运用虚拟设计软件培养通用技术核心素养的教学实践
【摘要】本文分析当前桥梁设计制作项目在高中通用技术课程实施过程中培养核心素养方面存在的不足，提出发挥信息技术教学手段的优势，将Bridge Designer虚拟设计软件运用到通用技术课堂教学中，以此促进学科核心素养的培养，并以桥梁设计项目为例，论述Bridge Designer虚拟设计软件在通用技术课堂教学中的具体应用。
【关键词】高中通用技术课程 核心素养 信息技术 虚拟设计软件 Bridge Designer
【中图分类号】G63 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2023）11-0100-05
高中通用技术课程的核心目标是培养学生的技术素养，提高学生的设计能力和动手能力，以使学生将来更好地适应未来的社会。技术试验和动手实践是通用技术课程中非常重要的学习方式，是培养学生工程思维、创新设计和物化能力等核心素养的主要手段。桥梁设计类项目作为一种典型的工程设计项目，在通用技术课程中发挥着特别的育人价值，对培养学生的实践操作能力、科学探究能力和创新思维能力能起到积极的作用，深受很多通用技术教师的青睐，但是这类课程也存在不足。本文探讨通过引入虚拟设计软件，以游戏化和虚拟实验的方式来改进桥梁设计项目，以此提高学生的技术素养和动手实践能力。
一、当前高中通用技术桥梁设计类项目课程存在的不足
通用技术课的学习非常强调通过技术活动培养学生的技术素养，而对桥梁知识的学习可以激发学生学好技术的积极性。学生通过实验探究，掌握桥梁工程知识和原理，通过动手实践完成桥梁模型制作，在面对类似真实的工程情境问题时，尝试找到创新解决方案，实现图样表达、创新设计、工程思维、物化能力等学科核心素养的培养，但是桥梁设计类项目教学还存在诸多不足，主要体现在如下几个方面。
一是科学性不足。在教学实践中，学生虽然了解桥梁结构，也通过体验设计制作过程初步完成桥梁设计，但是他们更多是对一些经典结构的模仿和外形上的创新，对其中蕴含的科学知识理解不够深刻。例如，在设计制作桥梁的过程中，学生增加了很多三角形来增强结构的稳定性和强度，但是哪些三角形是有效的、哪些三角形是无效的，他们并不十分清楚。
二是重视技能练习，思维提升不够。很多桥梁类项目课程虽然对技术问题有所探究，但都是比较浅层次的探讨，往往更侧重工程模型制作，在教学实践中对探究过程中科学理性的分析重视程度不高，学生的时间和精力主要放在制作的成品上，更关注加工的技术技巧，对科学思维能力的训练重视不足。
三是桥梁测试反馈不利于设计的改进。桥梁类项目课程很多都是利用承重进行测试，学生利用简单的纸张、木条或者吸管等材料制作模型时，如果设计有缺陷是不能提前判断出来的，只能在制作出模型后通过测试发现，有些模型测试后完全破坏了结构，学生只能重新制作，费时费力，既不利于设计改进，又大大降低了学习效率。
总之，要让学生在桥梁项目中真正体会工程思维存在较大的难度，受限于学生的认知水平、知识积累以及学习课时，教学中只能有所侧重地对桥梁的方案设计、计算进行比较浅层次的探索，很多设计方案最后成了空中楼阁，就算学生完成模型的制作和测试，对其中原理的理解依然是非常模糊的。
二、虚拟设计软件运用于高中通用技术桥梁类设计项目课程的优点
针对以上问题，笔者认为可以通过运用桥梁虚拟设计软件来解决。桥梁虚拟设计软件有很多，如Bridge Master、Csi Bridge、Autodesk Structural Bridge Design等，但这些都是比较专业的桥梁设计软件，需要比较扎实的桥梁专业知识基础，不适合高中生使用，因此笔者推荐Bridge Designer 2016这款设计软件。Bridge Designer 2016是一个免费的教育软件包，旨在通过高速公路桁架桥的设计为中学生提供真实的工程体验。它允许使用者设计一个虚拟桥梁且可以3D模拟卡车通过桥梁时出现的问题，会计算出卡车负载通过时力的分布方式。它既是设计工具又是评估工具。设计桥梁时可以利用该软件动画模拟测试负载能否通过，如果不能通过软件会提示发生故障的地方，显示每个构件上的力有多大，也可以计算设计方案的建设成本，还可以通过修改相关数据来测试桥梁的结构以及优化建造成本。在通用技术课程中使用该软件具有以下优点。
