STEM 设计桥梁

设计桥梁——结构组合与桥面承重

[教学内容分析]

本课是设计桥梁项目中的一个环节，主要探究桥面结构与桥面承重间的关系，通过设计和制作桥面，学生初步体验结构在桥面建造中的作用，同时养成记录数据的习惯，学会在真实环境下进行实验验证的方法。

[学生分析]

本节课面对四年级学生展开，学生具备一定动脑动手能力，能够比较好地组织团队开展学习活动，在之前的教学环节中学生已经对桥梁有了初步的印象和认识，并且在桥基的搭建中初步认识了形状与承重间的关系，学生对于科学活动的步骤有了一定了解，同时初步形成规则意识。

[教学目标]

知识与技能：

  1. 理解结构单一结构和结构组合对于桥面承重的影响；

  2. 运用科学方法，进行实验操作；

  3. 加强体验过程，明确操作步骤；

过程与方法：

  1. 通过实验活动，理解结构在支撑机构中的作用；

  2. 在实验活动中，形成规则意识；

情感、态度价值观：

  1. 在小组活动中，学会分享、合作，懂得聆听，体验互帮互助的快乐，在团队中学会发挥自身特长；

  2. 在桥面设计制作过程中，能够依计划为先，树立实事求是的科学意识，在合理、精准的基础上大胆创意。

[教学过程]

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

引入：

假设与猜想

  • 活动1：思考与尝试

我们今天的课从一个小问题开始：一张纸放在相距20cm的两个支撑平台上，放上一个纸杯，这张纸能够支撑住纸杯吗？

  1. 老师拿出卡纸和A4纸，引导学生材料对于支撑起到的作用；

  2. 如果我只给你一张A4纸，你怎样使它支撑纸杯呢？


  • 生活运用

在我们的桥梁设计中也运用了结构的改变，增强桥梁的承重能力。

  • 列举形状结构

除了锯齿结构，我们还学习过哪些基础形状结构呢？

（提醒学生，联系上一课的桥墩实验）

  • 教师引出主题

假设：在桥面的设计制作中，我们可以运用基础形状结构来增强桥面的承载能力，那么是使用单一结构的桥面更厉害？还是将基础形状结构结合起来使用桥面承载能力更强呢？（1+1能否大于2？）


