運用虛擬設計軟件培養通用技術核心素養的教學實踐

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

【關鍵詞】高中通用技術課程 核心素養 信息技術 虛擬設計軟件 Bridge Designer

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）11-0100-05

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

一、當前高中通用技術橋梁設計類項目課程存在的不足

通用技術課的學習非常強調通過技術活動培養學生的技術素養，而對橋梁知識的學習可以激發學生學好技術的積極性。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，嘗試找到創新解決方案，實現圖樣表達、創新設計、工程思維、物化能力等學科核心素養的培養，但是橋梁設計類項目教學還存在諸多不足，主要體現在如下幾個方面。

一是科學性不足。在教學實踐中，學生雖然了解橋梁結構，也通過體驗設計制作過程初步完成橋梁設計，但是他們更多是對一些經典結構的模仿和外形上的創新，對其中蘊含的科學知識理解不夠深刻。例如，在設計制作橋梁的過程中，學生增加了很多三角形來增強結構的穩定性和強度，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問題有所探究，但都是比較淺層次的探討，往往更側重工程模型制作，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，更關注加工的技術技巧，對科學思維能力的訓練重視不足。

三是橋梁測試反饋不利于設計的改進。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現，有些模型測試后完全破壞了結構，學生只能重新制作，費時費力，既不利于設計改進，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，教學中只能有所側重地對橋梁的方案設計、計算進行比較淺層次的探索，很多設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、虛擬設計軟件運用于高中通用技術橋梁類設計項目課程的優點

針對以上問題，筆者認為可以通過運用橋梁虛擬設計軟件來解決。橋梁虛擬設計軟件有很多，如Bridge Master、Csi Bridge、Autodesk Structural Bridge Design等，但這些都是比較專業的橋梁設計軟件，需要比較扎實的橋梁專業知識基礎，不適合高中生使用，因此筆者推薦Bridge Designer 2016這款設計軟件。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計為中學生提供真實的工程體驗。它允許使用者設計一個虛擬橋梁且可以3D模擬卡車通過橋梁時出現的問題，會計算出卡車負載通過時力的分布方式。它既是設計工具又是評估工具。設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生故障的地方，顯示每個構件上的力有多大，也可以計算設計方案的建設成本，還可以通過修改相關數據來測試橋梁的結構以及優化建造成本。在通用技術課程中使用該軟件具有以下優點。

（一）它是經過一定簡化的典型工程項目設計軟件，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設計和對各種參數進行校驗，又可以避開大量復雜的專業數據計算，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”的過程理解結構與設計、結構的穩定性與強度、設計的流程、系統及其特性、系統分析及優化等通用技術課程中的相關概念。Bridge Designer 2016具有明確、清晰的使用場景——設計橋梁，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計的結果。學生可以通過不斷改變各種參數，以系統思考的方式，對設計方案進行比較和權衡。軟件既簡化抽象了真實的工程場景，又保留了設計的可操作性，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學生學習興趣，良好的體驗感可以讓學生對通用技術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據的呈現可以使學生很快明白自己設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、在高中通用技術課中運用虛擬設計軟件培養學科核心素養的教學實踐

下面，筆者以江蘇教育出版社出版的2017年版通用技術教材必修二的教學單元“系統及其設計”為例，論述虛擬設計軟件在高中通用技術課中的應用。

《普通高中通用技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）關于“系統及其設計”的內容要求如下：從技術應用的角度理解系統的含義、基本構成及主要特性，結合實例學會系統分析的基本方法；通過技術探究，分析影響系統優化的因素，并通過對簡單系統的設計實踐，初步學會簡單系統設計的基本方法，增強系統與工程思維的能力。根據《課程標準》，本單元學科核心素養培養目標如表1所示。

“系統”是通用技術課程中十分重要的大概念，本部分教學內容涉及系統分析過程、系統分析方法、系統分析原則、簡單系統設計與優化等，內涵非常豐富，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、火力發電站系統等實例來開展教學。這些實例看似一說就懂，但是太多的實例把本單元系統的相關概念分割呈現，不利于學生形成關于“系統及其設計”的大概念。橋梁是比較常見的一種系統，學生對它有一定的認識，只是認識還比較粗淺，橋梁的構成和設計涉及橋梁系統的組成、設計分析和優化等諸多內容。因此，以橋梁為主題讓學生探究本單元的內容是比較合適的。學習本單元之前，學生已經了解了設計軟件的基本功能，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）虛擬設計軟件幫助學生體驗系統分析的一般過程

系統分析的一般過程有四個環節：明確問題，設立目標—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，設置了學生設計橋梁的任務，幫助學生充分體驗并理解這個過程。用虛擬設計軟件來探索橋梁的設計，學生感覺很新鮮，他們可以通過充分發揮自己的想象力進行嘗試，也可以和同學相互討論、比較各種設計，更好地沉浸在學習過程中，充分體現了學生的學習主體地位。再加上教師的引導點撥，學生很容易就可以理解系統分析一般過程這個教學重點。

