筑梦天宫·守护家园：新材料、新能源与垃圾资源化利用的化学智慧

筑梦天宫·守护家园：新材料、新能源与垃圾资源化利用的化学智慧一、教学内容分析

本课内容根植于《义务教育化学课程标准（2022年版）》中“化学与社会发展”主题，并紧密关联“物质构成的奥秘”与“物质的化学变化”两大核心。从知识技能图谱看，它聚焦于“物质性质与应用”、“化学反应的利用”及“化学与可持续发展”三大概念群。具体而言，学生需系统理解合金、复合材料等新型材料的性能与航天应用的关系，辨析氢能、太阳能等新型能源的化学原理与转化方式，并掌握垃圾分类、回收利用（如塑料回收、金属冶炼）所涉及的物理变化与化学变化实质。这些知识并非孤立存在，上承金属、燃料、碳单质等物质性质，下启绿色化学、循环经济等社会议题，是构成学生“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”素养的关键节点。过程方法上，本课倡导“科学探究与实践”与“跨学科实践”，通过模拟调查、资料分析、模型建构等活动，引导学生经历“提出问题搜集证据解释推论交流评价”的科学探究全过程，并自然融合工程、技术、社会与环境（STSE）视角。在素养价值渗透层面，航天成就的剖析旨在激发民族自豪感与科学探索精神，树立“科教兴国”的理想信念；而垃圾分类的探讨则引导学生从化学视角审视生活，培养社会责任感和可持续发展的生态意识，实现知识学习与价值引领的“化合反应”。

面向初三复习阶段的学生，学情呈现明显的分化与共性。已有基础方面，学生已初步掌握金属、碳、燃料等基础知识，具备一定的实验观察和简单推理能力，对航天与环保话题有较高的兴趣。然而，障碍点同样突出：其一，知识碎片化，难以在“性质决定用途”这一核心观念下，将航天材料、能源与具体化学物质建立深度关联；其二，认知存在误区，例如认为“新能源就是完全无污染”、“所有塑料都能回收再造”；其三，在复杂情境中提取化学信息、进行系统分析的能力薄弱。基于此，教学中的过程性评估设计至关重要，我将通过“前测问卷”探查前概念，在任务讨论中设置“思维外显”环节（如：“说说你的理由？”），并利用分层练习进行即时诊断。教学调适策略上，对于基础薄弱学生，提供“知识锚图”和关键词提示，降低信息处理难度；对于学有余力者，则设置开放性的延伸问题（如：“请为空间站设计一个闭环废物处理系统草图”），鼓励其进行跨学科整合与创新思考，确保每位学生能在“最近发展区”内获得成长。二、教学目标

知识目标：学生能够系统阐述航天器所用合金、复合材料的优异性能（如轻质、耐高温）与其成分、结构之间的联系；能准确说明氢燃料电池的能量转化原理及太阳能电池中的材料关键作用；能依据成分和性质对常见垃圾进行分类，并解释回收利用（如塑料裂解、金属回收）过程中的主要化学变化，构建起“结构性质用途”及“资源回收再生”的认知模型。

能力目标：学生能够从图文资料中有效提取关于材料、能源的化学信息，并对其进行对比、归纳与概括；能基于“性质决定用途”的化学观念，对特定应用场景（如航天器耐热层）所需的材料性能进行推理，并提出合理的选择建议；初步尝试运用STSE多维视角，对一个资源利用案例（如废旧电池处理）进行简单的综合分析。

情感态度与价值观目标：通过感受我国航天科技自立自强的辉煌成就，学生能产生强烈的民族自信心与科技报国的使命感；在讨论垃圾分类与资源化议题时，能自觉认同绿色生活方式的重要性，并愿意在生活中践行，表现出对社会的责任感与对自然的敬畏之情。

科学（学科）思维目标：重点发展“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”思维。通过分析具体材料案例，引导学生从宏观性能追溯微观结构解释，建立“宏微符”三重表征；通过对比不同能源方案，学习基于证据进行权衡评价的思维方法，初步形成多因素系统分析的模型。

