跨学科实践活动 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用（教学设计） 化学沪科版五四学制2024九年级全一册

该初中化学教学设计聚焦航天推进剂发展、航天材料应用及未来能源材料方案，以神舟十八号等航天视频导入，引导学生关联化学与航天，通过编年史时间轴、比冲计算、雷达图对比等任务链，构建“历史-原理-应用”的学习支架。 特色在于跨学科实践与核心素养融合，如绘制推进剂编年史（证据推理）、计算比冲值建反应模型（微观探析）、制作航天器材料模型（实践）、火星基地方案设计（创新），培养信息整理与动手能力，增强民族自豪感，为教师提供丰富活动范例，提升教学吸引力。

专题10 化学与人类社会进步 跨学科实践活动 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用 一、知识目标 1. 梳理火箭推进剂的发展脉络，掌握常见火箭推进剂的主要成分、化学原理及性能差异。 1. 了解航天器在不同阶段面临的极端环境，掌握航天高性能材料的类型、性能及应用部位。 1. 学会设计面向未来的航天能源与材料方案，分析其可行性与创新性。 二、核心素养目标 1. 宏观辨识与微观探析：从宏观上了解航天科技中新型材料和能源的应用，从微观角度理解推进剂的能量释放原理和材料的结构 - 性质关系。 1. 证据推理与模型认知：运用时间轴、雷达图、思维导图等工具对信息进行系统归类和分析，构建化学模型评估技术迭代，形成对航天能源与材料发展的理性认知。 1. 科学探究与创新意识：通过实验探究、辩论、方案设计等活动，培养创新思维和实践能力，提升解决复杂问题的能力。 1. 科学态度与社会责任：认识化学在航天事业中的重要作用，增强民族自豪感和社会责任感，树立为国家战略服务的意识。 一、教学重点 1. 火箭推进剂的发展历程、化学原理和性能评估。 1. 航天高性能材料的性能特点及应用。 1. 航天能源与材料方案的设计与可行性分析。 二、教学难点 1. 运用化学计算和模型分析评估推进剂技术迭代。 1. 构建“结构 - 性质 - 用途”认知模型，解释材料性能与航天环境的关联。 1. 权衡航天能源与材料方案的性能、安全与可持续性，做出理性决策。 本节教学内容出自沪科版五四学制2024版九年级化学全一册专题10《化学与人类社会进步》中的跨学科实践活动《调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源》。该内容紧密结合航天科技这一前沿领域，将化学知识与航天实际应用深度融合，具有很强的时代性和综合性，对于培养学生的化学核心素养和跨学科思维具有重要意义。 教材围绕火箭推进剂的发展历程探究、航天高性能材料的应用现状调查以及航天能源与材料方案设计与展望三个方面展开。通过一系列丰富多样的活动，如绘制推进剂发展“编年史”、揭秘推进剂“能量密码”、设计航天能源与材料创新方案等，引导学生深入了解航天领域中化学知识的应用，掌握化学计算、实验探究、模型分析等方法，培养学生的辩证思维、系统思维和创新设计能力。同时，教材注重知识的系统性和逻辑性，从历史发展到现状调查再到未来展望，逐步引导学生建立起对航天科技中化学应用的全面认识。 教学对象是九年级的学生，他们已经具备了一定的化学基础知识，如化学方程式的书写、物质的分类等，但对于化学知识在航天科技领域的具体应用还了解较少。在思维能力方面，学生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，逻辑思维能力和综合分析能力有待进一步提高。 学生对航天科技充满好奇和兴趣，这为本节课的教学提供了良好的情感基础。然而，航天科技涉及的知识较为复杂和抽象，学生在理解火箭推进剂的化学原理、航天材料的性能特点等方面可能会存在一定的困难。此外，在活动开展过程中，如辩论赛、创新方案设计等，学生可能在语言表达、团队协作、批判性思维等方面面临挑战。 针对学生的这些特点，在教学过程中，教师应充分利用多媒体资源、实物模型等手段，将抽象的知识形象化，帮助学生更好地理解和掌握。同时，要注重引导学生积极参与各项活动，鼓励学生发表自己的观点和想法，培养学生的综合能力。此外，教师还应关注学生在活动中的表现，及时给予指导和反馈，帮助学生克服困难，提高学习效果。 教学环节一 新课导入 【播放航天视频】同学们，老师先给大家播放一段精彩的视频。（播放我国神舟十八号载人飞船发射、天宫空间站建设、嫦娥六号月球采样返回等航天重大事件的视频片段，视频中展现火箭发射时的壮观景象、航天器在太空中的运行姿态等） 【引导学生讨论】视频看完啦，相信大家都被这些震撼的画面吸引住了。现在请大家前后桌组成小组，讨论一下在这些航天成就中，你觉得有哪些方面和化学密切相关呢？