14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 教学设计-2025-2026学年人教版九年级物理全一册

《14.4 跨学科实践：制作简易热机模型》教学设计（2 课时） 一、教材分析 本节是第十四章 “内能的利用” 的跨学科实践课，承接 14.2 “热机”（四冲程原理）和 14.3 “热机的效率”，以 “实践制作” 为核心，融合物理（热机能量转化、内能→机械能）、工程（模型设计、材料选择）、安全（高温防护、工具使用）等多学科要素。教材采用 “项目提出→项目分析→项目实施→展示交流” 的实践课逻辑链展开： 1. 项目提出：明确实践目标 —— 通过制作简易热机模型，理解热机工作原理（能量转化、部件协调），列举汽油机、柴油机、汽轮机等热机类型，强调实践对原理理解的深化作用； 1. 项目分析：聚焦制作关键问题：①热源选择（如酒精灯）；②工作物质确定（如蒸汽、热空气）；③内能→机械能的转化方式（如蒸汽推动扇叶转动），并明确 “优先制作外燃机”（如汽轮机）—— 因外燃机（燃烧室在外部）比内燃机（封闭缸体燃烧）更安全、材料更易得； 1. 项目实施：提供具体的 “简易汽轮机模型” 参考方案： 0. 材料：空易拉罐、去掉笔芯和尾塞的中性笔、小风扇、酒精灯； 0. 步骤：易拉罐装半罐水→中性笔密封插入罐口（尖端对准扇叶）→易拉罐架在支架上→点燃酒精灯→蒸汽推动扇叶转动； 0. 安全提示：强调 “高温蒸汽、锋利物品（如中性笔尖端）” 的防护，操作时需谨慎； 1. 展示交流：明确展示要求 —— 说明模型工作原理、制作难点、改进方向，对比不同模型的创意与实用性，培养合作与表达能力。 二、学情分析 1. 知识基础：学生已掌握热机的核心原理（内能→机械能转化）、四冲程工作过程，理解 “做功冲程是动力来源”，能区分外燃机与内燃机的基本差异； 1. 能力基础：具备简单手工制作能力（如裁剪、组装），但在 “材料适配性选择”（如易拉罐密封性处理）、“模型调试”（如扇叶与蒸汽喷嘴对齐）上可能存在困难； 1. 认知难点：将热机原理（抽象）转化为模型结构（具象），理解 “蒸汽推动扇叶” 与 “热机做功冲程” 的对应关系； 1. 安全意识：对 “酒精灯使用、高温蒸汽防护” 的认知不足，需重点强化安全操作规范。 三、核心素养目标 素养维度 具体目标 物理观念 1. 通过制作模型，巩固 “热机将内能转化为机械能” 的核心观念，能说明模型中 “热源→工作物质→机械能” 的能量转化路径； 2. 能关联模型与真实热机（如汽轮机），指出模型中 “蒸汽” 对应真实热机的 “高温高压气体”，“扇叶转动” 对应 “活塞 / 叶轮做功”。 科学思维 1. 能基于教材提示，分析 “选择易拉罐装水、中性笔做喷嘴” 的合理性，培养 “材料功能与原理匹配” 的逻辑思维； 2. 能通过模型调试（如调整扇叶角度、酒精灯位置），分析 “扇叶不转” 的原因（如蒸汽量不足、喷嘴未对准），培养问题解决能力。 科学探究 1. 参与模型制作的完整过程（设计→选材→组装→调试），能按教材步骤操作，记录关键数据（如扇叶转动速度与酒精灯火焰大小的关系）； 2. 能针对模型缺陷（如蒸汽泄漏导致扇叶转速慢）提出改进方案（如用胶带密封易拉罐口）。 科学态度与责任 1. 严格遵守教材中的安全规范（如佩戴护目镜、远离高温区域），培养安全操作意识； 2. 通过小组合作制作，培养分工协作能力；展示时客观分析模型优缺点，培养严谨的科学态度与创新意识。 四、教学重难点 （一）重点 1. 依据教材方案完成简易汽轮机模型的制作，理解模型中的能量转化（内能→机械能）； 1. 按教材要求进行安全操作（酒精灯、高温蒸汽防护）； 1. 能说明模型工作原理，关联真实热机的工作过程。 （二）难点 1. 模型调试：解决 “蒸汽泄漏、扇叶不转或转速慢” 的问题（如易拉罐口密封、喷嘴与扇叶对齐）； 1. 跨学科整合：将物理热机原理与工程制作（材料选择、结构组装）结合，理解 “模型是原理的简化体现”。 （三）突破策略 1. 教材示例引路：以教材提供的 “简易汽轮机模型” 为范本，分步拆解制作流程，标注关键步骤（如中性笔密封方式）； 1. 