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、新型能源的应用教案-九年级化学人教版（2024）下册

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、新型能源的应用教案-九年级化学人教版（2024）下册科目Xx授课时间节次--年—月—日（星期——）第—节指导教师张老师授课班级、授课课时2025年12月授课题目（包括教材及章节名称）教学内容分析1.本节课主要教学内容为调查我国航天科技领域中的新型材料（如高温合金、复合材料）和新型能源（如氢能、太阳能电池材料）的应用，通过资料收集、案例分析，了解其化学组成、性能特点及在航天中的作用。

2.教学内容与学生已有知识的联系：九年级学生已学习金属、非金属的性质及能源转化等知识，本节课将“结构决定性质，性质决定用途”的化学思想应用于航天实际，深化对材料与能源化学原理的理解，培养跨学科实践能力。核心素养目标分析二、核心素养目标分析本节课通过调查航天领域新型材料与能源的应用，培养学生宏观辨识与微观探析能力，能从物质组成解释材料性能；发展证据推理与模型认知，建立“结构-性质-用途”的逻辑关系；提升科学探究与创新意识，通过资料收集与分析形成调查报告；增强科学态度与社会责任，感受化学对航天科技的支撑作用，树立科技报国情怀。学情分析九年级学生已系统学习金属、非金属及能源转化等基础化学知识，具备物质组成与性质关系的初步认知，但对航天领域新型材料与能源的化学原理理解较浅。学生资料收集与信息整合能力参差不齐，部分学生能独立完成简单调研，部分需教师引导；小组合作意识较强，但分工协作效率有待提高。学生对航天科技普遍抱有好奇心，爱国情感浓厚，但科学探究的严谨性不足，易停留在表面现象描述。知识层面，对“结构决定性质”的化学思想掌握不牢固；能力层面，分析复杂情境中化学问题的能力较弱；素质层面，创新思维与批判性思维需进一步培养。这些学情特点直接影响本节课跨学科实践活动的深度与效果，需教师设计分层任务，强化过程指导，引导学生从化学视角深入理解航天科技中的化学原理。教学资源准备四、教学资源准备1.教材：确保每位学生备有九年级化学人教版（2024）下册教材及配套活动手册。2.辅助材料：收集长征火箭发动机高温合金材料、卫星太阳能电池板、氢燃料电池等航天应用图片、数据图表及纪录片片段。3.实验器材：准备金属腐蚀对比实验用品（铁片、镁片、酒精灯、NaCl溶液）、电解水简易装置（验证氢能制备），确保器材完好并检查安全性。4.教室布置：划分6个小组讨论区，配备资料查阅桌，张贴航天材料发展历程时间线海报，营造探究氛围。教学过程五、教学过程

（一）导入环节：情境激发，明确任务

师：同学们，2023年神舟十七号成功发射，2024年嫦娥六号月背采样，这些航天成就的背后，离不开化学技术的支撑。今天我们就来调查我国航天科技领域的新型材料和新型能源。（展示神舟飞船结构图）大家看，火箭发动机需要承受上千度高温，卫星外壳要抵御太空辐射，这些特殊材料是什么？航天器在太空中如何获取能源？带着这些问题，我们开始今天的跨学科实践活动。

（二）新课探究一：航天新型材料的化学奥秘

师：首先聚焦新型材料。我们学过金属的性质，火箭发动机涡轮叶片需要耐高温、抗氧化的材料，大家猜是什么？（引导学生回忆课本“金属的化学性质”中铝、铁、镍的耐腐蚀性）

生：可能是镍合金？课本里镍能抗腐蚀。

师：正确！长征五号火箭发动机采用镍基高温合金（展示成分表：Ni+Cr+Al+Ti）。铬的作用是什么？（结合课本“金属的防护”）

生：铬形成致密氧化膜，防止高温氧化。

师：非常好！再看卫星结构材料，天宫空间站使用碳纤维复合材料（展示实物图）。它的基体是树脂增强体，属于课本中的“有机合成材料”，为什么比铝合金更合适？

生：碳纤维密度小，强度高，符合课本“材料的性能与用途”关系。

（三）新课探究二：航天新型能源的化学原理

师：航天器在太空中如何供能？我们学过氢能和太阳能。（展示天宫空间站太阳能电池板）这块电池板的核心材料是什么？

生：单晶硅！课本“能源的利用”中提到光伏材料。

师：没错！单晶硅通过光电效应将太阳能转化为电能，效率可达20%以上。再看火箭燃料，长征五号采用液氢液氧推进剂，为什么选择氢能？（结合课本“氢气的性质”）

生：氢气热值高，燃烧产物是水，无污染。

师：但液氢储存需要特殊容器，是什么材料？（引导学生联系“低温材料”）

生：铝合金内胆，因为课本中铝导热性好，且能抗低温。

（四）活动实施：分组调查，合作探究

师：现在分组完成任务：材料组调查高温合金、复合材料的应用；能源组调查氢能、太阳能的应用。每组需完成调查报告，包含“应用对象—化学成分—性能优势—化学原理”。（发放资料包：教材节选、航天新闻报道、数据图表）

材料组活动：

生1：我们发现高温合金中添加钼，能提升高温强度，这符合课本“合金性能优于纯金属”的知识。

生2：碳纤维复合材料的轻质特性使卫星减重30%，发射成本降低，体现了“密度与材料选择”的关系。

能源组活动：

生3：液氢储存罐采用铝合金内胆+绝热层，课本中“金属的物理性质”提到铝导热性好，但这里需要绝热，可能还有其他处理？

师：补充说明：内壁有防氧化涂层，结合课本“金属的防护”知识。

（五）成果展示与点评深化

材料组汇报：

生：我们调查到长征五号发动机叶片材料为GH4169镍基合金，主要成分Ni（55%）、Cr（17%）、Nb（5.2%）。铬形成Cr₂O₃保护膜，防止高温氧化，符合课本“金属与氧气反应”的知识；Nb固溶强化，提升高温强度。

师点评：很好！能从“组成—结构—性质—用途”角度分析，体现了化学思维。

能源组汇报：

生：天宫空间站太阳能电池板材料为单晶硅，通过P-N结光电效应转化能量，效率20%；氢燃料电池用于嫦娥六月面着陆器，反应为2H₂+O₂=2H₂O，能量转化效率60%，高于内燃机。

师提问：为什么氢燃料电池效率高？（结合课本“化学能与电能的转化”）

生：直接将化学能转化为电能，中间损耗少。

（六）总结拓展：升华认识，联系实际

师：通过调查，我们发现航天材料与能源的发展，本质是化学性质决定用途的体现：高温合金利用金属耐腐蚀性，复合材料利用有机-无机协同效应，氢能利用高热值和清洁性。这些不仅是课本知识的延伸，更是化学服务国家科技发展的例证。课后任务：调查新能源汽车中的轻量化材料，下节课分享化学如何助力绿色交通。教学资源拓展**拓展资源**

1.**《中国航天材料发展史》纪录片片段**：结合教材第九单元“金属的化学性质”，展示高温合金中铬、铝元素如何形成致密氧化膜（如Cr₂O₃、Al₂O₃）实现高温防护，对应课本“金属与氧气反应”知识。

2.**《化学与材料科学》科普读物**：精选“碳纤维复合材料在卫星结构中的应用”章节，关联教材第十一单元“有机合成材料”，解析树脂基体与碳纤维增强体的协同作用原理。

3.**《氢能技术前沿》专题报告**：结合教材第十二单元“化学与能源”，分析液氢储存罐铝合金内胆的防氧化涂层技术（如阳极氧化膜），延伸课本“金属防护”方法。

4.**《新型能源在航天中的应用》数据手册**：包含天宫空间站太阳能电池板单晶硅转化效率（20%）与氢燃料电池能量转化效率（60%）对比数据，强化课本“能量转化效率”概念。

5.**《航天材料性能测试标准》节选**：提供高温合金抗拉强度、复合材料比强度等参数表，关联教材“材料性能与用途”关系。

**拓展建议**

1.**深度阅读任务**：

-精读教材P82-83“金属的防护”章节，对比火箭发动机叶片与普通钢铁的防腐措施差异，撰写《从课本知识到航天应用》短文。

-结合教材P102-103“化学与能源”，绘制氢燃料电池工作流程图，标注电极反应式（负极：H₂-2e⁻=2H⁺；正极：O₂+4H⁺+4e⁻=2H₂O）。

2.**实践探究活动**：

-家庭实验：用白醋模拟酸性环境，观察铁片与铝片腐蚀速率差异（对应教材“金属活动性顺序”），分析卫星外壳为何选用铝合金而非钢铁。

-设计任务：基于教材P78“合金性能”知识，为月球车轮胎选择材料，说明“橡胶+碳纤维”复合结构的优势（耐磨、抗低温）。

3.**跨学科整合**：

-物理-化学联动：结合教材P108“能量转化效率”，计算1kg液氢完全燃烧（2H₂+O₂=2H₂OΔH=-286kJ/mol）释放的热量，与1kg汽油热值（46MJ/kg）对比，撰写《航天燃料选择的化学与物理依据》。

