設計一座美麗的拱橋

喻晨亮 馬敏 賀森

喻晨亮 安徽省合肥一六八玫瑰園學校信息技術教師，華南師范大學教育技術學研究生。曾獲“合肥市優秀科技輔導員”，多次指導學生參加青少年科技創新大賽獲得市一等獎;受中國科技大學數字科學學院邀請開設“我眼中的STEAM教育”講座;獨立設計開發《3D創意設計》校本教材。

課程背景

PBL（Problem Based Learning）是以問題為導向的教學方法，強調以學習者為中心、以真實生活的問題為情境，有目的、有效率地完成知識技能的學習。

近些年，3D打印在中小學科技類課程中相當火熱，它不僅鍛煉了學生的空間想象能力，更提升了他們的審美能力和創造力。將3D打印與PBL教學模式融合后，學生不僅能夠學會3D建模軟件中的操作技能，更可以為自己的實際生活設計出有意義的作品。本課就是基于拱橋這一中國傳統建筑，教學生們如何利用建模軟件設計出美麗又實用的拱橋作品。

課例特色

1.將科學技術與建筑藝術相結合

拱橋是一種中國傳統建筑，在許多園林水域都可以看到，但是學生們很少去思考拱橋美麗的造型背后的科學依據是什么。例如：為什么橋拱都是對稱設計的？橋面的坡度如何保證人們上橋和下橋時不至于太陡？拱橋的扶手有什么作用？拱橋一般設計多高比較美觀？諸如此類的問題既能調動起學生的思考積極性，又能進一步領略拱橋的建筑之美。

2.將生活實際與工程問題相關聯

本節課中，教師以一位建橋工程師的來信為引子，啟發學生思考如何在一條水域上建一座經濟、美觀、實用的拱橋，讓學生想象自己就是一位工程師，從而設身處地地去思考拱橋的跨度、橋體的寬度以及橋梁的材料等問題。這些工程類問題能幫助學生更好地設計規劃模型，讓自己的作品更富有實際意義。

3.提升學生合作意識和創新能力

對于拱橋的設計，每位學生都有自己的想法，一節課的時間學生很難獨立完成整座橋的設計，小組合作學習此時發揮了很大作用。小組內部可以根據討論的結果，創造性地合作設計拱橋模型。

教學目標

1.能夠了解拱橋的力學結構和受力原理。

2.能夠欣賞領略我國傳統建筑——拱橋的美。

3.能夠使用3D軟件中的陣列命令制作拱橋的扶手和欄桿。

4.能夠使用3D軟件中的組合編輯功能制作橋的拱洞。

5.能夠初步掌握將平面草圖轉換為三維作品的方法與技巧。

6.在小組合作的過程中，學會如何表達觀點、辯證思考與大膽創新。

教學重點與難點

教學重點 使用3D軟件中的各種功能設計橋拱和扶手。

教學難點 掌握將平面草圖轉換為三維作品的方法與技巧。

教學過程

一、激趣導入，認識拱橋

課程一開始，教師通過提問和播放視頻的方式，快速地將學生帶入本節課的學習氛圍中。通過連續提問，激發起學生的學習興趣。

問題1：同學們，你們知道哪些中國的傳統建筑？（徽派建筑、吊腳樓、拱橋、四合院……）

問題2：說到拱橋，大家能夠給老師列舉一些著名的拱橋嗎？（盧溝橋、趙州橋、五亭橋……）

師：同學們的知識面可真廣，接下來我們來通過一段簡短的視頻，近距離地欣賞這些拱橋的美。觀看時留意一下，橋一般由幾部分組成，外觀造型有什么特點。（師生共同觀看《中國的拱橋》視頻片段）

問題3：請大家小組內討論交流，總結概括老師在你們觀看視頻前布置問題的答案。（拱橋一般由橋面、階梯、扶手、欄桿組成。拱橋的造型是半圓形的，橋體上的拱是對稱分布的。拱橋通常是石質材料建造的）

師：同學們觀察得非常仔細，今天我們就來學習如何設計一座精美的拱橋。

二、繪制草圖，設計拱橋

1.閱讀材料，明確目的

教師呈現一份魯工程師的求助信（如圖1）通過這種方式，學生可以將模型設計和具體的生活問題相聯系。

師：請各位同學仔細閱讀這封求助信，明確模型的制作要求。（保證8人在橋面上同時行走時不擁擠，這就大致確定了橋面的寬度;保證3艘游船能同時經過橋洞，這就大致確定了最大拱的寬度和高度）

2.明確參數，設計圖紙

給出設計中的具體參數（如圖2），供學生設計模型。

師：請同學們思考一下，在設計圖紙時應該注意什么？（及時標注各個部分的參數;設置統一的比例尺，方便在3D軟件中設計模型，可參考圖3）

三、學習技能，制作拱橋

1.利用草圖繪制工具制作拱橋截面

師：之前的課上我們已經學會了如何使用直線工具和曲線工具繪制封閉的草圖，接下來我們先將拱橋的截面繪制出來。

教師演示繪制的方法，學生觀看，根據自己的草圖設計參數模仿繪制出拱橋的截面圖。

2.利用拉伸工具做出橋身

師：之前的課上我們已經學習了拉伸命令，接下來請大家使用這個命令將橋的整體造型制作出來。

根據之前繪制的草圖，學生自己動手拉伸制作橋身部分，如圖4。

3.使用組合編輯工具制作橋拱

給學生觀看一段3D軟件中組合編輯工具使用的微課，通過微課學生能夠直觀明了地學習加運算、減運算、交運算等功能。

師：制作橋拱應該用哪種組合編輯功能呢？（減運算。學生動手制作橋拱，如圖5）

4.使用陣列命令制作階梯和扶手欄桿

師：拱橋的橋體已經基本設計完成了，但為了讓行人可以更加平穩地上下橋，我們還需要在橋的兩端增加一些階梯，在橋身上增加一些扶手欄桿來提升橋的安全性和美觀性。

教師演示如何使用陣列命令快速制作階梯。（學生觀看，并舉一反三動手設計自己作品中的階梯和欄桿，如圖6）

四、師生互評，作品欣賞

學生耐心細致地完成自己的作品并提交，教師邀請學生上臺展示自己的成果，并簡要說明自己作品的設計理念和獨到之處。師生互評并賞析。

五、歸納總結，創新提升

教師展示3D打印機打印出來的拱橋作品。

師：通過今天的學習，同學們已經熟練地掌握了3D軟件中陣列和組合運算功能的使用。拱橋是我國傳統建筑之一，不僅外部造型美觀，更重要的是它堅固耐用，是我們祖先智慧的結晶。利用今天這節課學到的知識，你還能設計出什么有意義的傳統建筑模型呢？（比如城堡、吊橋、長廊……）

教學反思

本課以設計拱橋為項目任務，主要目的是讓學生學會聯系實際生活，分析具體問題，理解拱橋的建筑特點以及如何使用3D建模軟件設計制作拱橋模型，啟發學生觀察生活中的各種事物，嘗試用學校學到的知識解決身邊的問題。

由于時間的關系，本節課將兩課時（草圖設計和模型設計）合并成一課時，致使一些在設計上追求精致的同學個別任務沒有當堂完成，但是回家后他們利用課余時間還是完成了模型的設計。本節課面向的對象是中高年級的學生，他們具有獨立思考的能力，但在交流和溝通上顯得不夠活躍。在今后類似的課程中，我會加入更多討論甚至是辯論的環節，讓學生在習得知識的同時具備活躍的思維。