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

【課堂實錄】

教師提出設計任務，學生每人一臺計算機，用設計軟件嘗試完成任務。

（3分鐘后）

生1：老師，我這個橋梁為什么總是不能開始測試？（該生設計的橋梁如圖1所示）

師：你認為這個橋梁的結構合理嗎？

生1：我覺得合理。

師：為什么設計成這樣的結構？

生1：我覺得這樣的形狀更有特色。

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

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

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

學生都完成設計后，教師讓部分學生向全班展示設計成果，引導學生回顧整個流程，通過分析橋梁設計的流程，引導學生理解：其實在這個設計過程中，同學們也在做系統分析，這個流程對應的就是系統分析的一般過程——明確問題，設立目標→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，學生通過虛擬設計軟件完成課堂任務，在橋梁設計的復雜技術情境中，能嘗試通過反復的模擬試驗體驗技術設計的各種方法，有利于“創新設計”這一學科核心素養的形成。橋梁設計是復雜的技術問題，由于仿真軟件簡化了設計橋梁過程中復雜的專業計算并讓設計者可以看到橋梁各個構件受力情況的相關數據，所以學生通過仿真軟件運用系統分析的方法，嘗試運用模擬試驗的方法，根據具體的數據考慮各種影響因素，并進行決策分析和性能評估，充分訓練了“工程思維”學科核心素養。不同學生將自己設計出的橋梁通過圖形和動畫直觀地呈現、分享、交流、討論、修改等過程，鍛煉了他們用技術語言進行設計表達的能力，有利于“圖樣表達”學科核心素養的培養。

（二）虛擬設計軟件輔助學生理解系統的優化

系統的優化教學難點在于，系統優化的過程分析需要借助數學手段定量與定性結合進行分析比較，尋求最優方案。為此，筆者在教學中設置了讓學生在虛擬設計軟件中體驗橋梁系統優化的任務。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計方案，能更好地體會系統優化的過程，也可以很直觀地看到其中的數據變化和優化后的效果。學生充分體驗后，教師引導學生反思整個優化過程，學生很容易從自己的體驗中歸納出優化設計需要考慮的主要問題，進而理解系統優化的方法。

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

【課堂實錄】

學生按任務要求對已經做出的橋梁進行成本優化，教師巡視指導。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，優化前后的總價分別是多少？

生2：優化之前的總價是297.2萬，優化之后的總價是253.4萬。

師：你做了哪些優化？

生2：把材質更換了一些，有些原來用調質鋼的換成了低合金高強度鋼，兩邊的結構也把大的構件分成了兩個小的構件來支撐，還有一些構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：你對現在的優化結果滿意了嗎？

生2：我覺得還可以再優化。

師：給你2分鐘時間繼續優化吧。

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

從以上兩個教學片段可以看出，虛擬設計軟件運用于課堂實踐有效地促進了學生“創新設計”“工程思維”和“圖樣表達”等學科核心素養的提高。整個單元教學結束后，通過對學生的課堂觀察和隨機對部分學生的課后訪談，筆者發現學生對什么是系統以及系統的特性、系統的分析和優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。有些學生在設計橋梁時思維天馬行空，不考慮其結構受力，在軟件中畫出明顯不符合力學原理的結構，測試時立即看到垮塌的效果，才認識到只有充分考慮結構與受力、材料性能等因素，才能設計出符合要求的橋梁，這些內容不再需要教師反復強調，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計的結構相似，但是軟件顯示的建設成本卻相差很多，教師引導學生比較后，學生能夠自己分析其中的原因，也更深入地理解了系統各部分相互影響、相互聯系的道理。虛擬軟件的使用對系統及其設計這個內容的學習幫助很大，但是由于課時安排只有兩節課，不能讓學生實際搭建其設計的橋梁模型，對學生的物化能力提升作用尚不明顯。

通過與信息技術的融合，把游戲化的虛擬設計軟件Bridge Designer 2016引入通用技術課程，學生可以即時獲得反饋，有利于“教—學—評”一體化課堂的構建。在仿真環境下進行技術學習，豐富了學習的方式，降低了技能學習的難度，提升了技術試驗的效率?？梢暬慕缑嬉灿欣诩夹g設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計工作，設計創作和修改優化可以靈活切換，縮短了設計和測試的周期，提高了學習的效率。用軟件設計仿真橋梁，不受材料、數量、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，可加深學生對設計流程、結構設計、系統及其特性、系統分析和優化等學科核心概念的理解，有利于培養學生的“技術意識”“工程思維”“圖樣表達”等學科核心素養，而且可節省試驗場地與經費，彌補了很多學校缺乏硬件試驗設施的不足。

橋梁虛擬設計軟件的使用有諸多優點，但也有局限性。如橋梁實體模型的制作對培養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。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的。對此，從培養學生運用現代信息技術和實際操作能力出發，教師應將Bridge Designer 2016設計軟件和傳統實踐教學有機結合，各取所長，充分發揮虛擬設計仿真與實操的各自優勢，以達到最佳教學效果。

參考文獻

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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學科中心組成員，主要研究方向為通用技術/信息技術教學、STEM課程教學與開發。

（責編 周翠如）