评价与元认知目标：在小组合作完成“社区垃圾分类宣传方案”的任务中，学生能依据教师提供的简易量规，对方案的科学性、可行性与创意性进行同伴互评；在课堂小结阶段，能通过绘制思维导图反思本课知识脉络，并识别自己学习中的优势与存疑点，如“我对能源转化的化学方程式记忆还需加强”。三、教学重点与难点

教学重点：本课重点在于建立“物质性质决定其特定用途”这一化学核心观念在航天材料与新能源领域的具体认知，以及理解垃圾资源化过程中所涉及的化学变化本质。其确立依据源于课标对该学段学生“认识化学在解决资源、能源、材料、环境等问题中的作用”这一学业要求，同时也是中考中STS（科学、技术、社会）类试题的考查重心。这类试题常以科技前沿或社会热点为情境，考查学生运用基础知识解释现象、解决问题的能力，是体现“素养立意”的关键。

教学难点：教学难点主要有二：一是对“复合材料”等抽象概念的理解及其性能优势的微观解释，学生容易停留于名称记忆，难以想象其结构特点；二是对氢能源“制备储存使用”全链条中蕴含的化学原理及其利弊的辩证分析，这需要学生整合多个零散知识点（如制氢方法、氢气性质、能量转化），并进行综合推理。突破方向在于，前者通过直观的模型或类比（如钢筋混凝土）搭建认知脚手架；后者则通过设计环环相扣的问题链，引导学生进行讨论式探究，逐步拆解复杂系统。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：制作多媒体课件，内含“天宫”空间站、长征火箭视频片段，新型材料（如碳纤维、陶瓷基复合材料）显微结构图，氢能产业链示意图，垃圾处理厂流程动画；准备合金样品（如钛合金）、不同种类塑料制品。1.2学习任务单：设计分层学习任务单，包含“信息提取表”、“观点论证框”、“社区方案设计页”等。2.学生准备2.1预习任务：查阅一项我国近期航天任务（如嫦娥探月、天问探火），记录其中一项让你好奇的材料或能源技术；观察家庭垃圾筒，简单记录其中三类垃圾。3.环境布置3.1座位安排：小组合作式座位，46人一组，便于讨论与活动。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与冲突激发：（播放一段快剪视频：前半部分是中国空间站在轨运行、火箭腾空的震撼画面，背景音激昂；后半段镜头陡然切换至被垃圾包围的城市角落、堆积如山的废弃塑料，背景音变得沉重。）“同学们，刚才的两组画面，是否让你心生豪迈的同时又感到一丝忧虑？仰望璀璨星河，我们依靠顶尖的化学材料与能源科技‘筑梦天宫’；俯瞰脚下家园，‘垃圾围城’的挑战也亟待我们用化学智慧去解决。”1.1核心问题提出：“那么，化学究竟是如何助力我们‘上九天揽月’，又该如何帮助我们‘守护绿水青山’呢？今天，我们就化身‘化学智慧探索者’，一起揭开航天新材料新能源的神秘面纱，并探寻垃圾变废为宝的化学密码。”1.2路径明晰与旧知唤醒：“我们的探索将分两大‘任务舱’进行。首先进入‘天宫材料能源舱’，回忆一下，物质的哪些‘本事’（性质）决定了它能被选为航天英雄？然后抵达‘地球家园守护站’，思考我们扔掉的垃圾里，哪些是可以被化学‘点石成金’的资源？准备好你们的化学慧眼，我们出发！”第二、新授环节任务一：解码“天宫”铠甲——从性质洞察材料的使命教师活动：首先，展示“天宫”空间站外壳、火箭发动机喷管等部位的特写图片，并出示钛合金、碳纤维复合材料、陶瓷涂层等实物或模型。“大家摸摸看这块钛合金，掂掂重量，结合图片，猜一猜它为什么能成为‘太空宠儿’？”引导学生从“轻”、“强”、“耐高温”等感性描述向化学性质过渡。接着，提供资料卡片，介绍碳纤维复合材料的“纤维编织”和“树脂基体”结构。