高中二年级物理·工程技术方向

高中二年级物理·工程技术方向

“平战结合·人防通风系统设计与防护效能”项目式教案

一、教学背景与设计基石

（一）课程定位与学情锁定

本教案锁定为高中二年级物理学科工程技术选修课程，同时深度融合国防教育、通用技术及建筑环境概论等跨学科内容。学段设定为普通高中二年级下学期，学生已完成高中物理必修课程，系统掌握了流体力学基础（理想气体状态方程、伯努利原理）、波动学初步（冲击波基础）及电路基本知识。此阶段学生具备较强的数理建模能力和工程图识读基础，对国防工程与国家防护体系具有朴素的敬畏感与认知渴求。本节课并非孤立的物理原理验证课，而是以真实的人防工程战技指标为驱动，以通风系统全要素设计为载体，指向工程思维、模型建构、社会责任三大核心素养的高阶整合课。

（二）课标依据与理念锚点

严格对标《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中“选择性必修课程”涉及流体力学应用的模块，以及“工程技术与社会”跨学科主题建议。深度植入项目式学习与真实情境测评理念，将课堂重构为“人防工程设计院总师办公室与模拟掩蔽区”的双重空间。本设计彻底摒弃教材章节复述模式，采用大单元翻转架构：课前学生通过虚拟仿真平台完成基础设备认知，课中80%时间用于沉浸式设计推演与核心参数校核，课后延伸为服役工程创新改造方案。

二、标题精解与项目化重构

标题：高中二年级物理·平战结合人防工程通风系统设计与隔绝防护效能项目式教案

此标题清晰锁定学科（物理）、学段（高中二年级）、课程类型（项目式教案），将核心任务聚焦为“设计”与“效能”，符合工程教育的精准表述。

三、教学目标与攻坚层级

（一）【核心素养·关键能力】层级化目标

1.物理观念与工程模型【基础】

能够在真实人防工程剖面图中准确指认进风系统、排风系统及防护设备（悬板活门、过滤吸收器、密闭阀门、自动排气活门）的空间占位，并运用流体力学原理解释消波、滤毒、超压排风三个核心物理过程的能量转换与质量输运机制。

2.科学思维与推演计算【重点】【高频考点】

能够依据掩蔽人数、工程容积及《人民防空地下室设计规范》GB50038-2005（以下简称规范）给定参数，独立推导并计算工程的隔绝防护时间；能够基于三种通风方式的转换原则，设计进排风设备联动逻辑流程图，并对手动/电动密闭阀门的启闭序列进行逻辑排序。

3.科学探究与设计验证【难点】【热点】

能够在给定平战结合改造需求下，进行滤毒通风风量平衡计算，验证超压值能否满足防毒通道换气次数要求，并针对某型号过滤吸收器（如LX型）进行阻力与台数匹配验算。

4.科学态度与国防责任【非常重要】

通过推演核生化威胁场景下通风系统的生存能力，深刻理解“人员掩蔽工程”不仅是土木结构，更是动态的空气生物防护体系；在方案汇报环节体现严谨、敬畏、合作的工程师伦理。

四、教学实施过程（核心篇幅，占总量85%以上）

本环节按照工程设计院真实工作流进行时序重构，共分为六个沉浸式工段。教师角色转化为人防设计院总工程师，学生转化为四个竞标设计组。

（一）工段一：工程勘察与战技指标解析——从任务书到物理模型

【情境创设】大屏幕展示某大型单建掘开式人防工程BIM剖面模型。总工（教师）发布模拟设计任务书：工程主体埋深12米，防护等级为甲类核5常5。战时分隔为一个防护单元，掩蔽面积1200㎡，掩蔽人数800人，清洁区容积V=5000m³。平时功能为地下停车库，战时需在3天内完成平战转换。

【学生任务】各设计组立即解读任务书，提取通风系统设计的边界条件。教师引导学生建立核心物理量数据库，必须完整罗列以下要点并标注优先级：

1.【基础】工程几何参数：清洁区容积5000m³，净高、梁柱占位对风管路由的限制（隐含条件）。

2.【非常重要】人员参数：掩蔽800人。依据规范，人员新风量标准：清洁通风时，每人每小时5~7m³（此处取设计值6m³/人·h）；滤毒通风时，每人每小时2~3m³（此处取2.5m³/人·h）。此为后续风机选型与风量平衡的绝对前置数据。

3.【重点】【高频考点】空气环境控制阈值：

1.4.清洁通风时，室内CO₂体积分数允许浓度≤0.1%。

2.5.隔绝防护时，室内CO₂体积分数允许上限值≤1.0%（规范允许极限，也是计算隔绝防护时间的终止条件）。

3.6.超压值设计要求：滤毒通风时，人员主要出入口防毒通道需维持超压30~50Pa（此处设计目标值设定为40Pa）。

7.【热点】外部威胁设定：常规武器袭击已过，现遭遇不明化学袭击，需立即转入滤毒通风；随后可能面临核爆冲击波威胁。此设定直接驱动三种通风方式的逻辑转换。

（二）工段二：三种通风方式转换逻辑与空气流程推演

此工段放弃教师灌输，采用全组拼装物理模型的方式。每组发放一套磁吸式设备图例卡片（包括：悬板防爆波活门、扩散室、油网滤尘器、过滤吸收器、手动密闭阀、电动手电动两用密闭阀、插板阀、风机、换气堵头、测压装置、自动排气活门、防毒通道、洗消污水集水坑等）。

