第十一单元 跨学科实践活动10 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用 教学设计 2025-2026学年人教版九年级化学下册

跨学科实践活动10
调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用
一、知识目标
1．了解我国宇航产品的发展历程、种类和用途。
2．掌握宇航产品主体结构、外部涂层和功能部件所选用材料的特性及应用。
3．熟悉火箭能源及不同航天器工作能源的特点、优缺点。
4．了解航天科技领域未来新型材料和能源的研究进展及应用设想。
二、核心素养目标
1．宏观辨识与微观探析：从宏观上认识我国航天科技成就，从微观上理解材料性质与应用、能量转化的关系。
2．证据推理与模型认知：通过对航天产品材料和能源选择的学习，建立物质性质决定用途的认知模型。
3．科学探究与创新意识：通过设想未来宇航产品，培养创新思维和实践能力。
4．科学态度与社会责任：了解我国航天成就，增强民族自豪感和社会责任感。
一、教学重点
我国宇航产品的材料和能源选择，未来新型材料和能源的发展。
二、教学难点
理解材料性质与宇航产品应用的关系，设想未来宇航产品的创新设计。
本节课教学内容出自人教版2024年九年级化学下册第十一单元《化学与社会》中的跨学科实践活动。该活动聚焦我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用，具有重要的教学价值和现实意义。它不仅是化学知识在实际领域的深度应用，更是培养学生综合素养和创新意识的良好载体。
此部分内容按照了解我国宇航产品基本情况、材料选择、能源选择以及设想未来新型材料和能源的顺序编排，逻辑清晰。从我国航天产品的发展历程和各类宇航产品的介绍入手，让学生对航天科技有初步的整体认知；接着深入探讨宇航产品在材料和能源方面的选择，详细阐述不同材料和能源的特点及应用；最后引导学生发挥想象，设想未来的新型材料和能源，培养学生的创新思维。通过这一系列内容的学习，学生能够加深对物质性质与应用、能量转化和转移等化学知识的理解，同时增强民族自豪感。
学生已经具备了一定的化学基础知识，对常见的物质和化学反应有了初步的认识。在思维能力方面，正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，开始具备一定的逻辑推理和分析能力，但对于复杂的科学概念和实际应用的理解仍存在一定困难。
对于航天科技领域，学生通常怀有浓厚的兴趣和好奇心，我国近年来航天领域取得的辉煌成就也让他们有一定的了解，但大多停留在表面现象，对其中涉及的化学知识和原理缺乏深入探究。在学习过程中，学生可能会对一些抽象的材料和能源概念感到困惑，如不同材料的性能特点、能源的转化过程等。同时，在设想未来的新型材料和能源时，可能会受到知识储备和思维局限的影响，难以提出具有创新性和可行性的设想。
因此，在教学过程中，教师应充分利用学生的兴趣点，结合实际案例和多媒体资源，将抽象的知识形象化、具体化，帮助学生理解和掌握。同时，鼓励学生积极参与讨论和实践活动，引导他们发挥想象力，培养创新意识和解决实际问题的能力。此外，还应注重知识的系统性和连贯性，将新知识与学生已有的知识体系相联系，逐步提升学生的化学核心素养。
教学环节一 活动引入
【播放航天成就视频】同学们，上课之前老师先给大家播放一段视频。（播放包含“神舟”问天、“嫦娥”揽月、“北斗”指路、“祝融”探火、“羲和”逐日、“天和”遨游星辰等我国航天重大工程辉煌成就的视频）
【引导学生讨论】视频看完了，相信大家都被这些壮观的航天场景震撼到了。现在请大家分组讨论一下，在这些航天成就背后，你认为有哪些关键因素起到了重要作用呢？给大家几分钟时间交流交流。（学生分组讨论，教师巡视并倾听学生的观点）
