【教学设计】聚焦核心素养·创想未来新家园-高中地理必修第一册“火星基地”项目式学习教学设计

【教学设计】聚焦核心素养·创想未来新家园——高中地理必修第一册“火星基地”项目式学习教学设计

指导思想与理论依据本教学设计严格遵循《普通高中地理课程标准（2017年版2025年日常修订版）》的核心理念，以立德树人为根本任务，聚焦地理学科核心素养的培育。【核心素养】具体而言，本设计着力涵育四个方面的核心素养：人地协调观——通过探讨人类如何在火星上生存，反向深化学生对地球这一人类唯一家园特殊性的理解，树立珍爱地球、保护环境的意识；综合思维——引导学生综合考量自然地理各要素之间的相互作用，以及自然条件与工程技术之间的协同关系，构建整体性认知框架；区域认知——运用比较法分析火星不同区域的环境差异，理解区域特征对于活动选址的决定性意义；地理实践力——通过“设计火星基地”这一项目式学习任务，让学生在做中学、用中学、创中学，将理论知识转化为实际解决问题的能力。同时，依据《中小学综合实践活动课程指导纲要》中关于项目式学习的要求，本设计融合大单元教学理念，将“地球的宇宙环境”这一章节的核心知识进行综合化、情境化重构，实现教学评一致性。-教学内容分析本课题为人教版高中地理必修第一册第一章的“问题研究”栏目，是在学生系统学习了“宇宙中的地球”“太阳对地球的影响”“地球的历史”“地球的圈层结构”等内容之后设置的综合探究活动。该课题具有鲜明的跨学科特征，【跨学科链接】涉及地理学、天文学、物理学、生物学、材料科学、建筑学、环境工程学等多个学科领域的知识。其核心功能在于：一方面帮助学生将本单元所学的宇宙环境知识综合运用于真实情境问题——火星基地建设，完成知识的迁移与应用；另一方面以火星为参照，深化对“地球是人类唯一家园”这一核心认知的理解，培养学生的珍爱地球意识和可持续发展观念。-从2025—2026学年度的现实语境来看，全球深空探测正处于蓬勃发展的新阶段。中国天问三号任务于2026年初转入正样研制阶段，计划2028年前后发射、2031年前后携火星样品返回地球，有望实现人类首次火星取样返回的重大突破；美国国家科学院于2026年3月发布了《载人火星探索科学战略》；SpaceX也在调整其火星计划架构。【跨学科链接】这些前沿动态为本课题的教学提供了极为丰富的真实情境素材，使课堂能够与人类探索火星的前沿脚步同频共振。-学情分析教学对象为高一年级学生，学段为高中一年级第一学期。在知识储备方面，学生经过初中阶段的学习，已初步了解地球的基本特征和太阳系的基本结构；通过本单元前三节的学习，学生对地球的宇宙环境、太阳对地球的影响、地球的历史和圈层结构已有较为系统的认识，掌握了地球上存在生命的条件、太阳辐射和太阳活动的影响等核心知识。在认知发展方面，高一学生的抽象思维能力和逻辑推理能力已初步形成，能够进行多因素的综合分析和因果推理，但对于从复杂信息中提取关键线索、进行系统化设计的能力尚需培养。在兴趣特点方面，航天探索、外星基地、太空移民等话题对青少年具有天然吸引力和感召力，大多数学生对此充满好奇和热情，这为本课的顺利开展提供了良好的情感基础。在前沿认知方面，部分学生可能通过科普读物、网络媒体对火星探测有一定了解，但对火星的真实环境条件、人类生存面临的挑战以及航天科技的最新进展缺乏系统认知，教学中需为学生提供充足的资料支持和技术支架。-教学目标依据课程标准要求和学业质量水平，本课设定如下教学目标。第一，【重要】【基础】通过阅读图文资料和观看视频，全面了解火星的表面温度、大气成分、气压、辐射水平、地形地貌、尘暴等自然地理特征，并与地球进行系统的对比分析，理解火星环境的极端性与挑战性。第二，【重要】【高频考点】运用“地球的宇宙环境”相关理论知识，从温度条件、大气条件、水资源、辐射防护、能源供给等多个维度，分析人类在火星上生存所需解决的核心问题及其科学原理。第三，【核心素养】通过小组合作完成“火星基地”创意设计方案，将多学科知识运用于工程设计实践，培养地理实践力、创新思维和团队协作能力，体验“学以致用”的成就感。第四，【跨学科链接】结合中国天问系列火星探测任务的最新进展（天问一号轨道器持续运行、天问三号取样任务推进等），激发民族自豪感和科学探索精神，深刻理解“探索浩瀚宇宙、发展航天事业、建设航天强国”的重大战略意义。