9.4 跨学科实践：制作简易活塞式抽水机 教学设计 2024-2025学年人教版八年级下册物理

该初中物理教学设计聚焦“制作简易活塞式抽水机”跨学科实践，核心围绕大气压推动水上升的原理，通过农村取水情境导入，结合注射器抽水实验纠正“吸力”认知误区，衔接液体压强、大气压前序知识，为理解单向阀开闭规律与制作实践搭建学习支架。 以项目式学习为主线，融合物理、技术、劳动学科要素，通过动态动画分步演示工作原理构建物理模型，设置“密封性优化”“阀门设计”等真实问题链驱动科学探究，小组合作利用塑料瓶等常见材料完成制作与测试。体现科学思维（模型建构、质疑创新）、科学探究（完整实践流程）、科学态度与责任（合作安全、问题解决），助力学生深化物理观念，提升工程实践能力，为教师提供可操作的跨学科实践方案，有效落实核心素养。

《第4节 跨学科实践：制作简易活塞式抽水机》教学设计 基本信息 课题 第4节 跨学科实践：制作简易活塞式抽水机 学科 初中物理 年级 八年级下册 教材与教学内容 版本：人教版义务教育教科书·物理 八年级下册 页码： 【课时教材分析】 本节课是人教版八年级下册第九章“压强”的跨学科实践内容，聚焦于“制作简易活塞式抽水机”这一真实工程任务。教材以生活中的抽水现象为切入点，引导学生从观察注射器抽水出发，理解大气压在活塞式抽水机工作过程中的关键作用。通过图示展示其工作原理的三个阶段——提拉活塞进水、下压活塞上行、再次提拉实现连续出水，帮助学生建立物理模型。同时，教材提供了具体的材料清单和制作步骤，鼓励学生利用身边常见物品进行动手实践，体现了“做中学”的教育理念。本节内容不仅是对前面所学液体压强、大气压知识的综合应用，更是培养学生科学探究能力、工程设计思维和解决实际问题能力的重要载体，具有很强的实践性与综合性。 【课时学情分析】 八年级学生已经学习了力、压强、液体压强和大气压的基本概念，具备一定的物理知识基础，但对知识的综合应用能力尚显不足。他们对生活中常见的抽水工具如井泵、水泵等有一定感性认识，但对其内部结构和工作原理缺乏深入理解。学生普遍具有较强的动手兴趣和探索欲望，喜欢参与实验和制作活动，但在设计方案、选择材料、解决技术难题等方面经验较少，容易出现盲目操作或半途而废的情况。此外，部分学生对大气压的作用仍存在认知误区，认为是“吸”上来的水而非“压”上来的水。因此，在教学中应注重创设真实情境，引导学生主动思考、合作探究，在实践中深化对大气压作用的理解，并通过分步指导帮助学生顺利完成制作任务，提升其工程实践能力和团队协作意识。 【课时设计思想】 本课以“项目式学习”（PBL）为核心设计理念，围绕“如何自制一台能持续抽水的简易活塞式抽水机”这一驱动性问题展开。教学遵循“提出问题—分析原理—设计方案—动手制作—测试优化—交流反思”的工程实践流程，强调学生的主体地位和真实体验。通过情境导入激发兴趣，利用注射器演示直观揭示大气压的关键作用；采用小组合作方式开展设计与制作，鼓励创新选材与结构改进；设置多层次的任务挑战，如“谁的抽水机抽得更高”“谁的设计更流畅”，增强竞争性与趣味性。整个教学过程融合物理、技术、劳动等多学科要素，注重培养学生的科学思维、实践能力和责任意识，实现知识建构与能力发展的统一。 【教学目标】 物理观念：理解活塞式抽水机的工作原理，掌握其在提拉与下压过程中两个单向阀门的开闭规律及大气压在此过程中的决定性作用；能够用物理语言描述抽水机各部件的功能及其相互配合关系。 科学思维：通过观察实验现象和分析工作示意图，构建活塞式抽水机的物理模型；运用逆向推理和类比思维，将注射器抽水现象迁移到抽水机工作原理的理解中；在设计与优化环节中体现批判性思维与创造性思维。 科学探究：经历完整的科学探究过程，包括提出问题、设计实验方案、选择材料并动手制作、测试运行效果、收集数据、分析问题原因并提出改进建议；能够在教师引导下制定合理的探究计划并有效执行。 科学态度与责任：在小组合作中表现出积极的合作精神与责任感，尊重他人意见，合理分工；关注生活中的物理现象，增强利用科学知识解决实际问题的意识；在制作过程中养成严谨细致、安全规范的操作习惯。 