【引出主题】大家讨论得很热烈，也提出了很多有价值的想法。其实，在这些伟大的航天成就背后，新型材料和新型能源的不断探索与应用功不可没。正是有了它们的支持，我们的飞天逐梦才一步步变为现实。那么，这些新型材料和新型能源在我国航天科技领域中究竟是如何应用的呢？它们又具备哪些独特的性质和优势呢？今天，就让我们一起走进“我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用”这个奇妙的世界。
设计意图
1.激发学生兴趣：通过播放精彩的航天成就视频，直观地展示我国航天工程的辉煌成果，能迅速吸引学生的眼球，激发他们对航天科技的好奇心和探索欲望，使学生以积极饱满的热情投入到课堂学习中。
2.提高课堂参与度：组织学生分组讨论航天成就背后的关键因素，为学生提供了表达自己观点和想法的机会，让他们积极参与到课堂互动中来，培养学生的团队协作能力和思维能力。
3.自然导入新课：从学生的讨论结果顺势引出本节课的主题——新型材料和新型能源在航天科技领域的应用，过渡自然流畅，让学生明确本节课的学习目标和方向，为后续的学习做好铺垫。
教学环节二 活动设计与实施
任务一：了解我国宇航产品的基本情况
活动一：我国航天产品发展史
【情景引入】同学们，近年来我国航天重大工程取得了一系列辉煌成就，“神舟”问天、“嫦娥”揽月、“北斗”指路、“祝融”探火、“羲和”逐日、“天和”遨游星辰、“悟空”“慧眼”探索宇宙奥秘，飞天逐梦变为现实。这背后离不开对新型材料和新型能源的不断探索。那我国航天产品有着怎样的发展历程呢？让我们一起来了解一下。
【师生活动】
教师：通过PPT展示我国航天产品发展过程中的重要节点，如1970年4月24日东方红一号发射，这是中国首颗人造卫星，正式拉开了中华民族探索浩瀚宇宙的序幕；1999年11月20日神舟一号发射，是中国第一艘无人试验飞船等。一边展示一边讲解每个节点的重要意义。
学生：认真观看PPT，聆听教师讲解，并记录重要信息。
教师：讲解完后，提出问题，如“我国第一艘载人航天飞船是哪一艘？”引导学生回顾刚才所学内容。
学生：思考并回答问题。
教师：对学生的回答进行评价和总结，强化重点知识。
设计意图
通过展示我国航天产品的发展历程，让学生了解我国航天事业的发展脉络，增强民族自豪感，同时通过问答互动，加深学生对重要航天事件的记忆。
活动二：我国宇航产品的种类和用途
【情景引入】我们了解了我国航天产品的发展历程，那现在我国有哪些宇航产品呢？它们又有什么用途呢？接下来让我们深入探究。
【师生活动】
教师：通过PPT详细介绍我国的宇航产品，包括长征系列运载火箭、中国空间站、飞船、深空探测器、人造卫星等。介绍长征系列运载火箭时，说明其用途是把各种航天设备送入太空，并列举部分种类如长征二号F主要用于发射神舟系列载人飞船等。
学生：认真观看PPT，记录不同宇航产品的特点和用途。
教师：展示完后，给出一些案例，如“要把天舟系列货运飞船送入太空，应该选择哪种运载火箭？”让学生运用所学知识进行分析。
学生：思考并回答问题。
教师：对学生的回答进行点评，进一步强调各类宇航产品的关键信息。
设计意图
让学生全面了解我国宇航产品的种类和用途，通过案例分析培养学生运用知识解决实际问题的能力。
任务二：了解宇航产品的材料选择
活动一：主体结构材料
【情景引入】同学们，我们知道宇航产品要在复杂的太空环境中运行，这对其材料的选择有很高的要求。那宇航产品的主体结构材料有哪些呢？它们又有什么特点呢？让我们一起来看看。
【师生活动】
教师：通过PPT介绍主体结构材料，包括金属材料（铝合金/镁合金、钛合金）和复合材料（石墨纤维复合材料）。讲解铝合金/镁合金用于舱段框架、蒙皮等基础结构，具有低密度、高比强度的特性；钛合金用于高应力零部件，强度优于铝合金且耐腐蚀性优异；石墨纤维复合材料应用于推进系统等关键部件，兼具轻量化和高强度特点。
学生：认真观看PPT，记录不同材料的特点和应用部位。