给大家3分钟时间讨论，等会每个小组派代表分享你们的想法。（学生们热烈讨论，老师巡视并参与部分小组讨论） 【小组代表发言】好啦，时间到。哪个小组先来分享？（请2 - 3个小组代表发言，学生可能会提到火箭燃料、航天器材料等方面和化学有关） 【引入主题】大家都非常有想法。的确，从火箭的发射到航天器在太空中的稳定运行，再到月球采样返回等一系列过程，都离不开新型材料和新型能源的支持，而这些都与我们化学学科紧密相连。就像我们刚刚看到的火箭发射，推动火箭升空的推进剂就涉及到复杂的化学反应；航天器要在极端的太空环境中正常工作，其使用的材料也需要具备特殊的化学性质。那么，我国航天科技领域中这些新型材料和新型能源具体是怎样的呢？它们又经历了怎样的发展历程呢？今天，就让我们一起走进“调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源”的跨学科实践活动，去揭开它们神秘的面纱。 设计意图 1.激发学生兴趣：通过播放精彩的航天视频，直观地展示我国航天事业的伟大成就，能够迅速吸引学生的注意力，激发他们对航天科技的好奇心和探索欲望，使学生以饱满的热情投入到课堂学习中。 2.促进学生参与：组织学生进行小组讨论并发言，为学生提供了表达自己观点和想法的机会，提高了学生的课堂参与度，培养了学生的团队合作能力和交流表达能力。 3.联系化学知识：从学生的讨论和发言中，引导学生认识到航天成就与化学学科的紧密联系，自然地引出本节课的主题，让学生明白化学在航天科技领域的重要作用，为后续的学习奠定基础，使学生带着明确的学习目标去探索航天科技中的化学奥秘。 教学环节二 火箭推进剂的发展历程探究 任务一 溯源·征途——火箭推进剂的发展历程探究 【情境引入】播放长征系列火箭发射集锦视频，展示不同时期火箭腾空的壮观场景。教师提问："从东风一号到长征五号，是什么力量推动中国火箭飞得更高更远？让我们揭开火箭'心脏'——推进剂的发展密码。" 【任务链设计】 1.史料梳理（活动1.1）：各小组绘制推进剂发展编年史时间轴，标注关键节点（如1942年V-2火箭液氧+酒精、1964年长征一号硝酸/偏二甲肼） 2.原理探究（活动1.2）：通过计算液氢/液氧与偏二甲肼/四氧化二氮的比冲值，构建反应方程式模型，理解能量释放原理 3.性能评估（活动1.3）：设计多维雷达图，从比冲、密度、毒性、成本等维度对比固体/液体推进剂 4.思辨交锋（活动1.4）：开展"固体推进剂vs液体推进剂"辩论赛，聚焦航天飞机SRB与猎鹰9号液氧煤油引擎案例 5.模型建构（活动1.5）：使用3D打印/分子模型包制作偏二甲肼与四氧化二氮反应机理模型 6.成果凝练（活动1.6）：撰写《中国火箭推进剂技术发展评估报告》，包含发展脉络、性能比较、趋势预测 【教师指导】 巡回指导时重点提示： 编年史应体现技术突破与航天任务关联性 计算比冲时关注键能变化与质量效率 雷达图设计需包含环保性等现代指标 辩论中强调可回收火箭对推进剂新要求 【总结升华】 展示长征五号氢氧发动机试车画面，总结推进剂从有毒到清洁、从低效到高效的发展规律，引导学生理解绿色推进技术对国家航天战略的意义，鼓励设计新型离子推进器等未来方案。 活动一 推进剂发展“编年史”绘制 【情景引入】同学们，1957 年 10 月 4 日，世界上第一颗人造地球卫星“卫星 1 号”被送到了外层空间，这开启了人类探索宇宙的新纪元。而火箭推进剂在航天发展中起着至关重要的作用。不同时期的火箭推进剂有着不同的特点和应用，下面我们就来探究一下火箭推进剂的发展历程。 【师生活动】 1. 教师布置任务：要求学生查阅资料，梳理出至少 4 种关键火箭推进剂（如：液氧煤油、液氢液氧、四氧化二氮/偏二甲肼、固体推进剂），以时间轴图谱形式呈现，标注每种推进剂的广泛使用年代、主要成分（化学式）、状态（固/液）、代表火箭（如长征系列），并在图谱旁用思维导图简要分析推动每次变迁的主要驱动力（技术突破、国家需求、环保要求等）。 1. 学生分组进行资料查阅和整理。教师在教室里巡回指导，帮助学生解决遇到的问题，如资料查找的方向、时间轴和思维导图的绘制方法等。 1. 各小组展示自己绘制的时间轴图谱和思维导图。小组代表介绍每种推进剂的相关信息以及推动变迁的主要驱动力。 1. 其他小组进行提问和评价，提出自己的看法和建议。 1. 教师进行总结和点评，强调推进剂发展历程中技术、需求和环保等因素的重要性，对学生的表现给予肯定和鼓励。 设计意图 通过让学生自主查阅资料和绘制图谱，培养学生的自主学习能力和信息整理能力。小组展示和交流环节可以促进学生之间的合作与交流，提高学生的表达能力和批判性思维能力。教师的总结和点评可以帮助学生加深对推进剂发展历程的理解。 