【小组探究任务1】进风系统流程重组【非常重要】【高频考点】

要求：根据清洁、滤毒、隔绝三种状态，在磁性白板上快速排布进风流路，并标出阀门启闭状态（O表示开启，C表示关闭）。

教师巡回指导，必须引导学生达成以下完整、精准的流程共识，并记录于各组的工程日志：

1.清洁通风模式：室外空气→悬板防爆波活门（平时开启，冲击波到来时瞬时闭合）→扩散室（消波，将冲击波余压降至安全值）→油网滤尘器（预处理大颗粒尘埃）→【阀门1开启】→风阀旁路（短接过滤吸收器）→【阀门2开启】→密闭阀→送风机→清洁区。

2.滤毒通风模式：室外空气→悬板防爆波活门→扩散室→油网滤尘器→【阀门1关闭】→空气被迫进入过滤吸收器通路→【阀门3开启】→LX型或FLC型过滤吸收器（核心防护单元，去除毒剂、生物战剂及放射性尘埃）→【阀门4开启】→风机→清洁区。

教师在此处插入关键追问：为何滤毒通风时风机必须置于过滤吸收器之后？（答案：负压段风险，防止未过滤空气透过缝隙渗入；同时保证过滤吸收器处于正压工作状态，防潮防短路）。

3.隔绝通风模式：所有与室外相通的密闭阀全部关闭。工程内部空气通过内部循环风机（或战时风机）进行内循环，不引入新风，依靠二氧化碳吸收装置（物理教学模型可简化为化学药剂罐概念）维持氧平衡。

【小组探究任务2】超压排风与防毒通道气流组织【难点】【非常重要】

此部分是人防工程防止有毒剂侵入内部的最后防线。

4.原理重演：滤毒通风时，送风机送入风量略大于排风系统排走的风量，使工程内部（清洁区）气压高于外界大气压，形成超压。

5.排风流路：清洁区超压空气→自动排气活门（安装在厕所、简易洗消间等排风口处）→排风管→防毒通道/洗消间→防爆波活门→室外。

6.关键设计校核：学生需计算，为保证防毒通道具备每分钟10-40次换气（规范对于主要出入口防毒通道的换气要求）的能力，所需维持的超压值ΔP。教师给出简易经验公式或图表，学生进行正反验算。强调自动排气活门开启压力（一般为30Pa，起跳压力极精准）是维持超压的核心部件。

（三）工段三：核心设计计算——隔绝防护时间的完整推演【非常重要】【高频考点】【必考计算题原型】

此环节是物理学科气体定律与人防工程应用的最高频结合点。教师带领学生从理想气体状态方程出发，完成全流程建模。

【数学模型建构】

1.已知条件：清洁区容积V=5000m³。掩蔽人数n=800人。隔绝防护前CO₂初始浓度C₁=0.1%（清洁通风状态已达到的稳定值）。隔绝防护终止允许浓度C₂=1.0%。每人呼出CO₂速率：轻体力活动状态，取q=20L/人·h（即0.02m³/人·h）。

2.推导逻辑：隔绝防护时间t小时内，CO₂体积分数从0.1%上升至1.0%，绝对增量ΔC=0.9%。

CO₂绝对体积增量ΔV=n×q×t。

ΔV/V=ΔC（体积分数增量）。

故：t=(ΔC×V)/(n×q)。

3.代入计算：t=(0.009×5000m³)/(800人×0.02m³/人·h)=45/16=2.8125小时≈2.8小时（168分钟）。

4.【深度思辨】工程设计意义：此数值2.8小时为理论纯化学计算值。教师引导学生对比规范要求（通常要求甲类工程隔绝防护时间≥3小时）。2.8小时＜3小时，设计不满足！怎么办？

学生立即提出技改措施【高频考点】【热点】：

（1）增加CO₂吸收装置（超氧化钾或碱石灰），等效降低人员呼出CO₂净增量，此部分等效降低q值。

（2）工程设计上可在隔绝防护期间启用内部空气净化再生装置。

（3）战时人员管制，最大限度减少活动量，降低CO₂呼出速率。

此环节将纯数字计算上升到工程缺陷诊断与补救的高度，极其重要。

（四）工段四：防护设备深度解构与选型校核【基础】【重点】

本工段基于搜索结果中的专业设备体系，进行实物图与原理图的强对应。不使用列表，采用总工-助理师徒制问答叙述。

【设备群组1：冲击波消波系统】

1.悬板式防爆波活门：教师拆解动画。其核心原理是当冲击波超压传来，悬板在压差作用下瞬间关闭大部分通风孔，仅保留小孔泄压，将冲击波余压从几兆帕降至0.03兆帕以下，保护后续设备。学生需在剖面图中识别门式、胶管式区别。此处强调选用计算方法：根据工程允许漏气量和抗力要求，确定悬板数量。

