【学习目标】

了解盾构机的发明过程和发展历程。

【教学过程】

在教学前，老师引导学生了解有哪些机器设备是模仿自然界的生物创造的（例如飞机、高速列车、潜艇等），并进行分组讨论。小组共同思考可以提高同学们的团队性，使用头脑风暴的方法引导学生拓宽思路，最后老师在对各小组讨论结果进行总结。

老师根据现实生活中的常见的生活设施，如地铁等引入隧道。然后询问大家是否知道修建隧道的机器是什么？然后再引入盾构机，告诉同学们盾构机也是由一种生物进行仿生的。

通过第一部分使同学们了解到人工世界的很多发明都可以在自然世界中找到原型。

然后询问同学们知道盾构机是怎么发明的吗？

1503年6月，哥伦布第四次航海到南美洲的牙买加。有一种贝壳类的生物-船蛆，毁掉了哥伦布船队的一半船只。然而这个令人讨厌的小家伙，却为盾构机的发明带来了灵感。1818年，法国人马克•布鲁诺尔在造船厂为英国海军工作期间，他发现船蛆不仅会在木材上挖洞，还会分泌出一种物质在木头洞壁上形成钙质的保护壳，从而防治木头膨胀挤压，他发现这些和在地下挖掘隧道的原理很像，于是就发明出了盾构机。

通过仿生机械介绍盾构的模型的又来，介绍船蛆是一种什么样的生物。

模型：多孔手掘式盾构机模型、小铲子、橡皮泥等，介绍多孔盾构机的大概开挖原理。

1825年,布鲁诺尔使用这种盾构机在伦敦泰晤士河下方修建隧道，这个盾构机就像一个底部开了大孔的杯子，把杯底朝前塞进隧道里，工人在杯子内部通过那些大孔施工，掘进的同时工人在后方修建隧道的支撑结构，一边挖一边修，过程中由于多次因涌水而被迫中止，直到1841年这条仅仅396米长的隧道才贯通。

引导学生观察盾构机模型，并使用小铲子在模型中进行土体的开挖。在进行第一台盾构开挖时，人们发现由于前面无法对土体进行水土进行有效支撑容易造成上面塌方。

模型：透明塑料缸，气球、大米（或其他代替土质类样本物体）。

引导学生思考如何解决这些前面的土体支撑问题？

老师引导学生将气球吹入气体，然后将气球放置在透明缸边，在上方盖上大米等代替土体样本。

1886年英国人格瑞海德在伦敦地下隧道施工期间就是用了这种方法，在土体的前方冲入压缩空气，人在压缩空气力工作，这样就可以实现对前方水土的支撑了。

1896年，英国人普莱斯开发了一种辐条式刀盘机械化盾构机，这个刀盘可以完全使用机械盾构进行隧道的开挖，开挖的效率大大提高。

同时人们发现由于进行隧道开挖的时候前方是开敞的，容易发生事故并且效率低下，20世纪中期，工程师们又想办法开挖出了一种封闭前方土体开挖的盾构-闭胸式盾构。

闭胸式盾构模型

最后，同学们进行分小组讨论，还有哪些自然界的生物我们可以模仿进行发明，老师再对各小组讨论结构进行点评。

来源: 中国机械工程学会