“同学们可以把它想象成钢筋混凝土，钢筋（碳纤维）负责扛拉，混凝土（树脂）负责固定和传递力量，这种合作让它的性能发生了怎样的飞跃？”最后，设置一个选择情境：“假如你要为月球车的车轮选择材料，在钢铁、纯铝和一种铝基复合材料中，你会优先考虑谁？理由是什么？”学生活动：观察实物与图片，触摸感知，用生活化语言描述材料特点。阅读资料卡片，尝试用类比（如钢筋混凝土）理解复合材料的结构与性能优势。小组讨论月球车材料选择问题，从“轻量化”、“强度”、“耐月尘磨损”等角度进行论证，并派代表分享观点。即时评价标准：1.能否从提供的资料中准确提取出材料的关键性能指标（如密度、强度、耐温范围）。2.在解释材料用途时，是否能用“因为……所以……”的句式，体现“性质决定用途”的逻辑。3.小组讨论时，能否倾听他人意见，并在此基础上补充或修正自己的观点。形成知识、思维、方法清单：★航天材料选择的核心观念：性质决定用途。用途源于需求（如航天器要轻、要强、要耐极端温度），而满足需求的根本在于物质的内在性质。化学，就是研究并利用这些性质的科学。“同学们，记住这个关系链：需求→性质→材料选择，这是解决所有材料应用问题的金钥匙。”▲新型材料常见类型：合金与复合材料。合金（如钛合金）通过改变金属内部结构，通常能提升强度、硬度或耐腐蚀性。复合材料（如碳纤维复合材料）将两种及以上不同性质的材料组合，取长补短，得到单一材料无法比拟的优异性能。“好比团队合作，1+1>2的效果。”◉从宏观性能到微观结构的思考路径。当我们赞叹一种材料“坚韧”时，要习惯性地追问：它的微观结构是怎样的？是原子排列紧密，还是有特殊的网状、层状结构？这种“宏微”联系的意识，是化学思维的深度体现。任务二：追踪“飞天”动力——化学反应中的能量魔术教师活动：首先，回顾火箭发射时巨大的尾焰。“这震撼的推力从何而来？传统的化学燃料推进剂，比如液氢液氧，其实是一场‘轰轰烈烈’的化学反应。”板书氢氧燃烧的化学方程式，强调能量释放。接着，话锋一转：“但在空间站里，我们需要持续、稳定的电力，就不能总用‘爆炸’这种方式了。怎么办？”引入氢燃料电池原理动画。“看，同样是氢气和氧气反应，在这里却变得‘温和’而‘有序’，直接产生了电流。这个‘魔术’的关键，在于多了一个能让电子‘规规矩矩走路’的装置——电极和电解质膜。”然后，展示空间站巨大的太阳能电池翼。“除了‘化学能→电能’，我们还能直接捕捉太阳的光子。但普通的硅板又重又脆，化学家们做了什么改良？”简要介绍新型光伏材料（如柔性薄膜电池）的探索。学生活动：观看动画，对比火箭燃烧与燃料电池中氢气反应的异同，尝试描述燃料电池中电子和离子的移动路径（在教师引导下）。思考并讨论太阳能电池的材料需求（轻、薄、柔、光电转化效率高），并与上一任务的材料知识产生关联。即时评价标准：1.能否正确书写氢氧燃烧的化学方程式，并指出其能量形式变化。2.能否通过对比，说出燃料电池将化学能转化为电能的大致原理，即使表述不完全精确，但方向正确。3.是否能将能源装置（如太阳能板）对材料性能的要求，与“任务一”的知识进行迁移联想。形成知识、思维、方法清单：★化学能转化的两种典型方式：热功转换与直接发电。燃烧是剧烈的氧化还原反应，主要释放热能（可能再转化为机械能）；燃料电池则是通过受控的氧化还原反应，使电子通过外电路定向移动产生电流。“一个像爆燃的篝火，一个像平稳流淌的水电站，本质都是化学反应，形式却大不同。”▲氢能源的“理想”与“现实”。氢气燃烧或发电产物是水，极为清洁，是理想能源。但难点在于：如何高效、低碳地制备氢气（如电解水需消耗大量电能）？如何安全、高密度地储存和运输？这恰恰是化学研究的尖端课题。“所以，一个完美的能源解决方案，必须从‘摇篮到坟墓’全链条审视。”