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（2024）九年级物理全一册

第4节 《跨学科实践：制作简易热机模型》教学设计 一、教学目标 （一）物理观念 1.理解热机的核心工作原理，明确其将内能转化为机械能的本质，能准确描述吸气、压缩、做功、排气四个冲程的能量转化过程； 2.列举汽车发动机、摩托车引擎、轮船柴油机等生活生产中的热机实例，感知物理知识在现代工业与交通中的应用价值。 （二）科学思维 1.基于热机原理设计模型结构时，能运用类比思维将模型部件与实际热机结构对应，通过推理分析模型运行故障的可能原因； 2.在优化模型过程中，能通过对比不同材料的使用效果，培养逻辑分析与创新解决问题的能力。 （三）科学探究 1.参与简易热机模型制作的全流程，掌握剪刀、锥子等工具的安全使用方法，能独立完成材料裁剪、部件组装等操作； 2.制定模型调试方案，记录调试过程中的数据，分析能量损耗原因并提出改进措施。 （四）科学态度与责任 1.树立安全实践意识，严格遵循工具使用规范，在遇到制作难题时保持耐心，主动尝试解决； 2.了解热机运行中尾气排放（如 CO、NO₂）对环境的影响，思考新能源汽车对减少污染的意义，增强环保与可持续发展意识。 二、教材分析 本实践内容选自 2024 年人教版九年级物理第十三章《内能》第三节《热机效率》后的跨学科实践模块，是内能应用的核心实践载体。此前学生已学习内能的概念、改变内能的方式及比热容，本实践承接 “热机工作原理” 的理论知识，通过动手制作将抽象的 “内能转化为机械能” 具象化，为后续学习 “能源与可持续发展” 奠定基础。 从跨学科角度看，本实践融合物理（能量转化、力学平衡）、工程（结构设计、部件组装）、材料科学（材料导热性、韧性选择）等学科知识，符合《初中物理跨学科实践教学指南》中 “以真实问题为驱动，整合多学科知识解决实际问题” 的要求。教材通过 “简易模型制作” 降低实践难度，同时预留创新空间（如材料替换、结构优化），助力学生实现 “从理论到实践” 的认知跨越。 三、学情分析 九年级学生已具备以下基础：在知识层面，掌握内能定义及能量转化的基本规律，能初步说出热机的能量转化方向，但对四个冲程的循环逻辑（如 “做功冲程是唯一对外做功的冲程”）理解不深，易混淆压缩冲程与做功冲程的能量转化；在能力层面，具备初步的动手操作能力（如剪纸、粘贴），但使用锥子、美工刀等工具的熟练度不足，部分学生存在 “不敢操作”“操作不规范” 的问题；在思维层面，能参与小组讨论，但缺乏 “设计 — 验证 — 改进” 的科学探究逻辑，面对模型故障时易陷入 “盲目尝试” 而非 “理性分析”此外，学生对 “动手制作” 兴趣浓厚，尤其期待通过实践验证理论知识，但小组合作中可能出现 “分工不均”的问题，需教师提前规划分组策略。 四、教学重难点 （一）教学重点 1.热机工作原理的具象化理解：能将 “四个冲程” 与模型结构对应，明确模型中能量转化的具体环节； 2.简易热机模型的规范制作：掌握 “材料裁剪→部件组装→初步调试” 的核心步骤，确保模型能实现 “内能转化为机械能” 的基本功能。 （二）教学难点 1.模型能量转化效率的提升：减少模型运行中的能量损耗； 2.跨学科知识的综合应用：能结合物理选择模型支撑结构、结合材料科学选择吸管材质，解决制作中的实际问题。 五、教学器材 （一）基础材料（每组 1 套） 主体结构：空易拉罐（1 个，容积 330mL，去除顶部，边缘用砂纸打磨光滑防割手）、硬纸板（2 张，A4 大小，用于制作支架）、吸管（2 根，直径 6mm，一根剪短用于排气，一根稍长用于连接气球）； 动力与密封：气球（2 个，厚壁气球，避免充气后易破）、橡皮筋（3 根，宽 1cm，弹性好，用于模拟压缩冲程）、图钉（4 个，固定硬纸板支架）、胶水（1 瓶，木工胶或热熔胶，粘性强且干固快）； 辅助材料：砂纸（1 张，细目，打磨易拉罐边缘）、记号笔（1 支，用于在硬纸板上画裁剪线）。 （二）工具（每组 1 套，教师额外备用 2 套） 裁剪工具：圆头剪刀（1 把，安全型，避免尖头划伤）、美工刀（1 把，配刀鞘，仅组长可使用，教师提前演示操作规范）； 打孔与固定工具：锥子（1 把，钝头，避免尖锐伤人）、钳子（1 把，用于弯折图钉）。 （三）多媒体与演示器材 多媒体设备：电脑、投影仪，存储热机工作原理动画（人教版物理配套资源）、简易热机模型制作演示视频（分步骤拍摄，重点展示 “易拉罐打孔”“气球连接” 环节）； 演示模型：教师提前制作的成品模型（1 个，能稳定运行 5 圈以上）、故障模型（2 个，分别为 “漏气模型”“摩擦力过大模型”，用于课堂分析故障原因）。 六、教学过程（总时长 40 分钟） （一）课程导入：情境激发，引出主题（5 分钟） 教师活动 1.情境展示：播放两段视频（各 1 分钟），第一段为 “汽车发动机拆解过程”（重点展示活塞往复运动推动曲轴转动），第二段为 “蒸汽机火车行驶”（展示蒸汽推动车轮转动）；同时展示实物：汽车发动机模型（简化版，可手动转动曲轴观察活塞运动）、蒸汽机玩具（加热后能转动）。 2.互动提问：“视频和实物中，汽车、火车的动力来自哪里？”“这些设备都有一个共同特点 —— 能将哪种能量转化为机械能？” 引导学生回答 “内能转化为机械能”，引出 “热机” 概念；再追问 “我们能不能用身边的材料，做一个简易热机模型，亲眼看看‘内能变机械能’的过程？” 3.明确目标：展示教师提前制作的成品模型，演示其运行过程（气球充气后放气，带动易拉罐转动），说明本节课目标 ——“分组制作简易热机模型，让模型实现稳定转动”，激发学生兴趣。 学生活动 1.观察视频与实物，记录热机工作的关键现象； 2.参与提问互动，回忆热机的能量转化类型，观察教师演示模型，小声交流 “模型是怎么转起来的”，产生动手欲望。 设计意图 通过 “真实情境 + 实物演示”，将抽象的热机原理与学生熟悉的生活实例结合，解决 “理论与生活脱节” 的问题，同时通过成品模型演示，明确实践目标，降低学生对 “制作难度” 的畏惧心理。 （二）知识回顾与原理深化：衔接理论，指导实践（8 分钟） 教师活动 1.原理回顾（3 分钟）： 提问引导：“请大家回忆热机的四个冲程，哪个冲程是‘内能转化为机械能’的关键？” 邀请 1 名学生上台，在黑板上画出 “做功冲程” 的示意图，并讲解能量转化（内能→机械能）； 动画强化：播放人教版配套的 “热机四个冲程动画”（2 分钟），重点标注每个冲程的 “气门状态”“活塞运动方向”“能量转化”，暂停提问：“压缩冲程中，机械能转化为内能的原因是什么？”（引导学生回答 “活塞压缩气体，对气体做功，内能增加”）。 2.原理与模型衔接（5 分钟）： 拆解演示模型：将成品模型拆解为 “气缸（易拉罐）、动力部件（气球）、支架（硬纸板）” 三部分，讲解各部件与热机结构的对应关系：“易拉罐相当于热机的气缸，气球充气后膨胀相当于气缸内气体受热膨胀，气球放气推动易拉罐转动相当于做功冲程，橡皮筋收缩拉动部件复位相当于压缩冲程”； 能量转化梳理：在黑板上画出 “模型能量转化流程图”：气球内气体（内能）→气球膨胀推动吸管（机械能）→吸管带动易拉罐转动（机械能），强调 “减少漏气、降低摩擦” 是模型能转动的关键。 3.学生活动 1.回忆热机四个冲程，上台画图并讲解，其他学生补充纠正（如 “做功冲程中，火花塞点火，燃气膨胀推动活塞”）； 2.观察拆解的模型部件，记录 “气缸 — 易拉罐”“做功冲程 — 气球膨胀” 的对应关系，在笔记本上复画 “模型能量转化流程图”，标注可能的能量损耗点（如 “易拉罐漏气→内能流失”）。 4.设计意图 通过 “回顾 — 画图 — 动画 — 拆解” 四步，帮助学生搭建 “理论原理→模型结构” 的桥梁，避免学生 “盲目制作”，确保制作过程有理论支撑。 （三）小组讨论与方案设计：明确分工，规划步骤（7 分钟） 教师活动 1.