教师：提出问题，如“为什么舱段框架和蒙皮选择铝合金/镁合金？”引导学生思考材料特性与应用的关系。
学生：思考并回答问题。
教师：对学生的回答进行评价和总结，强调材料特性对宇航产品性能的重要性。
设计意图
让学生了解宇航产品主体结构材料的种类和特点，通过问答互动培养学生分析材料特性与应用关系的能力。
活动二：外部涂层材料
【情景引入】除了主体结构材料，宇航产品的外部涂层材料也非常重要，它们能保护宇航产品在极端环境下正常运行。那有哪些外部涂层材料呢？它们各有什么作用呢？让我们接着学习。
【师生活动】
教师：通过PPT介绍外部涂层材料，如长寿命低比值无机热控涂层、返回舱舷窗防烧蚀污染涂层、姿控发动机热防护材料、消杂散光涂层、不锈钢灰色化学转换热控涂层等。详细讲解每种涂层材料的作用，如长寿命低比值无机热控涂层可提高航天器的热控制性能等。
学生：认真观看PPT，记录不同涂层材料的作用。
教师：给出一些情景，如“航天器在进入大气层时，哪种涂层材料能保护返回舱舷窗？”让学生选择合适的涂层材料。
学生：思考并回答问题。
教师：对学生的回答进行点评和总结，强化重点知识。
设计意图
让学生了解宇航产品外部涂层材料的种类和作用，通过情景分析培养学生运用知识解决实际问题的能力。
任务三：了解宇航产品的能源选择
活动一：火箭的能源
【情景引入】同学们，火箭要把各种航天设备送入太空，需要强大的能源支持。那火箭使用的能源有哪些呢？它们各有什么优缺点呢？下面我们来探讨一下。
【师生活动】
教师：通过PPT展示不同推进剂的种类，如煤油、液氧；液氢、液氧；四氧化二氮、偏二甲肼；液氧、甲烷等，并详细介绍每种推进剂的优点和缺点。
学生：认真观看PPT，记录不同推进剂的特点。
教师：提出问题，如“如果要选择一种成本低、使用方便且安全无毒的推进剂，应该选哪种？”引导学生根据推进剂特点进行选择。
学生：思考并回答问题。
教师：对学生的回答进行评价和总结，强调选择推进剂时需要综合考虑各种因素。
设计意图
让学生了解火箭推进剂的种类和特点，通过问答互动培养学生综合分析和选择的能力。
活动二：航天器开展工作的能源
【情景引入】火箭把航天器送入太空后，航天器要开展工作也需要能源。不同类型的航天器使用的能源有什么不同呢？让我们来了解一下。
【师生活动】
教师：通过PPT分别介绍人造卫星、宇宙飞船、空间探测器、空间站等航天器开展工作的能源。如人造卫星使用太阳能电池和化学电池；宇宙飞船使用燃料电池、化学电池和太阳能电池等。详细讲解每种能源的特点和适用情况。
学生：认真观看PPT，记录不同航天器使用的能源及特点。
教师：给出一些情景，如“人造卫星进入地球阴影区时，应该使用哪种能源供电？”让学生根据能源特点进行选择。
学生：思考并回答问题。
教师：对学生的回答进行点评和总结，强化重点知识。
设计意图
让学生了解不同航天器开展工作的能源种类和特点，通过情景分析培养学生运用知识解决实际问题的能力。
任务四：设想航天科技领域中未来的新型材料和能源
活动一：新型材料
【情景引入】随着航天科技的不断发展，未来需要更多新型材料来满足航天任务的需求。我国在新型材料的研究上已经取得了一些成果，让我们一起来看看有哪些新型材料。
【师生活动】
教师：通过PPT介绍太空金属3D打印（增材制造）、非晶合金（液态金属）在轨服役验证、微重力火焰合成纳米材料、超黑纳米消光涂层等新型材料。详细讲解每种新型材料的特点和应用前景，如太空金属3D打印实现“天造天用”工程验证等。
学生：认真观看PPT，记录新型材料的特点和应用。
教师：提出问题，如“太空金属3D打印技术对未来航天发展有什么重要意义？”引导学生思考新型材料的价值。
学生：思考并回答问题。
教师：对学生的回答进行评价和总结，强调新型材料对航天科技发展的推动作用。
设计意图
让学生了解未来航天领域的新型材料，培养学生的创新意识和对科技发展的关注度，通过问答互动加深学生对新型材料的理解。
