營建科技教學活動設計－橋樑構造教學示例
林財世 高雄師大工業科技教育學系教學碩士班研究生 壹、前言 隨著科技的進步，人類建造橋樑的技術與日俱增，橋樑的建材種類也不斷地被開 發運用，從早期由石塊、木頭或磚塊所構築之橋，乃至今日的鋼筋混凝土橋、鋼橋或 鋼索懸吊橋等。而現今我們常見的大型橋樑大都採用具創意的造型和先進的施工技 術，不僅利用鋼材構造或是採用混合型式的材料來建構橋樑，在造型上更結合了力與 美，呈現出萬千的氣象，使得橋樑除具備交通運輸功能外，還兼具藝術景觀的功能。 因此，一座兼具力與美的橋樑工程，一方面可以形成四通八達的運輸網路，縮短跨越 兩地的時間與空間；另一方面也成為地方上代表性的地標，甚至是一個國家富庶繁榮 與進步的指標。 橋樑的形式通常概分為：樑橋(beam)、拱橋(arch)、吊橋(suspension)、懸臂橋(cantilever) 和斜張橋(cable-stayed)等五種，而一座橋樑可以是其中一種或兩種以上的結合。橋樑的 建造過程，從勘探、設計、施工、建造到架設建構，均需考量諸多的因素。除了要克 服跨越各種地形的障礙、計算跨越這些阻礙所需的橋樑長度外，還必須考慮橋樑本身 的垂直載重和其他各項作用力的影響。此外，風力、水力、溫度以及橋樑的交通流量 等，也都需要納入考慮。 在九年一貫的課程中，生活科技之學習應以探究和實作的方式來進行，強調手腦 並用，以活動導向為主，並兼顧設計與製作。本教學活動設計理念，即是希望學生藉 著參與本活動，能練習資訊搜集與探究的能力，並培養合作的觀念。藉由橋樑資料的 搜集、整理與觀賞 Discovery「偉大橋樑」教學 DVD 影片，讓學生能認識橋樑的演進 過程和發展史，並透過搭拱橋教學活動的進行，以了解拱橋的原理和構造形式，進而 建立學生的科技素養、了解營建科技的範疇與培養小組分工合作的精神。本教學活動設計緊扣著生活科技活動的精神，重視「科技探究」、「動手做」和「做 中學」，讓學生從實際動手搭拱橋的過程中實踐知能理論，並得到學習的樂趣，進而 達到自我肯定的目標。 貳、教學活動：橋樑構造教學設計 叁、教學時間：6 節 肆、適用對象：國中二年級 伍、教學目標 1.使學生瞭解橋樑的種類、建構材料、演進及發展趨勢。 2.使學生認識橋樑的形式和結構體。 3.培養學生資料蒐集分析及分享知識的能力。 4.使學生瞭解力與美的原理及轉換。 5.使學生能學習團隊合作的精神。 6.透過實際操作，培養動手做、做中學的學習，培養解決問題的能力。 陸、分段能力指標 4-2-1-1 了解科技在生活中的重要性。 4-3-2-1 認識國內外的科技發明與創新。 4-4-1-3 瞭解科學、技術與工程的關係。 4-4-2-2 認識科技發展的趨勢。 8-4-0-2 利用口語、影像（如攝影、錄影）、文字與圖案、繪圖或實物表達創意與構 想。 8-4-0-3 了解設計的可用資源與分析工作。 8-4-0-4 設計解決問題的步驟。 柒、教學資源與材料 1.教學媒體： 筆記型電腦、單槍投影機、樑橋結構的 PowerPoint 教學檔案、DiscoveryR【偉 大的橋樑】教學 DVD 影片、認識橋樑學習單(自製)、數位相機。
2.材料： 木條（10mm×20mm×400mm）×40 枝 ×組別。 捌、教學活動 活動一：認識橋樑（四節課） 活動內容 節數 教師活動 學生活動 備註 ０ 1.課程準備、材料請購 2.設計學習單、教學簡報、教 學活動海報 1.請學生尋找橋樑的相 關資料或上網搜尋 2.將資料整理成書面報 告，上課時繳交。 ＊教師應提前告知 同學回家找尋資 料 １ 1.簡介營建科技 (10 分鐘) 2.介紹各種橋樑的形式和建 構材料 (10 分鐘) 3.說明運輸與橋樑的關係，使 學生瞭解橋樑建築的重要 性 (5 分鐘) 4.引導學生分享所蒐集的橋 樑資料與資訊 (20 分鐘) 1.注意聽講並做筆記 2.討論與分享 3.繳交書面報告。 １ 1.利用 PowerPoint 簡報講解橋 樑的各種形式、及其橋樑結 構體的張力、壓力、支撐反 作用力 (25 分鐘) 2.探討與說明 (20 分鐘) 1.注意聽講並做筆記 2.討論與分享 科學領域概念： 1.能量形式轉換 W=F×S ; 2.力的支撐原理 F1×d1=F2×d2 ２ 1.播放 DiscoveryR【偉大的橋 樑】教學 DVD 影片(片長約 50 分鐘) 2.教師歸納總結，與學生互動 討論並分享心得 (10 分鐘) 3.發放學習單，請同學針對此 次活動課程的上課內容，來 做學習單的填寫。(30 分鐘) 4.解說下一堂課，所要進行之 活動內容(搭拱橋)。 1.專心聽講、做筆記 2.觀賞偉大的橋樑 DVD 影片 3.填寫【偉大的橋樑】 學習單 4.討論與分享 ＊DVD 影片:為協和 國際多媒體公司 所出版 ＊學習單如附錄一
