運用虛擬設(shè)計軟件培養(yǎng)通用技術(shù)核心素養(yǎng)的教學實踐

【摘要】本文分析當前橋梁設(shè)計制作項目在高中通用技術(shù)課程實施過程中培養(yǎng)核心素養(yǎng)方面存在的不足，提出發(fā)揮信息技術(shù)教學手段的優(yōu)勢，將Bridge Designer虛擬設(shè)計軟件運用到通用技術(shù)課堂教學中，以此促進學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，并以橋梁設(shè)計項目為例，論述Bridge Designer虛擬設(shè)計軟件在通用技術(shù)課堂教學中的具體應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】高中通用技術(shù)課程 核心素養(yǎng) 信息技術(shù) 虛擬設(shè)計軟件 Bridge Designer

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）11-0100-05

高中通用技術(shù)課程的核心目標是培養(yǎng)學生的技術(shù)素養(yǎng)，提高學生的設(shè)計能力和動手能力，以使學生將來更好地適應(yīng)未來的社會。技術(shù)試驗和動手實踐是通用技術(shù)課程中非常重要的學習方式，是培養(yǎng)學生工程思維、創(chuàng)新設(shè)計和物化能力等核心素養(yǎng)的主要手段。橋梁設(shè)計類項目作為一種典型的工程設(shè)計項目，在通用技術(shù)課程中發(fā)揮著特別的育人價值，對培養(yǎng)學生的實踐操作能力、科學探究能力和創(chuàng)新思維能力能起到積極的作用，深受很多通用技術(shù)教師的青睞，但是這類課程也存在不足。本文探討通過引入虛擬設(shè)計軟件，以游戲化和虛擬實驗的方式來改進橋梁設(shè)計項目，以此提高學生的技術(shù)素養(yǎng)和動手實踐能力。

一、當前高中通用技術(shù)橋梁設(shè)計類項目課程存在的不足

通用技術(shù)課的學習非常強調(diào)通過技術(shù)活動培養(yǎng)學生的技術(shù)素養(yǎng)，而對橋梁知識的學習可以激發(fā)學生學好技術(shù)的積極性。學生通過實驗探究，掌握橋梁工程知識和原理，通過動手實踐完成橋梁模型制作，在面對類似真實的工程情境問題時，嘗試找到創(chuàng)新解決方案，實現(xiàn)圖樣表達、創(chuàng)新設(shè)計、工程思維、物化能力等學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，但是橋梁設(shè)計類項目教學還存在諸多不足，主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

一是科學性不足。在教學實踐中，學生雖然了解橋梁結(jié)構(gòu)，也通過體驗設(shè)計制作過程初步完成橋梁設(shè)計，但是他們更多是對一些經(jīng)典結(jié)構(gòu)的模仿和外形上的創(chuàng)新，對其中蘊含的科學知識理解不夠深刻。例如，在設(shè)計制作橋梁的過程中，學生增加了很多三角形來增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度，但是哪些三角形是有效的、哪些三角形是無效的，他們并不十分清楚。

二是重視技能練習，思維提升不夠。很多橋梁類項目課程雖然對技術(shù)問題有所探究，但都是比較淺層次的探討，往往更側(cè)重工程模型制作，在教學實踐中對探究過程中科學理性的分析重視程度不高，學生的時間和精力主要放在制作的成品上，更關(guān)注加工的技術(shù)技巧，對科學思維能力的訓(xùn)練重視不足。

三是橋梁測試反饋不利于設(shè)計的改進。橋梁類項目課程很多都是利用承重進行測試，學生利用簡單的紙張、木條或者吸管等材料制作模型時，如果設(shè)計有缺陷是不能提前判斷出來的，只能在制作出模型后通過測試發(fā)現(xiàn)，有些模型測試后完全破壞了結(jié)構(gòu)，學生只能重新制作，費時費力，既不利于設(shè)計改進，又大大降低了學習效率。

總之，要讓學生在橋梁項目中真正體會工程思維存在較大的難度，受限于學生的認知水平、知識積累以及學習課時，教學中只能有所側(cè)重地對橋梁的方案設(shè)計、計算進行比較淺層次的探索，很多設(shè)計方案最后成了空中樓閣，就算學生完成模型的制作和測試，對其中原理的理解依然是非常模糊的。

