“桥”见未来 润物释“力”

秦真科

桥梁中蕴含着丰富的力学原理，高中阶段开展以“如何提高桥梁承重能力”为主题的项目式学习，通过问题识别、问题聚焦、分析问题、解决问题，让学生在完整的创意、设计、建造、探究、协作的学习过程中，既能完成力学知识的有效学习与实践应用，又能培养学生的问题意识，激发创造思维，提高解决复杂问题的能力。

桥梁与力学的融合关联设计

桥梁材料设计对应材料力学知识，该部分知识仅限于定性讨论；桥梁结构设计对应结构力学，与高中物理知识关联紧密，此部分可设置部分典型的定量计算，主要集中于不同桥梁结构中的力学分析和计算（图1）。在教学过程中，设计理论模块的关键知识节点和实践模块的关键项目节点，以节点为相互支撑螺旋式融合推进2 条主线（知识主线和项目主线），在节点中关注学生表现，并引导学生以问题为引领，以任务为驱动，在问题中寻找解决方法，在任务中提出解决方案。

方案创新点

“桥梁+ 力学”为主题的项目式学习涉及结构力学中较基本的实际问题，具有一定辐射性、可推广性；利用工程模拟软件出色的空间建模能力和分析能力，进行模拟分析和验证，在拱形桥的力学分析阶段，可结合3D 打印技术进行理论分析、计算和实践验证；桥梁搭建小游戏APP+木条造桥实践，帮助学生化身为专业的建桥工程师，在造桥实践中锻炼动手能力，培养团队合作精神。

方案对象

在高一、高二年级，开设理工实践类拓展课程“桥梁中的力学原理”，选拔对理工科及科技创新有兴趣的学生，结合高中力学知识，进行力学理论学习及工程实践。除了以拓展课形式开展科技活动外，还可举办校级科技达人秀活动，学生组队参与“承重桥梁设计”或“世界名桥复制”项目比赛。

实施过程和步骤

真实情境引入

近年来，桥梁坍塌事件时有发生，造成了不同程度的人员伤亡和经济损失。桥梁中蕴含着丰富的力学原理，只有准确掌握这些知识，才能解决桥梁建设中遇到的力学问题。

桥梁主要荷载为桥梁自重和桥上的车辆、行人等。以简支梁桥为例，其结构简单，主梁两端有支承点，以主梁为研究对象，主梁主要受到自身重力、交通荷载压力及桥墩的支持力。

在承重增加情况下，桥梁可能会发生坍塌现象。如何从力学角度解释桥梁断裂现象？这是驱动性关键问题，引导学生从受力角度分析问题，激发学生一探究竟的学习热情。

情境理解与识别——建立物理模型

桥梁在荷载作用下，桥面板主要产生向下的弯曲形变，建立如图2所示模型。当荷载施加的向下作用力增大时，会导致桥面板弯曲形变程度增加，当形变超过桥梁允许的范围时，桥梁可能会出现坍塌现象。

聚焦问题——提出真实待解决问题和任务

根据工程软件Abaqus 对桥梁承重的模拟分析结果，应力最大的地方集中在主梁中心（又称“跨中”）的上下表面处，如图3 所示。通过海绵在承重下发生弯曲形变的演示实验（图4），分析可知桥梁上表面受到压力，下表面受到拉力。当荷载施加的作用力增加时，桥梁上表面受到的压力和下表面受到的拉力均增大，当拉力或压力超过桥梁材料的最大受力极限时，就会出现断裂坍塌现象。通过软件模拟和海绵形变模拟，桥梁坍塌问题就聚焦在主梁上下表面的受力情况上，作为一名工程师，如何提升桥梁承重能力呢？

从定性、定量角度分析问题

提高桥梁承重能力，可引导学生从材料力学和结构力学2 个角度分析问题并设计改造方案。

材料力学分析 结合材料力学知识，从理论角度分析解决实际工程中的问题，比如不同材料的劲度各有不同：混凝土坚硬耐压，但缺乏弹性，容易在拉伸时断裂，钢筋则耐拉伸，因此常把二者结合起来使用。

为了避免钢筋混凝土结构过早出现裂缝，人们在长期生产实践中创造了预应力混凝土结构，即在建造过程中先张拉钢筋产生预应力状态，用以减小或抵消外荷载所引起的拉应力。预应力钢筋本身不容易被压弯，还提高了周围混凝土抵抗压弯的能力，在荷载作用下，构件裂缝不出现或推迟出现，提高了构件的刚度，增加了结构的耐久性。此外，该技术还可减小桥梁的自重。

