１.走進(jìn)“港珠澳大橋”
資源型學(xué)習(xí)支架：文獻(xiàn)資料（教材、橋梁文章）、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、項(xiàng)目化工作單以及橋梁模型制作工具和材料等。港珠澳大橋青州航道橋?yàn)殡p塔三跨式斜拉橋，橋梁主要結(jié)構(gòu)和制成主要結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料如圖２內(nèi)容。教師為學(xué)生提供合適的學(xué)習(xí)支架，引導(dǎo)學(xué)生使用現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備查閱資料，學(xué)會(huì)辨別信息，鍛煉批判性思維能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)。
２.橋梁物理模型建構(gòu)和工程設(shè)計(jì)
學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料了解到：港珠澳大橋青州航道橋?yàn)榛炷列崩瓨?，懸索在空間內(nèi)布置方式為豎直雙索面，在索面內(nèi)布置形式為扇形；主梁布置方式為連續(xù)體系，以及索塔橫橋向結(jié)構(gòu)形式為橫向“Ｈ”形。按照前述“方式和結(jié)構(gòu)形式”繪制橋梁的簡(jiǎn)易橋梁模型圖，如圖５所示。
學(xué)生查閱港珠澳大橋青州航道橋高跨比標(biāo)準(zhǔn)范圍和主梁高度與主跨徑、主梁全寬與高度比、主梁全寬與主跨徑比的適宜范圍，具體內(nèi)容見表１。以此為依據(jù)確定材料的長(zhǎng)度、寬度、高度、直徑等。根據(jù)材料的數(shù)字特性以及繪制的模型草圖，學(xué)生在計(jì)算機(jī)房模仿教師繪制簡(jiǎn)易ＣＡＤ圖像，如圖６所示，大致操作流程為：設(shè)置圖幅→設(shè)置單位及精度→建立圖層→導(dǎo)入線型→設(shè)置對(duì)象樣式→繪圖→尺寸標(biāo)注及文字說明。學(xué)生在完成任務(wù)過程中，以工程設(shè)計(jì)師的視角去分析、解決問題，嚴(yán)格把控模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和模型建構(gòu)能力，體會(huì)工程師工程設(shè)計(jì)的過程。
３.構(gòu)造解釋和解決方案
學(xué)生依據(jù)繪制的模型圖和ＣＡＤ圖，尋找合適的材料來制作橋梁模型。橋梁模型材料：長(zhǎng)方體木塊、鐵釘、圓柱體木塊、繩索。港珠澳大橋橋梁主要結(jié)構(gòu)間實(shí)際結(jié)合或安裝方式如圖２內(nèi)容。而學(xué)生需要進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，思考怎么利用現(xiàn)有的工具完成材料間的組裝。
以下組裝方式只是一種教學(xué)參考，橋梁模型的制作是一種創(chuàng)造性活動(dòng)，實(shí)際教學(xué)過程中學(xué)生會(huì)產(chǎn)生各種有洞見的想法，教師應(yīng)盡可能幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)想法，以此促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題能力的發(fā)展。
最終確定在橋梁模型制作過程中，懸索和索塔直接穿孔連接，懸索和主梁打結(jié)的方式連接，效果如圖７所示；主梁間采用嵌合以及釘入鐵釘?shù)姆绞竭B接，效果如圖８所示。
護(hù)欄的豎直和橫向木塊以釘入鐵釘?shù)姆绞竭B接，效果如圖９所示。索塔和橋墩間同樣采用嵌合以及釘入鐵釘?shù)姆绞竭B接，效果如圖10所示。橫梁與索塔間采用釘入鐵釘?shù)姆绞竭B接，效果如圖11所示。為提高主梁橫向和斜拉橋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性，規(guī)定橋梁高跨比標(biāo)準(zhǔn)和主梁高度與主跨徑、主梁全寬與高度比、主梁全寬與主跨徑比的適宜范圍。
４.橋梁模型制作
依據(jù)橋梁模型草圖、ＣＡＤ圖像以及各結(jié)構(gòu)連接方式等，確定材料的數(shù)字特性，如圖7～11所示。橋梁模型索塔高度與主跨徑比值約為0.19，主梁高度與主跨徑的比值約為0.01，主梁寬與主梁高的比值約為8.33，主梁寬與主跨徑比值約為0.11，懸索傾角在21～30°范圍內(nèi)，均符合項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。按照各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，完成橋梁模型制作，實(shí)物圖如圖12所示。
５.尋找證據(jù)論證