二、虛擬設(shè)計軟件運用于高中通用技術(shù)橋梁類設(shè)計項目課程的優(yōu)點

針對以上問題，筆者認為可以通過運用橋梁虛擬設(shè)計軟件來解決。橋梁虛擬設(shè)計軟件有很多，如Bridge Master、Csi Bridge、Autodesk Structural Bridge Design等，但這些都是比較專業(yè)的橋梁設(shè)計軟件，需要比較扎實的橋梁專業(yè)知識基礎(chǔ)，不適合高中生使用，因此筆者推薦Bridge Designer 2016這款設(shè)計軟件。Bridge Designer 2016是一個免費的教育軟件包，旨在通過高速公路桁架橋的設(shè)計為中學生提供真實的工程體驗。它允許使用者設(shè)計一個虛擬橋梁且可以3D模擬卡車通過橋梁時出現(xiàn)的問題，會計算出卡車負載通過時力的分布方式。它既是設(shè)計工具又是評估工具。設(shè)計橋梁時可以利用該軟件動畫模擬測試負載能否通過，如果不能通過軟件會提示發(fā)生故障的地方，顯示每個構(gòu)件上的力有多大，也可以計算設(shè)計方案的建設(shè)成本，還可以通過修改相關(guān)數(shù)據(jù)來測試橋梁的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化建造成本。在通用技術(shù)課程中使用該軟件具有以下優(yōu)點。

（一）它是經(jīng)過一定簡化的典型工程項目設(shè)計軟件，簡單易用，教師和學生都比較容易上手。該軟件功能豐富，既能對項目進行反復(fù)設(shè)計和對各種參數(shù)進行校驗，又可以避開大量復(fù)雜的專業(yè)數(shù)據(jù)計算，方便教師進行教學演示，也適合學生自己操作。

（二）在橋梁項目課程中使用這個軟件有助于學生通過“做”的過程理解結(jié)構(gòu)與設(shè)計、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強度、設(shè)計的流程、系統(tǒng)及其特性、系統(tǒng)分析及優(yōu)化等通用技術(shù)課程中的相關(guān)概念。Bridge Designer 2016具有明確、清晰的使用場景——設(shè)計橋梁，可以輕松將學生引入一個接近真實的工程場景進行學習，它的動畫模擬功能允許學生實時、可視化地看到自己設(shè)計的結(jié)果。學生可以通過不斷改變各種參數(shù)，以系統(tǒng)思考的方式，對設(shè)計方案進行比較和權(quán)衡。軟件既簡化抽象了真實的工程場景，又保留了設(shè)計的可操作性，游戲化的學習、有趣的情境、簡單的操作對高中生而言是一款非常理想的學習軟件。

（三）軟件使用成本低，仿真功能可以提高課堂效率。Bridge Designer 2016是一款免費軟件，可以下載安裝到學校計算機室，讓每名學生都使用。軟件動畫的趣味性能激發(fā)學生學習興趣，良好的體驗感可以讓學生對通用技術(shù)課程知識的學習和理解更加深刻，軟件測試的即時反饋以及具體數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)可以使學生很快明白自己設(shè)計的缺陷以及改進的方向，從而不斷修改方案去完善橋梁的設(shè)計，既能夠讓學生體會到目標達成的喜悅感，又可以大大提高課堂教學的效率。

三、在高中通用技術(shù)課中運用虛擬設(shè)計軟件培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的教學實踐

下面，筆者以江蘇教育出版社出版的2017年版通用技術(shù)教材必修二的教學單元“系統(tǒng)及其設(shè)計”為例，論述虛擬設(shè)計軟件在高中通用技術(shù)課中的應(yīng)用。

《普通高中通用技術(shù)課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）關(guān)于“系統(tǒng)及其設(shè)計”的內(nèi)容要求如下：從技術(shù)應(yīng)用的角度理解系統(tǒng)的含義、基本構(gòu)成及主要特性，結(jié)合實例學會系統(tǒng)分析的基本方法；通過技術(shù)探究，分析影響系統(tǒng)優(yōu)化的因素，并通過對簡單系統(tǒng)的設(shè)計實踐，初步學會簡單系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，增強系統(tǒng)與工程思維的能力。根據(jù)《課程標準》，本單元學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標如表1所示。