活动二 推进剂“能量密码”揭秘 【情景引入】我们已经了解了火箭推进剂的发展历程，那么不同的推进剂是如何释放能量来推动火箭飞行的呢？接下来我们就来揭开推进剂的“能量密码”。 【师生活动】 1. 教师布置任务：要求学生选择 2 种典型推进剂（如液氢液氧、偏二甲肼/四氧化二氮），书写其完全燃烧的化学方程式，并根据方程式，计算每 1kg 推进剂完全燃烧所产生的气体体积（在 0°C 和 101kPa 下），同时给出一些气体在 0°C 和 101kPa 下的密度（：1.976g/L，：0.804g/L，：1.251g/L，：1.429g/L，：3.214g/L）。 1. 学生独立完成化学方程式的书写和气体体积的计算。教师巡视，检查学生的书写和计算过程，及时给予指导和纠正。 1. 请几位学生上台展示自己的计算过程和结果。其他学生进行核对和评价，提出疑问和不同的见解。 1. 教师对学生的展示进行总结和点评，强调化学方程式的书写规范和气体体积计算的方法，解释推进剂能量释放的原理。 设计意图 通过书写化学方程式和计算气体体积，让学生深入理解推进剂的化学反应原理和能量释放过程，培养学生的化学计算能力和逻辑思维能力。学生的展示和交流可以促进知识的共享和深化。 活动三 推进剂“性能雷达”图鉴设计 【情境引入】 教师展示长征五号与猎鹰9号火箭发射画面，提出问题："为何中国新一代运载火箭选择液氢液氧推进剂，而SpaceX大量使用液氧煤油？推进剂的性能差异如何影响火箭设计？" 【任务实施】推进剂性能调研 学生分组选择3种典型推进剂（液氢/液氧、偏二甲肼/四氧化二氮、固体复合推进剂） 从五个维度进行量化评分（1-5分）： · 性能（基于比冲值） · 经济性（制取与使用成本） · 安全性（毒性、燃爆风险） · 储运要求（储存条件、运输难度） · 环保性（燃烧产物污染程度） 雷达图绘制与分析 使用Excel或在线图表工具绘制性能雷达图 对比分析不同推进剂的优势与局限： 液氢液氧：高性能、清洁但成本高、储存难 偏二甲肼：综合性能均衡但毒性强 固体推进剂：储运方便但比冲偏低 【教师指导】提供评分参考标准，指导学生客观量化各维度指标 演示雷达图绘制技巧，强调多维数据的可视化呈现 引导学生发现性能参数间的内在联系（如高性能往往伴随高成本） 【总结提升】通过雷达图对比，总结推进剂选择需要综合考虑任务需求与技术条件，理解我国推进剂技术从有毒到无毒、从低效到高效的发展脉络，认识绿色航天的发展趋势。 设计意图 本教学片段通过构建"数据采集-可视化-对比分析"的探究路径，将抽象的推进剂特性转化为直观的雷达图谱。学生在量化评分中深化对推进剂多维度特性的理解，在图表制作中掌握科学可视化技能，在对比研讨中培养系统思维和工程决策能力。该活动既巩固了化学基础知识，又衔接了航天工程实际需求，帮助学生建立"性能权衡-技术选型"的完整认知，培育工程技术素养和科学决策能力。 活动四 “固液之争”主题辩论赛 【情境引入】教师呈现我国新一代运载火箭系列图片（含固体助推器与液体芯级），提出问题："长征系列火箭采用‘固液混合’设计，那么未来中国航天的主力方向究竟应该侧重固体还是液体推进剂？今天我们将通过科学辩论寻找答案。" 【任务实施】 1.辩论准备阶段 学生自主选择加入正方（优先发展固体）或反方（优先发展液体），未参赛同学组成评审团 各方围绕核心维度准备论证材料： 比冲数据：液体推进剂优势明显（液氢液氧达450s以上） 响应速度：固体推进剂随时待命（无需加注） 成本效益：固体可批量预装，液体可重复使用 环保特性：新一代液体推进剂趋向清洁 2.辩论实施阶段 严格遵循四环节流程： 立论陈词：双方阐述核心观点 攻辩环节：针对对方论点进行质询 自由辩论：围绕关键技术指标展开交锋 总结陈词：提炼关键论据，强化立场 评审团全程记录，依据"论证质量、数据准确性、团队配合"进行量化评分 3.成果凝练阶段 指定小组整理辩论精华，制作可视化对比海报 海报内容需包含：性能参数对比、应用场景分析、发展趋势预测 【教师指导】提供专业资料包：含比冲计算公式、推进剂成本数据表 示范科学论证方法：如何用比冲值论证运载能力 引导评审团建立客观评价标准（论证逻辑40%、数据支撑30%、团队协作30%） 【总结提升】展示我国正在研制的500吨级液体发动机与3米直径固体助推器试验画面，总结："固液之争本质是应用场景之争。未来中国航天将继续发挥固体推进剂的快速响应优势，同时重点突破液体推进剂的可回收技术，走出一条独具特色的融合发展之路。" 设计意图 本教学设计通过结构化辩论赛的形式，引导学生深入探究推进剂技术的本质特征与发展规律。在准备阶段培养学生文献调研与证据整理能力；在辩论过程中锻炼科学论证与逻辑表达能力；通过评审团机制确保全员参与，培养批判性思维；最终通过海报制作实现知识固化。