第五单元跨学科实践活动 4 空间站中 “再生生保系统” 方案设计导学案--2026--2027学年九年级化学鲁教版（五四学制）全一册

该初中化学导学案围绕空间站“再生生保系统”方案设计展开，引导学生掌握电解水制氧、二氧化碳处理、废水净化的化学原理，结合跨学科知识完成系统设计。通过天宫空间站真实情境导入，课前预习巩固水与碳氧化物性质，课中以“情境认知—原理探究—方案设计”为支架，衔接前后知识。 以航天科技为真实情境，融合化学、物理等多学科知识，通过小组合作探究、方案设计与互评，培养学生科学探究与实践能力，提升科学思维与创新意识。渗透物质循环与绿色化学理念，增强科学态度与责任，助力学生解决真实工程问题。

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 4 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 结合空间站真实情境，运用水、氧气、二氧化碳的化学性质与转化规律，掌握电解水、二氧化碳处理、废水净化的核心原理。融合物理、生物、工程知识，完成再生生保系统方案设计。树立物质循环与绿色化学理念，体会化学在航天科技中的应用，提升解决真实工程问题的跨学科实践能力与创新思维。 学习目标 宏观辨识与微观探析：辨识太空物质循环宏观现象，剖析反应微观本质。 变化观念与平衡思想：理解太空密闭环境中物质转化与动态平衡。 科学探究与创新意识：自主探究系统原理，创新优化设计方案。 科学态度与社会责任：感悟航天科技成就，树立资源循环利用理念，增强家国情怀与科学担当。 重难点 重点：掌握电解水制氧、二氧化碳还原、废水净化的化学原理，明确再生生保系统的核心组成与循环逻辑。 难点：结合密闭太空环境特点，整合多学科知识，兼顾安全性、节能性与稳定性，自主设计、优化并完善空间站再生生保闭环循环方案，解决真实航天工程问题。 资源与 建议 可利用天宫空间站再生生保系统科普视频、央视航天科普图文、教材对应章节知识点、电解水实验器材、系统结构示意图、航天员代谢数据表格等资源。本活动融合化学、物理、生物、工程学科知识，学生需先预习水的组成、碳的氧化物性质等核心知识。建议以小组合作模式开展，遵循“情境认知—原理探究—数据分析—方案设计—优化总结”的流程推进，注重理论联系实际，聚焦密闭环境物质循环核心，大胆创新设计，严谨验证方案可行性。 学习过程 （一）课前预习案 【预习目标】巩固水、氧气、二氧化碳的核心化学知识，初步认知空间站再生生保系统的功能与价值，搭建太空物质循环的知识框架，为课中方案设计奠定基础。 【预习任务一：基础知识回顾】 结合九年级化学全一册教材相关内容，完成基础知识点梳理，夯实理论基础。 1. 电解水的化学反应方程式为________，该反应的基本反应类型是________，实验中正极产生________，负极产生________，二者体积比为________。该反应的能量转化形式为________转化为化学能，是空间站制氧的核心原理。 2. 人体呼吸作用消耗________、产生________，航天员长期在轨生活，密闭舱内会出现氧气减少、二氧化碳积聚的问题，威胁生命安全。 3. 二氧化碳的核心化学性质：能与氢气发生催化反应，实现二氧化碳还原再生水，该反应是空间站二氧化碳处理的关键原理；同时二氧化碳可溶于水，能与碱溶液发生反应。4 . 日常生活与航天场景中的废水净化常用方法有沉降、过滤、吸附、蒸馏、反渗透等，其中净化程度最高的是________，适合空间站高精度用水需求。 【预习任务二：情境认知与自主思考】 自主观看天宫空间站再生生保系统科普短视频、查阅航天科普资料，结合教材跨学科实践主题，完成以下问题思考。 