◉技术方案的多维度评价思维。评价一种能源技术，不能只看使用环节是否清洁，还要看其原料获取、制造过程、储存运输、成本安全等多个维度。这种系统性的、权衡利弊的思维方式，对于认识复杂科技问题至关重要。任务三：构建“家园”循环——垃圾中的化学资源地图教师活动：首先，呈现一个“垃圾家族”实物展台：废纸、玻璃瓶、铝罐、塑料瓶、废旧锂电池。“如果化学实验室是‘炼丹房’，那这些在我们眼中可能就是‘废料’。但化学家看它们，却是一张张‘资源藏宝图’。”引导学生从化学组成角度对它们重新分类：纤维素制品、硅酸盐制品、金属单质、有机高分子聚合物、含金属化合物的复杂系统。“不同的‘宝藏’，需要不同的‘炼金术’。”以塑料为例，展示“机械回收（物理变化）”和“裂解回收（化学变化）”两种途径的示意图。“大家看，同样是回收，前者只是‘重塑外形’，后者却发生了‘脱胎换骨’的化学反应，将大分子拆解成小分子燃料或原料。”学生活动：观察实物垃圾，尝试从化学物质组成（主要成分）的角度对其进行重新归类。对比塑料回收的两种途径图示，讨论并指出其中分别发生了物理变化还是化学变化，并尝试解释化学变化的实质（高分子链断裂）。即时评价标准：1.能否依据主要成分（如金属、塑料、玻璃），对常见垃圾进行准确的化学类别划分。2.能否区分垃圾处理过程中单纯的物理分离（如磁选铁）与涉及化学变化的资源转化（如塑料热解）。3.在讨论中，能否使用“有机高分子”、“聚合”、“裂解”等学科术语进行描述。形成知识、思维、方法清单：★垃圾是放错地方的资源，分类是精准回收的前提。化学视角下的分类，核心是依据物质的组成和性质。知道它是什么（化学成分），才能决定它最适合变成什么（回收产品）。“混在一起是污染，分类之后是资源，这第一步的‘化学眼光’很关键。”▲资源化利用的两大化学途径：物理回收与化学转化。物理回收（如金属熔融重铸、塑料粉碎再熔）不改变物质本身，适用于成分单一、污染小的废弃物。化学转化（如塑料裂解为燃油、生物质发酵制沼气）则通过化学反应，将废弃物转化为新物质，适用于复杂或受污染的废物。“选哪条路？看废物的‘禀赋’，也看技术的‘成本’。”◉树立“生命周期”与“绿色化学”意识。理想的垃圾处理，应从产品设计之初就考虑其易于回收和降解（如使用可降解塑料）。我们不仅要学会处理末端废物，更要在源头上树立“减量、重复使用、循环再生”的绿色化学理念，这正是化学对可持续发展最深刻的贡献。任务四：纵横联结——绘制我的“化学智慧”图谱教师活动：此任务为整合与输出环节。提出一个驱动性问题：“请以小组为单位，综合运用本节课的探索成果，为我们学校或社区设计一份简洁的《‘航天精神助力垃圾分类’宣传页》的提纲。要求：1.能体现‘科技自强’（可简要引用一项航天材料或能源技术）。2.能科学指导垃圾分类（至少说明三类垃圾的化学属性及回收价值）。3.有一个吸引人的标题或口号。”教师巡视各组，提供关键词提示（如“坚韧如碳纤维，分类贵在坚持”、“能源循环如空间站，地球资源亦需循环”），并引导他们将零散知识结构化。学生活动：小组合作，brainstorm创意口号，回顾并筛选本课所学知识，讨论如何将“上天”的科技与“入地”的环保行动建立有机关联。共同草拟宣传提纲，并准备进行简短分享。即时评价标准：1.宣传主题是否成功建立了航天科技与垃圾分类之间的合理联系（哪怕只是精神象征或比喻层面）。2.对垃圾的分类及回收价值的阐述是否科学、准确，用到了本节课的核心概念。3.小组分工是否明确，合作过程是否高效、有序。形成知识、思维、方法清单：★跨学科实践的核心：建立有意义的联结。学习不是知识的堆砌，而是在不同领域、不同概念之间架设桥梁。将航天的“高精尖”与环保的“接地气”相联系，正是为了深化理解：无论是探索宇宙还是守护地球，严谨求实的科学态度、开拓创新的技术追求、系统统筹的思维方法是共通的。“同学们，这种联结能力，是未来解决复杂问题的关键。”◉项目式学习中的协作与创造。在真实或模拟的任务中学习，需要明确分工、有效沟通、整合信息并创造性地表达。这份简单的宣传提纲设计，是一次微型的项目实践，锻炼的不仅是化学知识，更是综合素养。第三、当堂巩固训练1.基础层（全体必做）：(1)选择题：下列物质中，属于复合材料的是（）A.不锈钢B.玻璃C.钢筋混凝土D.聚乙烯塑料。(2)填空题：氢气被认为是理想清洁能源，因其燃烧产物仅为______。垃圾分类中，废旧铝制易拉罐属于______垃圾，回收利用属于______（填“物理”或“化学”）变化。2.综合层（大多数学生挑战）：阅读关于“可降解塑料”的短文资料（介绍光降解、生物降解等类型），回答：①从化学角度，文中说的“降解”主要是什么类型的変化？②与传统塑料填埋相比，使用可降解塑料对环境的主要好处是什么？③请从“原料来源产品性能废弃处理”角度，简要分析可降解塑料推广中可能面临的挑战。3.挑战层（学有余力者选做）：基于你对空间站生命保障系统的了解（可合理推测），尝试提出一个将站内部分废弃物（如人体代谢废物、食品包装）进行资源化循环利用的化学思路草图（用文字或简单图示表示），并说明其中可能涉及的一个核心化学反应或物质转化。反馈机制：基础题通过集体口答或投影答案快速核对。综合题采用小组讨论后随机抽点小组代表回答，教师进行点评和补充，重点分析第三问的多角度思考。挑战题邀请自愿者分享其创意，教师予以鼓励和提炼，强调其思维的开放性，答案不求统一，重在逻辑自洽。第四、课堂小结知识整合与反思：“同学们，今天的探索之旅即将到站。现在，请大家花三分钟时间，在笔记本上以‘化学智慧’为中心词，绘制一个简单的思维导图，梳理我们今天两大探索方向的收获与联系。”随后邀请两位同学展示并简述其思路。方法提炼：“回顾一下，我们今天是如何一步步解开那些科技与环保谜题的？我们用了‘从现象到性质’的分析法，用了‘对比与关联’的思考法，还用了‘多因素权衡’的评价法。这些，都是化学赐予我们的宝贵思维工具。”分层作业布置与延伸：“必做作业：完成学习任务单上的知识梳理框架图，并整理本节课的错题。选做作业（二选一）：A.撰写一篇短文《我给航天员写封信：请教一个关于空间站‘垃圾’处理的问题》。B.调查你所在小区垃圾分类现状，从化学角度分析一个你认为可以改进的环节，并提出具体建议。下节课，我们将走进微观世界，探寻这些宏观性质背后的原子分子奥秘。”六、作业设计基础性作业（全体必做）：1.完成教材配套练习中关于材料分类、新能源优点、垃圾分类基础概念的习题。2.整理课堂笔记，用表格形式对比合金与复合材料的主要特点及12个应用实例。3.准确默写氢气燃烧的化学方程式，并说明其作为能源的优缺点。拓展性作业（建议大多数学生完成）：4.情境应用：假设你是一家环保科技公司的顾问，需要为一份关于“推广氢燃料电池公交车”的提案提供化学角度的支持论据。请撰写一段约150字的论述，从反应原理、产物环保性、与燃油车的对比等方面阐述其优势。5.微型项目：以“塑料瓶的前世今生”为主题，制作一张A4大小的科普小报。要求呈现：原料（石油）→制造（聚合）→使用→回收（至少两种方式）的简要流程，并配以简单的图画或示意图。探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：6.开放探究：查阅资料，了解“锂离子电池回收”的主要化学方法（如火法、湿法）。选择其中一种，分析其基本原理、流程及面临的挑战（如成本、污染），形成一份不超过300字的简要研究报告。