该活动将化学原理与工程技术有机结合，帮助学生在思辨中构建系统的科技认知体系，培育工程思维与创新意识。 活动五 “我的推进剂”微观模型制作 【情境引入】教师展示液氢液氧发动机燃烧室剖面图，提出问题："在宏观的火箭轰鸣背后，是微观分子间的激烈反应。让我们亲手构建推进剂的分子模型，揭开火箭动力的化学密码。" 【任务实施】 1.分子选择与认知 学生自主选择一种推进剂关键组分： 燃烧剂系列：H₂（氢分子）、CH₄（甲烷分子） 氧化剂系列：O₂（氧分子）、N₂O₄（四氧化二氮） 查阅资料明确所选分子的空间构型与成键特性 2.模型制作阶段 使用超轻黏土（区分颜色表征不同元素）构建精确分子模型 或运用3D打印技术实现数字化建模 示例规范： H₂：两个白色黏土球通过短棒连接 O₂：两个蓝色黏土球通过双键连接 CH₄：中心黑色碳原子与四个白色氢原子形成正四面体 3.科学标注 为每个模型制作信息标签，包含： 分子名称与化学式 在推进剂中的功能（氧化剂/燃烧剂） 关键特性（如液氧的强氧化性、液氢的易燃性） 【教师指导】演示H₂O等简单分子的建模方法，强调键长键角准确性 指导区分单键（CH₄）、双键（O₂）等不同成键方式 纠正常见误区：如四氧化二氮的N-N键与N-O键空间构型 【总结提升】举办"分子模型展"，学生互相评鉴各组分模型的科学性与美观度。教师总结："这些微观分子正是火箭腾空的能量之源，理解其结构特征才能设计出更优异的推进剂配方。" 设计意图 本教学片段通过分子模型制作这一具象化手段，将抽象的化学概念转化为可触摸的实体。学生在构建分子结构的过程中深化对化学键、空间构型的理解，在标注环节中明确各组分在推进系统中的功能定位，实现从微观结构到宏观应用的认知跨越，为后续学习燃烧反应机理奠定坚实基础。 活动六 任务一研究报告撰写 【情境引入】教师展示前期学生完成的编年史、性能雷达图和分子模型，提出问题："经过系列探究，我们掌握了推进剂发展的脉络、原理和特性。现在需要将这些碎片化认知整合成一份完整的研究报告，用科学的语言呈现我们的发现。" 【任务实施】 1.研究报告框架解析 引导学生理解六部分逻辑关系： 摘要：全文精华浓缩 发展脉络：历史演进轨迹 化学原理：能量释放本质 性能对比：技术参数支撑 未来展望：基于证据的预测 参考文献：学术规范体现 2.分步撰写指导 摘要写作：强调包含"研究背景-核心发现-主要结论"三要素 脉络梳理：指导学生将活动1.1的编年史转化为连贯的文字叙述 原理分析：要求结合活动1.2的化学方程式，从键能角度解释能量释放 性能对比：嵌入活动1.3的雷达图，进行数据驱动分析 趋势预测：基于活动1.4辩论赛的见解，提出有依据的发展方向 3.学术规范训练 演示参考文献标准格式 强调引证前期活动成果的方法 指导图表编号和引用规范 【教师指导】 提供摘要范例："本研究通过梳理推进剂发展历程，发现其遵循从低效有毒向高效清洁的演进规律..." 指导学生在"发展脉络"中体现技术突破与社会需求的关联 在"性能对比"部分强调数据说话，避免主观臆断 【总结提升】选取优秀报告框架进行展示，总结科学研究报告的价值："这份报告不仅是对本单元学习的总结，更是你们首次完整经历'文献研究-实验验证-数据分析-成果表达'的科学探究全过程，这将为未来的学术研究奠定坚实基础。" 设计意图 本教学片段通过研究报告撰写这一综合性任务，培养学生系统整合信息、科学表达成果的能力。活动设计遵循"分项探究-综合提升"的认知规律，将前期各个活动的碎片化成果有机整合，帮助学生构建完整的知识体系。在撰写过程中，学生既巩固了化学原理和工程知识，又掌握了学术研究的基本规范，实现了从知识积累到能力生成的转化，为发展科学素养奠定基础。 教学环节三 航天高性能材料的应用现状调查 任务二 铸剑·苍穹——航天高性能材料的应用现状调查 【情境引入】 播放航天器返回舱穿越大气层的真实影像，展示其表面因高温产生的炽热现象。教师提问："当航天器以数倍音速飞行时，表面温度可达2000℃以上。什么样的材料能够守护航天器完成'极限挑战'？" 【任务链设计】 1.环境认知建构（活动2.1）： 学生分组分析航天器经历的极端环境（超高温、超低温、强辐射、剧烈振动），建立环境特征与材料性能需求的对应关系 2.材料特性探究（活动2.2）： 制作"材料履历表"，系统梳理防热材料（如碳纤维复合材料）、结构材料（如钛合金）、功能材料（如温控涂层）的关键参数 3.模型制作实践（活动2.3）： 运用多层材料构建航天器防热系统剖面模型，直观展示不同材料在航天器各部位的应用 4.性能测试验证（活动2.4）： 通过实验室模拟测试（如热稳定性实验、强度测试），验证不同材料的实际性能表现 5.创新设计展示（活动2.5）： 举办"材料设计师"演讲会，学生基于前期研究提出新型材料应用方案并进行论证 6.