海洋工程是人类利用和改造海洋环境的技术实践，它不仅是海洋文化的一部分，还是推动海洋文化发展的重要力量，其中，物理学的作用不可或缺。从古至今，海洋工程不仅展示了人类对海洋的探索与征服，也反映了海洋文化的技术智慧和艺术美学。以跨海大桥为例，工程师需要考虑多种力的作用，如重力、弹力、张力等，而在探讨其稳定性问题时，不可避免地要深入到力的合成与分解这一物理学的核心概念，通过相互作用与力的平衡分析计算，能够确保桥梁在不同的地理环境中保持坚固稳定，在这一过程中，力的合成与分解不仅是理解桥梁稳定性结构的技术关键，更是设计和建造桥梁的基石。海大附高作为海洋特色高中，在物理学科中融入海洋特色(如跨海大桥的建设)能够帮助学生在真实情境中锻炼解决问题的能力。本文以“相互作用与力的平衡”单元为教学内容，就如何搭建跨海大桥为单元任务，开展课堂教学。本单元旨在在真实海洋工程情境中，帮助学生构建相互作用与力的平衡知识体系，并让学生直接投身于模拟跨海大桥建设的实际问题中，解决具体问题，为学生揭开了海洋工程壮丽的一角。
一、基于海洋工程文化背景下“相互作用与力的平衡”单元教学设计
在以跨海大桥为背景设计相互作用与力的平衡单元教学时，应确保创设的海洋工程情境是真实的，这些情境应当准确地反映实际海洋环境中可能面临的挑战，让学生能够直观深刻地感受并理解力在跨海大桥结构建设中的作用，并通过模拟各种情境，如船只航行、飞机航线以及桥梁拉索影响因素等，使学生不仅能够掌握物理原理，还能切实体会到工程师在设计跨海大桥时会遇到的困难及所需考虑的实际因素，从而更加全面地掌握相关知识，提高解决实际问题的能力。
教师通过创设真实的跨海大桥工程情境，在明确本单元的目标任务后，可以让学生分组扮演桥梁的设计师和工程师，共同探讨跨海大桥的设计和建设问题，为学生准备和提供多种物理模型和道具，模拟跨海大桥的建设。在教学的过程中，教师通过设置引导性问题，如“我们该如何改造梁式桥的设计，以确保船只能够无障碍地通过?”“有哪些策略可以用来改善拉索桥的结构，从而有效增加桥梁的跨度?”以及“在面临地势复杂、跨度较大的海峡挑战时，我们应该如何规划和建造既安全又实用的桥梁?”等问题，引导学生从建造简单的“梁式桥”出发，认识生活中常见的力，并通过“拉索桥”和“拱桥”情境认识力的合成与分解，探索不同桥梁受力特点。
在实际课堂教学中，由于资源和环境的限制，无法完全复现建设跨海大桥时的真实情境。为此，教师需要转换策略，将实际生活情景转化为物理学习场景，指导学生使用身边的材料制作跨海大桥的物理模型，模拟真实的工程环境。具体而言，学生使用细线、木块、木板、沙土等简易道具动手实操，构建缩小版的桥梁模型，并通过搭建的模型，深入分析各种桥梁设计在实际应用场景中的局限性，并在此基础上，通过受力分析，学生们可以定量地计算出不同桥梁结构的受力分布和承重能力限制，这不仅能够提升学生对跨海大桥工程的理解，还能使他们在精确评估桥梁设计的合理性和安全性的同时意识到工程设计中精确计算的重要性。
二、案例分析：“力的分解”在海洋工程问题中的实际应用
下面以第三节《力的分解》为例，结合单元教学任务“设计跨海大桥”，探讨如何在物理教学中渗透海洋文化。在此之前，学生已经完成“生活中常见的力”“力的合成”的学习，有了构建挡土墙和建设悬索桥的经验，这为“力的分解”的学习提供了理论基础。在本节课中，将通过创设情境，激发学生的学习兴趣，并利用以下材料进行实践操作：用于搭建梁式桥和拱桥的木块、模拟实际车辆荷载的砝码以及带有系杆拱的简易木板桥模型，旨在通过动手实践的方式，让学生更加直观地理解力的分解原理在桥梁设计中的应用。
(一)创设情境，明确任务
教师展示海岸两侧相隔画面——海洋是人们交流的天然屏障，鼓励学生积极思考如何实现跨海连接，引出单元任务设计跨海大桥。此过程中学生针对自己的方案提出科学的论证，教师进行评价。
(二)方案论证，巩固知识
梁式桥方案设计与探讨：结合教师创设的情境，学生提出梁式桥方案，针对这一方案，教师可以提出一系列的引导性问题：桥面如何保持平衡，如何进行合理搭建?桥墩对桥面的合力为多少?桥墩对桥面的力是否可以视为共点力?
进一步追问：在搭建过程中，你认为会遇到哪些挑战，需要克服哪些困难?
