Инженерное соревнование «Башни и небоскрёбы» как модуль программы профильного обучения

Автор: Фирюлина Надежда Витальевна

Организация: МБОУ «Лицей города Кирово-Чепецка Кировской области»

Населенный пункт: г.Кирово-Чепецк

Проблема ранней профориентации школьников и их знакомства с инженерными специальностями остаётся одной из ключевых задач современного образования. Традиционные формы работы — лекции, экскурсии, тесты на склонность — дают общее представление о профессиях, но редко позволяют подростку почувствовать, что именно делает инженер и чем различаются роли внутри одной команды. Программа «Инженерные каникулы» строится на ином подходе: школьник не слушает о профессии, а проживает её в миниатюре, решая конкретную техническую задачу с реальными ограничениями по материалам, времени и требованиям к результату.

Одно из занятий программы — инженерное соревнование «Башни и небоскрёбы» — построено вокруг базовых принципов строительной инженерии: устойчивости, жёсткости, распределения нагрузок и работы материалов. На первый взгляд задача проста: из двадцати листов бумаги, метра скотча и горсти скрепок нужно построить максимально высокую башню, которая устоит при ветровой нагрузке и выдержит груз на верхней платформе. Но за этой простотой стоит целый пласт инженерных решений — выбор конструктивной схемы, расчёт узлов, подбор геометрии, технология сборки — которые участникам предстоит открыть самостоятельно.

Занятие начинается не со строительства, а с мастер‑класса, который связывает физику конструкций с реальной инженерной практикой: от Спитакского землетрясения 1988 года до сейсмостойких решений Бурдж Халифа и Эйфелевой башни. На этом этапе школьники знакомятся с профессиями, которые затем «примеряют» на себя в команде: инженер‑конструктор, прочнист, геотехник, технолог, испытатель, проектный менеджер. Каждый получает зону ответственности, соответствующую реальной роли в строительном проекте, и отвечает за конкретные решения — от эскиза фундамента до протокола испытаний.

Такой формат решает сразу несколько задач. Во‑первых, участники видят, что инженерия — это не только формулы и чертежи, но и работа в команде, где успех зависит от согласованности действий разных специалистов. Во‑вторых, жёсткие ограничения по материалам заставляют думать не о том, «из чего бы ещё построить», а о том, «как выжать максимум из того, что есть» — это, по сути, главная инженерная задача в любой реальной проектной ситуации. В‑третьих, испытания с фиксацией результатов по протоколу приучают к культуре тестирования и документирования, без которой инженерная работа не существует.

Ниже представлена полная методическая разработка занятия: от целей и оборудования до критериев оценки, описания ролей, инженерных приёмов и хода мастер‑класса по слайдам. Материал может использоваться как самостоятельный модуль в рамках краткосрочных программ профильного обучения, так и встраиваться в более широкий курс «Инженерных каникул» наряду с соревнованиями «Понтонный мост» и «Машина Голдберга».

Соревнование рассчитано на школьников 13–17 лет и встраивается в программу «Инженерные каникулы». Его цель — сформировать базовые компетенции в области строительной инженерии: понимание принципов устойчивости, жёсткости и распределения нагрузок, навыки прототипирования с жёсткими ограничениями по материалам, умение тестировать и дорабатывать конструкцию.

Суть задания

Команды должны спроектировать и построить максимально высокую вертикальную конструкцию (башню/небоскрёб), которая:

• стоит самостоятельно без опоры о стены, потолок или соседние предметы;
• выдерживает собственный вес и ветровую нагрузку (имитация — лёгкий обдув или аккуратное покачивание);
• собрана только из выданного комплекта материалов;
• имеет узнаваемую архитектурную форму (не просто «столбик», а конструкция с ярусами, каркасом, консолями и т. п.).

Ключевая инженерная идея: прочность и устойчивость достигаются не за счёт «массы», а за счёт геометрии (треугольные узлы, жёсткие рамы, пирамидальная форма), рационального соединения (скотч как клеевой шов, скрепки как шарниры/стяжки) и правильного распределения веса (тяжёлые элементы внизу, лёгкие наверху).

Оборудование (на одну команду)

• Листы бумаги А4 — 20 шт. Основа для стен, рёбер жёсткости, оболочек, складок, трубчатых элементов. Бумага может скручиваться, складываться гармошкой, сгибаться в уголки и профили.
• Кусок скотча длиной 1 м. Основной жёсткий крепёжный материал. Ограничение заставляет искать эффективные соединения и минимизировать лишний расход.
• Скрепки — 20 шт. Могут использоваться как шарнирные соединения, стяжки, распорки, элементы усиления узлов, временные фиксаторы. Скрепки можно раскрывать и соединять между собой для создания жёстких связей.

