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

该初中化学教案聚焦空间站“再生生保系统”，核心涉及电解水制氧、二氧化碳处理、废水回收等化学过程，通过神舟十六号等航天情境导入，以问题驱动梳理物质循环利用原理，搭建从化学知识到航天应用的学习支架。 亮点在于跨学科融合，结合航天员代谢数据计算制氧量和回收量培养科学思维，设计系统方案并绘制流程图提升科学探究与实践能力，同时渗透资源循环的化学观念和航天科技的科学态度与责任，助力教师落实核心素养，帮助学生深化知识应用与创新意识。

跨学科实践活动8空间站中“再生生保系统”方案设计教案 一、活动目标 化学观念：了解空间站“再生生保系统”的工作原理，认识电解水、二氧化碳处理、废水回收等化学过程在航天生命保障中的应用，深化物质循环利用的化学观念。 科学思维：通过计算电解水制氧量、水资源回收量，建立定量分析的科学思维；通过设计再生生保系统方案，培养系统设计与优化的逻辑思维。 科学探究与实践：能结合航天员代谢数据，计算电解水制氧量、废水回收量；能模拟设计再生生保系统方案，绘制设计图并交流评价，提升跨学科实践能力。 科学态度与责任：感受我国航天科技成就，体会自主创新对国家科技安全的重要性；树立资源循环利用、绿色低碳的环保理念，增强民族自豪感与社会责任感。 二、活动重难点 重点：电解水制氧量、水资源回收量的计算；再生生保系统的功能要求与设计思路。 难点：结合航天员代谢数据，设计满足氧气供给、二氧化碳处理、废水回收的完整系统方案。 三、活动过程 （一）活动导入 情境引入：2023年神舟十六号腾飞、神舟十五号凯旋，中国空间站闪耀太空。太空环境中没有氧气和水，航天员生存面临诸多挑战，我国“天宫”空间站的“再生生保系统”为航天员长期驻留提供了保障。 问题驱动：“再生生保系统”如何实现氧气再生、废水回收和二氧化碳处理？今天我们将模拟设计这套系统，感受科技创新的力量。 （二）活动1：明确任务 “再生生保系统”概念：全称再生生命保障系统，以物理、化学方法为基础，通过空气净化、氧气再生、冷凝水和尿液净化回收等过程，实现环境控制和生命保障功能，大幅提高空间站物资循环利用率，是保障航天员长期驻留的关键。 系统设计要求： 能够持续稳定地供给氧气； 能够将呼吸产生的二氧化碳等废气除去或回收再生； 能够对空间站中的废水进行净化和回收再生。 （三）活动2：数据计算与方案设计 1.航天员代谢数据（表10-3） 项目 具体指标 呼吸耗氧 0.9kg/（人・天） 饮用水 2.0kg/（人・天） 个人卫生用水和大小便冲洗水 0.4kg/（人・天） 呼出二氧化碳 1.0kg/（人・天） 尿液量 1.6kg/（人・天） 排湿量（汗液等） 1.7kg/（人・天） 2.核心计算问题 问题1：电解水制氧量计算 空间站主要通过电解水提供氧气，反应原理： 计算：3名航天员每天呼吸耗氧总量=0.9kg/（人・天）×3人=2.7kg 设每天需要电解水的质量为： 解得： 结论：每天需要电解3.0375kg水来满足3名航天员的呼吸耗氧需求。 问题2：废水回收与额外需水量计算 航天员生活用水来源：饮用水、卫生用水，废水来源：尿液、排湿水。 计算： 每天总用水需求：(2.0+0.4)kg/（人・天）×3人=7.2kg 每天废水产生量：(1.6+1.7)kg/（人・天）×3人=9.9kg 废水回收率为80%，每天可回收水量：9.9kg×80%=7.92kg 130天总用水需求：7.2kg/天×130天=936kg 130天总回收水量：7.92kg/天×130天=1029.6kg 由于回收水量大于用水需求，无需额外携带用水（注：实际设计中需考虑电解水耗氧用水与生活用水的统一循环，此处按题目数据计算）。 问题3：二氧化碳处理方案 查阅资料可知，空间站中二氧化碳的处理方式主要包括： 化学吸收法：利用氢氧化锂（LiOH）等碱性物质吸收二氧化碳，反应方程式： 物理吸附法：使用分子筛等材料吸附二氧化碳； 还原再生法：将二氧化碳与电解水产生的氢气反应，生成甲烷和水，实现资源循环利用。 3.再生生保系统方案设计 系统组成模块： 氧气再生模块：电解水装置，利用太阳能发电电解水，生成氧气供航天员呼吸，氢气可用于后续二氧化碳还原反应。 二氧化碳处理模块：采用氢氧化锂吸收法，或二氧化碳-氢气还原装置，将二氧化碳转化为水和甲烷，实现资源循环。 废水回收模块：通过冷凝回收汗液、呼吸产生的水蒸气，通过净化装置处理尿液和生活废水，回收的水用于电解制氧和航天员生活用水。 设计要求：绘制系统方案图，标注各模块的功能和物质流向，体现“氧气-水-二氧化碳”的循环利用关系。 （四）反思交流 撰写实践活动报告：展示设计过程、修改后的方案图，分享活动中的收获与感受（如对资源循环利用的理解、对航天科技的认识等）。 拓展学习：查阅我国“天宫”空间站再生生保系统的研发历程，了解自主创新对国家科技安全的重要性，撰写简短感悟。 四、活动总结 本次跨学科实践活动，我们通过计算、设计和交流，模拟了空间站“再生生保系统”的工作原理，体会了化学知识在航天科技中的应用，感受了科技创新的魅力。再生生保系统的核心是资源的高效循环利用，这不仅是航天工程的关键技术，也为我们践行绿色低碳理念提供了重要启示。 五、板书设计 （一）、活动目标：了解原理，模拟设计，感受创新 （二）、核心任务 1.电解水制氧：2H₂O2H₂↑+O₂↑（计算3名航天员日耗水量） 2.废水回收：回收率80%，计算额外需水量 3.CO₂处理：化学吸收（LiOH）、还原再生 （三）、系统模块：氧气再生→CO₂处理→废水回收（循环利用） 六、教学反思 本次跨学科实践活动，紧扣2022版课标跨学科实践要求，将化学（电解水、二氧化碳吸收）、数学（定量计算）、航天科技等多学科知识融合，有效落实了核心素养目标。活动中，学生通过计算航天员耗氧量、废水回收量，深化了对物质定量关系的理解；通过设计再生生保系统方案，提升了系统设计与跨学科应用能力。 教学不足方面，部分学生对电解水反应的化学方程式应用不够熟练，计算过程中容易出错；对二氧化碳处理的化学原理理解不够深入，方案设计中模块之间的物质循环关系梳理不够清晰；课堂时间有限，学生方案交流和优化的时间不足。 后续改进措施：课前增加电解水反应方程式的复习和定量计算练习，夯实基础；提供我国空间站再生生保系统的真实流程图，帮助学生理解模块间的循环关系；分组完成方案设计，预留充足时间进行小组展示和互评，引导学生优化方案；课后组织学生查阅资料，了解真实的再生生保系统技术细节，深化对科技创新的认识。 数理化word 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 $