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

该初中化学导学案围绕“空间站再生生保系统”展开，核心涉及水、氧气、二氧化碳的性质与转化，电解水、二氧化碳吸收及水的净化等知识点。通过中国空间站真实情境导入，对比非再生与再生生保系统，课前预习回顾旧知，课中探究供氧、除碳、水循环三大子系统原理，结合跨学科知识形成学习支架。 资料特色为跨学科实践，融合化学、物理、生物及工程知识，配套中国空间站官方科普视频等资源。通过小组合作设计系统方案，培养科学探究与实践能力，强化物质循环、守恒的化学观念，树立科技报国、绿色低碳的科学态度与责任，提升问题解决与创新思维。

初中化学“导·学·练”课堂导学案 年级 九年级 科目 化学 周次 设计者 序号 班级 主题与课时 跨学科实践活动 8 空间站中 “再生生保系统” 方案设计 课型 新授 审核人 学校审核 姓名 课标要求 立足化学课程标准跨学科实践要求，结合航天真实情境，引导学生运用水、氧气、二氧化碳的性质与转化规律，分析空间站再生生保系统的工作原理。融合物理、生物、工程技术知识，开展系统方案初步设计，培养学生问题解决与创新实践能力，树立物质循环利用、绿色低碳的化学理念，体会化学对航天科技发展的支撑作用。 学习目标 化学观念：建立物质循环、转化守恒的核心观念，理解太空环境下物质再生的化学原理。 科学思维：通过对比分析、推理建模，梳理生保系统的运行逻辑。 科学探究与实践：依托问题探究完成系统初步设计，提升跨学科实践能力。 科学态度与责任：感悟航天科技魅力，树立科技报国、绿色循环的责任意识。 重难点 重点：掌握空间站氧气再生、二氧化碳净化的核心化学原理，理解再生生保系统的物质循环逻辑。 难点：结合太空特殊环境，整合多学科知识分析系统设计要点，突破地面常规反应的局限，初步完成简易再生生保系统方案构思，建立太空物质循环的工程思维。 资源与 建议 教学资源包含鲁教版新教材文本、中国空间站再生生保系统官方科普视频、航天员代谢数据资料、电解水、二氧化碳吸收的实验素材、系统结构流程图等。本课为跨学科实践起始课，侧重原理认知与问题梳理，衔接后续方案细化设计。建议学生结合已学水的电解、碳的氧化物知识，联动生物呼吸作用、物理能量转化知识开展学习。学习中注重情境化思考，联系太空无重力、密闭环境特点，聚焦物质再生核心问题，以小组合作形式梳理系统功能，为后续方案设计筑牢基础。 学习过程 （一）课前预习案 亲爱的同学，本节课我们将走进中国空间站，探究航天核心技术——再生生保系统的化学奥秘。空间站远离地球，无法持续补给物资，必须依靠系统实现氧气、水的再生循环、二氧化碳的净化处理，保障航天员长期在轨生存。请结合九年级化学所学知识、新教材内容及生活常识，完成以下预习任务，提前夯实新知基础，构建探究思维。 预习任务一：基础知识回顾（教材核心旧知铺垫） 1. 写出电解水的文字表达式和化学方程式，标注反应基本类型。 2. 简述电解水实验的核心现象，以及氢气、氧气的体积比、质量比。 3. 实验室常用吸收二氧化碳的试剂是什么？写出该反应的化学方程式。 4. 生活中常用的水的净化方法有哪些？其中能除去水中可溶性杂质、实现水质深度净化的方法是什么？ 5. 结合生物知识，写出人体呼吸作用的文字表达式，说明航天员在轨呼吸会消耗、产生哪些物质。 预习任务二：新知自主研读（新教材跨学科内容预习） 仔细阅读鲁教版九年级下册跨学科实践活动8原文，完成以下问题，梳理再生生保系统基础认知。 1. 什么是再生生保系统？空间站搭载该系统的核心目的是什么？ 2. 结合教材内容，说出空间站再生生保系统主要包含哪三大核心子系统？ 3. 空间站密闭环境中，威胁航天员生存的主要气体问题是什么？单纯依靠携带氧气瓶、吸附剂能否实现长期在轨驻留？