紙橋的設計與制作
紙橋的設計與制作（生活動手做）
在這個實驗活動中，我們要
1、采取分組的活動形式，培養學生的合作精神和有序的工作能力；通過成品展示、競賽等活動，培養學生的既合作又競爭意識；
2、在制作過程中，培養自己不畏艱難，不循舊規，敢于創新的精神。
3、學習科技制作、理解橋的主要結構的作用，通過紙橋的設計與制作在探索中理解，材料的強度與它的幾何形狀有關。
4、在紙的多種承重實驗研究、紙橋設計等過程中要學會獨立思考
5、培養學生與他人合作共同研究的能力。
6、通過對橋的造型設計，提高創作模型的技能、技巧及可觀賞性。
7、學習簡單的技術設計。
◇活動內容
紙橋的設計與制作
◇背景材料
1、知識背景：
⑴壓力與壓強
知道壓力的概念，壓力是指垂直壓在物體表面上的力。
理解壓強的的概念，壓強是物體單位面積受到的壓力。
固體的壓強跟受力面積有關，截面積對壓力有直接影響，截面積越大，壓力越小
⑵拱形橋：拱起了腰的紙條可以馱起一盒火柴，這說明，向上拱起的物體最能承受外來的壓力，它的強度要比沒有拱起時大?；鸩窈袎涸诩埞皹蛏希o予紙拱的是一種靜態外力，它和作用在裝甲車上的子彈沖擊力不同。紙拱橋這種抵抗靜態外力的本領，就叫靜強度。
我們的祖先很早就發現了拱形物體的這種性質，并且把它運用到建筑上去。各地發掘出的東漢古墓，
多數有“拱”式結構，可見一千幾百年前我國的筑拱技術已經相當普及了?，F存的最古老的石拱橋是我國的趙州橋。趙州橋是隋朝石匠李春設計監造的，自公元616年建成，到現在已經有1300多年的歷史了。這座石橋橫跨在河北趙縣城南洨河上，有著一個弧形的橋洞，猶如跨在河上的長虹。在漫長的歲月里，趙州橋經受了地震的搖撼，洪水的沖擊，車馬的壓軋，仍然屹立在洨河上。（圖一）趙州橋不但有個弧形的大拱，而且在橋肩還有4個小拱。當山洪暴發時，小拱可以把洪水泄走。趙州橋堅固的秘密正在拱上。我國科技人員和工人繼承并發展了拱橋建筑的傳統，運用現代強度理論以及工程學，創造了雙曲拱橋。雙曲拱橋的外形同一般的空腹式拱橋好像沒有什么區別。但是你如果走到橋下一看，就會發現它的肚皮是凹的，好像由幾條自行車的擋泥板拼起來的，真是拱中有拱。這種橋的優點是造價低，載重負荷大，施工方便，節省材料。宏偉的南京長江大橋的公路引橋便是這種雙曲拱橋。（圖二）
雙曲拱比單曲拱能承受更大的載荷，主要是因為雙曲拱不僅在一個方向上呈拱形，而且在與其垂直的另一方向也呈拱形。
自行車的擋泥板就是這種雙曲拱形的。當它受力時，力使沿著兩個拱的方向更均勻地傳遞；某一局部受力過大時，雙曲拱能迅速自行調整平衡，使整個雙拱曲不會因局部受力過大而損壞。
拱形結構除了能用于建造橋梁外，另一個重大的用處就是建造水壩。特別是雙曲拱形壩，由于拱形頂
所受的水壓力能通過拱體均勻地傳遞給河岸，依靠堅固的兩岸來維持的穩定，它與完全靠自身重量來維持平衡的重力壩相比，不僅可以減少體積，節約材料，而且還有一定的彈性，對地基的局部變形具有一定的適應能力，有較好的抗震性能。
我們的腳上就長著“雙曲拱橋”，它就是人的足弓正常的腳都可以區分出三個足弓：兩個縱向的縱弓和一個橫斷面上的橫弓。
⑶橋的歷史與發展現狀：
我國古代橋梁多用木、石、藤、竹及至皮革之類的天然材料，鍛鐵出現以后有了簡單的鐵鏈橋。它們的強度都很低。木、藤、竹，皮革類易腐爛，能夠保留至今的古代橋梁多為石橋。中國古代著名石橋有：1河北趙州安濟橋、2北京瀘溝橋、3泉州安平橋。1900-1949年，這一時期中國的橋梁建設幾乎處于停滯狀態，特別是由中國自行建設的橋梁工程更是寥寥無幾。其中代表橋梁是1943年由我國老一輩橋梁工程專家茅以升老先生主持設計并建設的杭州錢塘江大橋。（圖三）
錢塘江大橋位于杭州閘口六和塔附近，是由我國工程師自行設計并監造的第一座雙層式公、鐵兩用橋。全橋長1453米，正橋長1072米，兩岸引橋長381米。于1931年11月11日舉行開工典禮，1935年通車。這座現代化的鋼鐵大橋為溝通南北交通作出了突出的貢獻，同時也標志著中國使用鋼鐵建設橋梁進入了一個全新的階段。