同时，引导学生通过反思“为什么人类必须在地球上可持续发展”，升华人地协调观，树立建设美丽中国、保护地球家园的责任担当。教学重难点教学重点包括三个方面：一是火星自然地理环境特征的系统认知及其与地球的对比分析；二是人类在火星上定居所需面临的生存挑战（温度、大气、水资源、辐射、能源、食物）的全面梳理与科学分析；三是“火星基地”设计方案所应包含的核心系统（居住、生命保障、能源、通讯、科研等）及其功能原理。教学难点同样有三个：一是如何引导学生从纷繁复杂的资料中提取关键信息，将多维度信息有机整合形成对火星环境的整体判断；二是培养学生综合运用地理、物理、生物等多学科原理解决实际工程问题的跨学科思维能力和系统思维能力；三是引导学生从火星的极端环境反观地球的适宜与珍贵，形成正确的人地协调观。-教学策略与资源本课采用项目式学习与问题驱动教学相结合的整体策略。以“假如你是火星基地建设总工程师，你将如何设计方案？”为核心驱动性问题，按照“情境导入→探究论证→创意设计→展示交流→总结升华”的教学流程层层推进。在教学方法上，综合运用情境教学法——以火星探测真实影像创设沉浸式情境；合作探究法——以小组形式开展资料研读与方案设计；翻转课堂——课前推送资料包供学生预习；直观演示法——借助3D模型和视频辅助讲解。在技术手段方面，充分利用多媒体课件展示火星全景图、着陆器实拍影像和地质探测数据，借助平板电脑或智慧课堂系统实现学生作品的即时投屏展示与互动评议。教学资源包括：中国探月与航天工程中心、NASA官网、ESA官网等权威机构发布的火星探测影像与数据资料；天问一号、祝融号、毅力号、好奇号等探测器带回的火星表面实景与探测发现；国内外关于火星基地设计的典范案例；中国火星村（模拟基地）的建设实践；以及关于生物再生式生命保障系统（BLSS）的研究资料等。--教学过程设计本课按照四个主要环节展开，总计安排2课时。第一课时以情境导入与信息获取为主，第二课时以方案设计与展示评价为主。（一）情境导入——飞向火星的召唤（约8分钟）【重要】【热点】教师播放精心剪辑的短片，内容涵盖：中国天问一号探测器成功着陆火星的震撼画面、祝融号火星车在火星表面行驶的实拍影像，以及天问三号取样返回任务的介绍。2026年是中国航天事业持续奋进的一年，天问三号任务转入正样研制阶段，计划2028年发射、2031年携火星样品返回地球。-短片配以《流浪地球》等航天主题音乐的激昂旋律，营造出浓厚的探索氛围。观看结束后，教师提出问题引发思考：“从2021年祝融号成功登陆，到2031年天问三号取样返回，再到不远的将来载人登火——人类正在一步步走近火星。今天，假如你是一名航天工程师，你的任务是：为第一批登陆火星的航天员设计一座火星基地。火星基地应该是什么样子？它应该建在哪里？包含哪些设施？如何保证航天员在极端环境中安全生存？”由此引出全课的核心驱动性问题。（二）问题探究——剖析火星的极端环境（约35分钟）【重要】【基础】这一环节是本课的知识基础部分，旨在引导学生系统认识火星的真实环境。教师将学生分为若干小组，每组获得一套资料包，包含火星环境数据表、中外探测器科学发现图文资料等。学生需要完成“火星环境信息整理表”的填写任务，从温度、大气、水、辐射、地形、尘暴、重力、能源等八个维度收集信息并完成记录。在温度方面，火星表面平均温度约为-63℃，最低可达-140℃左右，最高约为20℃（赤道夏季午后）。这种巨大的日温差和极低的平均温度，给保温加热系统带来了严峻挑战。在大气方面，火星大气层十分稀薄，表面气压仅为地球的0.6%左右，主要由二氧化碳（约95%）、氮气（约2.7%）和氩气（约1.6%）组成，氧气含量极低，人类无法直接呼吸。在辐射方面，火星没有全球性磁场保护，表面辐射水平约为国际空间站的2.5倍以上。【基础】太阳耀斑和银河宇宙射线对航天员的健康构成长期威胁，可能增加罹患癌症和阿兹海默症等疾病的风险；若遭遇强烈的太阳风暴，辐射甚至可能造成直接急性损伤。-因此，火星基地必须提供足够的辐射防护措施。在水资源方面，【高频考点】这是本课最值得重点挖掘的内容之一。长期以来，科学家认为火星中低纬度地区难以存在浅层水冰，但我国祝融号火星车在乌托邦平原南部利用次表层探测雷达，首次在约15米深度发现了一层厚度约7米的含水冰层，经分析为含有少量石块的“脏冰”层。