一名物理學(xué)家的教育歷程·教案

【背景資料】 一、作者介紹 加來道雄，美籍日裔物理學(xué)家，畢業(yè)于美國哈佛大學(xué)，獲加利福尼亞大學(xué)伯克利分校哲學(xué)博士學(xué)位，后任紐約市立大學(xué)城市學(xué)院理論物理學(xué)教授。主要著作有《超越愛因斯坦》（與特雷納合著）《量子場論》《超弦導(dǎo)論》。 二、相關(guān)知識 為了更好地理解課文，我們需要了解一些相關(guān)的理論物理學(xué)知識： （1）統(tǒng)一場論 根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)知識，將我們的宇宙結(jié)合起來的力有四種：引力、電磁力、強核力和弱核力。物理學(xué)家運用量子力學(xué)，已經(jīng)把后三種力統(tǒng)一起來（美籍華裔物理學(xué)家楊振寧和他的學(xué)生米爾斯提出楊一米爾斯場理論，解決了這一問題，被稱為“標(biāo)準(zhǔn)模型”。但是這一理論因為計算繁復(fù)無比而讓人頭疼），但是引力 仍然游離在外。愛因斯坦畢終生之力想尋求四種力的統(tǒng)一，建立一個大一統(tǒng)的理論，最終也沒有實現(xiàn)。 （2）高維空間 現(xiàn)代理論物理學(xué)認為，統(tǒng)一四種力的前景，在于高維空間（如十維或更高）理論的確立。比如對于古人來講，風(fēng)暴是怎樣產(chǎn)生的，風(fēng)暴會襲擊什么地方，什么時候襲來，什么時候結(jié)束，他們是一無所知的，因為他們生活在平坦的大地上，只能靠肉眼從近似于二維平面的角度來觀察，即使有簡單的預(yù)報，也都是靠 經(jīng)驗來推測的�，F(xiàn)在有了氣象衛(wèi)星，從太空這樣三維角度觀察地球，在地面上看來神秘莫測的風(fēng)暴被看得一清二楚，可以精準(zhǔn)地預(yù)報風(fēng)暴的動向。同樣，理論物理學(xué)家認為，傳統(tǒng)的四維（空間三維加上時間）理論太“小”，不能解釋宇宙中的四種力。當(dāng)他們超越四維而在更高維（如十維或更高）中尋求統(tǒng)一這四種力時，就能得到一種簡單、漂亮的解決模型（科學(xué)家認為宇宙應(yīng)該是簡單、合諧的）。 高維空間理論認為，宇宙大爆炸后10-43秒，十維宇宙分解成四維宇宙和六維宇宙，四維宇宙暴脹，經(jīng)過近一百五十億年，演變成今天我們生活的宇宙。大爆炸后10-35秒，大統(tǒng)一力分開。但是高維空間理論很難在實驗室中得到證實，因為要模擬當(dāng)時的環(huán)境，需要的能量太大，根本無法做到，所以現(xiàn)在高維空間理論只能是“理論”。 【示范教案】 一名物理學(xué)家的教育歷程 【教學(xué)目標(biāo)】 一、知識教育目標(biāo) 引導(dǎo)學(xué)生從生活出發(fā)，了解科學(xué)、認識科學(xué)。 二、能力培養(yǎng)目標(biāo) 引導(dǎo)學(xué)生以“教育歷程”為重點，探討其中表現(xiàn)的思想內(nèi)涵。 三、德育滲透目標(biāo) 引導(dǎo)學(xué)生體會科學(xué)精神。 【重點、難點及解決辦法】 高維空間對普通人來說，是很難想像的。所以，教學(xué)重點是文章內(nèi)容，而不是相關(guān)的科學(xué)知識。相關(guān)知識教師有所了解，能幫助教學(xué)課文即可，不必教授給學(xué)生。 【課時安排】1課時 【教學(xué)步驟】 一、導(dǎo)入新課 成為一位科學(xué)家是無數(shù)有志青年的夢想，對物理的探究更是許多年輕的學(xué)子孜孜以求的，我們來看一下加來道雄的成長道路，或許能得到一些啟發(fā)。 （板書）一名物理學(xué)家的教育歷程 二、明確目標(biāo) 1．引導(dǎo)學(xué)生從生活出發(fā)，了解科學(xué)、認識科學(xué) 2．引導(dǎo)學(xué)生以“教育歷程”為重點，探討其中表現(xiàn)的思想內(nèi)涵。 