Запрещено: использовать воду, клей, ножницы, любые сторонние материалы.

Этапы проведения 1. Мастер класс (15-20 минут)

Мастер‑класс логично проводится перед соревнованием — он даёт теоретическую базу и знакомит с профессиями, которые необходимы для создания понтонного моста.

Презентация и разработка мастер-класса представлены в Приложении.

2. Выдача задания и материалов (5 минут)

Каждой команде выдают комплект и условия:

• башня должна стоять самостоятельно на ровной поверхности (стол);
• основание не должно превышать размер листа А4 (можно использовать его целиком или меньше);
• высота измеряется от стола до самой верхней точки конструкции;
• конструкция должна выдержать «ветровую» проверку (лёгкий обдув феном на минимальной мощности или аккуратное боковое покачивание рукой);
• конструкция должна выдержать груз, который размещается на верхней платформе башни.

Коротко объясняют критерии оценки и правила безопасности (скрепки могут быть острыми при раскрытии — работать аккуратно).

2. Самостоятельная работа команд (60 минут)

В течение часа команды:

• обсуждают концепцию, распределяют роли;
• делают эскиз и план сборки;
• формируют несущие элементы (трубы из бумаги, уголки, рамы, треугольные фермы);
• собирают каркас, усиливают узлы скрепками и фиксируют скотчем; • проводят мини-тесты (устойчивость, прогибы, реакция на «ветер»);
• дорабатывают конструкцию.

Педагог/организатор консультирует, напоминает про ограничения, но не подсказывает готовые решения.

3. Тестирование конструкций (10–15 минут)

Для каждой башни проводят:

• замер высоты (линейкой или рулеткой);
• проверку самостоятельного стояния (без касания руками);
• имитацию ветровой нагрузки (лёгкий поток воздуха или аккуратное боковое воздействие);
• визуальный осмотр на наличие явных разрушений и расслоений.

Фиксируют предварительные наблюдения: устойчивость, равномерность формы, наличие «провисаний» или перекосов.

4. Испытание и оценивание (30 минут)

Испытания проводят по единому протоколу:

• Башню ставят на ровную поверхность.
• Проводят «ветровую» нагрузку в течение 10–15 секунд.
• Фиксируют, устояла ли конструкция, не появились ли трещины, расхождения стыков, перекосы.
• Конструкция проверяется на нагрузку при помощи груза, который размещается на верхней платформе башни.
• Измеряют высоту до и после нагрузки (если конструкция просела — это фиксируется).
• Оценивают оригинальность и архитектурную выразительность. Результаты заносят в протокол испытаний.

Критерии оценки и методика подсчёта

1. Высота конструкции (см) — основной показатель. Баллы начисляют пропорционально высоте (например, 1 балл за каждые 10 см сверх минимального порога).
2. Устойчивость при ветровой нагрузке — башня не должна падать, заметно крениться или разрушаться. Можно ввести шкалу: устояла без деформаций — высокий балл; есть прогиб, но устояла — средний; падение или разрушение — низкий.
3. Оригинальность и архитектурная выразительность — оценивают экспертно по 5-балльной шкале: нестандартность формы, рациональность, эстетика, эффективное использование материалов.
4. Жёсткость (просадка под собственным весом) — разница высоты до и после ветровой нагрузки. Чем меньше просадка, тем выше балл.

Итоговая оценка — сумма баллов по всем критериям. Можно добавить небольшой бонус за соблюдение правил (использование только разрешённых материалов, отсутствие нарушений техники безопасности).

Какие специальности «примеряют» дети и что конкретно делают

• Инженер-конструктор. Отвечает за общую форму башни, геометрию ярусов, расположение рёбер жёсткости и узлов. В рамках задания он решает, как сделать основание устойчивым, где разместить треугольные фермы, как распределить высоту по ярусам. Связь с профессией: проектирует несущую схему здания, отвечает за работоспособность и устойчивость.
• Инженер-прочнист (расчётчик). Оценивает, где будут максимальные нагрузки и прогибы, и предлагает усиления. В соревновании он помогает выбрать, где сделать уголки и складки, как использовать скрепки для жёстких узлов, как распределить вес по высоте.

Связь с профессией: делает расчёты на прочность, устойчивость и жёсткость, чтобы здание не деформировалось и не обрушилось.

