防震高塔

李佩寧

在STEM領(lǐng)域，工程思維是一種十分重要的思維方式，因?yàn)樵趯?shí)際條件下，工程師總會面臨各種設(shè)計(jì)與實(shí)際不符的情況，需要通過不斷修正才能達(dá)成目標(biāo)。

一、課程重點(diǎn)

本課旨在讓學(xué)生理解工程領(lǐng)域中各類建筑所面臨的地震挑戰(zhàn)，學(xué)習(xí)工程師的思考和行為方式。設(shè)計(jì)、執(zhí)行、反思與修正是訓(xùn)練工程思維方式的重點(diǎn)。同時(shí)，也要借此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。

【涉及領(lǐng)域】工程；幾何學(xué)；物理；數(shù)學(xué)；地理

【建議年級】小學(xué)中年級

【建議時(shí)間】基礎(chǔ)課程150分鐘；拓展課程170分鐘

二、課程任務(wù)

學(xué)習(xí)地震的基礎(chǔ)知識，了解各國的建筑如何做地震防護(hù)，設(shè)計(jì)、搭建、制作基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)和上面的建筑。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（15分鐘）

【基本內(nèi)容】通過視頻、圖片等方式呈現(xiàn)并講述地震的原理、成因和危害。例如介紹1989年舊金山地震或2008年汶川地震的情況，進(jìn)而引出地震伴隨的建筑倒塌是造成人員傷亡的重要原因，導(dǎo)入本課主題。

【拓展內(nèi)容】梳理地理課上關(guān)于地震的內(nèi)容（如板塊知識和地震帶分布等），介紹近一百年7級以上地震的情況和危害。

教師可以讓學(xué)生回答以下問題，并進(jìn)行總結(jié)。

（1）怎樣定義地震？

（2）世界上有哪幾個(gè)主要地震帶？在地圖上指出來。

（3）板塊構(gòu)造與地震活動(dòng)有關(guān)嗎？用數(shù)據(jù)證明。

（4）全球每年發(fā)生多少次地震？每分鐘多少次？

（5）地震按震級大小可分為幾類？

（6）什么樣的參數(shù)可以衡量地震？

（7）震源深度與地震的破壞力之間是什么關(guān)系？

（8）多大的海底地震能夠引發(fā)海嘯？

（9）地震后的城市是什么樣子？

然后，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴：怎樣保證建筑在地震發(fā)生時(shí)不倒塌？有哪些防震手段和技術(shù)？

2.宣布任務(wù)及評價(jià)量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】各組要設(shè)計(jì)并制作一個(gè)50厘米高的防震建筑。建筑分為兩部分，下面是基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)一個(gè)隔震的長寬均不能大于30厘米的建筑底座；上層的建筑體，只能使用牙簽和膠棒制作，并能夠在建筑內(nèi)放置書、礦泉水和磚頭等物品。宣布任務(wù)后，呈現(xiàn)評價(jià)量規(guī)（見表1）

【基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)材料】硬紙箱板、吸管、竹簽、棉花糖、圓珠筆彈簧、衛(wèi)生紙

【上層建筑材料】牙簽5盒、膠棒12支、熱熔膠槍2把、磚頭1塊、礦泉水1瓶、書1本（32開，1～2厘米厚）

3.講解地震振動(dòng)臺原理（20分鐘）

地震所引起的地面振動(dòng)是一種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，它是由縱波和橫波共同作用的結(jié)果。在震中區(qū)，縱波使地面上下顛動(dòng)，橫波使地面水平晃動(dòng)。為此，教師可結(jié)合實(shí)物為學(xué)生講解地震振動(dòng)臺原理（教師可以通過網(wǎng)絡(luò)收集資料），保證學(xué)生理解地震振動(dòng)臺如何模擬橫波和縱波，以及自己設(shè)計(jì)的建筑將經(jīng)歷怎樣的實(shí)驗(yàn)。教師可以用茶杯讓學(xué)生感受地震振動(dòng)臺的模擬方式，并讓學(xué)生思考以下問題。

（1）當(dāng)車在路面上兩輪同時(shí)高速通過減速帶時(shí)，車輛容易翻車嗎？為什么？

（2）當(dāng)車在路面上只有一側(cè)輪子高速通過減速帶時(shí)，車輛容易翻車嗎？為什么？

（3）大家玩過尺子打象棋的慣性游戲嗎？當(dāng)?shù)撞康南笃灞淮蜃?，上面的象棋倒了嗎？為什么?/p>

（4）地震縱波還是橫波對建筑危害更大？

【拓展問題】縱波每秒鐘傳播5～6千米，能引起地面上下顛動(dòng)；橫波每秒鐘傳播3～4千米，能引起地面水平晃動(dòng)。由于縱波衰減快，離震中較遠(yuǎn)的地方，只感到水平晃動(dòng)。在一般情況下，地震時(shí)地面總是先上下顛動(dòng)，后水平晃動(dòng)，兩者之間有一個(gè)時(shí)間間隔，可根據(jù)間隔的長短判斷震中位置（用每秒8千米乘以間隔時(shí)間進(jìn)行估算）。教師可以給出地震波傳播速度，讓學(xué)生通過地圖、直尺和圓規(guī)計(jì)算震中位置。

4.設(shè)計(jì)（30分鐘）

第一步，學(xué)生觀察有哪些基座材料可以選用。然后，教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，匯總結(jié)果。

第二步，各組學(xué)生根據(jù)基座的情況，思考如何搭建高塔，畫出設(shè)計(jì)圖。先完成的小組可以將設(shè)計(jì)圖交給教師檢查。（建議學(xué)生在設(shè)計(jì)之前，上網(wǎng)查找相關(guān)資料，將其運(yùn)用到自己的設(shè)計(jì)中。）

第三步，教師給出修改意見，修改完成后的小組可以領(lǐng)取全套材料，著手搭建。

5.制作（40分鐘）

正式執(zhí)行制作任務(wù)。在制作過程中，學(xué)生可以隨時(shí)使用防震臺進(jìn)行測試，并及時(shí)調(diào)整自己的方案。教師進(jìn)行巡視，可以隨時(shí)講解，可以讓各組派組員到其他組進(jìn)行觀摩。

6.測試（20分鐘）

完成的小組，教師進(jìn)行測試。測試分為三個(gè)部分：無承載防震測試；靜載荷測試；承載防震測試。

7.討論與反思（20分鐘）

測試全部完成后，各組應(yīng)當(dāng)上臺介紹，主要圍繞設(shè)計(jì)思路、問題和解決方案、具體的搭建過程分工、防震建筑成品等進(jìn)行介紹。教師挑選其中效果較好的、設(shè)計(jì)優(yōu)秀的作品進(jìn)行展示，全班討論設(shè)計(jì)中的優(yōu)秀之處以及尚需改進(jìn)的地方。教師進(jìn)行最后總結(jié)，內(nèi)容包括設(shè)計(jì)思路、隔震原理及實(shí)現(xiàn)手段、效果評估及改進(jìn)方案、搭建過程中遇到的困難和解決辦法。

8.寫作（15分鐘）

主要圍繞兩個(gè)問題寫作：下次再做減震高塔時(shí)會有哪些改變？從其他同學(xué)那里學(xué)到了什么？

（責(zé)任編輯 張慧籽）