三、整體感知 1．作者簡介 加來道雄，美籍日裔物理學(xué)家，畢業(yè)于美國哈佛大學(xué)，獲加利福尼亞大學(xué)伯克利分校哲學(xué)博士學(xué)位，后任紐約市立大學(xué)城市學(xué)院理論物理學(xué)教授。主要著作有《超越愛因斯坦》（與特雷納合著）《量子場論》《超弦導(dǎo)論》。 2．本文的基本結(jié)構(gòu) 文章的題目是“一名物理學(xué)家的教育歷程”，因此，敘述的順序主要是歷時性的。但是，作者開頭就說“童年的兩件趣事極大地豐富了我對世界的理解力，并且引導(dǎo)我走上成為一個理論物理學(xué)家的歷程�！倍�“童年的兩件趣事”作為文章的主要內(nèi)容，又是共時性的敘述。這樣的結(jié)構(gòu)安排，使文章既脈絡(luò)清楚，又 重點突出。結(jié)構(gòu)如圖： 童年 青年 （成年） 鯉魚世界的幻想（想像） 實驗 （理論物理學(xué)家） 愛因斯坦故事（理論） 3．本文的基本內(nèi)容 ①人人都對自然感到好奇，都以自己喜愛的形式尋求自然的“謎底”，但是大多數(shù)人一般直接探尋自然本身，而作者卻由人的觀察角度，反思人類對宇宙的認知�？此谱髡呱倌陼r的思維超出同齡人，其實只是他充分發(fā)揮了自己的想像力，并且保持了這樣奇特的想像力，由此奠定了他對高維空間理論探究的基礎(chǔ)。 ②作者少年時接觸到愛因斯坦的“未竟事業(yè)”，激發(fā)了他的探究興趣。他之所以感到“激動人心”，是因為他把愛因斯坦的理論當(dāng)成一個“偵探故事”來閱讀、探 究，這非常符合少年的心理。另外，“我決定要對這一秘密刨根問底”，也表現(xiàn)了他有毅力有恒心的性格，這是成為科學(xué)家的基本素質(zhì)。③高中時代，本應(yīng)“在棒球 場或籃球場玩耍”，享受青春年華，但作者卻“找遍周邊地區(qū)大量的電子倉庫，裝配必需的硬件設(shè)備”，在“學(xué)校的足球場中纏繞22英里長的銅線”，自己動手建設(shè)實驗室，驗證愛因斯坦理論，探究反物質(zhì)。作者進行這樣艱苦枯燥的工作，體現(xiàn)了他對科學(xué)的熱愛，以及踏實的性格，顯露出一個科學(xué)工作者的潛能。由①②到 ③，我們可以清楚地看到作者的“教育歷程”和“教育內(nèi)容”。 四、重點、難點的學(xué)習(xí)與目標(biāo)完成過程 1．【提問】本文在材料處理上有什么特點？ 【明確】本文布局謀篇重點突出，詳略得當(dāng)。在整體上，作者并沒有從童年到小學(xué)到初中到高中，按時間順序敘事，而是通過童年的兩件趣事和高中時建立實驗室的事例，突出他成長為一名“物理學(xué)家”的“教育歷程”，并不旁及其他成長的經(jīng)驗；在局部上，如高中階段，作者看了許多統(tǒng)一場理論方面的書，并常常去斯坦福大學(xué)的物理圖書館，相關(guān)的理論書籍是怎樣啟發(fā)、引導(dǎo)他研究的，這里肯定有許多精彩的故事，但是作者只是一筆帶過，重點放在制造“自己的原子對 撞機”上，其中具體的數(shù)據(jù)敘述得很詳盡，讓人體會到作者嚴謹、踏實的性格，以及內(nèi)在的成為物理學(xué)家所需要的基本素質(zhì)。 2．【提問】本文體現(xiàn)了怎樣的科學(xué)精神？ 【明確】本文三個主要部分，并不是簡單地敘述成長的故事，而是具有深刻的科學(xué)精神內(nèi)涵，可以從中看到哪些方面的“教育”對成為優(yōu)秀科學(xué)家最為重要。 （1）想像力：科學(xué)是需要想像力的，想像力能帶來創(chuàng)造力。作者正是從對鯉魚世界的想像中，認識到人類觀察空間的局限性，間接感悟到高維空間存在的可能。由感性的想像上升到理性的創(chuàng)造，體現(xiàn)了創(chuàng)新意識和探索精神。 （2）樂趣：科學(xué)不應(yīng)該是枯燥的，而是應(yīng)該充滿樂趣的。探尋自然的奧秘，對真正的科學(xué)工作者來說，是和自然做的近似于捉迷藏的“游戲”，也是人生的“境界”。