14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 实践作业设计-2026-2027学年人教版物理九年级全一册

该初中物理作业设计方案针对九年级学生从热机原理到实物制作的实践难点，采用“基础/发展/拓展”三层弹性设计。基础层5项任务全员必做，覆盖“查方案—画设计—做模型”完整工程实践，发展层聚焦问题诊断与改进，拓展层供学有余力学生创新，符合“双减”弹性要求。 通过制作与测试培养科学探究能力，故障诊断与迭代改进体现科学思维，能量转化链分析强化物理观念。评价分方案设计、动手实践等维度，结合实物与记录单，如改进前后对比记录，有效提升学生工程实践与跨学科素养。

永州市九年级物理上学期跨学科实践作业（人教版九年级全一册第十四章第4节《跨学科实践：制作简易热机模型》） 【应用场景】初中物理跨学科实践项目作业，适用于人教版九年级物理全一册（2024年版）第十四章第4节《跨学科实践：制作简易热机模型》教学配套的项目实践任务，可作为课堂项目活动的课外延伸与成果深化，也可用于科技节、"热机博览会"主题展示活动。适合"双减"背景下以实践类作业替代机械书面作业、发展学生工程实践与跨学科素养的场景。 一、作品基础信息 项目 填写内容 作品名称 《跨学科实践：制作简易热机模型》项目实践作业设计 学段学科 【初中】【物理】 适用年级 【九年级】 教材版本 【人教版 2024 年版九年级物理全一册】 对应内容 【第十四章第 4 节《跨学科实践：制作简易热机模型》】 作业类型 【跨学科实践作业】 完成时长 总时长 15 分钟（书面记录单）；模型制作与测试为课外实践任务，建议分散 1 周完成，不计入当日书面作业时长 设计者 【邹天枫】 二、设计背景与意图 （一）课标与教材分析 《义务教育物理课程标准（2022年版）》对本节内容的直接要求为："3.3.3 了解热机的工作原理。知道内能的利用在人类社会发展史中的重要意义。"以及跨学科实践主题"5.2.2 调查物理学应用于工程技术的案例，体会物理学对工程技术发展的促进作用。"本节是2024年版教材新增的跨学科实践内容，要求学生综合运用热机工作原理、能量转化与守恒等知识，经历"设计—制作—测试—改进—展示"的完整工程实践过程。 本节上承第2节《热机》（内燃机四冲程原理）和第3节《热机的效率》（能量去向与效率思想），把纸面上的"能量转化"落到亲手制作的实物模型上；在跨学科层面融合了物理（能量转化）、工程技术（结构设计与迭代改进）、劳动（工具使用与制作）、美术（模型外观设计）等领域。本节重点为设计并制作一个能利用内能对外做机械功的简易热机模型，并用能量转化链解释其工作过程；难点为方案的可行性设计（密封、转轴摩擦、叶轮受力）与基于测试证据的迭代改进。 （二）学情分析 已有基础 学生已学完第 2 节《热机》，理解内燃机 " 内能转化为机械能 " 的工作原理；第 3 节已建立效率与能量去向的分析方法；八年级起有制作模型（如简易潜望镜、水果电池）的经验，对动手制作兴趣浓厚。 现有困惑 ① 从 " 看原理 " 到 " 做实物 " 跨度大，方案设计时对密封性、转轴摩擦、叶轮迎风角度等工程细节考虑不足； ② 制作失败后容易归因于 " 材料不好 " ，缺乏基于证据的原因诊断与系统改进； ③ 用规范的能量转化链解释模型工作过程时表述不完整； ④ 小组分工协作经验不均衡。 差异分析 学生动手能力、材料获取条件差异明显。方案设计以全员完成为底线；制作与测试允许小组合作完成；改进创新与项目报告仅供学有余力的学生挑战，确保 " 人人能做、优秀能创 " 。 （三）设计意图 本作业按"基础／发展／拓展"三层弹性设计（任务量比约5:3:2）：基础层5项任务全员必做，覆盖"查方案—画设计—说原理—做模型—试运行"的完整闭环，让每一位学生都经历一次真实的工程实践；发展层3项任务建议完成，聚焦"问题诊断—迭代改进—能量分析"，培养基于证据的改进思维；拓展层2项自愿选做，为模型的创新改造与项目小报告撰写，呼应课标"体会物理学对工程技术发展的促进作用"。书面记录单填写约15分钟；模型制作与测试为课外实践任务，建议分散1周完成，不计入当日书面作业时长。 统筹提示：若当日该学生还有其他学科作业，请学科组／年级组统筹核对当日书面作业总量是否超过初中90分钟红线。 三、作业目标 维度 具体目标 核心素养 评价证据 A 方案设计 A1 能查阅并提出可行的简易热机模型方案，画出标注材料清单的设计图，说明所依据的物理原理 物理观念、科学思维 任务 1 ～ 3 方案与设计图 B 动手实践 B1 能按设计图选用生活中易得材料完成制作，完成首次试运行并如实记录现象 科学探究、劳动素养 任务 4 、 5 模型与记录 C 科学解释与改进 C1 能诊断模型故障原因并至少完成一次基于证据的迭代改进，能用能量转化链完整解释模型工作过程与能量去向 科学思维、工程思维 任务 6 ～ 8 改进记录与分析 D 交流与责任 D1 能以报告或展示卡形式交流成果，反思制作过程；遵守用火用电安全规范，体会物理知识在工程技术中的价值 科学态度与责任 任务 9 、 10 成果与自评 四、作业内容与目标对应表 任务号 类型 任务概要 对应目标 设计意图 成果形式 1 查证选型 了解 2 ～ 3 种简易热机模型方案并选定其一 A1 建立 " 原理 → 实物 " 的第一步 方案选择与理由 2 方案设计 画设计图，标注材料清单 A1 工程设计的图纸表达 设计图＋材料清单 3 原理说明 用能量转化链说明模型工作原理 A1 、C1 先想清楚再动手 能量转化链表述 4 制作 按设计图完成制作（家长陪同，注意用火安全） B1 落实工程实践与劳动体验 实物模型 5 测试 首次试运行并记录现象 B1 获得改进的证据 试运行记录 6 诊断 模型不转或转动缓慢的原因分析 C1 培养基于证据的故障诊断 问题诊断单 7 改进 至少 1 次迭代改进并对比记录 C1 体会 " 设计 — 测试 — 改进 " 循环 改进前后对比记录 8 能量分析 分析模型的能量去向，提出再改进方向 C1 把效率思想用于自己的作品 能量去向分析 9 创新 （原创） 创新改造：换动力源、加装叶轮组、测最高转速等 C1 、D1 给优秀学生创造空间 " 二代机 " 实物与数据 10 展示 （原创） 撰写项目小报告或展示卡，参加班级 " 热机博览会 " D1 成果表达与交流，体会技术价值 小报告或展示卡 五、作业评价 维度（权重） A （优秀） B （良好） C （待提高） 得分 方案设计 （ 20 % ） 方案可行，设计图清晰完整，原理表述准确 方案基本可行，图纸要素齐全 方案与原理脱节，图纸要素缺失   动手实践 （ 30 % ） 模型能稳定运转，制作规范，记录如实 模型能运转但欠稳定，记录基本完整 未能完成模型或未记录   科学解释与改进 （ 30 % ） 诊断有证据，改进有效，能量转化链完整规范 能完成改进，解释基本清楚 改进随意，解释混乱   交流与责任 （ 20 % ） 报告或展示有理有据，安全规范，乐于协作交流 完成交流任务 未参与交流   六、作业实施与统筹建议 1．布置方式：基础层5项任务全员必做，可个人或2～3人小组合作完成；发展层3项任务建议完成；拓展层2项由学有余力的学生自愿选做。 