“系統(tǒng)”是通用技術(shù)課程中十分重要的大概念，本部分教學內(nèi)容涉及系統(tǒng)分析過程、系統(tǒng)分析方法、系統(tǒng)分析原則、簡單系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化等，內(nèi)涵非常豐富，教材中使用了按壓式水龍頭、自行車、輪滑鞋、雨水收集與利用系統(tǒng)、火力發(fā)電站系統(tǒng)等實例來開展教學。這些實例看似一說就懂，但是太多的實例把本單元系統(tǒng)的相關(guān)概念分割呈現(xiàn)，不利于學生形成關(guān)于“系統(tǒng)及其設(shè)計”的大概念。橋梁是比較常見的一種系統(tǒng)，學生對它有一定的認識，只是認識還比較粗淺，橋梁的構(gòu)成和設(shè)計涉及橋梁系統(tǒng)的組成、設(shè)計分析和優(yōu)化等諸多內(nèi)容。因此，以橋梁為主題讓學生探究本單元的內(nèi)容是比較合適的。學習本單元之前，學生已經(jīng)了解了設(shè)計軟件的基本功能，筆者在本單元的教學中使用Bridge Designer 2016軟件進行教學實踐，下面選取其中兩個片段進行闡述。

（一）虛擬設(shè)計軟件幫助學生體驗系統(tǒng)分析的一般過程

系統(tǒng)分析的一般過程有四個環(huán)節(jié)：明確問題，設(shè)立目標—收集資料，制訂方案—分析計算，評價比較—檢驗核實，做出決策。如果由教師直接講授該內(nèi)容，然后讓學生逐個體會，學生只是知道了一個知識點，對系統(tǒng)分析過程的認識仍停留在比較淺的層面，實際教學效果不佳。筆者教學時把Bridge Designer 2016軟件引入課堂，設(shè)置了學生設(shè)計橋梁的任務(wù)，幫助學生充分體驗并理解這個過程。用虛擬設(shè)計軟件來探索橋梁的設(shè)計，學生感覺很新鮮，他們可以通過充分發(fā)揮自己的想象力進行嘗試，也可以和同學相互討論、比較各種設(shè)計，更好地沉浸在學習過程中，充分體現(xiàn)了學生的學習主體地位。再加上教師的引導(dǎo)點撥，學生很容易就可以理解系統(tǒng)分析一般過程這個教學重點。

【學生任務(wù)】利用Bridge Designer 2016軟件設(shè)計一個標高為24米、能夠通過載重測試的橋梁，體會系統(tǒng)設(shè)計的過程。

【課堂實錄】

教師提出設(shè)計任務(wù)，學生每人一臺計算機，用設(shè)計軟件嘗試完成任務(wù)。

（3分鐘后）

生1：老師，我這個橋梁為什么總是不能開始測試？（該生設(shè)計的橋梁如圖1所示）

師：你認為這個橋梁的結(jié)構(gòu)合理嗎？

生1：我覺得合理。

師：為什么設(shè)計成這樣的結(jié)構(gòu)？

生1：我覺得這樣的形狀更有特色。

師：這個結(jié)構(gòu)不能通過測試的原因是計算機結(jié)合結(jié)構(gòu)的形狀、材料等數(shù)據(jù)做了計算，目前運算的結(jié)果表明這個設(shè)計是不能支撐起通行的車輛的。圖中標記了顏色的構(gòu)件和右邊的數(shù)據(jù)表格顯示了它們的受力情況。如果你不想改變這個結(jié)構(gòu)的形狀，可以修改這些構(gòu)件的其他參數(shù)試一試。

學生修改構(gòu)件的材料和材料的厚度后，重新進行了測試，測試結(jié)果顯示橋梁直接坍塌（如圖2所示）。

學生設(shè)計不成功的動畫引起了鄰座同學的關(guān)注，學生與鄰座同學針對這個設(shè)計展開討論，分析表格中的數(shù)據(jù)，繼續(xù)修改設(shè)計參數(shù)，最終通過測試（如圖3所示）。