1. 空间站为密闭太空环境，无法持续从外界获取空气和淡水，也无法直接排放废气、废水，推测航天员在轨生存必须解决的两大核心问题是什么？ 2. 结合已有知识，思考传统制氧方法（加热高锰酸钾、过氧化氢分解）是否适合空间站长期使用，简要说明理由。 3. 何为“再生生保系统”？结合字面含义和科普资料，简要概括其核心功能。 4. 初步梳理：空间站再生生保系统主要包含哪三大核心模块？分别对应解决什么生存问题？ 【预习任务三：预习疑问记录】 通过自主预习，记录自己无法解决的疑问，课堂重点探究学习。示例： 1. 空间站电解水制氧的电能来源是什么？如何实现节能高效？ 2. 二氧化碳还原过程如何实现物质循环，真正实现变废为宝？ 3. 空间站废水包含哪些类型，净化后能否完全循环利用？ （二）课中探究案 【课堂导入】航天事业是国家科技实力的重要象征，天宫空间站实现了航天员长期在轨驻留。在远离地球的密闭太空环境中，没有源源不断的空气和淡水补给，航天员的生存完全依赖核心设备——再生生保系统。该系统通过化学、物理、生物多学科技术，实现氧气、水的循环再生，构建密闭太空生态循环体系。本节课我们将结合教材知识，层层探究系统原理，自主设计专属空间站再生生保方案。 【探究主题一：分析太空密闭环境生存需求，明确设计核心目标】 小组合作讨论，结合人体代谢规律、太空环境特点，结合教材情境内容，梳理再生生保系统的设计必要性与核心设计目标。 1. 环境痛点分析：空间站为完全密闭空间，航天员呼吸持续消耗氧气、释放二氧化碳，日常饮水、洗漱、代谢会产生各类废水。若无法循环再生，携带的物资会快速耗尽，废气、废水堆积会破坏舱内环境，危及航天员生命。 2. 核心设计目标：小组总结并完善，最终明确三大核心目标：一是持续稳定供给氧气，维持舱内氧气浓度稳定；二是高效去除并转化二氧化碳，避免废气堆积；三是实现各类废水净化再生，完成水资源闭环循环。3. 拓展思考：对比地球自然生态循环，分析空间站人工循环系统的优势与特殊要求，理解人工系统需要更高效、更稳定、更安全，无外界调节缓冲的特点。 【探究主题二：探究氧气再生系统原理，筛选最优制氧方案】 结合教材中水的组成与电解实验知识，对比多种制氧方法，探究适配空间站的制氧方案。 1. 常见制氧方法对比分析：小组填写对比表格，从原料、能耗、产物、可持续性、安全性五个维度，对比高锰酸钾制氧、过氧化氢制氧、电解水制氧三种方法。 2. 核心原理深挖：结合电解水实验，明确空间站采用电解水制氧的核心原因。电解水原料为可循环再生的水，产物为氧气和氢气，氧气供给航天员呼吸，氢气可用于后续二氧化碳还原反应，无废弃物产生，能耗可通过空间站太阳能供电保障，适配长期在轨需求。 3. 深度探究问题：（1）电解水过程中，为什么氢气和氧气的体积比为2:1？从微观分子分裂与重组的角度解释。（2）空间站电解水制氧为何不直接排放氢气？结合后续二氧化碳处理原理说明其循环价值。（3）为保证制氧稳定性，空间站制氧系统需要具备哪些安全设计？ 【探究主题三：探究二氧化碳处理与再生原理，实现废气资源化】 结合教材碳的氧化物化学性质，探究空间站二氧化碳闭环处理技术，突破学习难点。 1. 问题导入：航天员呼吸产生的二氧化碳浓度过高会引发中毒，直接排放会浪费碳、氧资源，如何实现高效处理与再生？ 2. 核心反应探究：学习空间站萨巴蒂尔反应原理，二氧化碳与电解水产生的氢气在催化剂、一定条件下反应，生成水和甲烷。水可回流至水处理系统和电解制氧系统，再次参与循环，甲烷可作为辅助能源或安全储存，实现废气资源化利用。 3. 对比拓展：对比地面二氧化碳处理方法（碱液吸收），分析其不适合空间站长期使用的原因。碱液吸收二氧化碳会产生固体废弃物，无法实现循环再生，需要持续更换试剂，增加航天载荷，不符合轻量化、循环化要求。 