【重要】这一发现为火星中低纬度浅表层水冰的存在提供了直接观测证据，使那些远离极地的区域也具备了原位利用水冰资源的可能性。-祝融号的发现还揭示，火星乌托邦平原南部浅表层距今约7.5亿年前仍存在显著水体活动，表明火星上的水活动持续的时间比过去认为的要晚数亿年。-此外，火星表面及地下蕴藏的冰资源总量惊人，超过500万立方公里，这为未来水源开发和建筑材料获取提供了巨大潜力。-在重力方面，火星表面重力约为地球的38%，长期处于低重力环境对人体骨骼、肌肉、心血管系统的影响尚不完全明确，需要在基地内设置运动训练和医疗监测设施。-小组完成信息收集后，各组选派代表汇报他们的发现，教师予以点评和补充，形成全班共知的知识基础。教师在板书或思维导图中同步梳理关键信息，构建火星环境知识框架。（三）专题突破——航天员与基地的核心需求（约30分钟）【重要】【高频考点】在学生初步了解火星极端环境的基础上，本环节将焦点对准航天员的生命保障需求。教师引导学生围绕“航天员在火星上需要什么才能安全生存”这一核心问题展开深入分析。人类在火星上的生存需求可归于五个方面：适宜的温湿度环境、可呼吸的空气、清洁的水、充足的食物、可靠的能源。这五个方面构成了火星生命保障系统的设计蓝图。在空气保障方面，火星大气中95%为二氧化碳，含氧量极低，因此必须为航天员提供独立的呼吸供氧系统。技术路径之一是电解水制氧，即从火星上获取的水资源中通过电解分离出氧气和氢气；技术路径之二是利用MOXIE（火星氧气原位资源利用实验）等技术直接从火星大气中的二氧化碳分离出氧气。-在持久性考虑上，更理想的方案是建立生物再生式生命保障系统（BLSS），引入植物、藻类等光合生物，同时实现氧气生产、二氧化碳回收和食物供应三大功能。在饮水与用水方面，祝融号发现的水冰层为获取水资源提供了新的想象空间。除了开采地下冰层并融化为液态水并进行深度净化处理之外，从火星大气中提取水分子也是一种技术思路。计算表明，每个航天员每天约需30升水用于饮用、卫生和氧气生产，因此大规模制水和水的高效循环利用至关重要。-在辐射防护方面，【高频考点】这是基地建筑设计需优先考虑的因素。数据显示火星表面辐射水平至少为国际空间站内部的2.5倍。-可行的防护方案主要有：地埋式——将主要生活居住区建在地下数米深处，利用火星土层自身的屏蔽效应；覆土结构——在地表构造上方覆盖厚层火星土壤或风化层；水墙屏蔽——利用液态水的优秀辐射屏蔽性能，将储水系统设计为建筑防护层的一部分；熔岩管利用——火星上存在大量熔岩管洞穴结构，其天然的顶部岩层提供了优越的保护。此外，航天员的个人防护也需要统筹安排，如设立专门的辐射监测站和“风暴庇护舱”。在能源供给方面，考虑到火星与太阳的平均距离较地球更远，火星接收到的太阳辐射强度约为地球的43%，但太阳能依然是火星上最易获取和利用的能源。火星大气稀薄，表面太阳辐射的昼夜变化显著，且时常出现持续数周至数月的全球性或区域性尘暴，这严重影响了太阳能电池板的发电效率。研究表明，火星风化层在太阳能电池板表面的累积会导致平均每个火星日产生约0.2%的发电功率衰减。-因此，除太阳能电池阵列外，基地还需配置储能系统，并可以考虑将同位素温差发电或小型核反应堆作为备用或补充能源。中国科学技术大学团队还提出了一种集成火星原位水冰潜热储存的光伏/热利用系统，将短波长光子转化为电能，其余部分转化为热能，为基地同时提供电力和供暖需求。-在食物供给方面，要在长期的火星移民中实现自给自足，建立受控环境农业系统（CEA）是唯一可行的方案。火星基地内的密闭植物工厂或充气温室，需要人工模拟光照、温度、湿度和土壤环境，选用在封闭系统中表现优异的速生、高产、高营养作物品种。中国“月宫一号”团队的研究经验表明，生物再生式生命保障系统可以实现“人-植物-动物-微生物”四环系统构建和可持续发展。2017—2018年，“月宫365”实验实现了4人370天长期密闭生存、系统闭合度达97%以上的世界纪录，为未来火星基地的闭环生态系统提供了坚实的理论和实践基础。-此外，实验室培育的微藻、食用菌、昆虫蛋白等也可能成为重要的食物来源补充。