• Технолог/инженер по сборке. Отвечает за последовательность сборки, типы соединений и экономное использование скотча. Он продумывает, как быстро и надёжно соединять элементы, как фиксировать стыки скрепками, как минимизировать расход скотча. Связь с профессией: разрабатывает технологию монтажа, контролирует качество соединений и повторяемость операций.
• Специалист по устойчивости и динамике. Фокусируется на том, как башня ведёт себя под «ветровой» нагрузкой: где появляются перекосы, как снизить крен, как сделать конструкцию более жёсткой. В рамках соревнования он планирует тесты, фиксирует прогибы и предлагает доработки. Связь с профессией: анализирует поведение здания при ветровых и сейсмических нагрузках, предлагает решения по демпфированию и устойчивости.
• Испытатель/инженер по тестированию. Планирует и проводит тесты: замеряет высоту, запускает «ветровую» нагрузку, фиксирует, устояла ли башня, насколько просела, где появились трещины. Ведёт протокол испытаний. Связь с профессией: проверяет прототипы и модели, собирает данные для расчётов и доработок.
• Проектный менеджер/координатор. Держит общий план и тайминг, распределяет задачи, следит, чтобы команда укладывалась в 60 минут, помогает быстро перераспределять силы. Готовит короткую презентацию для жюри: «что решили, почему так, что получилось и что бы улучшили». Связь с профессией: управляет строительными и проектными работами, синхронизирует разные специальности, отвечает за сроки и результат.

Возможные инженерные приёмы и конструкции

• Трубчатые элементы. Бумагу сворачивают в плотные трубки (цилиндры), фиксируют скотчем. Трубка работает на изгиб лучше, чем плоский лист.
• Треугольные фермы. Из полосок бумаги и скрепок собирают треугольные узлы — они дают максимальную жёсткость при минимальном весе.
• Рёбра жёсткости и складки. Лист складывают гармошкой или в уголки — это резко повышает несущую способность.
• Каркасная схема. Основание делают широким и тяжёлым (много слоёв бумаги), верхние ярусы — лёгкими и узкими (пирамидальная форма).
• Усиление узлов скрепками. Скрепки раскрывают и используют как стяжки или шарниры, соединяют между собой для длинных распорок.
• Скотч как жёсткий шов. Узлы проклеивают полосками скотча крест-накрест, чтобы избежать расслоения бумаги.

Методические подсказки для педагога

• Перед стартом можно коротко обсудить понятия устойчивости, центра тяжести, жёсткости и ветровой нагрузки, а также роль геометрии (почему треугольник жёстче прямоугольника).
• Для команд, которые «застряли», полезны наводящие вопросы: «Как сделать основание устойчивее?», «Где лучше разместить треугольные узлы?», «Как усилить стык, если скотч почти закончился?», «Как снизить вес верхней части башни?»
• Важно фиксировать не только результат, но и процесс: как команда принимала решения, как перераспределяла роли, как дорабатывала конструкцию после первых тестов.

 

Приложение

Ход мастер-класса по слайдам и действиям

Презентация по ссылке: https://disk.yandex.ru/i/lPjk1pcwgJ8DDA

Слайд 2 (Спитакское землетрясение 1988)

Что делает педагог: кратко озвучивает факт и ставит вопрос: «Что могло стать инженерной ошибкой?»

Что делают дети: в командах 3–4 человека записывают 2–3 гипотезы (например: недоучёт сейсмики, слабые нормы, ошибки в фундаменте).

Связь со специальностями:

Инженер-сейсмолог — оценивает опасность региона, собирает данные о прошлых землетрясениях, даёт исходные данные для норм.

Нормировщик/эксперт по нормативам — формирует требования к зданиям, чтобы они выдерживали расчётные нагрузки.

Педагогический вывод: ошибки на этапе оценки рисков и нормирования могут стоить тысяч жизней — поэтому эти профессии критически важны.

 

Слайды 3–5 (Землетрясения как глобальная проблема; Япония; симулятор землетрясений)

Что делает педагог: подчёркивает, что сегодня инженеры учатся «предсказывать» поведение зданий ещё до реального землетрясения — на симуляторах.

Мини-эксперимент (5 минут): команды берут 1 лист бумаги, ставят вертикально «стенкой» и аккуратно дуют на него. Фиксируют: падает ли, где появляется прогиб, как быстро.

Обсуждение: «Почему стенка из одного листа не держится? Что можно сделать, чтобы она стала устойчивее?» (сложить гармошкой, сделать уголок, добавить основание).

Связь со специальностями:

Инженер-расчётчик (прочнист) — считает, как здание поведёт себя при нагрузках, в том числе сейсмических.