4. 小组讨论：结合氧气再生与二氧化碳还原反应，梳理氧气—二氧化碳—水的循环链条，绘制简易循环流程图。 【探究主题四：探究空间站废水净化系统，构建水资源闭环】 结合教材水的净化知识，结合航天特殊场景，探究高精度废水再生技术。 1. 空间站废水分类：明确空间站废水包含冷凝水、洗漱废水、尿液、实验废水等，水质复杂、杂质多样。 2. 净化流程探究：结合教材净化步骤与航天技术，梳理多级净化流程：首先通过分源收集分类处理废水，去除大颗粒杂质；再通过过滤、吸附去除可溶性杂质与异味；最后通过反渗透、蒸馏高精度净化，去除微生物、重金属、有害离子，达到饮用水标准。 3. 核心思考：（1）空间站废水净化为何需要多级处理，不能采用单一过滤方法？（2）对比地面自来水净化流程，空间站水净化的特殊要求是什么？（3）净化后的再生水可以用于哪些场景，如何实现完全闭环循环？ 【探究主题五：整合多模块知识，自主设计再生生保系统方案】 基于前期原理探究，整合氧气再生、二氧化碳处理、水净化三大模块，结合跨学科知识，小组合作完成完整方案设计，落实实践核心任务。 1. 方案设计要求：贴合空间站密闭、无外援、低能耗、高安全的特点，结构完整、原理清晰、循环闭环、可行性强，标注各模块核心反应与功能。 2. 方案设计框架：（1）系统整体架构：明确三大核心子系统的连接关系与循环逻辑；（2）各模块工作原理：书写核心化学反应方程式，标注能量来源与物质流向；（3）安全与优化设计：结合航天场景，提出节能、防泄漏、防污染、稳定运行的优化措施；（4）循环闭环总结：完整梳理水、氧气、二氧化碳的物质循环路径。 3. 小组创作与展示：各小组完成方案图纸绘制与文字说明，依次展示设计成果，阐述设计思路、核心原理与创新亮点。 4. 互评优化：小组之间相互点评，指出方案漏洞，结合教师指导，修改完善方案，重点优化循环闭环、能耗控制、安全保障等内容。 【探究主题六：总结系统价值，升华学科素养】 1. 知识总结：梳理本节课核心知识，掌握电解水制氧、二氧化碳催化还原、废水多级净化的化学原理，明确再生生保系统的闭环循环逻辑。 2. 跨学科总结：总结本次实践融合的物理（太阳能供电、压强控制）、生物（人体代谢、生态循环）、工程（系统架构、安全设计）知识，理解跨学科解决真实问题的价值。 3. 素养升华：结合我国航天技术自主创新成果，体会化学学科对航天事业的支撑作用，树立绿色循环、可持续发展的科学理念，增强民族自豪感与科技创新意识。 【课堂当堂检测】结合本节课探究内容，完成习题巩固，夯实所学知识，检验方案设计认知。 1. 空间站氧气再生的核心反应方程式是________，该反应的能量来源主要是________。 2. 萨巴蒂尔反应实现了二氧化碳的资源化再生，产物为________和________。 3. 空间站水净化精度要求极高，核心净化方法不包括（ ）A. 过滤 B. 吸附 C. 简单沉降 D. 反渗透蒸馏4. 简述空间站再生生保系统的核心循环逻辑。 板书设计 跨学科实践活动4 空间站“再生生保系统”方案设计 一、设计背景：太空密闭环境 → 无外援、需闭环循环 二、三大核心子系统 1. 氧气再生系统：电解水（太阳能供电）→ 产O₂供呼吸、H₂供还原反应 2. 二氧化碳处理系统：萨巴蒂尔反应 CO₂+H₂→H₂O+CH₄ 废气再生水资源 3. 水净化系统：分源收集→过滤→吸附→反渗透蒸馏 废水再生饮用水 三、核心逻辑：水、氧气、二氧化碳闭环物质循环 四、设计原则：安全、节能、闭环、可持续、轻量化 五、学科价值：化学赋能航天、绿色循环、科技创新 参考答案 ( 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 $