调查报告撰写（活动2.6）： 整合探究成果，完成《航天材料应用现状调查报告》 【教师指导要点】 在环境分析环节，引导学生建立"极端环境→性能要求→材料选择"的逻辑链条 指导履历表填写时，强调关键参数（如熔点、强度、密度）的对比分析 模型制作中注重材料组合的科学性与工程合理性 实验室探究时强化控制变量与数据记录规范 活动一 航天器“极限挑战”环境分析 【情景引入】同学们，中国航天不断创造新的历史，从天宫、北斗、嫦娥到天和、天问、羲和，这些成果离不开新型材料的应用。而航天器在太空中面临着各种极端环境，那么这些环境对材料有哪些性能要求呢？下面我们就来分析一下。 【师生活动】 1. 教师布置任务：要求学生查阅资料，聚焦航天器在发射、轨道运行、返回再入三个阶段面临的极端环境（如：超高温、极低温、剧烈振动、真空、强辐射等），绘制一个三栏式概念图，将每个阶段的环境挑战、对材料的性能要求（如：耐高温、高强度、低密度、抗辐射）清晰地关联起来。 1. 学生分组进行资料查阅和概念图的绘制。教师巡视各小组，提供必要的帮助和指导，如资料的筛选和概念图的布局等。 1. 各小组展示自己绘制的概念图。小组代表介绍每个阶段的环境挑战和对应的材料性能要求。 1. 其他小组进行提问和交流，分享自己的看法和观点。 1. 教师进行总结和点评，强调环境与材料性能之间的紧密联系，对学生的表现进行评价和鼓励。 设计意图 通过让学生自主查阅资料和绘制概念图，培养学生的信息收集和整理能力，以及逻辑思维能力。小组展示和交流可以促进学生之间的合作与学习，加深对航天器极端环境和材料性能要求的理解。 活动二 航天材料“履历表”填写 【情景引入】我们已经了解了航天器在不同阶段面临的环境挑战和对材料的性能要求，那么有哪些具体的材料可以满足这些要求呢？接下来我们就来填写航天材料的“履历表”。 【师生活动】 1. 教师布置任务：要求学生从金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料中各举一例，说说这些材料的主要性能有哪些，分别适用于航天器的哪些部位。 1. 学生独立思考并填写“履历表”。教师巡视，观察学生的填写情况，给予适当的提示和引导。 1. 请几位学生分享自己填写的“履历表”。其他学生倾听并进行评价和补充。 1. 教师进行总结和归纳，强调不同类型材料的特点和适用部位，对学生的回答进行完善和拓展。 设计意图 通过填写“履历表”，让学生了解不同类型航天材料的性能和应用，培养学生的归纳总结能力和知识迁移能力。学生的分享和交流可以促进知识的传播和共享。 活动三 航天器“材料铠甲”模型制作 【情境引入】 我们已经了解了航天器对材料的特殊要求，现在让我们化身为航天工程师，亲手为航天器打造一套"材料铠甲"，看看不同材料是如何在航天器上各司其职的。 【教师布置任务】要求各小组选择一个航天器（火箭、卫星、月球车或空间站舱段） 利用纸板、泡沫塑料等材料制作该航天器的简化模型 用不同颜色标注至少4种材料及其应用部位，并附简要说明 【学生分组制作】小组讨论确定制作的航天器类型及分工 制作模型并用颜色区分不同材料： 红色标注钛合金（耐高温部位） 银色标注铝合金（主体结构） 蓝色标注碳纤维复合材料（承力部件） 黄色标注单晶硅（太阳能板） 为每种材料制作说明卡片，解释其性能与适用原因 【展示与交流】 各小组展示完成的模型，讲解材料选择依据 其他小组提出问题并进行评价 【教师引导讨论】为什么不同部位要选用不同材料？ 【教师总结提升】 总结材料选择的科学原则：按需选材、扬长避短 展示真实航天器材料应用案例（如神舟飞船防热材料） 强调系统工程思维：优秀的设计需要各种材料的完美配合 设计意图 通过模型制作这一实践环节，将抽象的航天材料知识转化为直观、可操作的创作活动。学生在动手制作中深化对不同材料特性及应用的理解，培养团队协作能力和工程思维。模型展示环节锻炼学生的表达与交流能力，而真实的航天案例则帮助学生建立学习内容与现实科技发展的联系，激发对航天科技的兴趣。 活动四 材料性能“实验室”探究 【情境引入】在了解了航天材料的种类和应用后，我们需要用科学的眼光来验证不同材料的性能差异。今天我们将化身材料科学家，通过实验探究来揭开材料性能的神秘面纱。 【教师布置实验任务】 各小组选择2-3种常见材料（铝片、不锈钢片、碳纤维板、普通塑料片） 设计对比实验，探究材料的导热性、强度/韧性和耐腐蚀性 明确实验方法和观察要点 【学生分组实验探究】 导热性测试：用酒精灯加热材料一端，用手触感或温度传感器比较热量传递速度 强度/韧性测试：在材料中间悬挂重物，观察形变程度和断裂临界点 耐腐蚀性测试（可选）：将材料浸泡在盐水中观察变化 记录实验现象和数据，完成实验报告 【实验汇报与交流】 各小组汇报实验结果，展示数据记录 讨论不同材料性能差异的原因及其在航天领域的应用价值 教师引导分析：为什么航天器不同部位需要选用不同材料 【教师总结提升】 总结材料性能测试的科学方法 强调实验数据的准确性和可重复性 将实验结果与航天材料实际应用建立联系，加深理解 设计意图 通过亲手实验探究，让学生直观感受不同材料的性能差异，培养动手操作能力和科学探究精神。