第十一单元跨学科实践活动10 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--2025-2026学年九年级化学人教版下册

《跨学科实践活动10：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 一、教学背景与理念 本活动基于人教版九年级化学下册第十一单元“化学与社会”的跨学科实践要求。在学生已经学习了金属材料、有机合成材料、燃料及其利用、化学电池等基础知识后，通过“航天”这一宏大且具体的情境，将化学知识与社会发展、科技进步深度融合。 本课设计摒弃传统的知识灌输，采用项目式学习（PBL）与情境教学法。以“中国航天梦”为主线，引导学生化身“航天材料工程师”和“能源规划师”，通过资料调研、案例分析、模拟决策等环节，深入理解物质性质与用途的关系，以及能量转化在航天领域的关键作用，从而落实化学核心素养。 二、核心素养目标 1. 化学观念 深刻理解“结构决定性质，性质决定用途”的化学核心观念，能解释为何钛合金、碳纤维等材料适用于航天器。 认识化学反应中的能量转化（化学能转化为热能、动能、电能），理解推进剂燃烧、燃料电池供电的原理。 建立“材料—性能—应用”的关联观，理解新型材料（如耐高温涂层、记忆合金）如何突破技术瓶颈。 2. 科学思维 通过对不同推进剂（固体与液体）、不同电池（化学电池与太阳能电池）的对比分析，培养“比较与分类”及“模型认知”的思维能力。 在解决“如何为火星探测器选择能源”等实际问题时，运用“系统思维”和“证据推理”，综合考虑效率、环境、成本等多重因素。 能从微观角度（如分子结构、原子排列）宏观现象（如材料强度、耐热性）进行逻辑推导。 3. 科学探究与实践 能通过查阅文献、观看科普视频、访问权威网站等多种渠道获取航天材料的相关信息。 能设计简单的对比实验（如模拟材料耐热性、鉴别纤维种类），提升动手操作与观察能力。 能制作航天材料或能源的科普海报、思维导图，提升信息加工与表达交流能力。 4. 科学态度与责任 通过了解我国航天事业从无到有、从弱到强的辉煌历程（如神舟飞天、嫦娥奔月、天宫建成），增强民族自豪感和爱国情怀。 体会化学作为“中心科学”在尖端科技领域的支撑作用，激发探索科学的热情。 树立绿色化学观念，关注航天废弃物的处理与回收，思考太空探索与环境保护的平衡。 三、教学重难点 1. 重点 调查并了解新型材料（钛合金、复合材料、特种陶瓷等）在航天器结构、外壳、功能部件中的应用。 调查并了解新型能源（液氢液氧、太阳能电池、核电池等）在火箭发射及航天器在轨运行中的作用。 理解物质的性质如何决定其在航天领域的特定用途。 2. 难点 从微观结构角度解释新型材料的优异性能（如碳纤维的高强度、耐高温陶瓷的稳定性）。 综合分析不同能源形式的优缺点，并根据任务需求（如近地轨道与深空探测）进行合理的能源选择。 四、教学方法 任务驱动法、小组合作探究法、案例分析法、情境模拟法。 五、教学过程 环节一：情境导入——仰望星空，逐梦天宫 1. 视频震撼：播放《中国航天：从东方红一号到中国空间站》混剪视频。画面涵盖长征火箭点火升空的烈焰、神舟飞船与天和核心舱对接的精准、祝融号火星车在红色星球留下的车辙。 2. 教师引导： 提问：同学们，当我们为航天员的太空生活点赞，为火星探测欢呼时，你们是否想过，是什么让重达数百吨的火箭冲破大气层？是什么保护飞船在几千度的高温下安然无恙？ 引入：这一切的背后，离不开化学的支撑。今天，我们将组成“航天科研特别行动组”，开展跨学科实践活动——调查我国航天科技领域中新型材料与新型能源的应用。 环节二：任务驱动——分组调研，解密航天 将全班分为四个大组，分别承担不同的调研任务，利用课前准备和课堂时间进行资料整合与讨论。 第一、二组：材料工程师——寻找“最强护盾”与“最轻骨架” 1. 任务情境：神舟飞船要穿越大气层，面临剧烈摩擦产生的高温和强辐射；同时，为了节省燃料，飞船必须尽可能轻量化。请为飞船选择“骨骼”和“外衣”。 2. 探究问题 主体结构（骨骼）：为何选择钛合金或铝锂合金，而不是普通的钢铁？