教师示范 + 小组互助：教师先演示 “易拉罐密封、喷嘴对准扇叶” 等易出错步骤，小组内分工（如 1 人组装、1 人调试、1 人记录），互帮解决问题； 1. 问题清单引导：提供教材隐含的 “调试问题清单”（如 “扇叶不转？→检查蒸汽是否喷出→喷嘴是否对准扇叶→易拉罐是否密封”），辅助学生排查缺陷。 五、教学方法 1. 项目式学习法：以 “完成简易热机模型制作” 为核心项目，驱动学生自主参与设计、制作、调试； 1. 示范讲解法：教师演示教材关键步骤（如中性笔插入易拉罐的密封处理），强调操作细节； 1. 小组合作法：4-5 人一组，明确分工（选材员、组装员、调试员、安全员、记录员），落实教材 “合作实践” 要求； 1. 问题引导法：围绕教材隐含问题（如 “为什么用易拉罐装水？”“蒸汽为什么能推动扇叶？”），引导学生思考原理与结构的关联。 六、教学准备 （一）教师准备 1. 教材素材：教材中 “简易汽轮机模型” 图示、安全提示文本、展示交流评价标准； 1. 示范器材：空易拉罐（提前做好密封处理）、中性笔（去芯去尾塞）、小风扇、酒精灯、支架（铁架台）、护目镜、防火垫； 1. 辅助工具：胶带（密封用）、剪刀（裁剪易拉罐边缘）、打火机（备用）、抹布（处理少量溢水）； 1. 安全装备：教师用耐高温手套、应急水盆（处理酒精灯意外）。 （二）学生准备 1. 个人器材：按教材要求自备空易拉罐（洗净晾干）、小风扇（小型塑料扇叶，避免锋利）； 1. 安全用品：每人 1 副护目镜（教材强调安全防护）； 1. 记录工具：笔记本（记录制作步骤、调试问题、改进想法）。 七、教学过程（2课时） 第 1 课时：项目分析与模型组装（40 分钟） 1. 项目导入：回顾旧知，明确目标（5 分钟） 1. 复习衔接：提问 “热机的核心能量转化是什么？”“汽轮机属于外燃机还是内燃机？”，引导学生回顾 14.2 内容，关联本节实践主题； 1. 教材解读：带领学生阅读教材 “项目提出”“项目分析” 部分，明确实践目标 —— 制作 “能将内能转化为机械能” 的简易热机模型，强调 “安全第一、材料易得” 的教材要求； 1. 任务布置：明确本节课任务 —— 完成模型组装，下节课进行调试与展示。 2. 项目分析：聚焦关键问题（10 分钟） 1. 小组讨论（教材问题）： 0. 问题 1：“为什么教材建议制作外燃机（如汽轮机），而不是内燃机？”（引导学生答出 “外燃机结构简单、无封闭缸体，更安全”）； 0. 问题 2：“模型的热源、工作物质、能量转化路径分别是什么？”（热源：酒精灯；工作物质：水蒸汽；路径：化学能→内能→机械能）； 0. 问题 3：“选择易拉罐、中性笔做模型部件，有什么优势？”（易拉罐耐高温、易加工；中性笔管状结构适合做蒸汽喷嘴）； 1. 安全强调：展示教材安全提示，明确 “三不原则”—— 不触摸高温易拉罐 / 中性笔、不将脸靠近蒸汽出口、不用手直接调整扇叶（需用工具）。 3. 模型组装：按教材步骤操作（25 分钟） 1. 教师示范（关键步骤）： 0. 步骤 1：易拉罐处理 —— 用剪刀将易拉罐上边缘修剪平整（避免锋利），装入约 1/2 容积的水； 0. 步骤 2：中性笔安装 —— 将中性笔尖端朝外，另一端插入易拉罐开口，用胶带缠绕接口（密封，防止蒸汽泄漏），确保喷嘴对准扇叶中心； 0. 步骤 3：支架固定 —— 将易拉罐放在铁架台支架上，调整高度，使喷嘴与扇叶距离约 1-2cm（教材隐含最佳距离）； 1. 学生组装（小组合作）： 0. 安全员监督：提醒组员佩戴护目镜，远离剪刀、易拉罐边缘； 0. 教师巡视：重点指导 “中性笔密封”（胶带缠绕均匀）、“扇叶对准”（避免喷嘴偏离），及时纠正不规范操作； 1. 组装检查：每组完成后，教师检查部件安装是否符合教材要求（如易拉罐是否稳定、喷嘴是否通畅），确认无安全隐患后，方可进入下节课调试。 第 2 课时：模型调试与展示交流（40 分钟） 1. 模型调试：解决问题，验证原理（20 分钟） 1. 分组调试： 0. 步骤 1：放置防火垫 —— 将酒精灯放在防火垫上，对准易拉罐底部； 0. 步骤 2：点燃酒精灯 —— 安全员确认周围无易燃物，由组装员点燃酒精灯（火柴点燃，不直接用打火机凑近）； 0. 