活動二：拱橋大挑戰（二節課） 活動內容 節數 教師活動 學生活動 備註 １ 1.教師將學生分組，約 4~5 人 一組。 (5 分鐘) 2.教師發放搭拱橋材料~木 條，每組先分配 40 枝木條。 (5 分鐘) 3.教師利用教學活動海報，講 解活動內容，使學生了解拱 的原理和搭拱橋的教學活 動的競賽規則、評分標準。 (25 分鐘) 4.教師示範以木條搭拱橋，並 發放每位同學一張搭拱橋 操作步驟單。（10 分鐘） 1.小組分組，並選小組 長一名。 2.注意聽講並做筆記。 3.學生根據教學海報或 搭拱橋操作步驟單來 進行搭拱橋競賽。 4.小組成員討論分工和 研究如何進行搭拱橋 ＊搭拱橋操作步驟 單如附錄二 １ 1.小組開始進行搭拱橋的教 學活動。 (20 分鐘) 2.各小組完成作品後，先測試 拱橋是否牢固、平穩。(5 分鐘) 3.各小組可以依照搭拱橋的 原理，來調整和補強拱橋木 條的強度和造型。(5 分鐘) 4.完成搭拱橋作品 5.成果分享與解說(15 分鐘) 6.教師檢視學生作品，進行評 量 (10 分鐘) 7.各小組成員與所完成的作 品拍照合影留念。 8 教師總結課程 1.小組成員開始動手搭 拱橋 2.進行分組競賽活動 3.小組相互評分 ＊木條若不足的小 組，可以向老師領 取。 ＊準備評分表、小組 互評表 ＊教師準備數位相 機 玖、活動競賽與教學評量 教師可條列出競賽規則、評量標準，來實施教學評量。本教學活動設計則是將認 知、情意、技能的評量項目融入學習單和競賽活動評量內，條列如下： (一)競賽活動 1.每組利用所分配的 40 枝木條，來搭一座拱橋。
2.小組必須在不使用其他輔助器材下，透過小組成員合作，僅使用木條來搭拱 橋。 3.各組的拱橋作品，應考慮到橋樑的穩固性、美觀、承載強度。 4.各組完成作品後，應計算小組共使用多少數量的木條，教師依照各組所完成 的拱橋作品，針對結構整體造型、負載承重來給予評分(教師可利用課本的重 量，疊在拱橋作品上來測試，以五本課本為上限)、進行小組互評並填寫互評 單。 (二)教學評量 1.認知部份： (1)偉大橋樑的學習單填寫。(25%) 2.情意部份： (1)上網找尋資料並將蒐集的資料整理分析，完成書面報告(10%)。 (2)學生參與活動的學習態度和課堂參與分享討論 (10%)。 (3)小組成員合作分工的情形 (5 %)。 3.技能部份： (1)是否在規定時間內完成用木條搭成橋樑(拱橋) (15%)? (2)針對學生作品拱橋，其結構性、造型美觀、承載負荷來給予評分。(15%) (3)小組自評互評的結果。(20 %) 拾、本活動之建議 1.學生收集橋樑資料的書面報告，教師最好能夠將報告的格式作一規範和解說。 2.本教學活動的進行，若學校沒有科技專用教室，建議教師也可以在普通教室實施 教學。學生於分組後，可以將普通教室桌椅併桌來進行搭拱橋活動。 3.教師於在解說橋樑結構時，可以引導學生去思考與討論，橋樑在遇到什麼狀況下 會斷裂？（例如：地震、負荷承載過大、基柱結構受損）；影響橋樑斷裂的因 素有哪些？（例如：遇到外來的張力、剪力），透過周遭發生過的實例(例如圖 １、２，高屏大橋的斷裂)來說明和解釋。
圖１ 斷裂的高屏大橋(1) 圖２ 斷裂的高屏大橋(2) 4.若時間允許，建議老師可以多增加一節課程，讓學生來進行『搭拱橋的極限挑 戰』，將學生分為二∼三大組，挑戰木條超過 40 枝的拱橋搭設競賽，讓學生有 充裕的時間來完成「大拱橋」，增強學生學習的動力和挑戰性，並於活動後討 論分享成果。 拾壹、教學活動過程 (一)資料蒐集與分享 (二)構想發展 圖 3 同學互相討論研究老師所搭設之拱橋 範本和方法 圖 4 架構不同結構的橋樑，來測試橋樑 的承載負荷