（引导从密度、强度、耐腐蚀性分析）。 外部涂层（外衣）：返回舱表面有一层特殊的烧蚀材料，它在高温下会发生什么变化？（引导了解烧蚀材料通过自身分解、熔化带走热量，保护内部结构）。 功能部件：宇航员的舱外航天服使用了多种合成纤维，它们起到了什么作用？（防辐射、隔热、防微陨石）。 3. 成果展示：绘制“航天器材料分布图”，标注各部位使用的材料及其化学特性。 第三、四组：能源规划师——打造“澎湃心脏”与“持久动力” 1. 任务情境：火箭发射需要瞬间爆发的巨大推力；而空间站在太空中长期运行，需要源源不断的电力。请为它们规划能源方案。 2. 探究问题 火箭推进剂（爆发力）：长征五号被称为“冰箭”，因为它使用了液氢和液氧。相比传统的煤油，液氢作为燃料有什么优缺点？（热值高、产物无污染，但储存困难）。 在轨能源（持久力）：空间站巨大的“翅膀”（太阳翼）是什么？它如何工作？（光电转换）。如果是去火星或更远的深空，太阳光变弱了，该怎么办？（引入放射性同位素热电发生器，即“核电池”，利用核衰变产生的热能转化为电能）。 化学电源：飞船在阴影区飞行时，靠什么供电？（高性能化学蓄电池，如镉镍电池、锂离子电池）。 3. 成果展示：设计“航天能源系统流程图”，用箭头表示能量的转化路径（如：化学能→热能→动能；光能→电能）。 环节三：交流研讨——思维碰撞，专家会诊 1. 模拟听证会：每个小组派代表上台汇报调研成果，其他小组作为“评审专家”进行提问和补充。 2. 深度辨析 议题一：既然钛合金这么好，为什么我们在日常生活中很少见到钛合金做的门窗或汽车？（引导讨论成本、加工难度与性能的平衡）。 议题二：液氢是理想的清洁燃料，为什么目前的家用汽车很少直接使用液氢发动机？（引导从储存、运输、安全性等工程角度思考，虽然化学性质完美，但工程应用有挑战）。 议题三：太空垃圾（废弃的卫星、火箭残骸）越来越多，从化学材料的角度，我们能做些什么？（引导思考可降解材料、自毁机制等未来方向）。 环节四：拓展升华——未来已来，化学先行 1. 前沿展望 介绍“石墨烯”、“碳纳米管”等纳米材料在航天领域的潜在应用（如太空电梯的缆绳）。 介绍“金属氢”等超高能推进剂的概念。 2. 情感升华 教师总结：从“两弹一星”到“天宫揽月”，中国航天人用智慧和汗水，在太空中书写了属于中国人的浪漫。而化学，正是这浪漫背后的坚实基石。 核心观念：材料是航天器的躯体，能源是航天器的血液。化学通过对物质结构的调控和能量转化的掌控，不断拓展人类探索宇宙的边界。 3. 课后作业 必做：撰写一份《航天新材料/新能源科普小报》，向社区居民介绍一项你感兴趣的航天化学技术。 选做：利用身边的废旧材料（如塑料瓶、铝箔、电池盒），设计并制作一个简易的“水火箭”或“太阳能小车”，体验结构与动力的原理。 六、板书设计 跨学科实践活动10：调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用 一、航天材料——躯体 1. 结构材料（骨骼）：钛合金、铝锂合金（轻质、高强、耐蚀） 2. 功能材料（外衣）：烧蚀材料、特种陶瓷（耐高温、隔热） 3. 合成材料（神经）：特种橡胶、合成纤维（密封、防辐射） 二、航天能源——动力 1. 发射阶段：液氢/液氧（高能、清洁）——化学能→热能→动能 2. 在轨运行： 太阳能电池（近地）——光能→电能 核电池（深空）——核能→热能→电能 化学电池（储能）——化学能→电能 三、核心观念 性质决定用途，化学成就梦想 七、教学反思 本设计紧扣“跨学科”与“实践”两个关键词。 在学科融合上：不仅涉及化学（材料性质、能量转化），还融合了物理（力学、光学）、地理（宇宙环境）等知识，打破了学科壁垒。 在素养落实上：避免了死记硬背材料名称，而是侧重于让学生通过调研去“发现”性质与用途的对应关系，培养证据推理能力。 在情感教育上：通过大量中国航天的真实案例，将爱国主义教育润物细无声地融入课堂，让学生真切感受到“化学强国”的力量。 改进之处：对于基础较弱的学生，关于“核电池”原理或“烧蚀机理”的理解可能存在难度，教学中应多准备一些动画演示或类比模型，降低认知门槛。 学科网（北京）股份有限公司 $