在学习过程中，教师适时补充中国的航天成就：2026年中国计划发射嫦娥七号，首次用六足飞跃器深入月球永久阴影区钻探水冰，嫦娥八号（2028年）计划验证水冰提取、月壤3D打印建材等关键技术，为2030年前月球科研站奠定基础。这些近在眼前的技术突破将为火星基地建设提供直接的技术积累和路径验证。-（四）创意设计——我的火星基地方案（约35分钟）【核心素养】【重要】这一环节是本课的活动高潮。学生在充分掌握火星环境信息和生存技术储备后，以小组为单位开展“火星基地”创意设计方案制作。教师提供设计支架：设计任务书包含“任务名称、选址论证、功能分区、建筑结构、生命保障系统、能源系统、特色亮点、团队分工”八个要素板块。在选址方面，学生需要参考太阳光照强度（中低纬度地区太阳高度角较大，光照条件相对较好）、温度相对温和（赤道及中纬度地区昼夜温差相对较小）、水资源可及性（祝融号发现乌托邦平原存在浅层水冰）、平原地形便于降落与施工等多种因素作出科学决策。预设的候选区域包括——乌托邦平原南部（祝融号着陆区，经证实存在浅层水冰）、埃律西昂平原（光照条件优良，地形平坦）、以及一些被探测存在熔岩管道的区域（可直接利用天然洞穴提供辐射防护）。在功能分区方面，学生需要考虑居住区、工作区、实验区、种植区、储藏区、能源区、通讯区等的空间布局和衔接关系。在建筑结构方面，鼓励学生探讨使用火星原位资源，如将火星土壤和纤维材料混合后通过3D打印成型-，或使用火星冰复合材料构建防护外壁。-航天员“冬眠”或深度睡眠期等技术也是值得学生考虑的创意点。-设计过程中，学生可以灵活采用多种表达方式，如平面草图、轴测示意图、3D模型展示、多媒体动画、海报等。教师巡回指导，鼓励学生在科学论证的基础上大胆想象。同时，引入真实世界的火星基地设计案例供参考，如NASA火星3D打印栖息地挑战赛的一系列参赛作品（包括IceHouse的水冰壳方案、NEST多层打印方案等），以及中国学者提出的“朱雀基地”方案——融合传统窑洞结构，利用火星山体挖掘形成拱形洞穴，充分发挥火壤的隔热与防辐射性能。--（五）展示·评议·升华（约12分钟）【跨学科链接】各组选派1—2名代表上台展示设计方案，时间控制在3—5分钟。要求发言人清晰阐述选址依据、核心设计和系统整合思路，突出科学性与创意性的结合。其他小组进行观察记录并提出质疑或补充建议，教师主持评议。评价从科学性（60%权重）、创新性（20%权重）、完整性（10%权重）、表达清晰度（10%权重）四个维度进行，体现教学评一致性。通过小组互评和教师点评，实现知识的深度交流和方案的迭代优化。（六）复盘·说理·连结（全程渗透，约5分钟集中总结）在全课的总结阶段，教师用三个层层递进的问题把学生的思维从火星拉回地球：“假如我们真的在火星上成功建立了一座大规模移民基地，是不是就意味着人类可以放弃地球、大规模向火星迁移了？火星基地可以成为‘PlanB’吗？”这组问题引导学生重新审视地球的独特性和不可替代性。经过讨论，师生共同得出结论：虽然火星基地是人类向外太空拓展的重要一步，但目前的技术条件和经济成本决定了它只能是少数航天员从事科学探索的前沿基地，根本无法做到大规模移民。更重要的是，即便火星有大气层和水资源存在，其浓度、分布、质量距离满足人类日常需求仍相差甚远。学生对火星越了解，就越会感叹地球的得天独厚与弥足珍贵。这一反思过程是本课实现核心素养中“人地协调观”的关键环节——从太空回望地球，正是为了更加珍视脚下的这片家园。教学评价设计【重要】本课采用形成性评价与终结性评价相结合的方式。在形成性评价方面，关注学生在小组讨论中的参与度和贡献值、在火星环境信息整理任务中展现的信息提取与处理能力、设计方案的科学性论证和创意亮点、以及展示表达中的逻辑性与感染力。在终结性评价方面，通过“火星基地设计方案评分表”对学生作品进行量化评价，评分表下设“选址论证合理性（20分）”“生命保障系统完整性（20分）”“能源自洽度（15分）”“辐射防护方案（15分）”“方案创新性（15分）”“表达与协作（15分）”六个子项，总分100分。同时设计“学习反思日志”，要求学生课后撰写关于所在小组设计方案的体验、收获与不足，以及从“火星基地”学习中对“人地协调观”的新理解，引导学生在认知升维层次上完成自我反思。板书设计主板书采用案架式结