同時期的國外橋梁已遠遠超過中國，鋼鐵技術達到高峰，出現了第一次懸索橋建設高潮。著名的橋梁有：1931年建成的紐約華盛頓橋、1937年建成的舊金山大橋、1932年建成的悉尼鋼拱橋。
1950年—1978年中，我國的橋梁建設經歷了艱苦創業和曲折發展兩個歷史時期。武漢長江大橋（圖四）與南京長江大橋先后建成通車。
中國橋梁建設的一大里程碑--南京長江大橋，位于江蘇省南京市，正橋為公、鐵層連續桁梁橋，長1576米。南京長江大橋是完全依靠自己的技術力量和國產材料建成的長江大橋，因此，它的建成標志著我國的建橋技術進入了一個獨立自主的新水平、新階段。同時期的外國橋梁出現了多元紛呈、各顯其能的新趨勢。斜拉橋成為主要橋型，日本和丹麥開始實施宏偉的跨海工程計劃。
1979-1999年，在這短短的二十年里，中國現代橋梁事業取得了令人刮目相看的成績，并迅速趕上世界
橋梁建設的先進水平。上海南浦大橋、楊浦大橋和徐浦大橋確定了我國橋梁的世界地位。五座懸索橋：跨度452米的汕頭海灣大橋、跨度888米的廣東虎門大橋、跨度900米的西凌長江大橋、跨度1385米的江陰長江大橋和跨度648米的廈門海滄大橋的同時興建，標志著中國正在走向世界橋梁王國之列。
我國在現代橋梁建設技術方面，已躋身世界先進行列。
目前，我國已經能夠熟練建造長大跨徑、深水基礎橋梁，橋梁建設技術躋身世界前列。
據交通部部長黃鎮東介紹，如預應力混凝土梁橋、各式拱橋、斜拉橋和懸索橋建設，我國都實現了技術上的突破和發展。我國先后建成了江陰長江大橋、虎門大橋、萬縣長江大橋、南京長江二橋等一批技術含量高、在世界上有影響的重大工程項目。江陰長江大橋主跨跨徑1385米，是20世紀我國修建的跨度最大的橋梁，居世界同類斜拉懸索橋第四位。萬縣長江大橋特大跨鋼筋混凝土拱橋設計和施工，是一項國際創新的技術，獲2000年國家科技進步一等獎?；㈤T大橋建設成套技術獲2000年國家科技進步二等獎。
新技術、新工藝、新設備的采用保障了我國橋梁建設事業的快速發展。截至去年底，全國共有各類公路橋梁24萬座，共計865萬延米，其中特大橋1139座，大橋12741座。這些橋梁造型優美，美觀實用，成為當地的一道風景。
橋梁作為一跨越結構，其造型千姿百態，這主要受其跨度、材料、荷載及施工方法四大因素的影響，當然也包括人的意識形態或者說是審美趨向的影響。只是一些杰出的橋梁工程師，他們利用自己對工程結構的深刻理解，大膽、執著、創造性地設計出許多偉大的橋梁（式），如林同炎設計的反吊橋、曲線斜拉橋、展翅梁橋及預應力鋼橋等。2．方法背景：
⑴紙橋的制作方法及要求：
制作時間35分鐘
橋的強度（兩橋墩之間）不小于15厘米，橋寬不小于5厘米
橋的承重力強，堅固（以重物重量為準）
⑵科學的研究方法：
①用聲像演示的手段向學生展示橋梁用各種物件，如工字型鋼、角鋼等（如圖），使學生理解通過改變紙的形狀，可以增加柔軟紙的強度并能承載一定的重量。學生自己動手試驗，尋找更多的用改變紙的形狀增加紙承載重量的方法，以此培養學生探索、觀察、分析能力；初步訓練學生能將常見的事物本質屬性抽象、概括，形成科學概念的概括、推理、歸納、綜合能力。
②學生查找資料或向教師、家長請教“物體形狀和強度的關系”及科學原理，收集和查閱有關橋梁設計、造型方面的資料和圖片。訓練學生學會收集、整理和初步運用多種信息，有目的地開展調查研
究的方法。并將收集到的資料、信息積累起來，分類保管，樹立信息積累的觀念。
③學生以組為單位活動。要求各活動小組根據本組設計的圖紙，按制作要求密切合作，完成紙橋的制作。在制作過程中，注意用“記錄紙”（或教師提供的數據表）記錄相關數據。使學生學會處理觀察、制作結果的科學方法。
④各活動小組展示各自作品，由各組選派一名同學談設計制作的感受。訓練學生運用語言完整表達觀察結果、制作過程、描述成品的能力。
⑶科學行為習慣的養成：
①通過獨立完成查找資料、準備設計圖紙等自主學習活動，培養學生學習的自覺性，并掌握良好的閱讀技能，養成自覺進行課外閱讀的習慣。
②活動小組協作完成紙橋制作，培養學生團結合作的團隊精神。
③制作中注意記錄數據，養成良好的科學行為習慣。
3．重要詞匯：壓力、壓強、靜強度、承重力
◇設計思路
（一）活動內容的可行性及成功的原因：
