跨学科实践活动8 空间站中“再生生保系统”方案设计-2024-2025学年九年级化学鲁教版（2024）下册

配套中学鲁教版（2024年） 跨学科实践活动8 空间站中“再生生保系统”方案设计 一、教材分析 地位与作用：本实践活动处于化学与健康单元，是对化学知识在实际生活中应用的拓展，尤其在航天领域的应用，可让学生了解化学在高科技领域的关键作用，同时凸显化学与其他学科如物理、生物、工程技术等的紧密联系，有助于培养学生的跨学科思维和综合运用知识的能力。 内容特点：以空间站中 “再生生保系统” 方案设计为主题，具有很强的情境性和现实意义，要求学生运用化学知识解决实际问题，如物质的转化与循环利用、能源的供应与转化等，同时涉及物理中的力学、热学、电学等知识，以及生物中的植物光合作用、微生物分解等知识，内容丰富且综合性强。 二、教学目标 化学观念： 帮助学生树立物质转化与守恒的观念，理解在再生生保系统中，各种物质如氧气、水、二氧化碳等是如何通过化学反应相互转化和循环利用的，认识到化学变化在维持系统平衡中的重要作用。 培养学生的绿色化学观念，让学生明白在设计方案时应尽量减少废物排放，提高资源利用率，实现系统的可持续运行。 科学思维： 通过对空间站环境和需求的分析，引导学生运用逻辑思维和系统思维，设计出合理的再生生保系统方案，包括各子系统的功能、相互之间的联系以及整体的运行流程等。 鼓励学生在方案设计过程中进行创新思维，提出独特的想法和解决方案，培养学生的创新意识和创造力。 科学探究： 让学生经历从提出问题、作出假设、设计方案、进行实验或模拟、收集证据、得出结论等科学探究的过程，培养学生的探究能力和实践能力。 在探究过程中，引导学生学会合作交流，共同解决遇到的问题，培养学生的团队合作精神和沟通能力。 科学态度与责任： 培养学生严谨认真、实事求是的科学态度，让学生认识到在设计再生生保系统方案时，任何一个小的失误都可能导致严重的后果，从而养成对待科学问题一丝不苟的习惯。 增强学生的社会责任感，让学生了解到再生生保系统对于未来太空探索和人类在太空中长期生存的重要性，激发学生为航天事业和科学发展努力学习的动力。 三、教学重难点 教学重点： 系统原理理解：帮助学生理解再生生保系统的基本原理，包括物质循环、能量转换等，如氧气的生成、二氧化碳的去除、水的净化与循环利用等化学反应原理，以及植物在其中所起的关键作用。 多学科知识融合：引导学生将化学、物理、生物等多学科知识融合运用到方案设计中，例如物理中的能量供应与转换方式、生物中的生态平衡原理等，让学生认识到各学科知识在解决实际问题中的相互关联性。 方案设计思路：使学生掌握方案设计的基本思路和方法，能够根据空间站的实际需求和条件，设计出合理、可行、具有创新性的再生生保系统方案，包括系统的组成结构、各部分的功能及相互之间的协调运行等。 教学难点： 复杂环境模拟与应对：空间站的特殊环境如微重力、高辐射等对系统的运行和物质的转化会产生诸多影响，学生需要理解这些影响并在方案设计中提出有效的应对措施，这对学生的知识储备和思维能力是一个较大的挑战。 系统优化与可持续性：如何在有限的资源和空间条件下，实现系统的高效运行和长期稳定，以及如何对系统进行不断优化和改进，以满足未来空间站发展的需求，这需要学生具备较高的综合分析和创新能力。 跨学科知识综合应用：将化学、物理、生物等多学科知识有机结合并灵活运用到方案设计中，对于学生来说难度较大，需要教师引导学生打破学科界限，建立跨学科的思维方式和解决问题的能力。 四、教学过程 导入 师：同学们，大家都知道，在太空中，宇航员们生活在一个封闭的空间站里，那他们的氧气、水和食物从哪里来呢？今天，我们就来一起设计一个空间站中的 “再生生保系统” 方案，让宇航员们能够在太空中长期生存。