第十单元 跨学科实践活动8 空间站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

《空间站中“再生生保系统”方案设计》教学设计 鲁教版化学九年级下册 第十单元 化学与健康 跨学科实践活动八 一、教材分析 本活动选自鲁教版化学九年级下册第十单元《化学与健康》跨学科实践活动八。教材以空间站为真实工程情境，把空气、水、营养素等与人体健康相关的物质知识，迁移到长期密闭飞行的极端条件下，引导学生综合运用化学、生物、物理与工程知识设计再生生保系统方案，实现单元知识的应用升华与系统思维培养。 二、四维核心素养 化学观念：从物质转化与元素循环视角，认识氧气、水、二氧化碳的闭环再生。 科学思维：用系统模型把复杂生保任务拆解为子系统，比较并优化不同方案。 科学探究：经历查阅资料、提出设想、绘制方案与交流优化的完整探究过程。 科学态度与责任：体会航天工程的严谨与国家成就，树立资源循环与可持续发展意识。 三、教学重难点 教学重点：围绕氧气再生、水循环利用、二氧化碳处理与食物营养四大需求，设计一套相互衔接、可行完整的再生生保系统方案。 教学难点：将分散在化学、生物、物理中的知识整合为闭环系统，在资源、能量与安全等多方约束下进行方案的比较、优化与权衡。 四、设计意图 本课以“航天员长期驻留空间站”这一真实任务驱动学习，把教材中静态的物质知识转化为动态的系统设计问题。学生不再是被动接受知识，而是以航天工程师的身份主动提出需求、分解任务、合作设计、迭代优化。任务链遵循由总到分、再由分到合的思路：先建立对整体生存挑战的认识，再分模块攻关，最后集成完整闭环。过程中强调跨学科融通，让化学学科的物质转化与生物学的生命需求、工程学的系统设计自然衔接，既落实本单元“化学与健康”的核心观念，又发展学生的实践能力与创新意识，并在国家航天成就的浸润中厚植科技报国情怀。 五、教学过程 环节一 情境导入：来自天宫的设计任务 上课伊始，教师播放中国空间站航天员在轨工作与生活的画面，引导学生观察舱内环境，并提出驱动性问题：航天员在距离地面数百公里的轨道上，一连数月生活在这个密闭舱室里，他们呼吸的空气、饮用的水、进食的食物，会不会很快用完？如果全部依赖从地球运送，代价有多大、又能维持多久？由此引出本课的总任务——假如你是空间站生命保障系统的设计师，请为航天员设计一套能够自我循环、自我补充的再生生保系统方案。教师同时发放任务单，明确本课要经历的完整流程：拆解需求、分模块设计、系统集成、展示评价与优化。 环节二 任务拆解：密闭舱室的生存清单 教师组织小组讨论：航天员一天的生活，离不开哪些物质？请把它们一一列出，并指出哪些会被消耗、哪些又会新产生。学生很快梳理出：需要吸入氧气、呼出二氧化碳；需要饮水和清洁用水，排出汗液与废水；需要进食各类食物，排出废物；同时还会不断散发热量。教师顺势引导学生回顾本单元所学：我们呼吸的空气由哪些成分组成、人体主要需要哪几类营养素、水在人体内承担什么作用。随后抛出关键追问：这些物资如果只靠地面携带，能支持长期驻留吗？结论呼之欲出——必须在站内建立一个“小地球”，让物质反复循环、再生利用，这正是“再生生保”四个字的含义。 环节三 分模块攻关 子任务一：氧气从哪里来。教师引导：人一刻不停地消耗氧气，如果只靠携带氧气上天，几天就会见底。长周期驻留必须在站内自己“造”氧气。组织学生围绕两条思路讨论：一是能否把站内的水分解，从中获得氧气；二是能否把人体呼出的二氧化碳加以利用，把其中的氧再“夺”回来。学生结合教材中水的组成与水的分解实验，提出利用空间站的太阳能发电来分解水、把产生的氧气供呼吸、另一种产物妥善收集储存的设想。教师进一步追问：分解水需要什么条件？电能从哪里来？由此让学生把化学变化与空间能源联系起来，绘制出“水—电能—氧气—航天员呼吸”的再生路径。 子任务二：水的循环利用。