通用技术作为一门相对较新的学科，其教具的开发、制造、定型以及生产过程均需耗费一定的时间，这就导致教具的更新换代存在一定的延迟，难以满足实际教学的需求。在以设计、操作、试验等为特点的通用技术教学过程中，教具扮演着至关重要的角色。
探析结构的强度作为高中通用技术“结构及其设计”模块中的重要知识点，如何使学生清晰理解和掌握结构的强度及其影响因素是教学的重点和难点。结构的强度在高中通用技术教学中更多采用定性分析的方式，学生理解起来比较抽象，要想掌握好有一定难度。为了在高中通用技术教学中帮助学生深入理解力和结构的强度，笔者提出通过技术试验来探究教学内容，以助力学生构建相关知识体系。为此，笔者对结构强度技术试验教具进行了创新设计，将传统技术试验与现代测量技术相结合，既弥补了传统教具的不足，又能够进行有效的演示和定量探究。通过这种创新教具的应用，学生能够更深入地理解和运用结构强度的相关知识。
1 教材技术试验的优势与局限
《普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）》明确指出，应通过技术试验或技术探究来分析影响结构强度的关键因素
［1］。苏教版2019年版高中通用技术教材必修2的第1章第2节“探析结构的强度”呈现了两种技术体验活动，即“体验悬臂结构模型的强度”和“悬臂梁强度与截面形状试验”
［2］。尽管这两种方式有助于学生体验不同材料和结构形状对结构强度的影响，但在深化理解及应用结构强度方面存在一定的局限性。
教材中的技术体验活动，其目的在于阐释材料对结构强度的影响
［2］。该演示教具设计简洁，且试验器材易于获取。该试验的局限在于仅能进行定性观察，无法进行定量分析，这限制了对试验现象进行深入研究的可能性。
教材“技术试验”章节中所描述的试验，通过使用截面周长相等但形状各异的构件构建悬臂梁，以测试它们的强度
［2］。虽然该试验装置设计简单，但实际操作颇具挑战性，制作符合标准的纸筒和套筒并非易事，学生在操作过程中容易产生较大误差。
2 悬索桥演示教具设计与创新
基于上述背景，笔者提出了一种基于可替换吊杆和桥面的悬索桥演示教具。它对工程中应用的悬索桥梁结构进行简化，对吊杆和桥面采用可快速更换的设计，可以在课堂教学中现场对不同构型进行演示。采用带有测距传感器的小车模拟桥梁受载后的形变情况，实时传输数据给计算机，利用软件实时绘制桥梁变形曲线，记录数据并对多组构型下的试验数据进行对比。
2.1 悬索桥演示教具机械系统设计
如
图1所示，本悬索桥演示教具的机械结构主要包括悬索桥主体和测距小车两个部分，测距小车可在桥面上沿直线运行。
悬索桥主体用于演示桥梁结构特性的简化版悬索桥模型，由机架、简化悬索、可替换桥面、可替换吊杆等部分组成。机架为铝型材和角件，通过螺栓连接搭建而成，具有成本低、易于调整等优点。机架底部设置有电气安装板，用于安装各种电气元件；机架中部安装有钢板反射面，作为水平面参考配合小车上的测距传感器使用。机架顶部安装有简化悬索和可替换桥面。为降低教具的复杂性并控制变量，本教具将悬索简化为刚体，采用铝合金加工的方式制作了简化悬索，采用U形截面以增加其刚度。在简化悬索上设置有多组方孔，用于安装吊杆。可替换桥面，使用不同厚度、不同截面形状的多种材料（如PP塑料、玻璃纤维、304不锈钢）切割而成，配合T形螺母安装在机架的型材上，可以快速拆卸更换。可替换吊杆安装于悬索和桥面之间，其作用是让悬索承受桥面的拉力，以增加桥梁的承载能力。吊杆主体采用M4螺杆，其两端分别安装有锁紧螺母和蝶形螺母。锁紧螺母旋拧至指定位置后，可保证和螺杆的相对位置不变，用于限位。两侧的蝶形螺母分别固定悬索和桥面，可以用手直接拆卸，方便课堂上快速更换螺杆进行演示。可替换吊杆可以安装0~7组，可根据情况改变螺杆数量，以探究不同构型对桥梁结构的影响，如
图2所示。此外，悬索和桥面表面还粘贴有LED灯带，以提高展示效果。
测距小车由底盘、双轴电机、主动轮、万向轮、导向轮、激光测距传感器、货架组成。底盘采用304钢板制作，用于承载车身各元件。双轴电机为12 V直流电机，配合双输出轴的减速箱，可保证左右两个与输出轴固定连接的主动轮转速相同。小车前部下方安装有两个万向轮，与地面接触保持车身平衡。小车底部中央前后各安装有一个导向轮，与可替换桥面中央的导向槽配合，保证小车沿桥面中央行驶。小车前部安装有激光测距传感器，它可以测量小车（即桥面）与机架反射面之间的距离，反馈桥梁形变信息。小车顶部安装有货架，可装载砝码等重物，以探究不同负载情况下桥梁的形变情况。
2.2 悬索桥演示教具电气系统设计