大家有没有信心呀？ 生：有！ 知识讲解 师：首先，我们来了解一下什么是再生生保系统。它是一种能够在封闭空间内，通过物理、化学和生物等多种方法，将航天员产生的二氧化碳、废水和废物等转化为氧气、水和食物等有用物质，实现物质循环利用的系统。那么，在这个系统中，涉及到哪些化学知识呢？谁能来说一说？ 生 1：有氧气的生成，比如通过电解水可以产生氧气。 师：非常好！还有呢？ 生 2：二氧化碳的去除，可能会用到一些化学反应来吸收二氧化碳。 师：很棒！确实，在空间站中，二氧化碳的去除是一个关键问题，通常会使用一些化学吸收剂，比如氢氧化锂等，来吸收二氧化碳。除了这些，还有水的净化和循环利用，这也需要运用到化学知识，比如过滤、蒸馏等方法。 小组讨论 师：接下来，我们就以小组为单位，讨论一下如何设计一个完整的空间站再生生保系统方案。每个小组可以从系统的组成、物质的循环利用、能量的供应等方面进行讨论，然后画出你们小组的方案设计图。在讨论过程中，大家可以结合我们之前学过的化学知识，以及其他学科的知识，比如物理、生物等，发挥你们的想象力和创造力。好，现在开始讨论吧。 （学生分组讨论，教师巡视指导） 方案展示与评价 师：好，时间到了。哪个小组先来展示一下你们的方案设计？ 小组 1 代表：我们小组设计的再生生保系统主要包括四个部分，分别是氧气生成系统、二氧化碳去除系统、水净化系统和废物处理系统。在氧气生成系统中，我们采用电解水的方法来产生氧气，同时，氢气可以作为燃料储存起来。在二氧化碳去除系统中，我们使用氢氧化锂来吸收二氧化碳，生成碳酸锂，然后通过加热碳酸锂，使其分解，重新释放出二氧化碳，这样二氧化碳就可以循环利用了。在水净化系统中，我们先通过过滤的方法去除水中的杂质，然后再通过蒸馏的方法将水净化，净化后的水可以循环使用。在废物处理系统中，我们将航天员产生的废物进行分类处理，有机废物可以通过微生物分解的方法转化为肥料，用于种植植物，无机废物可以进行回收利用。 师：非常好！这个方案设计得很全面，而且考虑到了物质的循环利用，很不错。其他小组有没有不同的方案或者补充的？ 小组 2 代表：我们小组在氧气生成系统方面，除了电解水，还考虑了利用植物的光合作用来产生氧气。我们可以在空间站中种植一些绿色植物，通过光合作用，植物吸收二氧化碳，释放出氧气，这样不仅可以产生氧气，还可以美化环境，让航天员们感觉更舒适。 师：这个想法很有创意呀！利用植物的光合作用来产生氧气，确实是一个很好的方法。还有其他小组有不同的想法吗？ 小组 3 代表：我们小组在能量供应方面进行了考虑。我们认为可以利用太阳能来为整个再生生保系统提供能量，比如通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，然后用于电解水、加热碳酸锂等过程。这样可以减少对外部能源的依赖，实现能源的自给自足。 师：太棒了！你们小组考虑得很周到，利用太阳能来提供能量，既环保又节能。 总结与拓展 师：今天，大家都表现得非常出色，每个小组都设计出了独特的空间站再生生保系统方案。通过这次活动，我们不仅复习了化学知识，还将化学知识与物理、生物等其他学科的知识进行了融合，培养了大家的跨学科思维能力和创新能力。在实际的空间站中，再生生保系统是一个非常复杂的系统，还需要考虑到很多其他的因素，比如微重力、高辐射等对系统的影响，以及系统的可靠性和安全性等。希望大家在今后的学习中，能够继续关注这些问题，不断完善我们的方案设计。课后，大家可以查阅一些相关的资料，进一步了解空间站再生生保系统的最新研究成果，也可以对我们今天设计的方案进行优化和改进。 五、板书设计 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$