽的拱桥

喻晨亮 马敏 贺森

喻晨亮 安徽省合肥一六八玫瑰园学校信息技术教师，华南师范大学教育技术学研究生。曾获“合肥市优秀科技辅导员”，多次指导学生参加青少年科技创新大赛获得市一等奖;受中国科技大学数字科学学院邀请开设“我眼中的STEAM教育”讲座;独立设计开发《3D创意设计》校本教材。

课程背景

PBL（Problem Based Learning）是以问题为导向的教学方法，强调以学习者为中心、以真实生活的问题为情境，有目的、有效率地完成知识技能的学习。

近些年，3D打印在中小学科技类课程中相当火热，它不仅锻炼了学生的空间想象能力，更提升了他们的审美能力和创造力。将3D打印与PBL教学模式融合后，学生不仅能够学会3D建模软件中的操作技能，更可以为自己的实际生活设计出有意义的作品。本课就是基于拱桥这一中国传统建筑，教学生们如何利用建模软件设计出美丽又实用的拱桥作品。

课例特色

1.将科学技术与建筑艺术相结合

拱桥是一种中国传统建筑，在许多园林水域都可以看到，但是学生们很少去思考拱桥美丽的造型背后的科学依据是什么。例如：为什么桥拱都是对称设计的？桥面的坡度如何保证人们上桥和下桥时不至于太陡？拱桥的扶手有什么作用？拱桥一般设计多高比较美观？诸如此类的问题既能调动起学生的思考积极性，又能进一步领略拱桥的建筑之美。

2.将生活实际与工程问题相关联

本节课中，教师以一位建桥工程师的来信为引子，启发学生思考如何在一条水域上建一座经济、美观、实用的拱桥，让学生想象自己就是一位工程师，从而设身处地地去思考拱桥的跨度、桥体的宽度以及桥梁的材料等问题。这些工程类问题能帮助学生更好地设计规划模型，让自己的作品更富有实际意义。

3.提升学生合作意识和创新能力

对于拱桥的设计，每位学生都有自己的想法，一节课的时间学生很难独立完成整座桥的设计，小组合作学习此时发挥了很大作用。小组内部可以根据讨论的结果，创造性地合作设计拱桥模型。

教学目标

1.能够了解拱桥的力学结构和受力原理。

2.能够欣赏领略我国传统建筑——拱桥的美。

3.能够使用3D软件中的阵列命令制作拱桥的扶手和栏杆。

4.能够使用3D软件中的组合编辑功能制作桥的拱洞。

5.能够初步掌握将平面草图转换为三维作品的方法与技巧。

6.在小组合作的过程中，学会如何表达观点、辩证思考与大胆创新。

教学重点与难点

教学重点 使用3D软件中的各种功能设计桥拱和扶手。

教学难点 掌握将平面草图转换为三维作品的方法与技巧。

教学过程

一、激趣导入，认识拱桥

课程一开始，教师通过提问和播放视频的方式，快速地将学生带入本节课的学习氛围中。通过连续提问，激发起学生的学习兴趣。

问题1：同学们，你们知道哪些中国的传统建筑？（徽派建筑、吊脚楼、拱桥、四合院……）

问题2：说到拱桥，大家能够给老师列举一些著名的拱桥吗？（卢沟桥、赵州桥、五亭桥……）

师：同学们的知识面可真广，接下来我们来通过一段简短的视频，近距离地欣赏这些拱桥的美。观看时留意一下，桥一般由几部分组成，外观造型有什么特点。（师生共同观看《中国的拱桥》视频片段）

问题3：请大家小组内讨论交流，总结概括老师在你们观看视频前布置问题的答案。（拱桥一般由桥面、阶梯、扶手、栏杆组成。拱桥的造型是半圆形的，桥体上的拱是对称分布的。拱桥通常是石质材料建造的）

师：同学们观察得非常仔细，今天我们就来学习如何设计一座精美的拱桥。

二、绘制草图，设计拱桥

1.阅读材料，明确目的

教师呈现一份鲁工程师的求助信（如图1）通过这种方式，学生可以将模型设计和具体的生活问题相联系。

师：请各位同学仔细阅读这封求助信，明确模型的制作要求。（保证8人在桥面上同时行走时不拥挤，这就大致确定了桥面的宽度;保证3艘游船能同时经过桥洞，这就大致确定了最大拱的宽度和高度）

2.明确参数，设计图纸

给出设计中的具体参数（如图2），供学生设计模型。

师：请同学们思考一下，在设计图纸时应该注意什么？（及时标注各个部分的参数;设置统一的比例尺，方便在3D软件中设计模型，可参考图3）

三、学习技能，制作拱桥

1.利用草图绘制工具制作拱桥截面

师：之前的课上我们已经学会了如何使用直线工具和曲线工具绘制封闭的草图，接下来我们先将拱桥的截面绘制出来。

教师演示绘制的方法，学生观看，根据自己的草图设计参数模仿绘制出拱桥的截面图。

2.利用拉伸工具做出桥身

师：之前的课上我们已经学习了拉伸命令，接下来请大家使用这个命令将桥的整体造型制作出来。

根据之前绘制的草图，学生自己动手拉伸制作桥身部分，如图4。

3.使用组合编辑工具制作桥拱

给学生观看一段3D软件中组合编辑工具使用的微课，通过微课学生能够直观明了地学习加运算、减运算、交运算等功能。

师：制作桥拱应该用哪种组合编辑功能呢？（减运算。学生动手制作桥拱，如图5）

4.使用阵列命令制作阶梯和扶手栏杆

师：拱桥的桥体已经基本设计完成了，但为了让行人可以更加平穩地上下桥，我们还需要在桥的两端增加一些阶梯，在桥身上增加一些扶手栏杆来提升桥的安全性和美观性。

教师演示如何使用阵列命令快速制作阶梯。（学生观看，并举一反三动手设计自己作品中的阶梯和栏杆，如图6）

四、师生互评，作品欣赏

学生耐心细致地完成自己的作品并提交，教师邀请学生上台展示自己的成果，并简要说明自己作品的设计理念和独到之处。师生互评并赏析。

五、归纳总结，创新提升

教师展示3D打印机打印出来的拱桥作品。

师：通过今天的学习，同学们已经熟练地掌握了3D软件中阵列和组合运算功能的使用。拱桥是我国传统建筑之一，不仅外部造型美观，更重要的是它坚固耐用，是我们祖先智慧的结晶。利用今天这节课学到的知识，你还能设计出什么有意义的传统建筑模型呢？（比如城堡、吊桥、长廊……）

教学反思

本课以设计拱桥为项目任务，主要目的是让学生学会联系实际生活，分析具体问题，理解拱桥的建筑特点以及如何使用3D建模软件设计制作拱桥模型，启发学生观察生活中的各种事物，尝试用学校学到的知识解决身边的问题。

由于时间的关系，本节课将两课时（草图设计和模型设计）合并成一课时，致使一些在设计上追求精致的同学个别任务没有当堂完成，但是回家后他们利用课余时间还是完成了模型的设计。本节课面向的对象是中高年级的学生，他们具有独立思考的能力，但在交流和沟通上显得不够活跃。在今后类似的课程中，我会加入更多讨论甚至是辩论的环节，让学生在习得知识的同时具备活跃的思维。