实验数据的记录与分析能够提升学生的数据处理能力，小组合作促进团队协作意识。将材料性能与航天应用相联系，帮助学生建立理论知识与实践应用的桥梁，培养工程思维和解决问题的能力。 活动五 “我是材料设计师”演讲会 【情境引入】同学们，经过前期的材料性能探究，相信大家对航天材料有了深入的了解。现在，让我们举办一场"我是材料设计师"演讲会，请各位材料专家展示你们的研究成果。 【教师布置演讲任务】 每组选择一种航天材料（钛合金、碳纤维复合材料、陶瓷基复合材料、气凝胶） 准备3分钟演讲稿和辅助PPT 内容需包含：材料简介、核心性能、典型应用部位、选择该材料的理由 【学生准备与演练】 小组分工合作，搜集资料，制作PPT 围绕四个核心内容进行演讲稿撰写 组内演练，控制时间，完善表达 【演讲展示与交流】 各小组代表上台进行3分钟演讲 展示PPT，清晰阐述材料特性及应用价值 台下同学认真聆听，并可提出问题 【教师总结提升】 对各组表现进行点评，强调材料选择的科学性 总结不同材料在航天领域的独特价值 引导学生思考未来航天材料的发展方向 设计意图 通过演讲会的形式，促进学生将所学知识进行系统整合与表达输出，培养学生的资料整理能力、逻辑思维能力和口头表达能力。角色扮演的设计增强了学生的参与感和专业性，有助于深化对航天材料特性的理解，同时锻炼学生的综合素质，为未来的学习和发展奠定基础。 教学环节四 航天能源与材料方案设计与展望 任务三 创想·未来——航天能源与材料方案设计与展望 【情境引入】教师展示中国载人航天工程"三步走"战略示意图，并聚焦未来深空探测愿景："从空间站到月球基地，再到火星探测，中国航天正迈向更远的深空。面对全新的宇宙环境，我们需要什么样的能源与材料技术？请以未来航天工程师的身份，为'火星基地'设计创新的能源与材料解决方案。" 【任务布置与准备 教师提出核心任务：完成"火星基地"能源与材料系统创新设计 学生分组选择研究方向：能源系统组、结构材料组、功能材料组 提供参考资料包：含火星环境参数、现有技术局限、前沿研究进展 【探究实践环节】 活动3.1：分析火星极端环境（辐射、温差、尘暴）对能源与材料的特殊需求 活动3.2：设计创新方案，包括能源获取与存储、新型防护材料、智能材料应用 活动3.3：召开可行性论证会，从技术、经济、环保多维度评估方案 活动3.4：将研究成果转化为科普作品（短视频、海报、模型） 活动3.5：完成个人反思报告，总结收获与成长 【教师指导重点】 引导学生建立"环境需求-技术瓶颈-创新方案"的设计逻辑 指导方案论证时兼顾技术先进性与工程可行性 鼓励跨学科思维，融合物理、化学、生物等多学科知识 【成果展示与升华】 举办"未来航天创新方案"展览会 评选最佳创意奖、最具可行性奖、最佳展示奖 【教师总结】中国航天自主创新精神，激发学生的使命担当 活动一 “火星基地”能源与材料需求分析 【情景引入】同学们，随着航天技术的发展，未来人类有可能在火星建立基地。那么在火星建立基地需要哪些能源和材料呢？下面我们就来分析一下。 【师生活动】 1. 教师创设情景：假设学生被任命为 2050 年中国火星基地的首席科学家，要求召开科学委员会，分析并确定基地建设与运行所必需的能源与材料。 1. 学生分组进行环境评估，查阅火星环境资料（温度、大气、辐射等），明确面临的挑战。教师提供相关资料和指导，帮助学生理解火星环境。 1. 各小组绘制思维导图，中心为“火星基地需求”，一级分支包括能源需求（例如：生命维持系统、环境温控、科学实验、漫游车充电）和材料需求（例如：居住舱结构、宇航服、辐射防护层、就地资源利用设施）。教师巡视各小组，检查思维导图的绘制情况，给予建议和改进意见。 1. 各小组对每个子需求进行简要说明，解释为何它是必不可少的。小组代表进行汇报，其他小组进行倾听和提问。 1. 教师进行总结和点评，强调能源和材料需求与火星环境的相关性，对学生的分析进行评价和补充。 设计意图 通过创设情景，让学生模拟科学家的角色，培养学生的问题解决能力和创新思维能力。绘制思维导图和子需求说明可以帮助学生系统地分析火星基地的能源和材料需求，提高学生的逻辑思维能力和表达能力。 活动二 “未来航天”创新方案设计 【情境引入】同学们，随着航天技术的发展，未来人类有可能在火星建立基地。那么在火星建立基地需要哪些能源和材料呢？下面我们就来分析一下。 