防震高塔

李佩宁

在STEM领域，工程思维是一种十分重要的思维方式，因为在实际条件下，工程师总会面临各种设计与实际不符的情况，需要通过不断修正才能达成目标。

一、课程重点

本课旨在让学生理解工程领域中各类建筑所面临的地震挑战，学习工程师的思考和行为方式。设计、执行、反思与修正是训练工程思维方式的重点。同时，也要借此培养学生的创造力。

【涉及领域】工程；几何学；物理；数学；地理

【建议年级】小学中年级

【建议时间】基础课程150分钟；拓展课程170分钟

二、课程任务

学习地震的基础知识，了解各国的建筑如何做地震防护，设计、搭建、制作基础隔振系统和上面的建筑。

三、课程步骤

1.导入（15分钟）

【基本内容】通过视频、图片等方式呈现并讲述地震的原理、成因和危害。例如介绍1989年旧金山地震或2008年汶川地震的情况，进而引出地震伴随的建筑倒塌是造成人员伤亡的重要原因，导入本课主题。

【拓展内容】梳理地理课上关于地震的内容（如板块知识和地震带分布等），介绍近一百年7级以上地震的情况和危害。

教师可以让学生回答以下问题，并进行总结。

（1）怎样定义地震？

（2）世界上有哪几个主要地震带？在地图上指出来。

（3）板块构造与地震活动有关吗？用数据证明。

（4）全球每年发生多少次地震？每分钟多少次？

（5）地震按震级大小可分为几类？

（6）什么样的参数可以衡量地震？

（7）震源深度与地震的破坏力之间是什么关系？

（8）多大的海底地震能够引发海啸？

（9）地震后的城市是什么样子？

然后，带领学生进行头脑风暴：怎样保证建筑在地震发生时不倒塌？有哪些防震手段和技术？

2.宣布任务及评价量规（10分钟）

【宣布任务】各组要设计并制作一个50厘米高的防震建筑。建筑分为两部分，下面是基础隔震系统，即设计一个隔震的长宽均不能大于30厘米的建筑底座；上层的建筑体，只能使用牙签和胶棒制作，并能够在建筑内放置书、矿泉水和砖头等物品。宣布任务后，呈现评价量规（见表1）

【基础隔振系统材料】硬纸箱板、吸管、竹签、棉花糖、圆珠笔弹簧、卫生纸

【上层建筑材料】牙签5盒、胶棒12支、热熔胶枪2把、砖头1块、矿泉水1瓶、书1本（32开，1～2厘米厚）

3.讲解地震振动台原理（20分钟）

地震所引起的地面振动是一种复杂的运动，它是由纵波和横波共同作用的结果。在震中区，纵波使地面上下颠动，横波使地面水平晃动。为此，教师可结合实物为学生讲解地震振动台原理（教师可以通过网络收集资料），保证学生理解地震振动台如何模拟横波和纵波，以及自己设计的建筑将经历怎样的实验。教师可以用茶杯让学生感受地震振动台的模拟方式，并让学生思考以下问题。

（1）当车在路面上两轮同时高速通过减速带时，车辆容易翻车吗？为什么？

（2）当车在路面上只有一侧轮子高速通过减速带时，车辆容易翻车吗？为什么？

（3）大家玩过尺子打象棋的惯性游戏吗？当底部的象棋被打走，上面的象棋倒了吗？为什么？

（4）地震纵波还是横波对建筑危害更大？

【拓展问题】纵波每秒钟传播5～6千米，能引起地面上下顛动；横波每秒钟传播3～4千米，能引起地面水平晃动。由于纵波衰减快，离震中较远的地方，只感到水平晃动。在一般情况下，地震时地面总是先上下颠动，后水平晃动，两者之间有一个时间间隔，可根据间隔的长短判断震中位置（用每秒8千米乘以间隔时间进行估算）。教师可以给出地震波传播速度，让学生通过地图、直尺和圆规计算震中位置。

4.设计（30分钟）

第一步，学生观察有哪些基座材料可以选用。然后，教师带领学生进行头脑风暴，汇总结果。

第二步，各组学生根据基座的情况，思考如何搭建高塔，画出设计图。先完成的小组可以将设计图交给教师检查。（建议学生在设计之前，上网查找相关资料，将其运用到自己的设计中。）

第三步，教师给出修改意见，修改完成后的小组可以领取全套材料，着手搭建。

5.制作（40分钟）

正式执行制作任务。在制作过程中，学生可以随时使用防震台进行测试，并及时调整自己的方案。教师进行巡视，可以随时讲解，可以让各组派组员到其他组进行观摩。

6.测试（20分钟）

完成的小组，教师进行测试。测试分为三个部分：无承载防震测试；静载荷测试；承载防震测试。

7.讨论与反思（20分钟）

测试全部完成后，各组应当上台介绍，主要围绕设计思路、问题和解决方案、具体的搭建过程分工、防震建筑成品等进行介绍。教师挑选其中效果较好的、设计优秀的作品进行展示，全班讨论设计中的优秀之处以及尚需改进的地方。教师进行最后总结，内容包括设计思路、隔震原理及实现手段、效果评估及改进方案、搭建过程中遇到的困难和解决办法。

8.写作（15分钟）

主要围绕两个问题写作：下次再做减震高塔时会有哪些改变？从其他同学那里学到了什么？

（责任编辑 张慧籽）