活动情境
古代,在宽阔的河面上建造一座坚固的大桥,是一件大事、难事。因为浮桥的搭建相对经济、简便,所以为了便于临时通行,智慧的劳动人民以船代墩,搭建浮桥(如图5-8)。
浮桥一般由浮体、缆索、地锚、桥面等部分组成(如图5-9)。在古代,人们通常用木船作为浮体提供浮力,而现代往往用金属浮筒或塑料浮筒等制成浮体。缆索把浮体连接起来,固定在两岸的地锚上,这样可增强浮桥的稳定性。在浮体上铺上木板做桥面,人就可以行走了。
某校校园内有一个池塘,为方便同学观察塘内的水生生物,计划在池塘上方搭建一座简易人行浮桥,让我们一起动手实践吧！
活动目的
1. 分析材料优劣,为浮桥各部件选择合适的材料,树立控制成本意识。
2. 应用科学知识和计算思维,确保浮桥设计的安全性与科学性。
3. 评价不同的浮桥设计方案,不断迭代改进浮桥。
4. 调查浮桥架设地的实际情况,设计方案、绘制草图,最终搭建浮桥。
5. 体验工程实践的一般流程,养成合作交流的良好习惯。
活动准备
1. 知识储备：
(1)阿基米德原理、物体漂浮条件和二力平衡条件。
(2)观看各地的浮桥图片和视频,了解浮桥的浮体、缆索、地锚、桥面等所用材料及连接方式。
2. 材料与工具准备：救生圈、矿泉水桶、泡沫块等浮体材料,木板、PPR塑料板等桥面材料,塑料扎带、宽胶带、尼龙绳、地锚钉等连接固定材料,救生衣,锤子,电钻等。
3. 场地准备：学校池塘或用帆布搭建的鱼池,并做好预防落水、工具使用培训等安全防护措施。
活动过程
1. 明确任务。
利用身边的材料,搭建一座长2 m、宽1 m,可供一个约70 kg的人通行的简易人行浮桥,要求浮桥兼具安全性和稳定性。
2. 人员分工。
全班分成3个小组,每组人员分工如表5-2。
表5-2 浮桥搭建分工安排表
|分工|项目总监|采购员|绘图师|工程师(3～4名)|
|职责|负责人员分配、组织讨论、督促项目实施,辅助工程师搭建浮桥,汇报浮桥的优缺点|统计需要用到的材料,负责材料的收集、整理及多余材料的处理|汇总小组意见,根据计算得出的材料数量及设想绘制图纸|给设计提建议,按设计方案组织成员搭建浮桥,测量浮桥最大承重,协助老师验收浮桥|
|负责人| | | | |
3. 实地勘察。
对学校池塘进行实地勘察,记录相关内容,如浮桥的走向、地锚的位置、浮桥的长度和宽度、池塘的深度等,为浮桥的设计与搭建提供基础信息。
表5-3 实地勘察记录表
|勘察项目|记录内容|备注意见|
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4. 浮桥设计。
(1)选择材料。
根据实地勘察情况,选择合适的材料,在表5-4中填写其名称、规格和单价。
表5-4 材料选择记录表
|浮桥部件|材料名称及规格|单价|用量|费用|总费用|
|浮体| | | | | |
|缆索| | | | | |
|地锚| | | | | |
|桥面| | | | | |
|其他组件| | | | | |
(2)计算浮力。
出于安全考虑,当一个70 kg的行人站在浮桥上时,单个浮体的浸没程度不应超过70%。考虑浮体和其他材料的自重,通过计算,得出浮体浸没部分的体积,进一步估算相关浮体的用量和费用,并将结果记录在表5-4中。
(3)绘制图纸。
根据勘察结果,确定浮桥搭建方案,并画出设计图纸(要求标注尺寸和材料名称)。______
(4)展评图纸。
各组介绍设计图纸,包括设计意图、设计特色、小组在设计制作过程中遇到的问题和感悟等。小组间相互评价,并对本小组的设计进行合理修改。
5. 搭建浮桥。
根据设计图纸搭建浮桥。选择合适的连接方式,将浮体与浮体、浮体与桥面、桥面与桥面、浮体与地锚连接起来。
6. 验收浮桥。
浮桥搭建完毕,根据如下标准(每条标准根据好、中、差分别记3、2、1分)进行验收,评选出最优浮桥。
表5-5 简易人行浮桥评价量表
|评价指标|评价内容|自评|互评|小结|
|工效性|搭建时间不超过35 min(所用时间越短,得分越高)| | | |
|牢固性|不散架和变形(零件掉落越少、变形越少,得分越高)| | | |
|承重性|浮桥至少能允许一个70 kg左右的人通行(同一时段允许通行人数越多,得分越高)| | | |
|稳定性|一个70 kg左右的人能稳定地站立在浮桥之上,桥面保持水平,不发生明显倾斜(桥面倾斜角度越小,得分越高)| | | |
|经济性|在保证安全的情况下,采购单上的总费用不超过100元(用钱越少,得分越高)| | | |
7. 更新迭代。
在工程师检测浮桥的过程中,项目总监及时发现和记录浮桥存在的缺陷,可以对存在的问题组织讨论,也可以对比其他小组的浮桥,改进作品,找到解决方案,并将讨论结果记录在表5-6中。
表5-6 问题解决记录表
| |浮桥存在的问题|改进方案|
|1| | |
|2| | |
|3| | |
8. 总结反思。
反思在浮桥搭建过程中遇到的困难和克服的办法,并分享实践过程中的收获。
思考与讨论
1. 材料是建造的基础,没有优质的材料,再精妙的设计也会沦为空谈。若要长时间保留这座浮桥,需要考虑材料的环保性和可持续性,我们在材料的选择上还可以做哪些改进？______
2. 为确保通行的安全性,浮桥还可以增加哪些部件？______
拓展研究
在实际场景中搭建浮桥时,不仅要考虑承载需求、牢固程度,还需勘察水位、水流速度、风向变化等环境因素,并评估浮桥对水生生物和生态环境的影响。
经相关部门批准后,开展实地勘察,选择一处适合架桥的位置,把各小组制作的2 m×1 m的浮桥连接起来,组成6 m×1 m的浮桥,架设在水面上。在落实安全防护措施前提下,尝试在浮桥上行走,进一步评价浮桥质量,分析其存在的不足。

思考与讨论
1. 材料环保性和可持续性改进：
浮体改用竹筒（可再生、可降解）；
桥面使用防腐木（天然材料，环保处理）；
缆索采用麻绳（可降解天然纤维）；
连接件用植物纤维扎带（替代塑料扎带）。
2. 确保安全性的额外部件：
桥面两侧加装护栏（防止落水）；
桥面铺设防滑垫或刻防滑纹路（防止滑倒）；
浮桥两端配备救生圈（应急救生）；
增加侧向稳定缆索（防止横向漂移）；
设置“限载1人”警示标志。