悬索桥教具的电气系统主要为测距小车的电机、测距传感器和供电灯带，并支持传感器和计算机的通信，如
图3所示。本演示模型的低压用电设备均采用12 V电源供电，考虑到教室使用环境，采用220 V交流市电，经过降压电源后输出12 V直流电。使用遥控继电器及其配套的遥控器，控制小车的行进方向和停启，继电器输出的电源连接至双轴电机，控制电机的运动。激光测距传感器实时采集测距信息，通过RS485协议输出，经USB转485模块与计算机连接。此外，12 V电源还给LED灯带供电，考虑到不同的桥面需要更换，因此使用DC接口与不同桥面上的LED灯带连接，便于快速更换。
3 悬索桥演示教具试验
3.1 试验原理
本试验采用带有激光测距传感器的测距小车，沿桥面匀速行驶，并实时测量小车底部到水平参考面（反光板）的距离，从而测量与小车相同位置点桥面到水平面的距离，进而得出桥面各点的形变信息。试验原理示意图如
图4所示。
激光测距的原理主要是利用光的传播速度恒定的原理，通过测量激光束从发射到接收的时间来计算出目标与测距仪之间的距离。小车上的激光测距传感器直接测量得到的距离是沿传感器安装方向延伸线与反射面之间的距离，由于桥面变形，小车与水平方向会出现一定角度，故传感器测量方向与竖直方向会存在一个微小的角。当时，，故可近似认为。本文忽略此误差，认为激光测距传感器测量的结果就是桥面到反射面的距离。将小车行驶过程中实时测量的结果进行记录，即可绘制出桥面各位置的形变曲线，探究改变不同影响因素下桥面形变情况的区别。
3.2 试验步骤
（1） 连接激光测距传感器与计算机，连接电机、灯带电源，通电。
（2） 将小车摆放至悬索桥面的一侧，导向轮放入导向槽中。
（3） 在计算机软件中开始记录传感器实时数据。
（4） 遥控器控制小车开始运动。
（5） 当小车运行至桥面另一侧时，遥控小车停止运动。
（6） 结束记录数据，导出数据并绘制桥面变形曲线。
（7） 改变可替换吊杆数量，重复上述步骤。
（8） 更换不同材料、厚度和截面形状的桥面，重复上述步骤。
（9） 改变小车货架内物品的重量，重复上述步骤。
（10） 将各组试验数据进行对比分析，得出试验结论。
3.3 试验数据
为探究不同因素对悬索桥强度的影响，分别采用改变吊杆数量、改变桥面材料、改变桥面厚度、改变截面形状的方式进行试验。试验教具实物如
图5所示。
（1） 改变吊杆数量。
保持桥面材料不变，改变吊杆数量，分别为0/1/3组，进行试验，桥面变化幅度如
图6所示。
从
图6可知结构的强度与吊杆的数量有着密切关系，吊杆数量越多，桥面变形程度越小。增加吊杆数量有利于提高桥梁刚度。
（2） 改变桥面材料。
保持吊杆数量均为1组，分别使用2 mm厚的PP塑料、玻璃纤维、304钢材质的桥面进行试验，桥面变化幅度如
图7所示。从
图7可知结构的强度与材料有着密切关系，使用304钢材质的桥面变形最小，玻璃纤维次之，PP塑料的变形最大。故材料的性能会影响桥梁的强度。
（3） 改变桥面厚度。
保持吊杆数量均为1组，分别使用2 mm和5 mm厚的PP材料的桥面进行试验，桥面变化幅度如
图8所示。从
图8可知结构的强度与桥面的厚度有着密切关系，桥面厚度越大，桥面变形越小，桥梁强度越高。
（4） 改变截面形状。
保持吊杆数量为1组，使用5 mm厚的PP材料中空板材，沿不同方向安装方孔进行试验，见
图9。桥面变化幅度见
图10，可知结构的强度与桥面的截面形状有着密切关系，方孔沿纵向时，桥面变形更小，桥面强度更高。
3.4 试验结论
通过对比小车激光测距传感器测量出小车底部（即桥面）到水平反射面的距离，近似反馈出桥面的变形量，进而得出吊杆数量、桥面材料、桥面厚度、截面形状对桥梁强度的影响。吊杆数量越多、桥面厚度越大，桥梁强度就越高。不同的材料和截面形状也会影响桥梁的强度。
4 结语
笔者创新提出的可替换吊杆和桥面的悬索桥演示教具弥补了现有教材和一些教具的不足。它具备新颖的机械结构设计，方便在课堂教学中快速演示；引入数字化测量系统，可直观展示出桥面变化幅度，能够有效地通过技术试验探究影响结构强度的因素。这种创新教具结构独特、操作简便、测量精度高、演示效果佳，易于学生理解。同时，该创新教具在发展学生自主探究能力和培养创新精神方面也发挥了重要作用，因此，在通用技术结构及其设计教学中值得推广。
2024年安徽省教育科学研究重大项目“普通高中科技教育赋能拔尖创新人才早期培养的实践研究”(JKZ24007)
合肥市教育科学规划课题“数字赋能背景下高中科创活动提质增效的实践研究”(HJG24070)
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