學生都完成設(shè)計后，教師讓部分學生向全班展示設(shè)計成果，引導(dǎo)學生回顧整個流程，通過分析橋梁設(shè)計的流程，引導(dǎo)學生理解：其實在這個設(shè)計過程中，同學們也在做系統(tǒng)分析，這個流程對應(yīng)的就是系統(tǒng)分析的一般過程——明確問題，設(shè)立目標→收集資料，制訂方案→分析計算，評價比較→檢驗核實，做出決策。在以上教學過程中，學生通過虛擬設(shè)計軟件完成課堂任務(wù)，在橋梁設(shè)計的復(fù)雜技術(shù)情境中，能嘗試通過反復(fù)的模擬試驗體驗技術(shù)設(shè)計的各種方法，有利于“創(chuàng)新設(shè)計”這一學科核心素養(yǎng)的形成。橋梁設(shè)計是復(fù)雜的技術(shù)問題，由于仿真軟件簡化了設(shè)計橋梁過程中復(fù)雜的專業(yè)計算并讓設(shè)計者可以看到橋梁各個構(gòu)件受力情況的相關(guān)數(shù)據(jù)，所以學生通過仿真軟件運用系統(tǒng)分析的方法，嘗試運用模擬試驗的方法，根據(jù)具體的數(shù)據(jù)考慮各種影響因素，并進行決策分析和性能評估，充分訓(xùn)練了“工程思維”學科核心素養(yǎng)。不同學生將自己設(shè)計出的橋梁通過圖形和動畫直觀地呈現(xiàn)、分享、交流、討論、修改等過程，鍛煉了他們用技術(shù)語言進行設(shè)計表達的能力，有利于“圖樣表達”學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

（二）虛擬設(shè)計軟件輔助學生理解系統(tǒng)的優(yōu)化

系統(tǒng)的優(yōu)化教學難點在于，系統(tǒng)優(yōu)化的過程分析需要借助數(shù)學手段定量與定性結(jié)合進行分析比較，尋求最優(yōu)方案。為此，筆者在教學中設(shè)置了讓學生在虛擬設(shè)計軟件中體驗橋梁系統(tǒng)優(yōu)化的任務(wù)。通過軟件強大的功能，學生可以零成本地進行試錯和修改設(shè)計方案，能更好地體會系統(tǒng)優(yōu)化的過程，也可以很直觀地看到其中的數(shù)據(jù)變化和優(yōu)化后的效果。學生充分體驗后，教師引導(dǎo)學生反思整個優(yōu)化過程，學生很容易從自己的體驗中歸納出優(yōu)化設(shè)計需要考慮的主要問題，進而理解系統(tǒng)優(yōu)化的方法。

【學生任務(wù)】按要求優(yōu)化你所設(shè)計的橋梁。要求在導(dǎo)學案上記錄下當前你的設(shè)計方案總造價，在保證能通過載重測試的前提下優(yōu)化你的設(shè)計，使總造價盡可能低，記錄下最終的總造價，并與設(shè)計優(yōu)化前進行對比。

【課堂實錄】

學生按任務(wù)要求對已經(jīng)做出的橋梁進行成本優(yōu)化，教師巡視指導(dǎo)。5分鐘后，教師請學生2進行展示并詢問。

師：請向大家介紹一下你的作品，優(yōu)化前后的總價分別是多少？

生2：優(yōu)化之前的總價是297.2萬，優(yōu)化之后的總價是253.4萬。

師：你做了哪些優(yōu)化？

生2：把材質(zhì)更換了一些，有些原來用調(diào)質(zhì)鋼的換成了低合金高強度鋼，兩邊的結(jié)構(gòu)也把大的構(gòu)件分成了兩個小的構(gòu)件來支撐，還有一些構(gòu)件是把空心的換成實心的。

師：這樣修改就可以了嗎？

生2：差不多吧！

師：修改了多少次？

生2：不記得了，改了很多次。

師：你對現(xiàn)在的優(yōu)化結(jié)果滿意了嗎？

生2：我覺得還可以再優(yōu)化。

師：給你2分鐘時間繼續(xù)優(yōu)化吧。

學生基本完成優(yōu)化后，教師引導(dǎo)學生總結(jié)：系統(tǒng)優(yōu)化的方法有多種，有些是通過數(shù)學模型來求解，有些則是通過科學估算、實驗和其他方法來實現(xiàn)。然而，無論采用哪種優(yōu)化方法，都需要多次改進和驗證才能獲得最優(yōu)或滿意的方案。為實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)目標而提出的求解方法稱為優(yōu)化方法。《課程標準》指出，“工程思維”是以系統(tǒng)分析和權(quán)衡比較為核心的一種籌劃性思維，學生在進行橋梁優(yōu)化的過程中，反復(fù)嘗試、比較、修改，在仿真軟件的環(huán)境下，修改的數(shù)據(jù)以及匹配的結(jié)果都可以即時呈現(xiàn)，試錯的成本基本為零，優(yōu)化過程高效。這就讓學生能夠在接近真實的工程情境中權(quán)衡，迅速找到相對優(yōu)勢的解決方案。在課堂任務(wù)完成過程中，工程思維作為技術(shù)活動的靈魂貫穿始終，能夠反映出學生思維發(fā)展的程度和解決問題的能力，促進了學生學科核心素養(yǎng)的形成。