（一）它是经过一定简化的典型工程项目设计软件，简单易用，教师和学生都比较容易上手。该软件功能丰富，既能对项目进行反复设计和对各种参数进行校验，又可以避開大量复杂的专业数据计算，方便教师进行教学演示，也适合学生自己操作。
（二）在桥梁项目课程中使用这个软件有助于学生通过“做”的过程理解结构与设计、结构的稳定性与强度、设计的流程、系统及其特性、系统分析及优化等通用技术课程中的相关概念。Bridge Designer 2016具有明确、清晰的使用场景——设计桥梁，可以轻松将学生引入一个接近真实的工程场景进行学习，它的动画模拟功能允许学生实时、可视化地看到自己设计的结果。学生可以通过不断改变各种参数，以系统思考的方式，对设计方案进行比较和权衡。软件既简化抽象了真实的工程场景，又保留了设计的可操作性，游戏化的学习、有趣的情境、简单的操作对高中生而言是一款非常理想的学习软件。
（三）软件使用成本低，仿真功能可以提高课堂效率。Bridge Designer 2016是一款免费软件，可以下载安装到学校计算机室，让每名学生都使用。软件动画的趣味性能激发学生学习兴趣，良好的体验感可以让学生对通用技术课程知识的学习和理解更加深刻，软件测试的即时反馈以及具体数据的呈现可以使学生很快明白自己设计的缺陷以及改进的方向，从而不断修改方案去完善桥梁的设计，既能够让学生体会到目标达成的喜悦感，又可以大大提高课堂教学的效率。
三、在高中通用技术课中运用虚拟设计软件培养学科核心素养的教学实践
下面，笔者以江苏教育出版社出版的2017年版通用技术教材必修二的教学单元“系统及其设计”为例，论述虚拟设计软件在高中通用技术课中的应用。
《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）关于“系统及其设计”的内容要求如下：从技术应用的角度理解系统的含义、基本构成及主要特性，结合实例学会系统分析的基本方法；
通过技术探究，分析影响系统优化的因素，并通过对简单系统的设计实践，初步学会简单系统设计的基本方法，增强系统与工程思维的能力。根据《课程标准》，本单元学科核心素养培养目标如表1所示。
“系统”是通用技术课程中十分重要的大概念，本部分教学内容涉及系统分析过程、系统分析方法、系统分析原则、简单系统设计与优化等，内涵非常丰富，教材中使用了按压式水龙头、自行车、轮滑鞋、雨水收集与利用系统、火力发电站系统等实例来开展教学。这些实例看似一说就懂，但是太多的实例把本单元系统的相关概念分割呈现，不利于学生形成关于“系统及其设计”的大概念。桥梁是比较常见的一种系统，学生对它有一定的认识，只是认识还比较粗浅，桥梁的构成和设计涉及桥梁系统的组成、设计分析和优化等诸多内容。因此，以桥梁为主题让学生探究本单元的内容是比较合适的。学习本单元之前，学生已经了解了设计软件的基本功能，笔者在本单元的教学中使用Bridge Designer 2016软件进行教学实践，下面选取其中两个片段进行阐述。
（一）虚拟设计软件帮助学生体验系统分析的一般过程
系统分析的一般过程有四个环节：明确问题，设立目标—收集资料，制订方案—分析计算，评价比较—检验核实，做出决策。如果由教师直接讲授该内容，然后让学生逐个体会，学生只是知道了一个知识点，对系统分析过程的认识仍停留在比较浅的层面，实际教学效果不佳。笔者教学时把Bridge Designer 2016软件引入课堂，设置了学生设计桥梁的任务，帮助学生充分体验并理解这个过程。用虚拟设计软件来探索桥梁的设计，学生感觉很新鲜，他们可以通过充分发挥自己的想象力进行尝试，也可以和同学相互讨论、比较各种设计，更好地沉浸在学习过程中，充分体现了学生的学习主体地位。再加上教师的引导点拨，学生很容易就可以理解系统分析一般过程这个教学重点。
