教科版八年级物理下册跨学科实践桥教学设计

教科版八年级物理下册跨学科实践桥教学设计
一、教学目标：
【物理观念】了解梁桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥的结构及其受力特点，知道桥梁设计中运用的力学原理及用到的相关学科知识。利用所学知识探索桥梁中的工程技术问题，分析桥梁建造中的能源、环境等社会热点问题。
【科学思维】设计并制作桥梁简易模型；能通过测试的结果推理分析桥梁的承重问题，并得出结论，提升科学推理能力。能基于力的平衡及几何结构的知识，结合现代桥梁的材料及结构设计，说明制作纸桥模型过程的合理性。能根据设计制作过程，分析存在的有关问题并提出自己的见解。
【科学探究】在设计与制作可承载重物的纸桥的实践活动中，能初步设计简单的实践方案。知道桥梁模型制作过程中可以使用到的新技术，能对设计的模型进行负载测试，能对测试的数据进行比较分析，得出并解释实践结果。能与他人共同实施设计方案，合作交流存在的问题及改进建议，撰写简单的活动报告。
【科学态度与责任】经历纸桥的设计与制作过程，培养认真严谨、勇于创新及团队合作的科学态度。了解中国桥梁的发展史，知道物理学在桥梁建筑技术方面的应用案例，体会物理学对桥梁发展的促进作用。培养文化认同感和自豪感。
二、教学重难点：
（一）教学重点：设计并制作一个能承载重物的桥梁模型。
（二）教学难点：能根据本节所学知识提高桥梁模型的承重能力。
三、教学过程：
（一）新课引入。
讲解《牛郎织女鹊桥相会》的故事，引发学生思考桥梁怎样改变我们的生活。
设计意图：以讲故事的方式开头，激发学生的课堂兴趣，且以鹊桥来加深学生头脑中关于桥的印象，渗透可以用建造桥的材料来给桥命名的思想。
（二）新课教学：
1.桥梁的结构。
桥梁能缩短距离，方便人们出行。不同的地域往往需要不同形状和结构的桥梁。
展示关于桥的优秀案例：
（1）南京栖霞山长江大桥，原名南京长江第四大桥，是我国首座三跨吊悬索桥，被誉为“中国的金门大桥”。
（2）河南小商桥，建于隋朝开皇年间，比河北赵州桥还早，该桥为一座坦拱敞肩式石拱桥。
（3）南浦大桥，是上海市区第一座跨越黄浦江的大桥，落成于1991年11月19日。主桥为一跨江斜拉桥，两岸各设一座150m高的H形钢筋混凝土主塔，桥塔两侧各以成对的钢索连接主梁索面，呈扇形分布，桥下可通行50000t级巨轮。
（4）重庆长江大桥，于1980年投入使用，是当时国内跨度最大的预应力混凝土T形刚构桥。
总结常见的桥梁模型：
设计意图：通过展示桥梁案例丰富学生认识。
教师：无论什么样的桥梁，都是由桥面和承重结构组成，不同的桥梁的承重结构也具有不同的设计和样式。如果不设置承重结构，像远古时代一样架根木头过河会怎样呢？
可见，桥梁总体设计原则都是一样的——防止桥面弯曲！
2.力学分析：
（1）引导学生从力学的角度分析弯曲桥面的受力情况。
用一块表面画有等大方格的海绵块模拟桥面，用手按压海绵块来模拟负载（车辆、行人等对桥面的压力）。
学生分组动手模拟，描述观察到的现象：海绵块在负载作用下发生了弯曲形变，上层方格被挤压变窄，下层方格被拉伸变宽。
分析可知，桥面上表面受到压力，下表面受到拉力。当负载增加时，桥面的弯曲形变程度会随之增加。如果弯曲形变超出桥面允许的形变范围，桥面就可能发生坍塌。
设计意图：培养学生的实验观察能力、模型建构能力。
教师：如果你是一名桥梁工程师，如何避免桥面发生大的弯曲形变，提高桥梁承重能力，避免桥面坍塌呢？能不能用前面学到的力学知识解决一下呢？
引导：桥面发生形变也就代表着受力不平衡，要想不发生形变（或形变很小），我们可以怎样做？
教师：用二力平衡的知识分析一下，梁桥是结构最简单的桥，为减轻桥面弯曲形变，可在桥面下加一个桥墩，即为桥面提供一个向上的力。所有支撑桥面的力的合力，与桥面及负载的重力的合力平衡。可见，根据二力平衡知识，无论什么样的桥梁结构，都会形成一个向上的合力作为桥面的支撑力。
（2）活动：体验拱桥的支撑作用。
利用简单的筒圈和橡皮筋就可以模拟拱桥负载时的受力情况。用手按压筒圈顶部，观察橡皮筋形变，思考拱桥形状与负载的关系。进一步思考讨论：什么样的几何形状能够让桥梁在增加负载时保持稳定、不易弯曲？
设计意图：建立简单模型，进行动手探究。
3.实验探究：探究几何体的稳定性。
教师：什么样的几何形状能够让桥梁在增加负载时保持稳定、不易弯曲，这是设计桥梁时必须考虑的问题。哪种几何体稳定性更好呢？能应用在桥梁上的常见几何结构有矩形、三角形等。
看几何结构是否稳定，要看其受到一定程度的力时形变的情况。
教师介绍探究实验——探究几何体的稳定性。
学生分组进行实验，并交流分析实验现象。
利用悬挂重物的方法对以上结构施加向下的力，比较三角形、矩形结构的稳定性有什么不同。
实验结论：三角形具有很好的结构稳定性。三角形是现代桥梁的基本结构元素，在设计上常常利用三角形结构来加固桥梁。
4.制作一座自己的桥。
教师：现在，桥梁的基本结构和受力情况我们都清楚了，我们可以开动脑筋设计并制作一座自己的桥。
功能要求：（1）至少能跨越25cm的“峡谷”；（2）宽度大于10cm；（3）至少能承重0.2N。
测试要求：（1）在桥中间放置重物，要求放上后至少保持5s不坍塌，记下这座桥的承重；（2）每组可尝试3次，取最高成绩。
材料与工具选用参考：A4纸、双面胶、剪刀、刻度尺、铅笔、砝码、硬币等。
学生分组拟写桥梁建设规划。
教师：同学们可以按照“梁桥”“拱桥”“悬索桥”和“斜拉桥”等不同构造自主结组。
学生分组协作完成。
教师：请各小组介绍设计思路，展示制作的桥，交流存在的问题和需要改进的地方。
学生以小组为单位进行展示交流。
5.发展空间：
查阅资料，对我国古代和现代的桥梁从类型、主要材料、用途、所在地点等方面进行调查，了解桥梁的发展史，以及桥对交通、经济、文化等方面的促进作用。
6.作业布置：
根据查阅的资料办一期小报，主题为“我熟悉的桥”，介绍这种桥的历史、形状、结构特点、现状及对修缮方面所提出的合理化建议等。
（三）课堂小结：
通过这堂课的学习，我们知道了不同结构的桥梁，明白了不同结构的力学功能，知道了最稳定的几何结构，制作了简单的桥梁模型，还知道了我国古代和现代桥梁的类型、主要材料和用途等。