-历史-化学融合：查阅教材P79“金属冶炼史”，梳理从青铜器到高温合金的材料演进，制作《航天材料发展时间轴》。

4.**社会议题探究**：

-调研教材P105“新能源开发”相关内容，分析氢能储存技术瓶颈（如-253℃液态氢储存成本），提出基于课本“金属物理性质”的改进方案（如钛合金储氢罐）。

-撰写《化学如何助力“双碳”目标》报告，引用教材P103“清洁能源”章节，论证航天氢能技术对地面交通的启示。

5.**科技前沿追踪**：

-关注教材P110“化学与可持续发展”，调研我国可回收火箭材料（如铝合金箭体）的化学处理技术，撰写《绿色航天中的化学智慧》。

-设计“未来月球基地能源系统”，整合教材P102“太阳能电池”与P104“燃料电池”知识，标注关键材料（砷化镓光伏板、固态氧化物燃料电池）。

**资源使用说明**

-所有拓展资源均需结合教材章节标注知识点（如高温合金→第九单元、太阳能电池→第十二单元），确保知识体系连贯。

-实践活动需在教师指导下进行，涉及实验操作时严格遵循教材P67“化学实验安全规范”。

-探究报告需包含“教材知识应用”板块，明确标注关联页码（如“参考教材P82金属防护原理”）。教学评价与反馈1.课堂表现：观察学生是否主动结合课本“金属的化学性质”“化学与能源”等章节知识回答问题，如高温合金中铬的作用、氢能热值高的原理，记录学生参与讨论的积极性和与教材关联的准确性。

2.小组讨论成果展示：评价调查报告是否体现“组成—结构—性质—用途”的化学思想，如分析镍基合金时是否引用教材P82金属防护知识，讨论氢燃料电池时关联P104化学能与电能转化内容，注重科学性和课本知识的迁移应用。

3.随堂测试：设计选择题考查教材核心概念，如“高温合金添加钼的主要目的是什么”（对应P79合金性能）；简答题“结合太阳能电池板材料说明单晶硅的优势”（关联P102能源利用），检测学生对课本基础知识的掌握程度。

4.课后任务完成：检查拓展调查报告是否参考教材P105“新能源开发”章节，分析新能源汽车材料时是否应用P78“材料性能与用途”关系，强化课内外知识衔接。

5.教师评价与反馈：针对学生表现，肯定其将课本化学原理应用于航天实际的能力，如正确分析金属活动性顺序对材料选择的影响；指出需加强“结构决定性质”的深度理解，建议结合教材P76“物质构成的奥秘”章节进一步巩固微观分析能力。板书设计八、板书设计

①航天新型材料

-高温合金：镍基（Ni+Cr+Al+Ti），铬形成Cr₂O₃保护膜（课本P82金属防护）

-碳纤维复合材料：树脂基体+碳纤维增强，轻质高强（课本P78有机合成材料）

-性能优势：耐高温、抗辐射、减重（课本P76材料性能与用途）

②航天新型能源

-太阳能电池：单晶硅P-N结光电效应，效率20%（课本P102能源利用）

-氢燃料电池：2H₂+O₂=2H₂O，效率60%（课本P104化学能与电能转化）

-储氢技术：铝合金内胆+防氧化涂层（课本P79金属物理性质）

③跨学科实践总结

-核心思想：结构决定性质，性质决定用途（课本P76物质构成的奥秘）

-化学价值：支撑航天科技发展，服务国家战略（课本P110化学与社会发展）典型例题讲解1.**例题**：长征五号火箭发动机涡轮叶片采用镍基高温合金，其主要成分为Ni（55%）、Cr（17%）、Al（5%）。请结合教材P82金属防护知识，说明铬元素在该合金中的作用。

**答案**：铬在高温下形成致密的Cr₂O₃氧化膜，阻止氧气进一步腐蚀合金，属于教材中“金属表面形成保护层”的防腐原理。

2.**例题**：天宫空间站使用碳纤维复合材料作为结构材料，其基体为环氧树脂，增强体为碳纤维。根据教材P78有机合成材料知识，分析该材料比铝合金更适合航天器的原因。

**答案**：碳纤维密度小（1.7g/cm³）、强度高，树脂基体提供韧性，整体比强度（强度/密度）远高于铝合金，符合教材中“复合材料性能优于单一材料”的结论。

3.**例题**：天宫空间站太阳能电池板的核心材料是单晶硅，其光电转化效率为20%。结合教材P102能源利用知识，写出单晶硅实现能量转化的化学方程式，并说明其优势。

**答案**：Si+2HCl→SiH₄+Cl₂（制硅烷），SiH₄→Si+2H₂（分解提纯）；优势是能量转化效率高且无污染，对应教材“清洁能源”特点。

4.**例题**：嫦娥六号月面着陆器采用氢燃料电池供电，其反应为2H₂+O₂→2H₂O。