Инженер по испытаниям — планирует и проводит тесты (в том числе на симуляторах), фиксирует прогибы, трещины, разрушения.

Слайды 6–7 (Гидравлические приводы; роли детей)

Что делает педагог: объясняет, что на симуляторе платформа двигается по осям X, Y, Z — точно так же мы будем имитировать «землетрясение» для наших башен: лёгкий обдув и аккуратное покачивание. Объявляет роли в командах и раздаёт карточки: конструктор, расчётчик, технолог, испытатель, менеджер.

Задача команд: распределить роли и записать, кто за что отвечает в 1–2 предложениях.

Слайды 9–10 (Пизанская башня; фундамент)

Что делает педагог: разбирает ошибку — слабый грунт и недостаточная площадь фундамента привели к наклону.

Мини-задание (3 минуты): на отдельном листе каждая команда рисует «идеальный фундамент» для своей башни из бумаги. Критерии: широкая площадь, низкий центр тяжести, жёсткие связи.

Связь со специальностями:

Геотехник — изучает грунт, оценивает его несущую способность, предлагает тип фундамента.

Инженер-строитель (фундаменты) — проектирует фундамент, который передаёт нагрузку на грунт и не даёт зданию наклоняться.

Слайды 11–13 (Бурдж Халифа; железобетонный стержень; устойчивость)

Что делает педагог: показывает, что устойчивость достигается не только фундаментом, но и внутренней структурой: ядро (стержень), поперечные и продольные связи, распределение жёсткости по высоте.

Задание для команд (5 минут): на эскизе башни отметить:

• где будет «ядро» (центральный стержень);
• где распорки/фермы (треугольные узлы); к
• как меняется ширина башни по высоте (пирамидальность).

Связь со специальностями:

Инженер-конструктор — создаёт общую схему, выбирает конструктивную систему

(рамная, каркасно-ствольная и т. п.).

Инженер-прочнист — проверяет, где будут максимальные напряжения и прогибы, предлагает усиления.

Слайды 14–17 (Эйфелева башня; структура кости; треугольная форма; центр тяжести) Что делает педагог: делает вывод: природа и архитектура используют похожие принципы — сегментированность, треугольные узлы, низкий центр тяжести.

Практическая подсказка: «В вашей башне используйте треугольные фермы из скрепок и бумаги — они жёстче прямоугольников. Основание делайте широким, верх — лёгким».

Мини-тест: команды ставят на стол 2–3 бумажные трубки разной толщины и аккуратно давят сверху. Наблюдают: какая лучше держит нагрузку, почему.

Слайды 18–20 (Мидии и материалы; эффект памяти; картонные трубы в сейсмостойком строительстве)

Что делает педагог: поясняет, что материалы тоже решают: лёгкие и гибкие конструкции иногда безопаснее тяжёлых и жёстких. Картон и дерево при разрушении дают меньше опасных обломков.

Вывод для практики: «Ваша башня из бумаги должна быть не просто высокой, а устойчивой и „живучей“ при нагрузке. Лучше лёгкая, но жёсткая конструкция, чем тяжёлая и хрупкая».

Связь со специальностью:

Материаловед — подбирает материалы под задачу: прочность, гибкость, вес, стоимость, безопасность при разрушении.

Слайд 21 (Строим башни из бумаги)

Переход к практике. Педагог формулирует задание

Слайд 22 (Правила)

Правила соревнования (озвучиваются и фиксируются на флипчарте/доске):

• Башня стоит самостоятельно, без опоры о стены/потолок.
• Основание не больше листа А4.
• Высота измеряется от стола до самой верхней точки.
• Испытание: лёгкий обдув 10–15 секунд + аккуратное боковое покачивание. • Запрещено использовать воду, клей, ножницы, сторонние материалы.

 

Роли в действии:

Конструктор: отвечает за эскиз и общую форму.

Расчётчик: следит за жёсткостью, предлагает треугольные узлы и складки.

Технолог: организует сборку, экономит скотч, фиксирует стыки скрепками.

Испытатель: проводит мини-тесты, фиксирует прогибы и слабые места.

Менеджер: следит за временем, распределяет задачи, готовит 30-секундную защиту.

Слайд 23 (Оценка башни)

Протокол испытаний (заполняется каждой командой и жюри):

Высота (см): замер до и после испытания.

Устойчивость: устояла/упала/заметно кренилась.

Жёсткость: просадка (разница высот до/после) в см.

Оригинальность: 1–5 баллов (нестандартные узлы, выразительная форма). Рациональность материалов: насколько экономно использованы скотч и скрепки.