圖１中，驅(qū)動(dòng)性子問題8～11設(shè)計(jì)的目的是使學(xué)生深入理解橋梁模型中用到的物理學(xué)原理，讓學(xué)生經(jīng)歷從物理學(xué)原理的定量探究過程到論證“為何這樣設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)”的過程，提升學(xué)生科學(xué)論證能力。例如子問題８：哪根懸索的拉力更大，為什么這根懸索的拉力更大？學(xué)生使用彈簧測(cè)力計(jì)完成每根懸索拉力的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)跨度最小的懸索拉力更大，然后思考為何這根懸索的拉力更大，這個(gè)問題勢(shì)必會(huì)推動(dòng)學(xué)生對(duì)懸索作用于索塔的力進(jìn)行受力分析，再依據(jù)合力大小與分力夾角的關(guān)系推導(dǎo)得到該懸索拉力更大，因而在理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)探究中生成結(jié)論，感受科學(xué)家科學(xué)探究的一般步驟。
子問題10：將壓力傳感器置于橋墩下，減小主梁的重量，觀察壓力傳感器變化的示數(shù)是否等于主梁所減小的重力？該問題是為引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)去探究懸索作用于索塔的合力是否是沿著索塔豎直向下并作用于橋墩。
具體操作步驟：將壓力傳感器置于橋墩下，并進(jìn)行歸零操作，然后在主梁上方放置一個(gè)500ｇ重物，如圖13所示，待壓力傳感器示數(shù)穩(wěn)定后，記錄此時(shí)壓力傳感器的示數(shù)；再將重物取下，仍然待壓力傳感器示數(shù)穩(wěn)定后，記錄此時(shí)壓力傳感器的示數(shù)；比較兩次壓力傳感器示數(shù)的差值與重物重力大小的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)兩者在誤差范圍內(nèi)數(shù)值大小相近，由此說明懸索合力豎直向下作用于橋墩。
子問題11：選擇什么材料作為防撞材料？結(jié)合真實(shí)情境：當(dāng)通航船只意外撞擊橋墩時(shí)，橋墩外圍包裹的充水膠囊會(huì)吸收部分由于撞擊產(chǎn)生的能量。由于撞擊過程是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的劇烈碰撞，內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外力，所以整個(gè)過程滿足動(dòng)量定理，其表達(dá)式為
從式（３）可以看出，平均沖力等于動(dòng)量的改變量和作用時(shí)間的比值，想要減小平均沖力的大小，即減小碰撞對(duì)船只和橋墩帶來的損害，就需要增大作用時(shí)間，或使力的作用趨于穩(wěn)定。作用時(shí)間越長(zhǎng)，平均沖力就越小，再結(jié)合牛頓第二定律，知道通過繪制ａ－ｔ圖像，同樣可以判斷哪種防撞材料的防撞效果更好。學(xué)生完成理論的推導(dǎo)學(xué)習(xí)后，將依據(jù)教師提供的學(xué)習(xí)支架設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。教師為學(xué)生提供生活中常見的防撞材料以供參考，例如，水果發(fā)泡網(wǎng)套、物流氣泡膜、橡膠等，以及加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集器、朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備。當(dāng)固定在小車上的加速度傳感器與小車一起加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)采集器就可以將數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)軟件處理后直接得出加速度的值，具體按照下列步驟實(shí)施。
①采用朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加速度傳感器，使數(shù)據(jù)采集器連接加速度傳感器和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將加速度傳感器插入ＵＳＢ連接器；
②使用橡皮筋將加速度傳感器固定在小車上；
③將小車放置在軌道上，距離橋墩前一段距離，在朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中先點(diǎn)擊“調(diào)零”按鈕，再點(diǎn)擊“開始”按鈕，待數(shù)據(jù)采集器工作穩(wěn)定后，以同樣的力（采用同一根彈簧，壓縮相同的長(zhǎng)度）推動(dòng)小車，使小車以一定的初速度去撞擊防撞材料，如圖14和15所示，小車撞擊“物流氣泡膜”和“水果發(fā)泡網(wǎng)套”的實(shí)驗(yàn)圖景；
④在計(jì)算機(jī)上可以得到加速度變化曲線，根據(jù)ａ－ｔ圖像，比較平均沖力作用時(shí)間，選擇更優(yōu)的防撞材料，再將選擇好的防撞材料安裝到橋墩上。
分別采集小車撞擊“未加防撞材料”“加物流氣泡膜”和“加水果發(fā)泡網(wǎng)套”情況下的ａ－ｔ圖像，如圖16所示，每組實(shí)驗(yàn)分別完成３次及以上。
然后統(tǒng)計(jì)３組實(shí)驗(yàn)中平均沖力作用時(shí)間Δｔ，即加速度峰值減小至０的時(shí)間間隔，如表３所示，可以明顯地看出，加防撞材料后的防撞效果優(yōu)于未加防撞材料時(shí)，而“物流氣泡膜”的防撞效果優(yōu)于“水果發(fā)泡網(wǎng)套”。