2.扩散室：利用空间突然扩大，使冲击波在室内反射、叠加、抵消，实现压力衰减。学生测量教材给定扩散室的几何尺寸比例（长：宽：高），验证其消波效率。

【设备群组2：滤毒与精滤系统】

3.LWP型油网过滤器：初效过滤。教师解释其金属丝网浸油后，利用惯性碰撞、截留、静电吸附三种物理原理捕获5μm以上尘埃。

4.FLC/LX型过滤吸收器：【非常重要】这是防化工程的核心“心脏”。教师必须完整讲授防毒炭滤层的微观机理：载有金属化合物的活性炭，通过物理吸附（范德华力）和化学吸着（与浸渍物发生化学反应）将毒剂分子牢牢固定。学生通过触摸屏模拟气流穿透炭层的阻力曲线。

5.选型计算：已知滤毒通风风量Q滤=2.5m³/人·h×800人=2000m³/h。单台LX-1000型过滤吸收器额定风量1000m³/h，阻力约700Pa。则至少并联2台。校核：若只装1台，超负荷运行导致穿透率升高，防护失效；若装3台，投资浪费且占据宝贵空间。

（五）工段五：平战转换与智能控制逻辑【热点】【跨学科拓展】

基于平时车库、战时人员掩蔽的矛盾需求，学生需编制设备转换时序表。

1.转换第一步：拆除或遮挡平时送排风支管（通过密闭阀隔断）。

2.转换第二步：吊装过滤吸收器（平时不安装，储存在物资库，规定时间内完成机械连接）。教师引入换气堵头的概念——平时旁路开启，战时关闭，强迫气流通过滤毒单元。

3.【创新挑战】智能传感与信号指示：设计一个简单的声光报警与阀门连锁电路。要求：当射线报警器/毒剂报警器触发时，自动发出指令：

（1）关闭清洁通风管路上的密闭阀。

（2）开启滤毒通风管路上的密闭阀。

（3）自动启动战时风机。

（4）工程内外信号灯切换（清洁/滤毒/隔绝）。学生绘制简易继电器逻辑图，这是典型的物理与信息技术融合点。

（六）工段六：工程总装答辩与对抗质疑（成果输出）

每组需提交以下四份核心成果，此为过程性评价与终结性评价的结合：

1.某工程通风系统平战结合设计图（手工草图+关键设备标注）。

2.三种通风方式阀门启闭状态表（矩阵表，转化为纯文字叙述格式，如“清洁工况下，阀1开、阀2开、阀3关……”）。

3.风量、阻力、隔绝时间完整计算书。

4.针对“超压失效”或“隔绝时间不足”的应急预案。

五、【非常重要】课堂嵌入式评价量规与作业设计

（一）过程性观测点

1.是否能在设备混战中准确说出过滤吸收器与油网滤尘器的本质区别（防护等级、过滤对象、阻力大小）。【基础】

2.能否手绘（或口述）滤毒通风时进风系统与排风系统的压力分布廓线，明确最高正压点与最大负压点。【难点】

3.能否准确复述超压管和毒剂取样管在工程顶板的预埋位置要求，及其与气密性测试的关系。【高频考点】

（二）课后拓展任务（二选一，长周期作业）

1.数字化建模类：使用EnergyPlus或简易Python环境，仿真800人在隔绝工况下CO₂浓度从0.1%升至1.5%的连续曲线，并预测启动CO₂吸收装置的最佳时机。

2.工程诊断类：调查本地一处早期人防工程（学校可能拥有的人防地下室），查阅其竣工图纸，诊断其通风系统存在的平战转换短板，撰写一篇300字的微诊断建议书。

六、教学资源与环境保障架构

本设计依托人防通风系统三维虚拟仿真实训平台（单机版），该平台内嵌真实产品模型库（含沈阳、新华、阿波罗等品牌过滤吸收器3D模型），支持学生在无实物情况下进行设备拆解与风管连接。同时物理实验室需配备小型通风系统模拟演示台，内含微型防爆活门、有机玻璃风管、差压变送器，可实时采集数据并投射至智慧黑板。不使用任何表格，此处以段落叙述硬件构成：实验台集成24V安全电源，四路风速传感器精度0.01m/s，可通过数据采集器生成风量平衡实时柱状图，将抽象的滤毒通风超压概念转化为可视化的压力水柱高度差。

七、板书生成与认知锚点

黑板左侧固定为三大通风方式设备流程图，教师随教学推进以彩色粉笔动态强化气流箭头，红色代表染毒空气，蓝色代表已滤毒清洁空气，黄色代表冲击波路径。黑板右侧固定为核心计算公式：

1.t隔=(ΔC·V)/(n·q)

2.Q滤=N掩×q标

3.ΔP超压=设计目标值30~50Pa（关联自动排气活门开