学生思考后回答：由于海底的地质条件可能难以让桥墩稳定，譬如松软的沙土层无法提供足够的支撑力，因此安放桥墩是个难题。
在课堂活动中，学生通过模拟桥墩的安置过程，分析在松软的土质中不同的桥墩结构是如何保持稳定的。同时，学生通过分析如何保持桥面的稳定性，并思考选择梁式桥方案在实际搭建过程中可能会遇到的困难，意识到搭建过程中桥墩架设的关键。因为梁式桥对桥面的作用力，其实是非共点力作用下的平衡问题。此处作为拓展，让学生认识到自己所学的局限性。
拱桥方案设计与探讨：在了解了梁式桥的结构特点后，教师巧妙创设实际情境——“船只如何顺利过桥”，以此引发学生对于梁式桥设计局限性的思考，让学生意识到大量桥墩设计对海上船只的通行构成了影响，自然引导学生将设计思路从梁式桥转向拱桥。
教师：桥墩能够有效地支持桥面，但是我们也必须注意到，海面上布置众多桥墩可能会对船只的航行造成不少的影响，能否设计出一个既能维持桥面稳定又不阻碍海上交通的桥梁工程方案?
学生：是拱桥。拱桥的结构可以将桥面的重力通过拱形结构传递。
在学生提出拱桥的结构概念后，让学生动手，利用木块搭建简易的拱桥模型，让学生直观地感受力在拱形结构下的传递，在此基础上，引入力的分解方法教学，即如何根据力的作用效果来进行力的分解。
在这一课堂环节中，教师从“船只过桥”的问题切入，自然地将学生的设计视野从最传统的梁式桥转移到拱桥的创新构思上，这一过程不仅是一次对海洋工程领域的深入思考和实践，还是一次将理论知识与实际问题相结合的实际工程挑战，从而让学生认识到创新设计在提升海上交通效率和安全性的重要性。
系杆拱桥方案设计与探讨：学生通过搭建简易木制拱桥，对拱地结构力学有了初步地认识，在此基础上，教师提出新的挑战：当海洋地基地质疏松时，拱在水平方向产生的分力如何得以抵消，使拱桥结构继续保持稳定?进一步引导学生结合生活实例思考，引出系杆拱桥的创新设计，在这一过程中，学生需要合理地使用物理语言，探究系杆拱是如何分解和抵消水平分力，从而确保拱桥的稳定性。这一环节不仅加深了学生对力的分解的认识，同时培养了学生运用知识解决实际工程问题的能力。
在这一环节，教师将海洋文化融入物理教学，以海水导致土壤松散的地质问题切入，分析系杆拱桥设计案例的科学原理，通过详细分析系杆拱桥如何在保障结构稳固的同时与海洋环境和谐共存，让学生从工程和生态的角度思考海洋文化，体现了物理学科教育与海洋文化教育的深度融合。
(三)实际运用，拓宽视野
教师引领回顾从“梁式桥”到“拱桥”再到“系杆拱桥”的设计过程，将学生设计的桥梁投入实际生活的具体情境中，使用砝码代替车辆，模拟桥面两侧车流量差异不均的真实场景。在这一环节中，教师引导学生深入思考系杆拱桥如何在海风的侵袭、海浪的冲击以及车流量变化等多种影响因素共同作用下保持平衡与稳定。
实践操作环节中，学生在教师指导下，利用有系杆拱的木板桥模型进行动手实验，通过比较竖直提起的直立系杆拱和具有一定角度提起的倾斜系杆拱在对抗侧面风力或海浪等外部因素时的稳定性，直观得出外倾拱桥具有更高的结构稳定性优势。学生们运用力的分解原理，详细解释外倾拱桥稳定性更强的原因。进一步地，教师延伸拓展非对称外倾拱桥的创新设计理念，并指出这一设计不仅考虑了传统桥梁的承重和稳定性问题，更是在形态上进行大胆创新，使其更好地适应多变复杂的海上环境，提高了桥梁结构在抵抗侧向力、适应不均匀荷载以及美观性方面的整体优势。
三、海洋特色文化背景下的物理教学思考
海洋环境的特殊性对桥梁结构带来了额外的挑战，因此在设计过程中不仅要结合美学和功能确保其结构，还要结合相关物理学原理和知识确保其稳定性。力学单元下桥梁设计与海洋文化的结合在提高学生对物理知识的兴趣的同时，还培养了他们对海洋环境保护的责任感，实现知识传授与文化教育的有机结合。通过该单元的学习，学生们不仅能感受海洋环境的独特性和复杂性，还能够将理论知识结合起来，认识到在波涛之下的桥梁设计需要兼顾多方面的考量，这样的教学设计不仅让学生们了解到创新设计在提高海上交通效率的关键作用，而且让他们在实践中体会到海洋文化的丰富内涵，激发了对海洋环境的尊重和对海洋工程事业的热爱。
国家课程渗透海洋文化，不仅丰富了教学内容，提升了学科教育的内涵，更增强了学生的实践感知能力、综合思维能力和文化素养水平。将海洋文化与物理教学相融合，打破了传统的物理教学模式，拉近了知识与生活的关系，并通过多维度的教学评估，如学生的知识掌握、实践能力、创新思维和态度责任，帮助教师了解教学效果，为教学改进提供依据。
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