1．
活動內容的選擇符合學生現有的知識結構和認知水平，注重培養學生運用綜合的知識能力解決實際問
題，在活動中綜合運用了物理、數學、幾何、美術和手工制作等多方面的知識和能力。
2．活動內容的選擇具有一定的科技含量，把研究、實驗、制作有機的結合起來，有助于培養學生的科技意識、科學方法和科學的探索精神。
3．活動過程設計突出以學生為主體的教學過程，啟發學生自主學習，主動探索，充分發揮學生在學習上的主動性和創造能力。
4．根據活動內容，確定活動形式，精心設計活動過程是成功上好活動課的關鍵。5．選擇恰當的活動形式，可以有效地激發學生學習的興趣，使他們始終保持良好的學習狀態。
6．
充分的課前準備，是上好活動課的前提和保障，它包括：活動方案設計、收集資料、教師課前實驗、研究、制作、教學用具、材料、設備準備（錄像、投影儀等）。
（二）活動要點：
1．活動以小組為單位，全班分成若干活動小組（每組4人）采取競賽的形式進行活動。2．教師引導學生進行紙的強度和承重實驗，確定實驗目的，為進行紙橋設計做準備。3．課前要求學生收集橋的圖片資料和有關材料力學方面的資料，課上研究設計紙橋的制作圖紙。
4．按照設計圖紙制作紙橋。完成后，以組為單位進行展示，評比。
5．紙橋的評比要求及標準：
①制作時間：35分鐘（30分）
②橋墩跨度20-25厘米，橋面寬5-7厘米（10分）
③橋的承重強、堅固（以重物重量為準）跨度大的于要求可酌情加分
④橋的造型美觀（30分）
◇實施條件
1．學生用活動器材
⑴材料：八開圖畫紙若干張每座橋用四張八開圖畫紙
⑵用具：剪刀、糨糊、鉛筆、橡皮、直尺、圓規、三角板等
⑶架設物：圖書、紙盒或木塊等，由學生任意選擇
2．教具和設備
⑴天平、砝碼、石子等
⑵錄放像機、電視機各一臺，實物投影儀一臺
3．場地要求
在普通教室內分組活動
4．指導者的人力資源
◇活動過程
（一）第一次活動：探究紙的形狀與它所承受的重量的關系（或稱：紙的強度試驗）活動時間：45分鐘
1．導入：
用聲像演示的手段向學生展示橋梁用各種物件，如工字型鋼、角鋼等（如圖），使學生理解通過改變紙的形狀，可以增加柔軟紙的強度并能承載一定的重量。啟發和引導學生探索，并用試驗的方法，尋
找更多的用改變紙的形狀增加紙承載重量的方法。
2．活動的開展
⑴教師巡視學生試驗過程并隨機指導。
⑵要求學生用文字、圖表等不同形式把制作方案表述清楚。
⑶
將滿意的設計圖樣制作成寬不小于5厘米，長不小于15厘米的“橋面”，并測量出它的承重量。選出小組內承重量最大的“橋面”，試分析承重量最大的原因，（用作架設物的書、紙盒或木塊，由學生自由選擇）
⑷成果展示與交流
每一小組選出一名同學，匯報并展示小組成果，組內同學補充。選出最佳設計方案。3．布置本次活動后的任務和下一次活動的內容：
⑴活動后查找資料或向教師、家長請教“物體形狀和強度的關系”及科學原理。
⑵根據本次活動的實驗方法和有關資料的學習，初步構思紙橋的結構造型。
⑶收集和查閱有關橋梁設計、造型方面的資料和圖片。為紙橋的設計勾畫草圖。（二）第二次活動：紙橋的設計活動時間：45分鐘
1．導入：
教師布置本次活動預定完成的目標。
⑴用同學們交流信息的方式，使學生對物體的形狀與強度的關系有進一步的認識；
⑵通過同學展示所獲得的資料、紙橋草圖的方式啟發學生思路。
2.活動的開展：
⑴
首先請同學們觀賞部分橋梁的圖片資料。本課要求各小組根據每個同學的構思和搜集的資料、圖片共同研究紙橋的設計方案并畫出圖紙。（設計時間30分鐘。）
⑵學生以組為單位開始活動（教師巡視）
3.活動小結：
課上同學們進行了紙橋的圖樣設計，不完善的地方需進一步修改，特別是如何提高橋面的承重強度應作進一步的研究和探索并利用課余時間進行制作練習，為下節課紙橋的制作作好準備。
（三）第三次活動：紙橋的制作活動時間：45分鐘
課前要求學生根據小組設計橋的方案準備好相應的材料和用具。
1．錄像導入：
展示前兩節課活動過程。
2．活動的開展：
上節課進行了紙橋的設計，各組完成了制作圖紙。本課要求各活動
小組根據本組設計的圖紙，按制作要求密切合作，完成紙工橋的制作。