教师用强烈的对比制造认知冲突：在地面，水仿佛取之不尽；但在天上，每一升水都无比珍贵。引导学生思考：航天员呼出的水汽、皮肤蒸发的汗液、洗漱后的废水，难道都要直接扔掉吗？学生结合教材中水的净化方法，提出冷凝收集、多层过滤、吸附除味、灭菌消毒等步骤，设计出一条“废水—收集—净化—检测—再供使用”的水回收流程。教师特别强调：再生水必须经过严格检测、达到饮用标准才能重新进入循环，任何一个净化环节的疏漏都会威胁健康，由此自然渗透健康与安全意识。 子任务三：二氧化碳的收集与处理。教师引导：人呼出的二氧化碳在密闭舱内越积越多，既会排挤氧气、造成缺氧，浓度过高还会危及生命。那么二氧化碳从哪里收、收上来之后又怎么办？学生提出用吸附材料把二氧化碳从空气中“抓”住，并讨论收上来之后是直接排出舱外，还是进一步加以利用。联系教材中二氧化碳的性质，学生认识到二氧化碳不能简单当作废气，它是含碳物质，可以成为循环中的一环。教师顺势把各组的讨论引向系统观：如果二氧化碳中的碳和氧都能被重新利用，整个闭环就会更完整、更节省资源。 子任务四：食物与营养。教师引导：人不能只靠氧气和水活着，还需要均衡的营养。组织学生回顾教材中的六大营养素——糖类、油脂、蛋白质、维生素、水和无机盐，讨论航天食品应该如何搭配，才能既便于长期保存又营养均衡。在此基础上，教师提出更具挑战性的设想：能不能在空间站里自己“种菜”？学生立刻兴奋起来，讨论无土栽培、光照、温度控制等条件，并意识到植物在消耗二氧化碳、释放氧气的同时还能提供新鲜食物，这恰恰把前面几个模块又串联了起来。 环节四 系统集成：拼出我们的“小地球” 在四个子任务完成之后，教师要求各小组把分散的模块重新组合，在一张大纸上画出完整的再生生保系统图：以“密闭舱室与航天员”为中心，用箭头标出氧气、水、二氧化碳、食物和废物的流向，检查是否真正形成闭环。教师巡视时引导学生发现关键之处——哪一段物质流如果断了，整个系统就无法维持；哪些模块之间其实可以相互供能、相互供料。学生在绘制与修改中逐渐建立起“牵一发而动全身”的系统思维，也真正体会到再生生保不是几个装置的简单堆砌，而是一个有机整体。 环节五 展示交流与评价优化 各小组依次展示本组方案，围绕科学性、闭环完整性、可行性和创新性四个维度进行自评与互评。教师引导学生用证据说话：每一处设计是否有教材知识或资料作为依据？有没有明显违背科学常识的地方？哪些环节考虑周到、哪些还比较粗糙？教师在黑板上列出简明的评价要点，组织学生把各组方案放在同一起跑线上比较——哪一组的闭环最完整、哪一组的资源利用率最高、哪一组的设计最巧妙。在充分交流之后，各组根据他人建议再次优化方案，例如把水回收与植物灌溉结合、把二氧化碳处理与太空种植结合，使系统更紧凑、更高效。教师在点评中既肯定创意，又指出可改进之处，让学生在真实的反馈中学会论证、学会修正，也体会到工程方案从来不是一蹴而就，而是在反复打磨中逐步完善的。 环节六 总结升华：从空间站看地球 教师引导学生回望：我们今天为空间站设计的这套再生系统，其实地球上早就存在——海洋、森林、土壤和大气构成了更大的再生生保系统，人类正是这个系统中的一员。空间站的实践提醒我们：地球上的资源同样有限，节约用水、减少浪费、保护生态，就是在维护我们共同的“再生生保系统”。教师进一步把思考引向课外：如果把这套再生思路搬到干旱缺水的地区、搬到被污染的河流治理中，又能给我们哪些启发？让学生带着问题走出教室。最后，教师简要介绍我国载人航天工程中一代代科研工作者攻坚克难的故事，鼓励学生把课堂上学到的化学知识与科学精神，转化为未来探索未知、建设祖国的实际行动。 六、板书设计 空间站中“再生生保系统”方案设计 密闭舱室 · 航天员（中心） ↓ ↑ ↓ ↑ 氧气再生（分解水） —— 供呼吸 水循环（冷凝—净化—再用） 二氧化碳处理（吸附—利用） 食物营养（均衡配给—太空种植） 闭环循环 · 资源再生 · 可持续发展 学科网（北京）股份有限公司 $