活动二：新型能源
【情景引入】除了新型材料，新型能源的研发也至关重要。未来有哪些新型能源可能应用于航天领域呢？让我们一起探索。
【师生活动】
教师：通过PPT介绍钙钛矿/晶硅叠层太阳电池在轨验证、固态电池在航天器级应用的前沿探索、空间核电源（RTG）的下一代技术预研等新型能源。详细讲解每种新型能源的特点和优势，如钙钛矿/晶硅叠层太阳电池比功率高、成本低等。
学生：认真观看PPT，记录新型能源的特点。
教师：提出问题，如“钙钛矿/晶硅叠层太阳电池相比传统电池有哪些优势？”引导学生对比分析新型能源的特点。
学生：思考并回答问题。
教师：对学生的回答进行评价和总结，强调新型能源对航天能源发展的重要性。
设计意图
让学生了解未来航天领域的新型能源，培养学生的创新思维和对能源发展的认识，通过问答互动加深学生对新型能源特点的理解。
跨学科实践活动10 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用
任务一：了解我国宇航产品的基本情况
任务二：了解宇航产品的材料选择
任务三：了解宇航产品的能源选择
任务四：设想航天科技领域中未来的新型材料和能源
1．钛(Ti)合金是常用的航天材料，合金通常比组成它的纯金属（ ）
A．密度更大 B．熔点更高 C．抗腐蚀性更好 D．硬度更小
【答案】C
【解析】合金的性质通常优于组成它的纯金属，一般合金的硬度比纯金属大，熔点比纯金属低，抗腐蚀性比纯金属好。钛合金作为常用航天材料，其抗腐蚀性比组成它的纯金属更好，C选项正确；合金密度不一定比纯金属大，A选项错误；合金熔点通常低于纯金属，B选项错误；合金硬度通常大于纯金属，D选项错误。
2．运载火箭使用液氢、煤油等燃料，下列有关说法不正确的是（ ）
A．火箭燃料的使用过程中化学能转变为内能，最终转变为机械能
B．液氢是一种清洁的高能燃料，已应用于航天、交通等领域
C．煤油是利用石油中各成分密度不同而分离出的产品
D．大量使用煤油不利于“碳中和”目标的达成
【答案】C
【解析】火箭燃料燃烧时，化学能先转化为内能，内能再转化为机械能推动火箭运动，A选项正确；液氢燃烧产物是水，是清洁的高能燃料，在航天等领域有应用，B选项正确；煤油是利用石油中各成分沸点不同进行分馏分离出的产品，不是根据密度不同，C选项错误；煤油燃烧会产生二氧化碳等温室气体，大量使用不利于“碳中和”目标达成，D选项正确。
3．近年来，我国航天工程取得许多重大成就。回答下列问题：
（1）航天员舱外航天服使用了一种聚氨酯橡胶材料，聚氨酯橡胶属于___________(填“无机非金属”或“有机合成”)材料。
（2）钛合金常用作航天器的外壳材料。钛合金的下列性质与上述用途无关的是_______(填序号)。
A．密度小 B．熔点高
C．与人体具有很好的相容性 D．抗腐蚀性能好
【答案】（1）有机合成 （2）C
【解析】（1）聚氨酯橡胶是人工合成的有机高分子材料，属于有机合成材料。
（2）航天器外壳需要质量轻，所以钛合金密度小的性质与用途有关，A选项不符合题意；航天器在运行过程中会面临高温等情况，需要材料熔点高，B选项不符合题意；钛合金用作航天器外壳材料，主要考虑其力学和物理化学性质，与人体的相容性与该用途无关，C选项符合题意；航天器在太空中会面临各种复杂环境，需要材料抗腐蚀性能好，D选项不符合题意。
在本次教学中，通过展示我国航天科技领域的辉煌成就，激发了学生的学习兴趣和民族自豪感。在讲解宇航产品的材料和能源选择时，结合实际案例，学生对物质性质与应用、能量转化等知识有了更深入的理解。但在教学过程中，部分学生对于一些新型材料和能源的原理理解存在困难，后续可增加一些通俗易懂的类比或动画演示。此外，在引导学生设想未来宇航产品时，学生的创新思维未能充分激发，今后可组织小组讨论、头脑风暴等活动，进一步培养学生的创新意识和实践能力。