步骤 3：观察记录 —— 记录员观察扇叶转动情况（是否转动、转速快慢），调试员根据情况调整（如移动酒精灯位置、微调扇叶角度）； 1. 问题排查： 0. 常见问题 1：扇叶不转→检查喷嘴是否堵塞（中性笔管内有无异物）、蒸汽是否泄漏（易拉罐接口是否密封）； 0. 常见问题 2：转速慢→调整酒精灯火焰大小（适当调大，增加蒸汽量）、缩短喷嘴与扇叶距离（1cm 左右最佳）； 1. 原理关联：引导学生思考 “扇叶转动时，能量是如何转化的？”，关联教材 14.2 中 “汽轮机工作原理”，明确 “蒸汽推动扇叶” 对应 “高温高压气体推动叶轮做功”。 2. 展示交流：按教材要求评价（15 分钟） 1. 小组展示： 0. 每组派 1 名代表，结合模型说明：①工作原理（能量转化路径）；②制作难点（如密封处理、扇叶对准）；③改进想法（如用铝箔增强易拉罐保温、换更大扇叶）； 0. 其他小组参考教材评价标准提问（如 “你们的模型如何减少蒸汽泄漏？”“能量转化效率如何提高？”）； 1. 教师点评：对照教材 “展示交流” 要求，从 “原理正确性、结构稳定性、安全规范性、创意性” 四个维度评价，肯定符合教材要求的设计（如密封良好、扇叶转动稳定），指出需改进之处（如蒸汽浪费较多）。 3. 课堂小结：梳理收获，强化认知（5 分钟） 1. 知识梳理：师生共同总结 —— 简易热机模型虽简单，但核心原理与真实热机一致，都是 “内能→机械能” 转化； 1. 能力提升：回顾制作过程，强调 “发现问题（如扇叶不转）→分析原因→解决问题（如疏通喷嘴）” 的科学探究方法； 1. 安全回顾：再次强调教材安全提示，提醒学生课后处理器材时仍需注意高温（如冷却后再整理易拉罐）。 第 3 课时（可选）：模型优化与拓展（40 分钟，教材延伸） 若时间允许，可增加 1 课时，引导学生基于教材进行模型优化： 1. 教材拓展问题：“如何提高模型的能量转化效率？”（如给易拉罐包一层铝箔保温、改用更大容量的易拉罐增加蒸汽量）； 1. 创意改进：鼓励学生在教材基础上创新（如用热水代替酒精灯做热源，更安全；用塑料瓶代替易拉罐，减轻重量）； 1. 原理深化：对比不同模型的效率（如记录 “相同时间内扇叶转动圈数”），分析 “热源类型、工作物质、结构设计” 对效率的影响，为 14.3 “热机效率” 做铺垫。 八、作业设计 层次 内容要求 基础层（必做） 1. 撰写 “简易热机模型制作报告”，按教材要求包含：①制作步骤（附简图）；②能量转化路径；③遇到的问题及解决方法；④安全操作总结； 2. 对照教材 “简易汽轮机模型” 图示，检查自己的模型是否符合核心结构要求，标注需改进的细节。 提高层（选做） 1. 基于教材提示，设计 “改进版模型” 方案，说明改进点（如 “用保温材料包裹易拉罐”）及预期效果（如 “延长扇叶转动时间”）； 2. 查阅教材 “科学・技术・社会” 中 “汽轮机发展” 的内容，简要说明 “简易模型与现代汽轮机” 的异同。 拓展层（探究） 1. 尝试用不同工作物质（如酒精蒸汽，需在教师指导下进行，注意安全）制作模型，对比 “水蒸汽” 与 “酒精蒸汽” 推动扇叶的效果，记录差异； 2. 思考 “简易模型能否模拟四冲程汽油机？”，结合教材 14.2 内容，分析 “制作四冲程模型的难点”（如气门控制、飞轮惯性模拟）。 九、教学反思 1. 教材适配性：全程以教材为核心，严格遵循 “外燃机制作、安全操作、展示交流” 的要求，未添加超纲内容，学生能按教材步骤完成模型，达成 “理解热机原理” 的实践目标； 1. 难点突破：通过教师示范和问题清单，多数学生能解决 “密封、对准” 问题，但仍有部分小组在 “蒸汽量控制”（如酒精灯火焰大小）上存在困难，需增加 “火焰调整与蒸汽量关系” 的引导； 1. 安全落实：通过护目镜佩戴、安全员分工，未出现安全事故，但学生对 “高温蒸汽的潜在风险”（如少量蒸汽接触皮肤）的警惕性仍需加强，可在课前增加 “安全案例” 讲解（如蒸汽烫伤的轻微处理）； 1. 改进方向：可增加 “教材模型与真实汽轮机” 的视频对比，帮助学生更直观关联抽象原理与具象设备；同时可提供更多教材推荐的替代材料（如塑料瓶盖代替中性笔做喷嘴），鼓励学生创新。 第 1 页 共 8 页 学科网（北京）股份有限公司 $$