【学生任务】利用Bridge Designer 2016软件设计一个标高为24米、能够通过载重测试的桥梁，体会系统设计的过程。
【课堂实录】
教师提出设计任务，学生每人一台计算机，用设计软件尝试完成任务。
（3分钟后）
生1：老师，我这个桥梁为什么总是不能开始测试？（该生设计的桥梁如图1所示）
师：你认为这个桥梁的结构合理吗？
生1：我觉得合理。
师：为什么设计成这样的结构？
生1：我觉得这样的形状更有特色。
师：这个结构不能通过测试的原因是计算机结合结构的形状、材料等数据做了计算，目前运算的结果表明这个设计是不能支撑起通行的车辆的。图中标记了颜色的构件和右边的数据表格显示了它们的受力情况。如果你不想改变这个结构的形状，可以修改这些构件的其他参数试一试。
学生修改构件的材料和材料的厚度后，重新进行了测试，测试结果显示桥梁直接坍塌（如图2所示）。
学生设计不成功的动画引起了邻座同学的关注，学生与邻座同学针对这个设计展开讨论，分析表格中的数据，继续修改设计参数，最終通过测试（如图3所示）。
学生都完成设计后，教师让部分学生向全班展示设计成果，引导学生回顾整个流程，通过分析桥梁设计的流程，引导学生理解：其实在这个设计过程中，同学们也在做系统分析，这个流程对应的就是系统分析的一般过程——明确问题，设立目标→收集资料，制订方案→分析计算，评价比较→检验核实，做出决策。在以上教学过程中，学生通过虚拟设计软件完成课堂任务，在桥梁设计的复杂技术情境中，能尝试通过反复的模拟试验体验技术设计的各种方法，有利于“创新设计”这一学科核心素养的形成。桥梁设计是复杂的技术问题，由于仿真软件简化了设计桥梁过程中复杂的专业计算并让设计者可以看到桥梁各个构件受力情况的相关数据，所以学生通过仿真软件运用系统分析的方法，尝试运用模拟试验的方法，根据具体的数据考虑各种影响因素，并进行决策分析和性能评估，充分训练了“工程思维”学科核心素养。不同学生将自己设计出的桥梁通过图形和动画直观地呈现、分享、交流、讨论、修改等过程，锻炼了他们用技术语言进行设计表达的能力，有利于“图样表达”学科核心素养的培养。
（二）虚拟设计软件辅助学生理解系统的优化
系统的优化教学难点在于，系统优化的过程分析需要借助数学手段定量与定性结合进行分析比较，寻求最优方案。为此，笔者在教学中设置了让学生在虚拟设计软件中体验桥梁系统优化的任务。通过软件强大的功能，学生可以零成本地进行试错和修改设计方案，能更好地体会系统优化的过程，也可以很直观地看到其中的数据变化和优化后的效果。学生充分体验后，教师引导学生反思整个优化过程，学生很容易从自己的体验中归纳出优化设计需要考虑的主要问题，进而理解系统优化的方法。
【学生任务】按要求优化你所设计的桥梁。要求在导学案上记录下当前你的设计方案总造价，在保证能通过载重测试的前提下优化你的设计，使总造价尽可能低，记录下最终的总造价，并与设计优化前进行对比。
【课堂实录】
学生按任务要求对已经做出的桥梁进行成本优化，教师巡视指导。5分钟后，教师请学生2进行展示并询问。
师：请向大家介绍一下你的作品，优化前后的总价分别是多少？
生2：优化之前的总价是297.2万，优化之后的总价是253.4万。
师：你做了哪些优化？
生2：把材质更换了一些，有些原来用调质钢的换成了低合金高强度钢，两边的结构也把大的构件分成了两个小的构件来支撑，还有一些构件是把空心的换成实心的。
师：这样修改就可以了吗？
生2：差不多吧！
师：修改了多少次？
生2：不记得了，改了很多次。
师：你对现在的优化结果满意了吗？
生2：我觉得还可以再优化。
师：给你2分钟时间继续优化吧。