【教师创设情景】假设学生被任命为2050年中国火星基地的首席科学家，要求召开科学委员会，分析并确定基地建设与运行所必需的能源与材料。 【环境评估与分析】学生分组查阅火星环境资料（温度、大气成分、辐射强度、尘埃环境等），明确基地建设面临的主要挑战。教师提供相关资料和指导，帮助学生理解火星环境的特殊性。 【需求分析与思维导图绘制】各小组绘制思维导图，中心为"火星基地需求"，一级分支包括： 能源需求（生命维持系统、环境温控、科学实验、漫游车充电等） 材料需求（居住舱结构、宇航服、辐射防护层、就地资源利用设施等） 教师巡视各小组，检查思维导图的逻辑性和完整性，给予建设性意见。 【需求论证与汇报】各小组对每个子需求进行详细说明，解释其在火星环境下的必要性和特殊性。小组代表进行汇报，其他小组进行质疑和补充，形成科学研讨氛围。 【总结提升】教师对各组分析进行点评，强调能源和材料需求与火星环境特征的对应关系，总结基地建设的关键技术挑战，引导学生思考可能的解决方案。 设计意图 通过创设火星基地首席科学家的角色情境，激发学生的科学探究热情。环境评估环节培养学生搜集和分析科学数据的能力；思维导图绘制训练学生的系统思维和逻辑归纳能力；需求论证与汇报提升学生的科学表达和批判性思维。整个活动旨在让学生深入理解极端环境下能源与材料选择的科学依据，培养航天科技素养和工程思维能力。 活动三 “绿色航天”可行性论证会 【情境引入】教师展示"天问一号"火星探测器与"旅行者号"深空探测器的图片，提出问题："当探测器飞向更远的深空时，是核能电池更可靠，还是太阳能帆板更实用？今天我们将召开'绿色航天'可行性论证会，探讨未来深空探测的主力能源选择。" 【任务布置与准备】 将学生分为三组：正方（支持核能）、反方（支持太阳能）、议事员（评审团） 明确论证焦点：能量密度、环境稳定性、技术成熟度、安全风险、全周期成本 提供参考资料包：包含比功率数据、深空环境特点、技术案例等 【论证准备阶段】正反双方分别搜集证据，准备论证材料： 正方重点准备：核能高能量密度、不受光照影响、长寿命优势 反方重点准备：太阳能技术成熟、无核泄漏风险、成本递减趋势 议事员团队制定评价标准，准备质询问题 【论证实施阶段】按照科学论证流程进行： 立论陈词：双方陈述核心观点（各3分钟） 自由辩论：围绕五个维度展开交锋（5分钟） 议事员质询：评审团向双方提问（3分钟） 总结陈词：双方提炼关键论据（各2分钟） 【裁决与总结】 议事员团队进行合议裁决，说明裁决理由 教师点评双方表现，强调： 核能在深空探测中的不可替代性 太阳能在近地空间的优势 未来能源选择要遵循"任务导向"原则 设计意图 通过结构化辩论的形式，引导学生深入理解不同能源技术在航天应用中的特性与局限。活动着重培养学生基于证据的科学论证能力、多维度的系统思维以及批判性思考能力。议事员机制的设置确保全员参与，提升学生的倾听、记录与评价能力。最终帮助学生建立"按需选能、扬长避短"的工程思维，理解中国航天能源选择背后的科学逻辑。 活动四 航天科普创作与传播 【情境引入】教师展示中国航天日主题宣传片片段，提出问题："从东方红一号到中国空间站，中国航天走过了辉煌历程。作为航天知识的继承者，我们该如何用创意传播航天精神，科普航天知识？请选择你擅长的方式，成为航天科普的创作者！" 【任务布置与选择】 教师介绍三个创作赛道及要求： 赛道一：文字大师（科普文章/科幻小说，600-800字） 赛道二：视觉设计师（科普海报/四格漫画，主题鲜明） 赛道三：新媒体达人（科普短视频，1-2分钟） 学生根据个人兴趣和特长选择创作赛道 【创作指导】分组指导不同赛道的创作要点： 文字组：强调科学准确性、语言生动性 视觉组：注重信息可视化、构图创意 视频组：关注脚本设计、画面表现 提供范例参考：如《流浪地球》科幻片段、航天科普海报案例 【创作实践环】 学生独立或小组合作完成作品创作 教师巡回指导，解决技术难题 鼓励跨学科融合：融入文学、美术、信息技术等元素 【作品展播与传播】 举办"航天科普创作展" 优秀作品通过校园网、公众号等平台传播 组织"最佳创意奖""最佳传播奖"评选 【教师总结】展示学生的优秀作品，总结创作亮点："科普创作不仅是对知识的重温，更是对理解的升华。你们用独特的视角诠释航天科技，让科学知识焕发新的生命力！" 设计意图 本教学设计通过多元化的创作形式，满足不同特长学生的发展需求。在科普创作过程中，学生需要深入理解航天知识，并将其转化为通俗易懂的表达，这一过程有效促进了知识的內化与迁移。作品传播环节增强了学生的学习成就感，培养了科学传播意识与社会责任感，实现了从"知识接受者"到"知识传播者"的角色转变。 活动五 我的航天实践反思报告 【情境引入】教师展示本单元学习过程中的精彩瞬间照片集，包括实验探究、方案设计、辩论赛等场景："同学们，经过完整的航天主题探究，我们收获了知识，提升了能力。