赵州桥结构特色教学设计与课堂方案

一、教学背景与设计理念赵州桥（安济桥）作为世界现存最早、保存最完整的敞肩石拱桥，其结构设计蕴含着古代工匠的卓越智慧，是中国桥梁建筑史乃至世界工程史的经典范例。本教学设计以“结构特色的科学解析与文化传承”为核心，遵循“情境激趣—探究建构—实践内化—拓展升华”的学习路径，将工程技术知识与历史文化、科学思维相融合，引导学生从“观察结构形态”到“理解力学原理”，再到“体悟文化价值”，实现知识、能力与情感的三维发展。二、教学目标（一）知识与技能1.准确描述赵州桥的核心结构组成（主拱、敞肩拱、桥墩等），理解“敞肩拱”“船型桥墩”的设计特征；2.分析敞肩拱、单孔大拱等结构的科学价值（如受力优化、泄洪通航、材料节约等），初步建立桥梁结构与功能的关联认知。（二）过程与方法1.通过“观察—对比—建模”活动，提升空间想象与动手实践能力；2.结合史料、模型与实验，学会从工程技术角度分析古代建筑的创新智慧。（三）情感态度与价值观1.体会中国古代工匠的创新精神与工匠精神，增强文化自信；2.认识“传统技术”对现代工程的启示，激发对桥梁建筑的探究兴趣。三、教学重难点（一）教学重点1.敞肩拱的设计原理：四个小拱对结构稳定性、泄洪能力的优化作用；2.赵州桥结构特色的“功能—结构”逻辑：为何选择单孔大拱？船型桥墩如何抗冲击？（二）教学难点1.用直观方式阐释拱券结构的力学原理（如荷载传递、应力分散）；2.引导学生从“历史遗存”中提取工程思维，建立“结构服务功能”的认知逻辑。四、教学准备1.教具与学具：赵州桥结构分解模型（可拆分展示主拱、小拱、桥墩）、实肩拱/敞肩拱对比模型（用亚克力板或纸板制作，模拟洪水冲击与荷载测试）、桥梁结构绘图模板；2.多媒体资源：赵州桥三维扫描动画（展示内部石材咬合工艺）、《中国石拱桥》课文片段、古代桥梁建造史料（如《营造法式》相关记载）；3.学习任务单：含“结构观察记录表”“力学原理猜想卡”“模型搭建评价量表”。五、教学过程（45分钟）（一）情境导入：诗画中的“苍龙卧波”（5分钟）播放赵州桥航拍视频，配合古诗“水从碧玉环中过，人在苍龙背上行”，提问：“视频中赵州桥的形态有何特别？‘碧玉环’‘苍龙背’分别对应什么结构？”展示隋代至现代的桥梁对比图（如多孔木桥、实肩石桥），引发认知冲突：“为何赵州桥能历经千年洪水、地震仍稳固？它的结构藏着什么秘密？”（二）新知探究：解构“千年不倒”的密码（20分钟）1.整体结构感知：从“参数”到“形态”呈现赵州桥基本参数（全长约50米，主拱跨径约37米，矢高约7米），引导学生用身体比划（如张开手臂模拟跨径），建立空间尺度认知；观察模型与图片，识别“单孔大拱+四个小拱”的核心形态，标注结构名称（主拱券、敞肩拱、护拱、船型桥墩）。2.敞肩拱的创新：“小拱”的三重智慧泄洪实验：用两个透明水箱（分别模拟实肩拱、敞肩拱模型）注入等量“洪水”，观察水流通过速度与滞留量。提问：“小拱如何帮赵州桥‘扛住’洪水？”（结论：增加过流面积，减少洪水对桥身的冲击力）自重实验：用弹簧秤称量实肩拱、敞肩拱模型的重量，结合拱券受力动画（展示荷载从桥面→拱券→桥墩的传递路径），分析：“小拱为何能‘减负’？”（结论：挖空小拱减少石材用量，同时小拱分担主拱的水平推力，增强稳定性）文化关联：展示《营造法式》中“券桥”技法记载，说明敞肩拱是中国工匠对“拱券技术”的突破性发展（比欧洲敞肩拱早数百年）。3.船型桥墩与咬合工艺：“抗冲击”的底层逻辑观察桥墩模型（船型设计，前尖后平），用水流冲击实验（注射器模拟水流）对比矩形桥墩与船型桥墩的受力差异，理解“分洪减冲”的原理；放大展示拱券石材的“双列并置、错缝咬合”工艺（三维动画拆解），提问：“为何石材不用黏合剂却能稳固千年？”（结论：利用拱券的“压力传递”特性，石材间的摩擦力与压力形成自锁结构）（三）实践内化：从“理解”到“创造”（15分钟）1.小组建模：用纸板搭建“迷你赵州桥”提供瓦楞纸板、剪刀、胶带，要求小组合作搭建含“主拱+敞肩拱+船型桥墩”的模型，标注关键结构；用砝码测试模型承重能力，结合“评价量表”（结构完整性、承重表现、创意优化）互评。2.思维拓展：“假如我是隋代工匠”创设情境：“若洨河洪水更猛，你会如何优化赵州桥？”引导学生从“结构形态”（如增加小拱数量）、“材料创新”（如尝试铁榫连接）等角度提出方案，并用模型或绘图呈现；对比现代桥梁（如港珠澳大桥的沉管隧道），讨论“赵州桥结构智慧的当代传承”（如大跨度拱券、减载设计的延续）。（四）总结升华：从“桥”到“文明”（5分钟）师生共同梳理：赵州桥的结构特色（单孔大拱、敞肩设计、船型桥墩、咬合工艺）及其科学价值（泄洪、省料、稳定、耐久）；拓展阅读：推荐《中国古桥技术史》或纪录片《超级工程》，鼓励学生调研家乡古桥的结构特色；情感共鸣：“赵州桥的‘千年不倒’，是工匠对自然规律的敬畏，对技术创新的执着。这份智慧，值得我们传承与超越。”六、教学评价设计（一）过程性评价观察学生在实验、建模中的参与度（如是否能准确操作仪器、小组协作是否高效）；记录“力学原理猜想卡”的质量（如是否能结合实验现象，用“压力传递”“分洪减冲”等术语分析）。（二）成果性评价模型搭建：结构完整性（是否包含核心结构）、承重表现（能承受多少砝码）、创意优化（是否有合理改进）；拓展作业：家乡古桥调研报告（图文结合，分析结构特色与赵州桥的关联）。七、教学反思与优化1.难点突破：若学生对“拱券受力”理解困难，可增加“鸡蛋拱”实验（用鸡蛋壳搭建拱券，感受压力传递），将抽象力学具象化；2.文化渗透：可补充李春等工匠的史料，或展示赵州桥历代修缮记录，体现“文物保护与技术传承”的当代意义；3.跨学科延伸：结合数学（拱券的弧长计算