学生基本完成优化后，教师引导学生总结：系统优化的方法有多种，有些是通过数学模型来求解，有些则是通过科学估算、实验和其他方法来实现。然而，无论采用哪种优化方法，都需要多次改进和验证才能获得最优或满意的方案。为实现系统的最优目标而提出的求解方法称为优化方法。《课程标准》指出，“工程思维”是以系统分析和权衡比较为核心的一种筹划性思维，学生在进行桥梁优化的过程中，反复尝试、比较、修改，在仿真软件的环境下，修改的数据以及匹配的结果都可以即时呈现，试错的成本基本为零，优化过程高效。这就让学生能够在接近真实的工程情境中权衡，迅速找到相对优势的解决方案。在课堂任务完成过程中，工程思维作为技术活动的灵魂贯穿始终，能够反映出学生思维发展的程度和解决问题的能力，促进了学生学科核心素养的形成。
从以上两个教学片段可以看出，虚拟设计软件运用于课堂实践有效地促进了学生“创新设计”“工程思维”和“图样表达”等学科核心素养的提高。整个单元教学结束后，通过对学生的课堂观察和随机对部分学生的课后访谈，笔者发现学生对什么是系统以及系统的特性、系统的分析和优化都能够清晰地表达出来，而且学生在课堂上参与积极性极高。有些学生在设计桥梁时思维天马行空，不考虑其结构受力，在软件中画出明显不符合力学原理的结构，测试时立即看到垮塌的效果，才认识到只有充分考虑结构与受力、材料性能等因素，才能设计出符合要求的桥梁，这些内容不再需要教师反复强调，学生在使用软件的过程中自己就可以体会出来。另外，有些学生虽然前后设计的结构相似，但是软件显示的建设成本却相差很多，教师引导学生比较后，学生能够自己分析其中的原因，也更深入地理解了系统各部分相互影响、相互联系的道理。虚拟软件的使用对系统及其设计这个内容的学习帮助很大，但是由于课时安排只有两节课，不能让学生实际搭建其设计的桥梁模型，对学生的物化能力提升作用尚不明显。
通过与信息技术的融合，把游戏化的虚拟设计软件Bridge Designer 2016引入通用技术课程，学生可以即时获得反馈，有利于“教—学—评”一体化课堂的构建。在仿真环境下进行技术学习，丰富了学习的方式，降低了技能学习的难度，提升了技术试验的效率。可视化的界面也有利于技术设计方案的表达和交流，学生通过计算机虚拟软件完成桥梁设计工作，设计创作和修改优化可以灵活切换，缩短了设计和测试的周期，提高了学习的效率。用软件设计仿真桥梁，不受材料、数量、测试仪器以及實验场地的限制。在日常的教学实践中，合理地运用Bridge Desinger 2016对各类典型的桥梁进行模拟仿真，可加深学生对设计流程、结构设计、系统及其特性、系统分析和优化等学科核心概念的理解，有利于培养学生的“技术意识”“工程思维”“图样表达”等学科核心素养，而且可节省试验场地与经费，弥补了很多学校缺乏硬件试验设施的不足。
桥梁虚拟设计软件的使用有诸多优点，但也有局限性。如桥梁实体模型的制作对培养学生实际动手能力的重要性是虚拟软件不能取代的。通过实体模型的制作，学生必须了解材料性能，在制作模型时才能做到心中有数。真实材料的计算、测量、切割、打磨、搭建等技能也都必须通过动手操作才能掌握，这些都是软件无法实现的。对此，从培养学生运用现代信息技术和实际操作能力出发，教师应将Bridge Designer 2016设计软件和传统实践教学有机结合，各取所长，充分发挥虚拟设计仿真与实操的各自优势，以达到最佳教学效果。
参考文献
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［5］中华人民共和国教育部.普通高中技术课程标准（2017年版）［M］.北京：人民教育出版社，2018.
作者简介：黄明迪（1975— ），广西宜州人，硕士，高级教师，广西普通高中通用技术学科中心组成员，主要研究方向为通用技术/信息技术教学、STEM课程教学与开发。
（责编 周翠如）
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