【教学重难点】 【教学重点】理解活塞式抽水机的工作原理，特别是大气压在推动水上升过程中的核心作用；掌握两个单向阀门在不同工作阶段的开闭状态变化规律。 【教学难点】准确理解“水被大气压推入筒内”而非“被活塞吸上来”的物理本质；在实际制作过程中实现良好的密封性与阀门的可靠启闭，确保抽水机能连续稳定工作。 【教学课时】 1课时（45分钟） 【教学策略】 采用项目式学习（PBL）为主线，结合情境教学法、实验探究法、合作学习法与讲授法。通过真实生活情境引发认知冲突，借助演示实验突破难点，组织学生以小组为单位完成设计与制作任务，在动手实践中深化理解，最后通过展示交流促进思维碰撞与经验共享。 【教学准备】 教师准备：多媒体课件、注射器（带针头）、水盆、红色染色水、活塞式抽水机工作原理动画视频、实物投影仪。学生分组材料包：空塑料瓶（500ml装溶液瓶）、筷子一根、塑料片若干、玻璃球一个、橡皮膏一卷、塑料软管一段（约20cm）、剪刀、打孔器、记号笔等。 【教学过程】 教学环节 教学活动 设计意图 教师活动 学生活动 一、情境导入 激发兴趣 一、情境导入，引发思考 （1）创设农村取水困境情境： 教师讲述：“同学们，假设你们来到一个偏远山村，这里没有自来水，村民每天都要从几十米深的井里打水。传统的辘轳打水费时费力，有没有一种更省力的方式可以把水从低处提到高处呢？” 随即提问：“你们见过哪些抽水工具？它们是怎么工作的？” 在学生回答后，教师补充：“有一种叫‘活塞式抽水机’的老式设备，只要反复按压手柄就能把水抽上来。今天我们就来揭开它的秘密，并尝试自己动手做一个！” （2）、演示注射器抽水实验： 教师取出一支大号注射器，去掉针头，将其插入盛有红色染色水的水盆中。 缓慢向上拉动活塞，让学生清晰看到水随着活塞上升而进入针筒。 提问：“为什么水会跟着活塞往上升？是不是活塞把水‘吸’上来了？” 引导学生思考：如果真能‘吸’，那理论上可以无限升高吗？现实中却有限制，说明另有原因。 进一步追问：“当我们向上拉活塞时，针筒内部发生了什么变化？外部又是什么力量让水进入的？” 待学生讨论后，教师点明：“真正把水推进来的不是‘吸力’，而是外界的大气压力！这就是我们今天要研究的核心——大气压的应用。” 1. 认真倾听教师讲述的情境故事，联系生活经验思考取水方式。 2. 积极发言，说出自己知道的抽水工具如水泵、压水井等。 3. 观察注射器实验全过程，重点关注水随活塞上升的现象。 4. 参与讨论“水是否被吸上来”的问题，初步质疑传统说法。 5. 尝试解释现象背后的物理原因，形成探究动机。 通过贴近生活的故事情境激发学习兴趣，唤起已有经验；利用简单实验制造认知冲突，打破“吸上来”的错误前概念，引出大气压的关键作用，为后续原理学习奠定基础。 二、原理剖析 构建模型 二、解析原理，建立模型 （1）展示教材图9-4-2： 教师利用多媒体展示教材第57页图9-4-2“活塞式抽水机工作原理示意图”， 并配合动态Flash动画分步演示三个工作阶段： 第一阶段（提拉活塞）：活塞上移，筒内气压降低，低于外界大气压，此时阀门B被大气压推开，水进入筒底，而阀门A因上方水柱压力关闭。 第二阶段（下压活塞）：活塞下移，压缩筒底空气，阀门B被水压关闭，筒内水受压冲开阀门A进入筒体上部。 第三阶段（再次提拉）：活塞再上提，筒上部的水压迫阀门A关闭，水只能从出水管流出；同时筒底再次形成低压区，水又推开阀门B进入。 每播放一帧，教师暂停讲解，强调“大气压是动力源”“阀门具有单向导通特性”。 （2）组织小组讨论关键问题： 教师提出四个核心问题供小组讨论： ① 抽水机为什么需要两个阀门？它们的位置和开启方向有何要求？ ② 活塞与筒壁之间为什么要紧密接触？若漏气会有什么后果？ ③ 如果没有大气压，这种抽水机还能工作吗？为什么？ ④ 理论上这种抽水机最多能把水提升多高？依据是什么？（提示：标准大气压支持约10.3m水柱） 教师巡视各组，参与讨论，适时点拨，纠正错误理解，如“活塞产生吸力”等说法。 1. 观看多媒体图示与动画，跟随教师讲解理解每一阶段的工作过程。 