2．时间安排：本项目以课外实践为主，建议分散1周完成（第1～3天完成基础层，第4～6天完成测试与改进，第7天交流展示）；书面记录单填写约15分钟，不额外增加当日书面负担。 3．材料建议：优先使用生活中易得材料（试管或粗吸管、纸杯、硬纸片、大头针、橡皮筋、塑料瓶等），实验室器材（试管、橡皮塞、玻璃管、酒精灯）由学校统一借出、回收，不得自带明火器具到校。 4．安全提示（必读）：凡涉及酒精灯等明火的加热环节，必须由家长陪同操作；加热前确保试管外壁干燥、管内水量适当；加热时管口不得对人；叶轮旋转时保持距离，防止划伤。 5．批改与反馈：以"记录单＋实物＋展示"三件套呈现成果；基础层任务记录单全批全改；发展层重点面批诊断与改进记录；拓展层以"热机博览会"展示交流为主，不纳入统一评分。 七、试题详情（项目任务书） 【基础层】（任务1～5，全员必做；书面记录约10分钟，制作与测试为课外实践） 任务1．选方案。查阅教材、科普资料或网络视频，了解2～3种简易热机模型的制作方案（如试管蒸汽机模型、火焰风轮、易拉罐蒸汽涡轮等），选定其中一种并写出你选择它的两条理由（如材料易得、原理直观、安全可控等）。 【难度：★☆☆ 基础｜课外完成｜覆盖目标 A1】 任务2．画设计图。画出你准备制作的简易热机模型设计图，在图中标注各部件名称，并在图旁列出材料清单（标明材料来源：家中自备／实验室借出）。可参考图1所示的试管蒸汽机模型。 图1  试管蒸汽机模型装置示意图 【难度：★☆☆ 基础｜课外完成｜覆盖目标 A1】 任务3．说原理。用一条能量转化链说明你的模型如何把内能转化为机械能，例如：燃料的    能→水和水蒸气的    能→水蒸气从玻璃管口喷出推动叶轮转动，转化为叶轮的    能。 【难度：★☆☆ 基础｜书面约2分钟｜覆盖目标 A1、C1】 任务4．做模型。按设计图完成制作。凡涉及明火加热的环节，必须由家长陪同操作；制作过程中如需调整设计，在记录单上写明调整内容与原因。 【难度：★★☆ 基础｜课外完成｜覆盖目标 B1】 任务5．试运行。完成首次试运行，如实填写试运行记录：是否转动、转动快慢、持续时长、发现的问题（可拍照留存）。 【难度：★☆☆ 基础｜课外完成｜覆盖目标 B1】 【发展层】（任务6～8，建议完成；书面记录约5分钟，测试改进为课外实践） 任务6．找问题。若模型不能转动或转动缓慢，从以下角度分析可能的原因并对照排查：①密封性不足（塞子漏气）；②转轴摩擦过大；③叶轮迎汽角度不当；④加热功率不足；⑤转轴安装偏心。写出你判断出的主要原因及依据。 【难度：★★☆ 发展｜课外完成｜覆盖目标 C1】 任务7．做改进。针对任务6找到的原因，至少完成1次迭代改进，并用对比的方式记录：改进前现象→改进措施→改进后现象（如"叶轮由纸片改为硬卡纸并加大迎汽角，转动明显加快且更稳"）。 【难度：★★☆ 发展｜课外完成｜覆盖目标 C1】 任务8．析能量。对照"能量流向"的思路，写出你的模型工作时能量的主要去向（转化为叶轮机械能的部分＋散失的部分），并据此提出一条进一步提高模型"效率"（转得更快、更持久）的改进方向。 【难度：★★☆ 发展｜书面约5分钟｜覆盖目标 C1】 【拓展层】（任务9～10，学有余力自愿选做，课外弹性完成，不计入书面时长） 任务9．（原创）创新改造。对你的模型进行一项创新改造，如更换更环保的动力源、加装第二级叶轮、用手机慢动作视频估测最高转速等，形成"二代机"，并用数据或照片说明改造效果。 【难度：★★★ 拓展｜课外自主完成，建议用时1～2天｜覆盖目标 C1、D1】 任务10．（原创）项目报告与展示。