合理分组：按 “异质分组” 原则，将学生分为 8 组（每组 4 人），每组包含 “动手能力强”“表达能力强”“逻辑思维强”“细心谨慎” 的学生各 1 名，推选 1 名组长，明确分工：组长（负责统筹协调、工具管理）、设计师（负责画模型结构图）、操作员（负责裁剪、组装）、记录员（负责记录设计方案、调试数据）； 2.讨论引导：发放 “模型设计任务单”，提示讨论方向： 材料选择：“硬纸板支架的高度多少合适？太高会导致易拉罐不稳，太低会限制转动”； 结构设计：“吸管在易拉罐上的打孔位置在哪里？太靠上会导致气球膨胀空间不足，太靠下会导致漏气”； 风险预判：“使用锥子打孔时，如何避免扎到手？” 3.巡视指导：重点关注讨论偏离方向的小组（如讨论 “模型颜色” 而非 “结构设计”），适时介入：“大家先确定支架的形状，是三角形还是长方形？哪种更稳定？” 学生活动 1.组长组织讨论，成员依次发言：设计师提出 “支架用三角形结构更稳定”，操作员补充 “易拉罐边缘要打磨光滑，避免划伤手”，记录员将讨论结果整理到任务单上； 2.每组完成 “模型设计草图”，标注关键尺寸（如支架高度 10cm、吸管打孔位置距离易拉罐底部 5cm），提交教师审核，教师确认后再开始制作。 （四）模型制作实践：规范操作，解决问题（12 分钟） 教师活动 1.安全提示（1 分钟）： 工具使用规范：演示锥子的正确握法（拇指、食指捏住锥子中部，垂直发力打孔）、美工刀的使用方法（刀刃伸出不超过 1cm，切割方向远离身体），强调 “工具仅组长保管，使用时需教师确认”； 材料处理提示：“易拉罐边缘用砂纸打磨 3 圈，确保无尖锐凸起；硬纸板裁剪后，边缘用手折一下，避免毛边”。 2.分步指导（10 分钟）： 步骤 1：制作支架（2 分钟）：指导学生按设计草图裁剪硬纸板，用图钉将硬纸板固定成三角形支架（底部宽 15cm、高 10cm），提醒 “图钉尖端朝内，避免划伤”； 步骤 2：处理气缸（3 分钟）：用锥子在易拉罐侧壁距离底部 5cm 处打孔（孔径与吸管匹配，能插入吸管且不松动），插入短吸管（排气用），用胶水密封吸管与易拉罐的缝隙；再在易拉罐另一侧对称位置打孔，插入长吸管（连接气球用），同样用胶水密封； 步骤 3：组装动力部件（3 分钟）：将气球口套在长吸管一端，用橡皮筋缠绕 3 圈固定（避免漏气），将易拉罐放在硬纸板支架上，用橡皮筋将易拉罐与支架连接（橡皮筋长度以易拉罐能转动且不紧绷为宜）； 步骤 4：初步调试（2 分钟）：指导学生向气球内吹气（模拟气体受热膨胀），松开气球，观察易拉罐是否转动，若不转动，引导分析原因（如 “吸管与孔摩擦力过大”→用砂纸打磨吸管外壁；“气球漏气”→重新用橡皮筋固定气球）； 3.个别帮扶：重点关注动手能力弱的小组，如帮助 “不敢用锥子” 的学生完成打孔，指导 “模型不稳” 的小组调整支架宽度（加宽底部至 18cm）。 学生活动 1.按步骤制作：操作员在组长监督下规范使用工具，设计师协助调整结构（如支架角度），记录员用手机拍摄制作过程（用于后续展示），并记录遇到的问题（如 “胶水干得慢，吸管容易松动”）； 2.初步调试：向气球吹气后，观察模型运行，若易拉罐仅转动 1 圈，讨论原因（如 “气球充气太少，内能不足”），并尝试改进（如多吹 2 口气再测试）。 设计意图 通过 “分步指导 + 安全提示” 降低操作难度，通过 “个别帮扶” 兼顾不同能力学生的需求，同时让学生在 “制作 — 调试” 中践行科学探究，提升动手能力与问题解决能力。 （五）课堂练习：巩固知识，联系实践（3 分钟） 教师活动 发放 “课堂练习单”，展示 2 道题目： 1.基础题：“判断下列模型环节对应的热机冲程：①气球充气后膨胀推动易拉罐转动；②橡皮筋收缩拉动易拉罐复位。分别对应哪个冲程？能量转化是什么？” 2.拓展题：“某小组制作的模型能转动，但持续时间仅 2 秒，可能的原因有哪些？（至少答 2 点）” 计时 3 分钟，学生独立完成后，邀请 2 名学生分享答案，教师点评：基础题强调 “做功冲程（内能→机械能）、压缩冲程（机械能→内能）”，拓展题补充 “气球漏气、吸管摩擦力过大、橡皮筋弹性不足” 等原因。 学生活动 1.独立完成练习，结合自己制作的模型回忆能量转化过程； 2.分享答案，若回答不完整（如拓展题仅答 “漏气”），其他学生补充，深化对 “能量损耗” 的理解。 设计意图 通过 “基础题 + 拓展题” 的分层设计，兼顾不同水平学生的需求，同时将练习与实践结合，避免 “理论与实践脱节”，巩固本节课核心知识。 （六）模型展示与评价：交流反思，提升能力（3 分钟） 教师活动 1.分组展示：每组推选 1 名代表，携带模型上台，演示运行过程（向气球吹气，展示转动效果），讲解 “设计思路”（如 “我们用三角形支架，因为三角形稳定”）和 “改进过程”（如 “一开始漏气，我们加了胶水密封”），限时 30 秒 / 组； 2.学生互评：发放 “评价表”，从 “运行效果（转动次数）、设计创新、操作规范” 三个维度打分（1-5 分），每组评价 3 个其他小组； 3.教师评价：结合学生展示与制作过程，表扬优秀小组（如 “第 3 组模型转动了 6 圈，密封性做得好”），指出共性问题（如 “多数小组的橡皮筋弹性不足，下次可换更粗的橡皮筋”），并展示 “故障模型”，引导学生分析 “漏气模型” 的改进方法（如 “用热熔胶代替普通胶水，密封效果更好”）。 学生活动 1.上台展示：代表清晰讲解设计与改进过程，其他成员补充； 2.参与评价：认真观察其他小组的模型，客观打分，记录 “值得借鉴的设计”（如 “第 5 组用塑料板做支架，比硬纸板更耐用”）。 设计意图 通过 “展示 + 评价”，让学生体验 “成果分享” 的成就感，同时通过互评与教师点评，学习他人优点，明确自身不足，培养批判性思维（参考《初中物理实践教学评价体系》）。 （七）课堂小结：梳理知识，提炼方法（2 分钟） 教师活动 1.热机原理：四个冲程→内能→机械能； 2.模型制作：步骤（设计→制作→调试）→关键（密封、减摩擦）； 3.核心素养：科学探究（动手）、科学态度（安全、环保）。 学生活动 1.小声交流 “本节课收获”（如 “我学会了用锥子打孔，还知道了怎么让模型转得更久”）。 设计意图 通过 “思维导图 + 方法提炼”，帮助学生构建系统化的知识体系，同时将 “科学探究方法” 显性化，培养学生的科学思维。 七、板书设计 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 一、热机核心原理 1.能量转化：内能 → 机械能（关键：做功冲程） 2.四个冲程（示意图）： 吸气：气门开，活塞下 压缩：气门关，活塞上（机械能→内能） 做功：气门关，活塞下（内能→机械能） 排气：气门开，活塞上 二、模型制作 1.材料：易拉罐（气缸）、硬纸板（支架）、气球（动力）、吸管（气道） 2.步骤：设计→裁剪→组装→调试 3.关键：密封（防漏气）、减摩擦（防损耗） 八、课后作业 1.整理本节课笔记，补充 “模型制作步骤” 与 “热机原理” 的对应关系，绘制 “模型能量转化详图”（标注每个部件的作用）； 2.观察家中或生活中的热机（如摩托车、燃气灶），记录其工作时的能量转化现象。 九、教学反思 1.情境导入有效激发兴趣：通过汽车发动机拆解视频与教师成品模型演示，80% 的学生能主动提出 “想尝试制作”，课堂参与度较高； 2.分层指导兼顾差异：通过“异质分组”与“个别帮扶”，原本“不敢动手”的 5 名学生能独立完成吸管安装，所有小组均制作出能转动的模型； 3.时间分配稍显紧张：模型制作环节原计划 12 分钟，但有 3 组因胶水干固慢导致调试时间不足，仅完成 1 次调试； 4.跨学科深度不足：多数小组仅关注物理原理的应用，未主动结合工程设计（如支架承重计算）、环保知识（如尾气处理），需进一步引导； 5.评价维度不够全面：学生互评仅关注“运行效果”，对“设计创新性”“团队协作”的评价较少，未能全面反映学生的综合能力。 第 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$