7.创意设计：受航天器热防护材料的启发，请你发挥想象，设计一种理论上可用于高层建筑消防灭火服的新型材料，描述它可能需要具备的化学性质（如耐高温、隔热、轻便），并给你设计的材料起一个酷炫的名字。七、本节知识清单及拓展★1.性质决定用途：这是化学应用的核心逻辑链。任何材料的选用、能源的利用方式，都根植于该物质特定的物理性质（密度、硬度、导电性等）和化学性质（可燃性、稳定性、反应活性等）。分析应用场景时，首先要明确“需要什么性质”，再寻找“具备该性质的物质”。★2.合金与复合材料：合金是一种金属与其他金属或非金属熔合而成的、具有金属特性的物质，通常能改善原有金属的性能（如强度、抗腐蚀性）。复合材料是由两种或以上性质不同的材料，通过物理或化学方法复合而成的新材料，它能集中各组分优点，性能优于原组成材料（如碳纤维复合材料）。▲3.常见航天材料举例：钛合金（轻、强、耐腐蚀，用于结构件）、碳纤维复合材料（轻、强度极高，用于卫星支架、火箭壳体）、陶瓷基复合材料（耐超高温，用于发动机热端部件）。★4.氢能源的化学核心：氢气燃烧的化学方程式为：2H₂+O₂点燃2H₂O，放出大量热。氢燃料电池则是通过催化作用使氢气与氧气发生氧化还原反应，电子在外电路定向移动产生电流，最终产物也是水，实现化学能到电能的直接、高效、清洁转化。▲5.新能源的“全链条”视角：评价一种能源，需系统考察其制备（如电解水制氢的能耗）、储存与运输（氢气储运的安全与成本难题）、转化利用（如燃料电池的效率）以及最终的环境影响。理想的能源解决方案需要在多个维度取得平衡。★6.化学视角下的垃圾分类：依据主要化学成分分类是关键。如：废纸（纤维素）、玻璃（硅酸盐）、金属（铝、铁等单质或合金）、塑料（有机高分子聚合物）、有害垃圾（常含重金属离子、有毒有机物等）。★7.物理回收与化学转化：物理回收主要通过改变形状、大小等物理形态实现再利用，未生成新物质，如金属熔铸、塑料粉碎重塑。化学转化则是通过化学反应将废弃物转化为新的有用物质，如塑料热解（裂解）生成小分子燃料油或单体。▲8.塑料回收挑战：塑料种类繁多（PET、PE、PVC等），性质不同，需分类回收。多次物理回收可能导致性能下降（热老化）。化学回收（裂解、解聚）能获得原料或燃料，但技术复杂、成本较高。可降解塑料是重要发展方向。◉9.绿色化学5R原则：Reduce（减量）、Reuse（重复使用）、Recycle（循环再生）、Recover（能量回收）、Regulate（政策调控）。这为资源利用和环境保护提供了系统性的行动指南。◉10.化学中的系统思维：无论是分析一个航天器的材料系统，还是规划一个城市的垃圾处理系统，都需要将各个部分（材料、能源、工艺、环境、经济）看作相互关联的整体，进行综合考量、权衡利弊。这种系统思维能力是科学素养的重要组成部分。八、教学反思

（一）目标达成度审视本课预设的知识与能力目标基本达成。从后测练习反馈看，绝大多数学生能准确匹配航天材料的典型性质与用途，能区分垃圾资源化的不同途径。情感目标在“任务四”的宣传提纲设计中得到生动体现，学生们提出的“我们的征途是星辰大海，我们的责任是垃圾分类”等口号，显示出他们将科技自豪感与环保责任感进行了有意义的联结。然而，在“多维度评价能源方案”这一高阶思维目标上，仅有部分学生在综合层练习中表现出色，多数学生的分析仍显片面，这提示我在后续教学中需设计更具体、更阶梯化的评价训练支架。

（二）环节有效性评估导入环节的视频对比产生了强烈的认知张力，成功激发了探究欲。“任务一”和“任务二”中实物触摸与动画演示相结合，有效化解了抽象概念的理解难度。我注意到，当问到“为什么不用纯铝而用铝基复合材料”时，