“游戲”使他們樂此不疲，充滿激情，不受外界的誘惑和干擾；而“境界”使他們不顧功利，不畏強權(quán)，只求真理。 （3）實驗精神：丁肇中說過：“現(xiàn)代學(xué)術(shù)的基礎(chǔ)就是實地的探察，就是我們現(xiàn)在所謂的實驗�！薄翱茖W(xué)發(fā)展的歷史告訴我們，新的知識只能通過實 地實驗而得到，不是由自我檢討或哲理的清談就可求到的�！保ā稇�(yīng)有格物致知精神》）有了想像力，有了樂趣，那只是成為科學(xué)家的最基礎(chǔ)的因素，不去踏踏實實 地做實驗，就不能得到基本數(shù)據(jù)，假說就不能確立。一味地空想，不去做基礎(chǔ)工作，不可能達到真理的彼岸。作者從事的高維空間理論，雖然還停留在紙面上，但是科學(xué)家們已經(jīng)在做許多基礎(chǔ)的實驗工作，努力使理論得到證明。即使如科學(xué)家霍金靠睿智的頭腦創(chuàng)建黑洞理論，也要有數(shù)學(xué)和天體物理學(xué)的實驗基礎(chǔ)，也不是空想出 來的。 3．【提問】“鯉魚科學(xué)家”對“世界”的認識是怎樣的？ 【明確】主要有以下幾點：（1）“水池之外看不見的世界沒有科學(xué)意義。”（2）“它們?yōu)樗�蓮自己能夠運動而困惑不解”——它們以神秘的 “力”來掩蓋自己的無知。（3）“鯉魚科學(xué)家”的“消失”和“重現(xiàn)”——它們認為是“奇跡”，是“可怖的事情”，而不肯去探究原因。（4）“鯉魚科學(xué)”的 “傳奇故事”，真實地證明另一個世界的存在，而它們卻認為“胡說八道”，荒謬絕倫，違背它們的“自然規(guī)律”。 4．【提問】作者想通過“鯉魚科學(xué)家”對世界的認識說明什么？ 【明確】說明“自以為是”的人類和“鯉魚科學(xué)家”有相似之處。（1）人類“一生就在我們自己的‘池子’里度過”，只要“超出我們的理解力” 的自然存在，他們就“拒絕承認”。（2）“科學(xué)家發(fā)明像力這樣一些概念……”，是因為他們只愿意承認“那些看得見摸得著的事物”，不肯改變思考問題的方 式。（3）“不能在實驗室里便利地驗證”的理論，他們就加以“鄙視”，表現(xiàn)出思想上的保守和固執(zhí)。 5．【提問】課文中閱讀多維空間歷險故事和統(tǒng)一場理論書籍兩小段內(nèi)容，對“教育歷程”的敘述有什么作用？ 【明確】課文的重點是童年趣事和建立實驗室，這三個事例已經(jīng)把“教育歷程”完整地勾畫出來。而夾雜在其中的兩個小事例，主要起補充和銜接的 作用。歷險故事加深作者對高維空間的想像，激發(fā)興趣；而閱讀統(tǒng)一場理論書籍，既表現(xiàn)高中階段作者求知的熱情，也銜接起由理論到實驗的探究過程。 6．【提問】作者說“我決定要對這一問題刨根問底，縱然為此而必須成為一名理論物理學(xué)家也在所不辭�！痹谧髡咝闹小袄碚撐锢韺W(xué)家”應(yīng)該是怎樣的人？ 【明確】理論物理學(xué)家的工作是抽象、枯燥的，受實驗條件的限制，自己的學(xué)說很難得到實驗的證明，甚至可能到死也得不到成就。這樣的人必須耐得住寂寞，必須有奉獻精神�！霸谒�不辭”意味著“理論物理學(xué)家”道路的艱辛。 7．【提問】作者建立實驗室的事例，對我們現(xiàn)實生活有怎樣的意義？ 【明確】科學(xué)是建立在基礎(chǔ)實驗之上的，科學(xué)理論要經(jīng)過實驗的檢驗才能得到論證。實驗不是簡單的操作，要有理論指導(dǎo)，要有實驗的設(shè)計，要有策劃組織能力，要有耐力和恒心等等，實驗考驗的是實驗者的綜合能力。而我們當(dāng)前存在的問題是，重視理論，輕視基礎(chǔ)實驗，表現(xiàn)為動手能力和實踐能力差，思想上 浮躁，急功近利。對教育而言，重知識，輕能力的現(xiàn)象很普遍。這些都是一名理論物理學(xué)家重視實驗給我們現(xiàn)實生活的啟迪。

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