现在让我们静心反思，记录下这段难忘的航天任务日志。" 【教师引导反思】 发放《我的航天实践反思报告》表格 详细解释五个反思维度的内涵： 角色与行动：在团队中的贡献 收获与成长：知识、能力、思维的提升 挑战与突破：困难及解决方法 认知与联结：化学与航天的深层联系 规划与展望：未来应用方向 【学生独立反思】 学生静心思考，按要求完成反思报告 教师巡视指导，帮助梳理思路 鼓励学生用具体事例支撑每个维度的反思 【小组分享交流】 4人小组内分享反思报告 重点交流"认知与联结"和"规划与展望" 相互启发，完善反思内容 【班级升华展示】 邀请代表分享精彩反思片段 教师点评并提炼共性问题 建立"化学-航天-未来"的认知联结 设计意图 通过结构化的反思报告，引导学生系统梳理本单元的学习历程，实现从知识积累到素养提升的转化。五个反思维度层层递进，帮助学生认识自我、发现成长、建立联结、规划未来。反思过程培养了学生的元认知能力，深化了化学学科价值的理解，促进了核心素养的全面发展，为后续学习奠定坚实基础。 一、火箭推进剂的发展历程探究 1. 推进剂发展“编年史”绘制 1. 推进剂“能量密码”揭秘 1. 推进剂“性能雷达”图鉴设计 1. “固液之争”主题辩论赛 1. “我的推进剂”微观模型制作 1. 任务一研究报告撰写 二、航天高性能材料的应用现状调查 1. 航天器“极限挑战”环境分析 1. 航天材料“履历表”填写 1. 航天器“材料铠甲”模型制作 1. 材料性能“实验室”探究 1. “我是材料设计师”演讲会 1. 任务二调查报告撰写 三、航天能源与材料方案设计与展望 1. “火星基地”能源与材料需求分析 1. “未来航天”创新方案设计 1. “绿色航天”可行性论证会 1. 航天科普创作与传播 1. 我的航天实践反思报告 1. 2025年4月24日是我国第十个航天日。我国空间站的建设、载人飞船和月球探测器的成功发射等，向世界展示了我国的航天实力。 1. 空间站实验舱使用的太阳能电池中含有镓元素。镓属于___________(填“金属”或“非金属”)元素。 1. 空间站核心舱内的气体组成和地球上空气的组成基本一致，其中能供给呼吸的气体是_________________。 1. 长征七号运载火箭的推进剂是液氧和煤油，构成液氧的微观粒子是_________________(填粒子名称)。 1. 嫦娥六号完成世界首次月球背面采样和起飞。带回的没有接触过大气的原始月壤可被保存于充氮密封手套箱中，用氮气密封的原因是_______________________。 2. 镓在航天领域有重要的应用价值。如图是元素周期表中镓元素的信息。下列说法正确的是 A．镓属于非金属元素 B．镓原子核内中子数为31 C．镓的相对原子质量为 D．一个(Ga^{3 + })中含有的电子数为28 3. 月球探测器的成功发射，是我国航天事业的又一伟大成就。下列月球探测器部件所用的材料中，其主要成分属于合成材料的是 A．高纯度铜天线 B．聚酰亚胺塑料国旗 C．晶体硅(Si)电池板 D．铝合金摇臂，镁合金轮毂 4. 如图为我国研制的大推力循环氢氧发动机工作原理的微观模拟示意图。 ①液态燃料和助燃剂从储存室进入燃烧室气化后体积变大的微观解释：________________________。 ②燃烧室发生反应的化学方程式为______________________________________________。 ③从绿色化学的角度分析，使用该氢氧发动机的优点是_______________________________________。 5. 斗系统的全面建成彰显了中国航天的力量。在航天科技中运用了大量金属材料，下列有关金属材料的说法正确的是 A．纯金属的熔点一般比它们组成合金的熔点更低 B．金属单质在常温下都是固体 C．钛和钛合金被广泛应用于火箭、导弹等 D．合金中一定只含金属元素 6. 2024年4月25日，我国在酒泉卫星发射中心，成功发射神舟十八号载人飞船。航天所用的燃料之一为液氢，关于这种燃料的说法错误的是 A．液氢是高能燃料且燃烧后的产物无污染 B．燃烧产生淡蓝色火焰 C．热值高、推力大 D．贮存、运输和加注都容易 在本次教学中，通过引导学生探究火箭推进剂、航天材料以及能源方案等内容，有效激发了学生对化学与航天科技结合的兴趣。学生积极参与各项活动，如辩论、模型制作等，锻炼了综合能力。然而，教学过程中也存在一些不足。部分学生在查阅资料和数据分析时遇到困难，花费时间较多，导致进度有些滞后。在后续教学中，应加强对学生自主学习的指导，提前提供更明确的资料查找方向和数据分析方法。同时，对于一些抽象的化学原理和微观概念，可增加更多实例和可视化展示，帮助学生更好地理解。 / 学科网（北京）股份有限公司 $