请说明理由。 4. 教材中提到空间站废水主要包含航天员尿液、冷凝水、洗漱废水等，这些废水能否直接排放或直接使用？为什么？ 5. 初步梳理：再生生保系统需要解决的三大核心问题是什么？ 预习任务三：情境思考与疑问记录 1. 对比地球大气环境与空间站密闭环境，分析空间站维持生存环境的难点。 2. 结合质量守恒定律思考：太空环境中实现物质再生循环的理论依据是什么？ 3. 自主预习后，记录2-3个你最困惑的问题，留待课中探究解决。 （二）课中探究案 本节课聚焦空间站再生生保系统核心原理，以“发现问题—探究原理—构建系统—初步设计”为核心主线，结合新教材跨学科要求，融合化学、生物、物理、工程知识，通过分层探究任务，逐步突破重难点，完成核心知识建构与实践能力提升。 探究导入：真实情境激趣，明确探究主题 中国空间站实现航天员长期在轨驻留，核心依托两大生保模式：非再生生保和再生生保。传统非再生模式依靠地面补给、一次性耗材，成本极高且无法支撑长期航天任务。再生生保系统通过化学转化，实现氧气、水资源闭环再生，废气、废水循环利用，大幅降低航天成本，是航天科技的核心突破。本节课我们重点探究三大子系统的化学原理，初步完成简易方案设计。 探究任务一：空间站供氧系统原理探究（核心化学原理） 【情境问题】航天员在轨持续消耗氧气，呼出二氧化碳，空间站密闭空间无法自然补充氧气，如何持续稳定供给氧气，维持舱内氧含量稳定？ 【教材知识链接】新教材明确指出，空间站核心供氧方式为电解水制氧，该方法原料易得、产物纯净、无二次污染，适配太空密闭环境。 【分层探究问题】 1. 空间站电解水制氧的能量来源是什么？结合物理知识说明能量转化形式。 2. 写出空间站电解水制氧的化学方程式，结合质量守恒定律，分析该反应如何实现氧元素再生。 3. 对比实验室加热高锰酸钾制氧、过氧化氢制氧，分析电解水制氧适配空间站环境的优势。 4. 电解水生成的氢气，空间站如何处理？能否直接排放？说明原因。 【小组讨论总结】小组合作梳理供氧系统工作流程：废水净化提纯→电解水分解→分离氢气与氧气→氧气增压存储、供给舱内呼吸，形成闭环供氧。 探究任务二：空间站二氧化碳去除与转化系统探究 【情境问题】航天员呼吸持续产生二氧化碳，舱内二氧化碳浓度过高会导致缺氧、中毒，危及生命，如何高效去除并循环利用二氧化碳？ 【教材知识链接】新教材介绍，空间站采用化学吸收+催化还原结合的方式处理二氧化碳，既净化舱内空气，又实现碳元素循环利用，契合绿色循环理念。 【分层探究问题】 1. 实验室吸收二氧化碳常用氢氧化钠溶液，写出反应方程式，说明该反应能否用于空间站长期除碳。 2. 空间站除碳不选用澄清石灰水的原因是什么？结合物质溶解性、吸收效率分析。 3. 教材提及二氧化碳催化还原技术，二氧化碳与氢气在一定条件下可反应生成水和甲烷，写出该反应方程式，分析该流程的循环价值。 4. 结合生物知识，对比地球生态中植物光合作用固碳，分析空间站无法依赖自然固碳的原因。 【小组总结】空间站除碳核心逻辑：化学吸收去除多余二氧化碳→催化还原转化再生水资源→接入水循环系统，实现碳、氧双重循环，无废弃物排放。 探究任务三：空间站水循环再生系统探究 【情境问题】航天员在轨产生的尿液、汗液冷凝水、洗漱废水总量大，地面补给水资源成本极高，如何实现废水百分百再生利用？ 【教材知识链接】新教材明确空间站水循环系统为多级净化模式，依次完成过滤、离子交换、催化氧化、紫外线消毒，去除不溶性杂质、可溶性离子、有机物、微生物，实现废水转化为饮用水、生活用水。 【分层探究问题】 1. 结合水的净化知识，对应说出空间站多级净水步骤的作用：过滤、离子交换、消毒分别去除哪些杂质？ 2. 为什么空间站净水必须去除水中微量离子和有机物，而生活净水无需极致净化？ 3. 再生水重新接入电解水制氧系统，体现了怎样的物质循环理念？ 