從以上兩個教學片段可以看出，虛擬設(shè)計軟件運用于課堂實踐有效地促進了學生“創(chuàng)新設(shè)計”“工程思維”和“圖樣表達”等學科核心素養(yǎng)的提高。整個單元教學結(jié)束后，通過對學生的課堂觀察和隨機對部分學生的課后訪談，筆者發(fā)現(xiàn)學生對什么是系統(tǒng)以及系統(tǒng)的特性、系統(tǒng)的分析和優(yōu)化都能夠清晰地表達出來，而且學生在課堂上參與積極性極高。有些學生在設(shè)計橋梁時思維天馬行空，不考慮其結(jié)構(gòu)受力，在軟件中畫出明顯不符合力學原理的結(jié)構(gòu)，測試時立即看到垮塌的效果，才認識到只有充分考慮結(jié)構(gòu)與受力、材料性能等因素，才能設(shè)計出符合要求的橋梁，這些內(nèi)容不再需要教師反復(fù)強調(diào)，學生在使用軟件的過程中自己就可以體會出來。另外，有些學生雖然前后設(shè)計的結(jié)構(gòu)相似，但是軟件顯示的建設(shè)成本卻相差很多，教師引導(dǎo)學生比較后，學生能夠自己分析其中的原因，也更深入地理解了系統(tǒng)各部分相互影響、相互聯(lián)系的道理。虛擬軟件的使用對系統(tǒng)及其設(shè)計這個內(nèi)容的學習幫助很大，但是由于課時安排只有兩節(jié)課，不能讓學生實際搭建其設(shè)計的橋梁模型，對學生的物化能力提升作用尚不明顯。

通過與信息技術(shù)的融合，把游戲化的虛擬設(shè)計軟件Bridge Designer 2016引入通用技術(shù)課程，學生可以即時獲得反饋，有利于“教—學—評”一體化課堂的構(gòu)建。在仿真環(huán)境下進行技術(shù)學習，豐富了學習的方式，降低了技能學習的難度，提升了技術(shù)試驗的效率。可視化的界面也有利于技術(shù)設(shè)計方案的表達和交流，學生通過計算機虛擬軟件完成橋梁設(shè)計工作，設(shè)計創(chuàng)作和修改優(yōu)化可以靈活切換，縮短了設(shè)計和測試的周期，提高了學習的效率。用軟件設(shè)計仿真橋梁，不受材料、數(shù)量、測試儀器以及實驗場地的限制。在日常的教學實踐中，合理地運用Bridge Desinger 2016對各類典型的橋梁進行模擬仿真，可加深學生對設(shè)計流程、結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)及其特性、系統(tǒng)分析和優(yōu)化等學科核心概念的理解，有利于培養(yǎng)學生的“技術(shù)意識”“工程思維”“圖樣表達”等學科核心素養(yǎng)，而且可節(jié)省試驗場地與經(jīng)費，彌補了很多學校缺乏硬件試驗設(shè)施的不足。

橋梁虛擬設(shè)計軟件的使用有諸多優(yōu)點，但也有局限性。如橋梁實體模型的制作對培養(yǎng)學生實際動手能力的重要性是虛擬軟件不能取代的。通過實體模型的制作，學生必須了解材料性能，在制作模型時才能做到心中有數(shù)。真實材料的計算、測量、切割、打磨、搭建等技能也都必須通過動手操作才能掌握，這些都是軟件無法實現(xiàn)的。對此，從培養(yǎng)學生運用現(xiàn)代信息技術(shù)和實際操作能力出發(fā)，教師應(yīng)將Bridge Designer 2016設(shè)計軟件和傳統(tǒng)實踐教學有機結(jié)合，各取所長，充分發(fā)揮虛擬設(shè)計仿真與實操的各自優(yōu)勢，以達到最佳教學效果。

參考文獻

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［5］中華人民共和國教育部.普通高中技術(shù)課程標準（2017年版）［M］.北京：人民教育出版社，2018.

作者簡介：黃明迪（1975— ），廣西宜州人，碩士，高級教師，廣西普通高中通用技術(shù)學科中心組成員，主要研究方向為通用技術(shù)/信息技術(shù)教學、STEM課程教學與開發(fā)。

（責編 周翠如）