2. 在笔记本上绘制简化的三步工作流程图，标注阀门状态与水流方向。 3. 分组讨论教师提出的四个问题，记录讨论结果。 4. 推选代表准备汇报本组观点，尤其是对“大气压作用”和“密封性重要性”的理解。 5. 对“最大抽水高度”进行估算，回忆之前学过的p=ρgh公式。 利用可视化手段将抽象原理具象化，帮助学生构建清晰的物理模型；通过层层递进的问题链引导深度思考，强化对大气压、单向阀、密封性等核心概念的理解，突破教学难点。 三、设计制作 动手实践 三、设计方案，动手制作 （1）引导学生制定设计方案： 教师发放“简易抽水机设计任务单”，要求每组根据教材提供的参考方案（图9-4-3至图9-4-6）， 结合现有材料，完成以下设计： ① 明确圆筒来源：选用塑料瓶上半部分作为主筒，需保证内壁光滑、不易变形。 ② 设计活塞结构：将瓶底稍作修剪后作为活塞，外径略小于瓶体内径，既能滑动又尽量减少间隙。 ③ 制作进水口与出水管：瓶口朝下作为进水口，侧壁打孔插入塑料管作为出水管。 ④ 构建两个单向阀门： - 下阀（B阀）：利用玻璃球自由落体特性，置于瓶底，当水从下往上推时可顶开，反向则压紧密封。 - 上阀（A阀）：在活塞上打孔，用橡皮膏粘贴塑料片制成翻板式单向阀，只允许水向上通过。 教师强调：“阀门的设计是成败关键，必须保证单向导通、启闭灵活。” （2）、指导学生分步制作： 教师示范关键操作步骤： 第一步：使用剪刀小心剪去塑料瓶底部，保留上半部分作为圆筒。 第二步：将剪下的瓶底边缘修整平滑，作为活塞，测试其在筒内的滑动情况。 第三步：在瓶身上距底部约5cm处用电钻或加热铁钉打一小孔，插入塑料软管并用热熔胶密封固定，作为出水管。 第四步：在活塞中央打一个小孔用于穿筷子作手柄，在偏心位置打另一小孔用于安装塑料片阀门。 第五步：用橡皮膏将塑料片一侧牢固粘贴在活塞上，使其能自由掀开但不会脱落，形成上阀门。 第六步：将玻璃球放入瓶内底部作为下阀门，盖上活塞，插入筷子固定。 教师提醒安全事项：使用剪刀、打孔器时注意安全，避免划伤；热熔胶高温慎触。 1. 小组领取材料包和设计任务单，共同商讨具体实施方案。 2. 绘制简易设计草图，标明各部件名称与功能。 3. 分工合作：一人负责裁剪，一人负责打孔，一人负责粘贴组装，一人记录过程。 4. 按照教师示范步骤有序操作，遇到困难及时请教老师或同伴。 5. 完成组装后检查各连接处是否牢固，阀门是否灵活。 将理论转化为实践，培养学生工程设计能力与动手操作技能；通过小组协作完成复杂任务，提升团队合作意识与问题解决能力；在制作过程中加深对密封性、阀门结构等关键技术要点的理解。 四、测试运行 优化改进 四、测试运行，反馈优化 （1）、组织抽水测试与评比活动： 教师宣布测试规则：“请各小组将抽水机进水口垂直浸入水盆中，上下匀速拉动活塞，观察是否能连续出水。我们将从三个方面进行评价： ① 是否成功出水（基本达标） ② 出水量大小与连续性（流畅度） ③ 最大抽水高度（可用直尺测量出水口离水面距离）” 教师安排每组轮流上台演示，使用实物投影放大展示内部水流情况，便于全班观察。 对未能出水或漏水严重的小组，引导其分析原因：可能是活塞间隙过大、阀门粘连、密封不严等。 （2）、引导学生提出优化方案： 教师提问：“如果你要改进这台抽水机，你会从哪些方面入手？” 鼓励学生提出创新想法，例如： - 用橡胶垫圈改善活塞密封性 - 改用弹簧支撑的金属单向阀提高可靠性 - 增加手柄杠杆结构以省力 - 使用透明亚克力管便于观察内部工作状态 教师总结：“真正的工程师就是在不断失败与改进中前进的。你们今天的每一次调试，都是科学精神的体现。” 1. 小组合作进行抽水测试，记录测试结果。 2. 上台展示运行效果，介绍本组设计亮点。 3. 观察其他小组作品，学习优点，发现不足。 4. 针对测试中出现的问题进行现场调整与修复。 5. 思考并提出至少一条优化建议，填写在“改进记录表”中。 通过真实测试检验学习成果，增强成就感；设置多维度评价标准促进全面反思；鼓励优化改进培养批判性思维与创新能力，体现“迭代发展”的工程思维。 