4. 结合质量守恒定律，说明空间站水的闭环循环为何能实现水资源零损耗。 【小组梳理】水循环完整流程：各类废水收集→多级物理、化学净化→纯水存储→一部分供给航天员生活饮用，一部分用于电解制氧→产物再次参与系统循环。 探究任务四：系统整合与初步方案设计（跨学科实践核心） 【核心任务】结合本节课探究的供氧、除碳、水循环三大子系统原理，结合教材航天员代谢基础数据，小组合作梳理再生生保系统整体逻辑，绘制简易系统流程图，完成初步方案设计。 【探究问题】 1. 分析三大子系统之间的关联，说明水循环系统如何为供氧系统提供原料，除碳系统如何反哺水循环系统。 2. 从安全性、稳定性、环保性、经济性四个角度，分析再生生保系统相较于传统补给模式的优势。 3. 结合本节课知识，说出当前简易设计方案中可能存在的不足，为下节课优化设计铺垫。 课堂总结与素养升华 本节课通过真实航天情境，深度探究了再生生保系统的核心化学原理，将电解水、二氧化碳的性质、水的净化等核心知识点与航天工程结合，打破学科壁垒。我们认识到化学是航天科技的基础，物质循环、质量守恒的核心规律，是太空资源再生的理论支撑。同时体会到我国航天科技的突破，树立绿色循环的化学观念和科技报国的责任意识。 板书设计 参考答案 预习任务二：新知自主研读 1. 再生生保系统是空间站核心生存保障系统，通过化学、物理、生物技术，实现舱内氧气、水资源再生循环，废气、废水净化利用；核心目的：摆脱地面频繁补给，保障航天员长期在轨生存。 2. 三大核心子系统：电解制氧系统、二氧化碳去除与还原系统、废水净化循环系统。 3. 主要问题：氧气持续消耗、二氧化碳不断积累，空气质量失衡；不能依靠传统补给，原因：太空运输成本极高、物资储量有限，无法支撑长期驻留，耗材一次性使用不符合可持续理念。 4. 不能直接使用或排放；原因：废水含有可溶性杂质、有机物、微生物、有害物质，直接使用危害航天员健康，直接排放会浪费太空稀缺水资源。 5. 核心问题：持续供氧、去除并转化二氧化碳、废水净化再生循环。 预习任务三：情境思考与疑问记录（参考示例） 1. 地球可通过大气循环、植物生态循环调节环境，空间站为密闭狭小空间，无自然生态调节，物资无法自然补给，环境调控完全依赖人工系统。 2. 理论依据：质量守恒定律，化学反应前后元素种类、质量不变，可通过化学反应实现物质转化与循环再生。 探究任务三：空间站水循环再生系统 1. 过滤：除去不溶性固体杂质；离子交换：除去水中可溶性金属离子、杂质离子；消毒：杀灭水中细菌、病毒等微生物。 2. 太空水资源极度稀缺，再生水直接用于饮用和电解制氧，微量杂质会危害人体健康、影响电解反应效率；生活用水对水质纯度要求低，无需极致净化。 3. 体现“资源循环、零废利用、绿色可持续”的化学循环理念，实现水资源反复利用。 4. 根据质量守恒定律，水循环系统仅改变水的状态和纯度，不消耗元素，所有废水均可转化为纯水重新利用，实现闭环零损耗循环。 探究任务四：系统整合与方案设计 1. 关联逻辑：水循环净化产生纯水，为电解制氧系统提供核心原料；供氧系统产生氧气供航天员呼吸，航天员呼出的二氧化碳进入除碳系统；除碳系统还原生成的水重新回流至水循环系统，三大系统相互依存、闭环循环。 2. 系统优势：安全性高，无易燃易爆、有毒废弃物；稳定性强，可24小时持续循环工作；环保性好，零资源浪费；经济性突出，大幅降低地面补给成本，适配长期航天任务。 3. 方案不足（示例）：未考虑太空微重力环境对反应的影响；未设计故障应急处理机制；未精准匹配航天员代谢数据，系统配比不够精准，需下节课优化。 ( 1 / 3 ) 目标领航 任务驱动 评价镶嵌 赢在课堂 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $