第十单元跨学科实践活动8 空间站中“再生生保系统”方案设计教学设计--2025-2026学年九年级化学鲁教版下册

跨学科实践活动8 空间站中“再生生保系统”方案设计 教学设计 一、教学目标 化学观念 认识物质在特定条件下可以发生转化与循环利用，理解“废物”与“资源”在一定条件下可以相互转化。 建立“物质守恒与能量转化”的基本观念，理解空间站中水、氧气等生存必需物质的再生过程本质上是物质循环与能量驱动的化学变化。 形成“系统思维”观念，理解再生生保系统是由多个子系统协同工作的整体，各部分相互依存、动态平衡。 科学思维 通过分析航天员代谢数据与系统流程图，发展数据解读、逻辑推理与模型建构能力。 能从宏观现象（如尿液变饮用水）推断微观过程（分离、反应、再生），提升因果分析与系统思考能力。 在评价不同设计方案时，学会从效率、安全性、可持续性等维度进行多角度比较与优化决策。 科学探究与实践 能通过查阅资料、分析案例等方式探究再生生保系统的工作原理，提升信息整合与问题解决能力。 通过小组合作设计简易“再生生保系统”方案图，提升工程思维与协作实践能力。 能基于化学原理对系统中的关键环节（如水的净化、氧气的再生）进行合理解释与优化建议。 科学态度与责任 养成严谨求实的科学态度，尊重科学事实，不夸大技术能力。 增强民族自豪感，感受我国航天科技的自主创新与卓越成就。 树立资源节约与可持续发展意识，理解“循环利用”对地球生态保护的重要意义，做绿色生活的践行者。 二、教学重难点 重点 理解再生生保系统的核心原理：水的回收与净化、氧气的再生、二氧化碳的转化。 掌握系统中关键化学过程（如蒸馏、电解、吸附、催化反应）的基本原理与应用。 难点 理解多个子系统如何协同实现物质循环。 从化学视角解释“尿液如何变成饮用水”“呼出的二氧化碳如何变成氧气”。 三、教学准备 实验用品 模拟材料：活性炭、滤纸、烧杯、漏斗、铁架台、滴管、蒸馏水、食盐水、小苏打、白醋（模拟二氧化碳产生）。 辅助资源 中国空间站“天和核心舱”视频、再生生保系统流程图、航天员代谢数据表、萨巴蒂尔反应示意图、水净化实验视频。 四、教学过程 环节一：情境导入，激发探索热情 播放视频：航天员在空间站喝水、呼吸、锻炼的日常片段。 提问引导： 空间站远离地球，水、氧气从何而来？ 航天员每天呼出大量二氧化碳，排出尿液，这些“废物”去哪了？ 学生讨论，初步感知太空生存的极端挑战。 引出课题：今天我们将化身“航天工程师”，设计一套“再生生保系统”，让航天员在太空实现“自给自足”。 环节二：分析需求，明确设计目标 提供航天员日均代谢数据： 消耗氧气约0.8千克。 产生二氧化碳约1千克。 排出尿液约1.5升，汗液与呼出水汽约1升。 小组讨论： 要维持生命，系统必须解决哪三大问题？（供氧、供水、除二氧化碳） 能否将“废物”变成“资源”？如何实现？ 归纳设计目标： 回收水并净化为饮用水。 利用水制取氧气。 将二氧化碳转化为有用物质。 环节三：探究核心原理，建构系统模型 水的回收与净化 情境：航天员呼出的水汽、汗液、尿液如何变成饮用水？ 实验模拟：用食盐水模拟含杂质的水，通过活性炭吸附、滤纸过滤，观察净化效果。 原理归纳： 蒸馏：利用沸点差异，将尿液中的水蒸发再冷凝，实现分离。 吸附：分子筛或活性炭吸附异味与杂质（类似活性炭净水）。 过滤：反渗透膜只允许水分子通过，截留其他离子（类比过滤操作）。 强调：净化后的水仍含少量矿物质，属于混合物，但符合饮用标准。 氧气的再生 提出问题：氧气从何而来？能否循环使用？ 回顾旧知：水在通电条件下可分解为氢气和氧气（电解水）。 原理建构： 回收的水进入电解系统，分解产生氧气供呼吸。 氢气作为副产物被收集，用于下一步反应。 强调：此过程将电能转化为化学能，实现氧气再生。 二氧化碳的转化 情境：呼出的二氧化碳若积累会危及生命，如何处理？ 介绍技术：萨巴蒂尔反应——在催化剂作用下，二氧化碳与氢气反应生成水和甲烷。 原理分析： 二氧化碳 + 氢气 → 水 + 甲烷（在催化剂与加热条件下）。 生成的水可再次用于电解制氧，实现水的循环。 甲烷可排放或用作推进剂。 强调：此过程实现了二氧化碳的资源化利用。 环节四：整合系统，设计方案 小组任务：绘制“再生生保系统”方案图。 要求包含： 三大子系统：水循环、氧再生、二氧化碳转化。 物质流向箭头（水、氧气、二氧化碳、氢气、甲烷）。 关键装置名称（尿处理系统、水电解系统、萨巴蒂尔反应器等）。 展示交流：各组展示方案图，讲解设计思路，师生共同评价与优化。 教师总结：系统闭环程度越高，资源利用率越高，但技术难度也越大。 环节五：拓展视野，深化责任 播放短片：中国空间站“天和核心舱”再生生保系统实拍，展示尿液处理、电解制氧等真实设备。 数据震撼： 水回收率超过80%，尿液处理系统可处理6升尿液提取5升水。 支持3名航天员长期驻留6个月以上。 讨论： 这套系统对地球上的水资源短缺地区有何启示？ 我们如何在家中实现“小循环”？（如雨水收集、厨余堆肥） 强调：太空科技不仅服务航天，更反哺地球可持续发展。 环节六：课堂小结与评价 学生完成“系统原理”填空练习： 尿液经蒸馏得到水，水经电解得到氧气。 二氧化碳与氢气反应生成水和甲烷。 分子筛具有吸附作用，用于净化空气。 教师评价：关注学生对系统整体性的理解、原理阐述的准确性及创新思维。 五、板书设计 主题：空间站中“再生生保系统”方案设计 一、设计目标 供水、供氧、除二氧化碳 二、核心原理 水循环：蒸馏、吸附、过滤 氧再生：电解水 → 氧气 + 氢气 二氧化碳转化：萨巴蒂尔反应 → 水 + 甲烷 三、系统特点 物质循环、能量驱动、闭环运行 四、启示 太空科技 → 地球可持续 六、教学评价 过程评价：资料分析能力、小组合作表现、方案图科学性。 成果评价：系统图完整性、原理说明清晰度、创新点合理性。 素养评价：是否体现系统思维、科学探究精神与可持续发展意识。 学科网（北京）股份有限公司 $