五、总结拓展 升华认知 五、总结提升，拓展延伸 （1）、系统归纳本课核心知识： 教师带领学生回顾整节课的学习路径： 从生活情境出发 → 观察注射器实验 → 分析工作原理 → 动手制作模型 → 测试运行效果 → 提出优化建议。 再次强调：“活塞式抽水机的本质是利用大气压差将水‘压’上来，而不是‘吸’上来。两个单向阀门的配合实现了水的单向流动，从而达到连续抽水的目的。” 补充说明：“这种抽水机也称为‘吸取式水泵’，受限于大气压，理论最大扬程约为10.3米，实际中由于漏气等因素通常不超过8米。” （2）、联系实际拓展应用场景： 教师提问：“除了农村井水抽取，你还知道哪些地方用到了类似的原理？” 引导学生联想： - 医疗领域：注射器、输液装置 - 工业领域：手动油泵、真空吸盘 - 日常生活：吸管喝饮料、马桶搋子（皮搋子） 教师总结：“这些看似不同的工具，其实都蕴含着相同的物理原理——利用气压差实现流体控制。学会用物理的眼光看世界，你会发现科学无处不在。” 1. 跟随教师梳理学习脉络，巩固知识体系。 2. 复述活塞式抽水机的工作原理与关键部件作用。 3. 回答拓展问题，举例说明类似原理的应用实例。 4. 反思自身在小组合作中的表现与收获。 帮助学生整合零散知识，形成系统认知结构；通过联系广泛的实际应用，增强物理学习的价值感与意义感，激发持续探索的兴趣。 【作业设计】 一、基础巩固题 1. 活塞式抽水机工作时，水能被抽上来的根本原因是________的作用。当向上提起活塞时，抽水机筒内气压________（填“增大”或“减小”），外部水在________的作用下推开________阀门进入筒内。 2. 活塞式抽水机有两个单向阀门，其中位于筒体底部的阀门通常由________制成，它只允许水________方向流动；位于活塞上的阀门一般为________式，只允许水从________流向________。 3. 标准大气压最多能支持约________米高的水柱，因此活塞式抽水机的安装位置不能高于水面________米以上。 二、实践反思题 4. 回忆你在制作抽水机过程中遇到的最大困难是什么？你是如何解决的？如果再给你一次机会，你会怎样改进你的设计？请画出改进后的结构简图并加以说明。 三、拓展探究题 5. 查阅资料了解“离心式水泵”的工作原理，并与活塞式抽水机进行比较，完成下表： 对比项 活塞式抽水机 离心式水泵 工作原理 利用大气压差 利用叶轮旋转产生离心力 是否依赖大气压 是 否（启动前需灌水） 最大扬程 ≤10.3m 可达数十米甚至百米 适用场景 浅井取水、小型灌溉 深井、高层供水、工业排水 【板书设计】 第4节 跨学科实践：制作简易活塞式抽水机 核心原理：大气压差推动水上升 三大关键部件： 🔹 圆筒 —— 容纳水流空间 🔹 活塞 —— 改变筒内气压（上拉→低压，下压→高压） 🔹 单向阀 —— 控制水流方向 ↓ 下阀（B）：玻璃球 → 只进不出 ↑ 上阀（A）：塑料片 → 只出不进 工作三步曲： ① 提拉活塞 → B开A关 → 水进筒底 ② 下压活塞 → B关A开 → 水入上腔 ③ 再提活塞 → A关B开 → 水从管出 + 新水进入 密封性 = 成功前提 大气压 = 动力之源 【教学反思】 本节课整体达到了预期教学目标，学生积极参与制作过程，课堂气氛活跃。大部分小组都能成功制作出可运行的抽水机模型，说明学生对大气压原理和阀门机制有了较为深刻的理解。但在实施过程中也暴露出一些问题：少数小组因活塞与筒壁间隙过大导致严重漏气，无法形成有效负压，反映出学生在精度控制方面经验不足，今后应在制作前加强“密封性”重要性的强调，并提供更精确的加工工具或替代材料。其次，部分学生仍习惯说“活塞把水吸上来”，表明旧有前概念根深蒂固，需在原理讲解阶段增加更多反例辨析和逻辑推理训练，帮助学生真正建立科学的物理图景。最后，时间分配略显紧张，测试与优化环节较为仓促，建议未来可将本课拆分为两课时，第一课时专注原理学习与设计，第二课时集中制作与改进，以便学生有更充分的时间进行深度探究与迭代优化，进一步提升工程实践品质。 学科网（北京）股份有限公司 $