实验论证：

我们的假设如何能得到论证呢？你准备怎么做？

以小组为单位,设计和制作不同结构的两个桥面，并测试其最大承重重量，并分析解读数据，论证自己的假设

学生根据问题想象情景，猜测答案

  • 改变纸面结构

  • 增加纸面厚度

师生互动验证猜测，共同发现运用于生活的智慧









全班头脑风暴

  1. 圆管结构

  2. 波浪

  3. 三棱柱结构

  4. 长方体结构


学生根据桥面结构的命题，假设今天的论点

  • 单一结构承载大于结构组合

  • 结构组合承载大于单一结构



学生说出实验思路，明确搭建不同结构的桥面，并以比较的方式验证假设

通过小活动热身，引出课题，同时激发学生兴趣







以生活中广泛运用的产品为案例，增强学生对于设计运用与生活动的体验，

巩固与复习（形状与承重）





明确本课目标，论证桥面结构于承重的密切关系；学会科学方法：

实验论证：桥面的设计和制作

  • 活动2

  1. 设计与记录

请你们用现有的材料，重新组合设计出桥面，并记录下你的设计稿；

  1. 制作

  1. 教师提供结构基本组建：（A4纸制）

  2. 请在和老师交流后开始按照你的设计稿完成桥面制作。

学生完成桥面的设计和制作

  1. 设计要求

将桥面截面图进行简单描绘；

通过组合现有结构部件完成桥面设计；

  1. 设计制作参数

  1. 设计材料:A4纸和A4纸制作的配件

  2. 桥垮：20cm

  3. 两端支撑物:魔方

  4. 桥面宽度：与支撑物基本一致

  5. 测量重物:练习本

  6. 时间：10分钟

额定材料规范学生竞赛起点，以支撑物和支撑物间固定距离为基准规范桥面大小；限定时间提醒孩子懂得取舍；

实验论证：展示与测试

  • 测试步骤

  1. 分别测试两种桥面承重

  2. 桥基（教师提供实验用支架魔方）相距20cm。

  3. 将实验桥面放置于桥基间。

  4. 开始放置练习本。

  5. 轻拿轻放，桥面无恙则继续增加“练习本”，直至桥面断裂或扭曲。

  6. 记录数据。最后一个导致坍塌的书本不能计算在内；

  7. 利用数学工具计算出桥面的总称重重量。


学生根据发言案例和小组成果进行桥面设计想法汇报和实物展示





学生按照教师要求进行测试并记录数据，注意分工合作，保证数据准确性

完成学习单的填写


在测试之前进行汇报和原形记录，（后期测试可能破坏性摧毁原形）

原形作品记录到过程性评价平台


基于相同的测试环境进行测试论证，并记录数据，得到桥面承重最大值；

验证与结论

  • 教师引导学生介绍测试结果，并验证假设

  1. 用2句话简单介绍你们桥面结构。（可用自己的语言）；我们用了形状，把这两个形状进行叠加/垂直摆放，并在上下贴上……

  2. 我们的结论是：

学生汇报答案

得出结论

分享数据体现数据的重要性

总结

  1. 结构的组合增强桥面承重能力。

我们通过今天的设计证明了结构的有效组合可以大大提高桥面的承重能力。


  1. 科学方法的一般步骤

提出问题

提出假设

确定和控制变量

验证假设

收集并记录数据

解析数据

陈述结论

重复实验

学生从数据中得出结论





学生认识科学验证的过程

总结本课探究目标，梳理本课目标，引导学生自发归纳本课要点


[教学材料和资源]

  1. 学生用学习单

  2. 活动一材料包：桥基（两个魔方）；卡纸1张（注明20cm）；练习本60本

  3. 活动二材料包：桥面构建组件（三棱柱、圆柱、立方体、波浪……）


[板书设计]

设计桥梁结构与桥面承重

改变结构增加承重能力

单一结构

结构组合



几种结构示意图（教师简单手绘）

[教学反思]2min

在本节课的教学过程中，师生互动充分，学生活动开展井然有序，课堂气氛热烈。短短35分钟基本达到本课的教学目标，并升华本课设定的解决问题，将问题带到更广阔的生活范畴。

我们可以看到，整个教学过程中学生思维的活跃， 学生不仅能对主线问题展开思考，同时思考深度和广度都超过了“预设”，如：在单一结构和结构组合的比拼中，我们发现有些小组的结果是单一结构胜出，这和假设答案背道而驰，这个环节是在之前教学中没有出现过的，基于这个“突发性”的问题师生展开后“短时”研究，深度挖掘问题背后存在的问题，得出了：形状选择和制作工艺也能影响承重的结果。学生能够不畏固有思维束缚，大胆提出自己的看法，是宝贵的，因此在此我也将这个原本没有设计到的教学内容进行适当解答。

除了思维的活跃，我们也能看到学生的规则意识比较强，能够根据课堂“规则”开展活动。同时合作分工、整理实验场所……也离不开日常规则意识的养成

虽然学生在课堂中思维火化不断，但我也看到由于受到地理和时间的限制，学生的思维深度无法彻底挖掘，如何在有限的时间里最大化效率也是我日后探索的目标。

显然这是一堂不完美的课，学生的回答并没有严丝合缝地随着课堂预设进行，也正是由于这一点，课堂中的脑力激荡变得更为激烈，学生在整个课堂中将手和脑充分调动起来，我觉得这才是我们进行探究型课程的追求。

[前期准备]3min

“桥梁设计”是我校STEM课程中的一个项目，面向四年级学生。该课程基于科学、技术、工程、数学学科领域，并且课程内容出自于生活，又回到生活中探索研究，是孩子们拓展思维，基于真实问题拓展能力的平台。

本课是该项目活动实施环节中的的第三个课时。

该项目开始伊始，我已经对学生进行了分组，学生本着自愿和互补的原则进行团队建设，团队基本构建是6人左右，其中有一位作为协调和管理的组长角色，其他同学根据相应的特色进行分工合作，可定期进行轮值和交换。

进入本环节的“桥面设计和制作”之前，我们通过“认识桥梁”一课对桥梁的大致结构和作用有了比较明确的认识。并且通过第二课“桥墩形状的认识”，初步尝试合作活动，并且对科学方法有了一定的体验。而本课则基于对于“桥面结构”的研究，以学生自主探究为主要形式开展课堂活动，学生通过发现问题、假设、验证、分析数据的过程，对科学方法有了较完整地体验，同时在合作中再次磨炼团队默契度，学会聆听能够合作，善于沟通……。除此以外，在课堂的活动设计中，教师通过活动规则、数据规范、统一标准等手段，让学生在潜移默化中适应规则，理解规则，遵守规则，让学生体验在规则中的高效活动。

随着桥面结构探究的完成，桥梁构造的基本结构部件探究完毕，学生已经能够利用一些轻质材料进行“平板”桥梁的搭建。后期我们还将对当下主流桥梁模式进行研究，最终确定小组搭建桥梁的样式、环境和材料，在较为统一的标准下设计和制作完整的桥梁，并进行组与组之间的竞赛。在竞赛之后对桥梁展开二次修正和再设计，最终达到优化项目的目的，并以一场桥梁展示发布会的形式展出成果。