热胀冷缩也是桥梁设计和建造中必须考虑的问题。由于温度变化，桥梁的长度和尺寸会发生变化，从而影响其结构和稳定性。钢结构的热膨胀系数相对较大，这意味着温度变化时，钢结构会发生较大的形变，影响桥梁的安全性和使用性能。在钢结构桥的关键部位常设置温度补偿装置，比如伸缩缝、滑动支座等，以适应温度变化引起的变形，避免结构损坏。

结构力学分析 结构力学一般可分为结构静力学、结构动力学、结构稳定理论、结构断裂、疲劳理论和整体结构理论等。桥梁结构与高中物理力学知识关联紧密，此部分可以设置部分典型定量计算，主要集中于力的合成与分解、共点力的平衡等。

为了提升桥梁的抗弯性能和承重能力，桥梁工程师设计了简支梁桥、连续梁桥、拉桥、悬索桥、拱桥、斜腿钢构桥等。工程结构上的受力构件，主要包括拉、压和弯曲3 种基本受力方式。

实践与问题解决

通过上述问题分析，激发学生学习热情。教师提供长为100 cm、宽和高均为3 mm 的方形桐木条，让学生设计跨度为40 cm 的承重桥梁。项目式学习成果桥梁作品如图6 所示，随后开展承重能力比赛，将项目式学习推向高潮，比赛现场如图5 所示。

知识迁移与拓展

此外，还可开展基于光学等方法的桥梁监测技术、桥梁风振和共振现象、桥梁防火和防腐蚀材料等的拓展学习。

实际问题中的逆向思维

在我国南方地区，进入多雨天气时不少地区会出现汛情，这时不仅没有把跨江跨河的铁路封鎖起来，反而将列车停在桥梁上。有人提出了自己的疑问，洪水本身就对桥梁造成了不小的威胁，为什么还让铁路桥梁承受这么大的压力呢？实际上，这种方式被称作“重车压梁”，是铁路部门比较常规的汛期应急方案之一，因为很多铁路桥梁都是钢梁大桥，自身重量不大，当河水淹至梁底且流速过大时，如果不进行压梁防护，沿线铁路桥就有可能被洪水冲垮。

方案实践环节比赛内容及规则

本方案在具体实践过程中，考虑到学生对科学、人文、历史、美学等的兴趣爱好，创设不同的探究学习空间，设计了2 个主题，分别是“承重桥梁设计”和“世界名桥复制”，以最大限度满足学生的差异化需求。

项目1. 承重桥梁设计

用桐木条构建一架横梁结构，该结构须能架设在2 个相距40 cm的桥墩上，并进行承重测试。

桥梁结构要求 横梁的全部必须在桥墩平面之上，最高点不得大于16 cm（与桥墩平面的距离），桥面宽度为3 ～ 6 cm。在桥梁结构的中心上方必须有一个承压平台，平台上必须标出1 个承压点，承压点所在水平面不得低于5 cm（距桥墩平面）。桐木条截面尺寸为3 mm×3 mm，完成后的横梁结构长度不大于50 cm。

压力仪 压力仪为简易电动液压机，产生一个由上往下的压力，压力仪与横梁结构接触的是一个直径4 cm 的圆形平板（呈水平状态），测试时平板中心与承压点对齐，示意图如图6 所示。

承重测试 测试时由参赛队将结构放置在桥墩上，不能用任何物品（比如胶带等）对结构进行固定。然后进行施压测试，记录结构发生断裂前一瞬间的压力值，记为最大承重值（如图7）。承重得分＝结构最大承重（kg）/ 结构自重（g），即为单位质量的承重能力，该比值越大越好。

上交作品 桥梁成品、设计方案说明PPT、3 min 小组制作过程视频。

评价要素 设计理念、所含力学原理、单位质量的承重能力、外形设计、视频制作与现场讲解。

项目2. 世界名橋复制

由学生自行选择感兴趣的中外名桥进行复制搭建，尽可能复制外观，并理解桥所蕴含的科学、人文、历史、美学等知识。

上交作品 桥梁成品、名桥介绍、小组制作过程视频。

评价要素 名桥介绍、桥梁复制还原度、视频制作与现场讲解。

学生作品如图8 所示。

方案反思与总结

以桥梁为主题的项目式学习，包含两条主线，一条是项目主线，一条是力学知识主线。两条主线的螺旋式融合推进是项目式学习有效实施的关键，不仅要精心设计教学过程，还对教师的宏观把控能力提出了要求。通过项目式学习，培养了学生主动从现实场景中提取科学场景的素养，提高了学生在未来学习生活中解决复杂问题的能力。

教师在教学中需强调现代桥梁设计与建造中蕴含的复杂力学原理、材料原理等。此外，力的计算是一项庞大的工程，且桥梁结构处在自然环境之中，受到各种自然因素的影响，比如风力、温度变化、水流冲击及地震作用等，高中阶段只是从静力学和动力学角度进行简化分析。

该项目获得第37 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