以《我制作的简易热机模型》为题，按"方案—过程—数据—反思"四部分撰写一份约300字的项目小报告，或制作一张展示卡，参加班级"热机博览会"交流，并结合蒸汽机、内燃机的发展史谈一谈你对"内能的利用推动人类社会发展"的体会。 【难度：★★★ 拓展｜课外自主完成，建议用时40分钟｜覆盖目标 D1】 八、答案与解析（任务指导与参考要点） 【基础层】 任务1【指导要点】方案选择无对错之分，理由要具体、可操作。示例：选试管蒸汽机模型——①器材可从实验室借出，家中只需自备水；②能量转化过程看得见（水蒸气推动叶轮），便于对照原理。 任务2【指导要点】设计图应至少包含热源（酒精灯）、工作物质（试管和水）、做功装置（玻璃管与叶轮）三部分，标注各部件名称与材料来源。材料清单示例：试管、橡皮塞、玻璃管（实验室借出）；硬卡纸、大头针、泡沫底座（自备）。 任务3【答案】化学；内；机械。 【解析】燃料燃烧把化学能转化为内能，水吸热汽化成高温高压水蒸气，水蒸气从玻璃管口喷出冲击叶轮，把内能转化为叶轮的机械能。这与热机"内能→机械能"的本质完全一致，说明热机的核心就是利用内能做功。 【易错点拨】转化链要写成"形式→形式"的规范格式；"水蒸气推动叶轮"不能写成"热传递使叶轮变热"。 任务4【指导要点】制作与测试须家长陪同。常见安全要点：试管外壁保持干燥；管内水量不超过容积的三分之一；塞子松紧适度；加热时管口方向不得站人。 任务5【指导要点】记录重在"如实"二字。转与不转、快与慢、转多久都是有效证据，失败的首次运行同样有价值——它是任务6诊断的起点。 【发展层】 任务6【参考要点】示例：叶轮完全不转且玻璃管口蒸汽量很小→优先怀疑橡皮塞漏气（可听漏气声、涂肥皂水检查）；蒸汽充足但叶轮仅微微颤动→优先怀疑转轴摩擦过大或叶轮迎汽角度不当；蒸汽断续喷出→加热功率不足或水量过少。诊断要有"现象→原因"的对应关系，不能凭空猜测。 任务7【参考要点】改进记录采用"改进前→措施→改进后"对比格式。示例：改进前叶轮不转→用泡沫板制作轮轴支座、把大头针轴磨尖并在玻璃珠上支承（减小摩擦）→改进后蒸汽一喷叶轮即可转动。若一次改进无效，应换角度再试，这本身就是真实的工程实践。 任务8【参考要点】模型的能量去向：酒精燃烧释放的能量中，一部分散失到空气中，一部分被试管、底座吸收，一部分随水蒸气排走，只有一小部分转化为叶轮的机械能，所以模型"效率"很低。再改进方向示例：缩短玻璃管口与叶轮的距离、给试管加保温层、用更细的喷口提高蒸汽流速等。（能与第3节《热机的效率》的能量去向分析自然衔接即可。） 【拓展层】 任务9【指导要点】改造要有明确的"变量—效果"意识，用前后数据（转速、持续时长）或照片说话；换用蜡烛、酒精灯等热源时注意消防安全，测转速建议用手机慢动作视频逐帧估算，不要求精确值。 任务10【参考要点】报告四部分齐全、数据真实、反思具体即可，字数不作硬性要求。体会部分示例：从瓦特改良蒸汽机到内燃机驱动的汽车、飞机，人类正是通过一次次"设计—测试—改进"把热机越做越好，内能的利用深刻改变了人类社会的生产与生活方式；亲手做一个简易热机模型，让我体会到物理学是许多工程技术的基础。 【总时长核算】 书面记录单约15分钟（任务3约2分钟＋任务8约5分钟＋记录填写约8分钟），落在初中物理单科建议时长（15～20分钟）内；模型制作、测试与改进为课外实践任务（建议分散1周完成），不计入当日书面作业时长，符合"双减"政策关于跨学科实践类作业的弹性要求。若当日学生还有其他学科作业，请学科组／年级组统筹核对当日书面作业总量是否超过初中90分钟红线。 学科网（北京）股份有限公司 $