(三)設計橋樑樣式 (四)執行製作 圖 5 各小組成員依照搭拱橋操作步驟單， 發揮創意、分工合作設計橋樑 圖 6 小組同學聚精會神，合力架設橋樑 作品 (五)評量與發表 圖 7 通過評量測試的喜悅 圖 8 小組成員發表作品與感想 拾貳、結語 生活科技活動本身有它多元學習的意義與價值，學生科技素養的內化是日積月 累、新舊經驗交織而成的。課程設計融入「科技探究」、「動手做」和「做中學」的教 學策略，乃是生活科技最重要的精神，也是每一位教師在授課前，應具備的教學能力。 因此，引導學生在學習過程中，除了在科技領域獲取知識外，更要與生活經驗作一結 合，才能成為有用的知識。
參考書目 李淑珺譯 (2003)：巧奪天工-世界偉大建築巡禮。台北：秋雨文化事業股份有限公司。 曾瑞蓮、謝鐵惠(1999)：科技教育活動示例彙編。高雄：國立科學工藝博物館。 蔡雅雯編(2003)：自然與生活科技學習領域研習手冊。台北：教育部。 劉柏宏譯 (1988)：結構系統。台北：科技圖書股份有限公司。 盧昭蓉、蘇芳儀編（1998）：中華科技學習讀本。高雄：國立科學工藝博物館。
【附錄一】
Discovery
R
【
偉 大 的 橋 樑
】學習單
班級： 座號： 姓名：
一、請畫出以下各種橋樑的結構(“影片中出現”或”你已知道的”均可)？拱 橋
桁架（懸臂）橋
吊 橋
斜張橋
二、是非題 （ ）1、現在新造的所有大橋，在建造時都會評估風力造成的影響。 （ ）2、在日本建造的橋樑，一般會較歐美國家顯得輕巧。 （ ）3、薄桁架路面較中空桁架容易受風力影響。 （ ）4、鹽分會腐蝕鋼筋水泥的結構及補強材料。 （ ）5、台灣建築橋樑的自然條件與日本比較相似，與英美大部份的地區不同。 （ ）6、紐約布魯克林橋己存在超過”一百年”的時間。 （ ）7、奧勒岡州新灣河橋採取新施工法主要是經濟（節省經費）的考量。（ ）8、斜張橋主要承受力量的部份是”橋塔”。 （ ）9、阪神大地震後，日本明石海峽大橋設計與施工重新做了評估與修正。 （ ）10、相對於其他結構，吊橋在結構上適合用於大跨距。 （ ）11、舊金山金門大橋已毀於十餘年前芮氏七點一級的加州大地震中。 （ ）12、日本明石海峽大橋測試及施工的時間超過二十年。 三、選擇題： （ ）1、吊橋主要承受力量的部份是（A）橋塔（B）橋柱（C）兩側橋墩（D）橋面。 （ ）2、華盛頓州他科馬海峽大橋毀於（A）潮水（B）風力（C）颱(颶)風 （D）本身重量。 （ ）3、紐約布魯克林橋的”橋塔”使用的材料是什麼？（A）石材（B）鋼筋水泥 （C） 鋼骨（D）合成材料。 （ ）4、粗壯的桁架(懸臂)橋最早的代表作是（A）加拿大魁北克橋（B）紐約布魯 克林橋（C）奧勒岡新灣河橋（D）蘇格蘭福思河鐵軌橋。 （ ）5、日本何種自然現象對橋樑構成嚴峻的考驗？（A）颱風（B）雨量 （C）季風（D）以上均是。 （ ）6、解決日本明石海峽大橋超高橋塔上下固定不動，卻中間搖晃問題的方法是 （A）加強桁架 （B）逆向擺錘 （C）斜向與縱向的交錯鋼索（D）超大水 泥支柱。 （ ）7、日本明石海峽大橋最出色的驚人成就是（A）最美觀（B）橋塔最高（C） 跨距最大（D）跨越斷層。 （ ）8、何者是日本明石海峽大橋多年評估也疏忽的項目？（A）中段搖晃（B）地 震強度（C）斷層位置（D）橋面受風。 （ ）9、何種橋樑是短跨距時最常見的結構？（A）拱橋 （B）吊橋 （C）桁架橋 （D） 斜張橋。 （ ）10、橋樑的主要作用是 （A）都市地標 （B）提供安全可靠的通道 （C）設 計師一展長才 （D）結構力學實驗 。
（ ）11、現今全世界最高且最長的”吊橋”是（A）舊金山金門大橋（B）紐約布魯 克林橋（C）日本明石海峽大橋（D）華盛頓州他科馬海峽大橋 。 （ ）12、首座使用強化鋼材的流線型大橋是（A）紐約布魯克林橋 （B）曼哈頓華 盛頓橋 （C）舊金山金門大橋 （D）日本明石海峽大橋 。 ※答案欄 是非題 題號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 ※ 答案欄 選擇題 題號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 四、影片中令你(妳)印象最深刻的畫面是…… 五、你(妳)能舉例一座台灣境內的橋樑嗎？它是什屬於什麼形式？有什麼特色？
