第十单元跨学科实践活动8 空间站中“再生生保系统”（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”（教学设计） 课题 课时安排 核心 素养目标 化学观念：建立物质循环、元素守恒观念，掌握太空制氧、碳氧转化、水质再生的化学本质。 科学思维：通过系统分析、方案比对、逻辑推演，构建工程化设计思维。 科学探究：依托真实任务，自主探究生保系统设计思路，完成方案优化。 科学态度与责任：感悟航天科技魅力，树立绿色循环理念，增强科技自信与社会责任担当。 重点 和难点 重点：掌握空间站氧气再生、二氧化碳处理、水资源循环的化学原理，理解再生生保系统的整体运行逻辑，能结合化学知识搭建基础设计方案。 难点：结合太空密闭、无外援的特殊环境，综合多学科知识优化系统方案，平衡资源再生效率与系统稳定性，建立整体、系统的工程设计思维。 教学过程 教学环节 教学活动 设计意图 导入新课 空间站处于太空密闭真空环境，无法持续携带大量氧气、淡水等生存物资，航天员长期驻留面临严苛的生存保障难题。我国航天团队研发的再生生保系统，实现太空资源循环再生，破解了长期驻留的核心困境。今天我们化身航天设计师，结合所学化学知识，探究该系统的工作原理，自主设计适配空间站的再生生保方案。 以真实航天工程任务为驱动，立足化学核心知识，融合多学科内容，让学生在实践探究中内化知识、锻炼思维，落实核心素养，树立科技报国与绿色循环发展理念。 讲授新课 任务一：情境感知，认知空间站再生生保系统应用场景 教师引导学生提炼核心问题：航天员在空间站长期生存，最核心的生存资源是什么？密闭太空环境下，如何实现资源的持续供给，保障生命正常活动？学生通过小组交流讨论，总结得出太空生存的三大核心刚需：充足的氧气供给、洁净的饮用水资源、密闭环境内废气的有效处理。而能够同步实现氧气再生、废水净化、二氧化碳转化的集成系统，就是保障空间站长期驻留的核心设备——再生生保系统。 教师进一步拓展讲解，传统非再生生保系统依赖地面物资补给，仅适用于短期太空任务，而再生生保系统依托化学、生物、物理多学科技术，实现航天员代谢废弃物的回收、转化与再生，形成封闭环境内的物质循环体系，是我国空间站实现长期在轨运行的核心技术支撑。本环节通过真实情境创设，让学生直观感知本节课的探究价值，明确学习任务，激发学生的探究兴趣与航天探索热情，为后续方案设计奠定认知基础。 任务二：拆解核心需求，探究氧气再生系统设计原理 本任务聚焦空间站最核心的氧气供给问题，引导学生结合九年级化学所学知识，自主探究太空制氧的可行方案，对比筛选适配空间站环境的最优制氧方式。教师首先抛出探究问题：地面制氧有哪些常用方法？这些方法是否适用于空间站密闭、无外援的特殊环境？不适配的原因是什么？ 学生结合已学知识，梳理出实验室制氧的三种核心方法：过氧化氢分解制氧、高锰酸钾加热分解制氧、氯酸钾加热分解制氧，同时梳理工业制氧的分离液态空气法。随后小组展开深度研讨，逐一分析各类方法的太空适配性。学生通过分析得出，分离液态空气法依赖大气原料，太空无空气资源，无法使用；高锰酸钾、氯酸钾制氧需要固体药品持续补给，且反应需要加热，消耗能源同时产生固体废弃物，不符合空间站循环再生、低废弃物、低补给的需求；过氧化氢制氧反应条件温和，但药品消耗量大，长期任务仍需持续补给，无法实现再生循环。 在学生发现常规制氧方法的局限性后，教师顺势引出空间站核心制氧技术——电解水制氧。引导学生回顾水的电解实验核心知识，梳理电解水的反应原理、反应物、生成物及物质转化关系，明确水在通电条件下分解为氢气和氧气，能够持续生成航天员呼吸所需的氧气。教师进一步结合空间站场景，讲解该技术的核心优势：原料为空间站可回收再生的水资源，无需频繁地面补给，反应过程无污染物、无固体废弃物，能源可依托空间站太阳能供电系统供给，完全适配太空长期驻留需求。 同时，教师引导学生结合元素守恒、物质循环的化学观念，分析电解水制氧的循环逻辑，让学生理解该系统并非单纯的制氧设备，而是整体循环体系的核心环节。学生自主梳理氧气的循环路径：电解水生成氧气→航天员呼吸消耗氧气→呼出二氧化碳→进入后续碳处理循环，形成完整的物质闭环。本任务通过对比探究、原理剖析，让学生深度掌握太空氧气再生的化学本质，培养学生的对比分析、择优筛选的科学思维。 任务三：聚焦废气处理，探究二氧化碳转化与去除方案 教师首先组织学生回顾二氧化碳的核心化学性质，包括二氧化碳能与碱溶液反应、能与水反应、可通过光合作用转化等，随后让学生结合太空环境特点，分组设计二氧化碳处理方案，并分析方案的可行性与优缺点。第一小组提出植物光合作用转化方案，利用植物吸收二氧化碳、释放氧气，实现碳氧循环。小组阐述原理后，全班展开研讨，分析得出该方案绿色环保，但存在明显短板：空间站空间有限，植物种植规模受限，产氧、固碳效率低，无法满足多名航天员的代谢需求，且植物生长需要精准的温湿度、水肥管控，系统复杂，不适用于太空核心生保系统。 第二小组提出碱液吸收法，利用氢氧化钠、氢氧化钙等碱溶液与二氧化碳反应，吸收舱内废气中的二氧化碳。学生结合化学方程式梳理反应原理，明确碱液可高效吸收二氧化碳，快速降低舱内有害气体浓度。教师引导学生进一步思考该方案的局限性：单纯吸收二氧化碳只能实现废气净化，无法实现资源再生，碱液消耗后需要更换，无法形成闭环循环，不符合再生生保系统的核心设计理念。 基于学生的探究成果，教师讲解空间站主流的二氧化碳再生处理技术——二氧化碳还原技术，结合化学转化原理，讲解空间站将收集的二氧化碳通过催化反应，与氢气结合重新生成水和甲烷，生成的水可再次输送至电解水制氧系统，再次参与氧气再生循环，真正实现二氧化碳的资源化再生利用。教师引导学生梳理完整的碳循环路径，让学生理解该技术实现了废弃物的回收再利用，契合绿色化学与循环利用的核心思想，帮助学生建立完整的气体循环系统认知，完善整体系统设计思维。 本节课采用任务式驱动教学，遵循“情境激趣—任务探究—知识建构—实践应用—总结升华”的教学逻辑。依托空间站真实科研场景，拆解核心探究任务，将抽象的化学循环知识转化为具象的工程设计问题。教学过程中，以学生自主探究、小组合作、方案研讨为主体，教师仅做引导点拨，充分凸显学生主体地位。在分层任务探究中，层层落实四维核心素养，帮助学生打通理论与实践的壁垒，掌握跨学科解决实际问题的方法，同时渗透航天精神与绿色化学理念，实现知识学习、能力培养、价值引领的三维统一。 作业布置 完成分层作业 教学反思 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $