《一名物理学家的教育历程》教案

来源: 发布时间:2012-04-13 15:27:42 整理:一品高考网


 【背景资料】 
    一、作者介绍 
    加来道雄,美籍日裔物理学家,毕业于美国哈佛大学,获加利福尼亚大学伯克利分校哲学博士学位,后任纽约市立大学城市学院理论物理学教授。主要著作有《超越爱因斯坦》(与特雷纳合著)《量子场论》《超弦导论》。 
    二、相关知识 
    为了更好地理解课文,我们需要了解一些相关的理论物理学知识: 
    (1)统一场论 
    根据现代物理学知识,将我们的宇宙结合起来的力有四种:引力、电磁力、强核力和弱核力。物理学家运用量子力学,已经把后三种力统一起来(美籍华裔物理学家杨振宁和他的学生米尔斯提出杨一米尔斯场理论,解决了这一问题,被称为“标准模型”。但是这一理论因为计算繁复无比而让人头疼),但是引力仍然游离在外。爱因斯坦毕终生之力想寻求四种力的统一,建立一个大一统的理论,最终也没有实现。 
    (2)高维空间 
    现代理论物理学认为,统一四种力的前景,在于高维空间(如十维或更高)理论的确立。比如对于古人来讲,风暴是怎样产生的,风暴会袭击什么地方,什么时候袭来,什么时候结束,他们是一无所知的,因为他们生活在平坦的大地上,只能靠肉眼从近似于二维平面的角度来观察,即使有简单的预报,也都是靠经验来推测的。现在有了气象卫星,从太空这样三维角度观察地球,在地面上看来神秘莫测的风暴被看得一清二楚,可以精准地预报风暴的动向。同样,理论物理学家认为,传统的四维(空间三维加上时间)理论太“小”,不能解释宇宙中的四种力。当他们超越四维而在更高维(如十维或更高)中寻求统一这四种力时,就能得到一种简单、漂亮的解决模型(科学家认为宇宙应该是简单、合谐的)。 
    高维空间理论认为,宇宙大爆炸后10-43秒,十维宇宙分解成四维宇宙和六维宇宙,四维宇宙暴胀,经过近一百五十亿年,演变成今天我们生活的宇宙。大爆炸后10-35秒,大统一力分开。但是高维空间理论很难在实验室中得到证实,因为要模拟当时的环境,需要的能量太大,根本无法做到,所以现在高维空间理论只能是“理论”。 


【示范教案】 
一名物理学家的教育历程 
教学目标   
    一、知识教育目标 
    引导学生从生活出发,了解科学、认识科学。 
    二、能力培养目标 
引导学生以“教育历程”为重点,探讨其中表现的思想内涵。 
    三、德育渗透目标 
引导学生体会科学精神。 
重点、难点及解决办法 
高维空间对普通人来说,是很难想像的。所以,教学重点是文章内容,而不是相关的科学知识。相关知识教师有所了解,能帮助教学课文即可,不必教授给学生。 
课时安排 
                           1课时 
教学步骤 
    一、导入新课 
    成为一位科学家是无数有志青年的梦想,对物理的探究更是许多年轻的学子孜孜以求的,我们来看一下加来道雄的成长道路,或许能得到一些启发。 
    (板书)一名物理学家的教育历程 
    二、明确目标 
    1.引导学生从生活出发,了解科学、认识科学 
    2.引导学生以“教育历程”为重点,探讨其中表现的思想内涵。 
    三、整体感知 
1.作者简介 
    加来道雄,美籍日裔物理学家,毕业于美国哈佛大学,获加利福尼亚大学伯克利分校哲学博士学位,后任纽约市立大学城市学院理论物理学教授。主要著作有《超越爱因斯坦》(与特雷纳合著)《量子场论》《超弦导论》。 
    2.本文的基本结构 
    文章的题目是“一名物理学家的教育历程”,因此,叙述的顺序主要是历时性的。但是,作者开头就说“童年的两件趣事极大地丰富了我对世界的理解力,并且引导我走上成为一个理论物理学家的历程。”而“童年的两件趣事”作为文章的主要内容,又是共时性的叙述。这样的结构安排,使文章既脉络清楚,又重点突出。结构如图: 

童年                        青年              (成年) 
   鲤鱼世界的幻想(想像) 
                                实验          (理论物理学家) 
   爱因斯坦故事(理论) 
    3.本文的基本内容 
①人人都对自然感到好奇,都以自己喜爱的形式寻求自然的“谜底”,但是大多数人一般直接探寻自然本身,而作者却由人的观察角度,反思人类对宇宙的认知。看似作者少年时的思维超出同龄人,其实只是他充分发挥了自己的想像力,并且保持了这样奇特的想像力,由此奠定了他对高维空间理论探究的基础。②作者少年时接触到爱因斯坦的“未竟事业”,激发了他的探究兴趣。他之所以感到“激动人心”,是因为他把爱因斯坦的理论当成一个“侦探故事”来阅读、探究,这非常符合少年的心理。另外,“我决定要对这一秘密刨根问底”,也表现了他有毅力有恒心的性格,这是成为科学家的基本素质。③高中时代,本应“在棒球场或篮球场玩耍”,享受青春年华,但作者却“找遍周边地区大量的电子仓库,装配必需的硬件设备”,在“学校的足球场中缠绕22英里长的铜线”,自己动手建设实验室,验证爱因斯坦理论,探究反物质。作者进行这样艰苦枯燥的工作,体现了他对科学的热爱,以及踏实的性格,显露出一个科学工作者的潜能。由①②到③,我们可以清楚地看到作者的“教育历程”和“教育内容”。 
四、重点、难点的学习与目标完成过程 
    1.【提问】本文在材料处理上有什么特点? 
    【明确】本文布局谋篇重点突出,详略得当。在整体上,作者并没有从童年到小学到初中到高中,按时间顺序叙事,而是通过童年的两件趣事和高中时建立实验室的事例,突出他成长为一名“物理学家”的“教育历程”,并不旁及其他成长的经验;在局部上,如高中阶段,作者看了许多统一场理论方面的书,并常常去斯坦福大学的物理图书馆,相关的理论书籍是怎样启发、引导他研究的,这里肯定有许多精彩的故事,但是作者只是一笔带过,重点放在制造“自己的原子对撞机”上,其中具体的数据叙述得很详尽,让人体会到作者严谨、踏实的性格,以及内在的成为物理学家所需要的基本素质。 
    2.【提问】本文体现了怎样的科学精神? 
    【明确】本文三个主要部分,并不是简单地叙述成长的故事,而是具有深刻的科学精神内涵,可以从中看到哪些方面的“教育”对成为优秀科学家最为重要。 
    (1)想像力:科学是需要想像力的,想像力能带来创造力。作者正是从对鲤鱼世界的想像中,认识到人类观察空间的局限性,间接感悟到高维空间存在的可能。由感性的想像上升到理性的创造,体现了创新意识和探索精神。 
    (2)乐趣:科学不应该是枯燥的,而是应该充满乐趣的。探寻自然的奥秘,对真正的科学工作者来说,是和自然做的近似于捉迷藏的“游戏”,也是人生的“境界”。“游戏”使他们乐此不疲,充满激情,不受外界的诱惑和干扰;而“境界”使他们不顾功利,不畏强权,只求真理。 
    (3)实验精神:丁肇中说过:“现代学术的基础就是实地的探察,就是我们现在所谓的实验。”“科学发展的历史告诉我们,新的知识只能通过实地实验而得到,不是由自我检讨或哲理的清谈就可求到的。”(《应有格物致知精神》)有了想像力,有了乐趣,那只是成为科学家的最基础的因素,不去踏踏实实地做实验,就不能得到基本数据,假说就不能确立。一味地空想,不去做基础工作,不可能达到真理的彼岸。作者从事的高维空间理论,虽然还停留在纸面上,但是科学家们已经在做许多基础的实验工作,努力使理论得到证明。即使如科学家霍金靠睿智的头脑创建黑洞理论,也要有数学和天体物理学的实验基础,也不是空想出来的。 
    3.【提问】“鲤鱼科学家”对“世界”的认识是怎样的? 
    【明确】主要有以下几点:(1)“水池之外看不见的世界没有科学意义。”(2)“它们为睡莲自己能够运动而困惑不解”——它们以神秘的“力”来掩盖自己的无知。(3)“鲤鱼科学家”的“消失”和“重现”——它们认为是“奇迹”,是“可怖的事情”,而不肯去探究原因。(4)“鲤鱼科学”的“传奇故事”,真实地证明另一个世界的存在,而它们却认为“胡说八道”,荒谬绝伦,违背它们的“自然规律”。 
    4.【提问】作者想通过“鲤鱼科学家”对世界的认识说明什么? 
    【明确】说明“自以为是”的人类和“鲤鱼科学家”有相似之处。(1)人类“一生就在我们自己的‘池子’里度过”,只要“超出我们的理解力”的自然存在,他们就“拒绝承认”。(2)“科学家发明像力这样一些概念……”,是因为他们只愿意承认“那些看得见摸得着的事物”,不肯改变思考问题的方式。(3)“不能在实验室里便利地验证”的理论,他们就加以“鄙视”,表现出思想上的保守和固执。 
    5.【提问】课文中阅读多维空间历险故事和统一场理论书籍两小段内容,对“教育历程”的叙述有什么作用? 
    【明确】课文的重点是童年趣事和建立实验室,这三个事例已经把“教育历程”完整地勾画出来。而夹杂在其中的两个小事例,主要起补充和衔接的作用。历险故事加深作者对高维空间的想像,激发兴趣;而阅读统一场理论书籍,既表现高中阶段作者求知的热情,也衔接起由理论到实验的探究过程。 
    6.【提问】作者说“我决定要对这一问题刨根问底,纵然为此而必须成为一名理论物理学家也在所不辞。”在作者心中“理论物理学家”应该是怎样的人? 
    【明确】理论物理学家的工作是抽象、枯燥的,受实验条件的限制,自己的学说很难得到实验的证明,甚至可能到死也得不到成就。这样的人必须耐得住寂寞,必须有奉献精神。“在所不辞”意味着“理论物理学家”道路的艰辛。 
7.【提问】作者建立实验室的事例,对我们现实生活有怎样的意义? 
    【明确】科学是建立在基础实验之上的,科学理论要经过实验的检验才能得到论证。实验不是简单的操作,要有理论指导,要有实验的设计,要有策划组织能力,要有耐力和恒心等等,实验考验的是实验者的综合能力。而我们当前存在的问题是,重视理论,轻视基础实验,表现为动手能力和实践能力差,思想上浮躁,急功近利。对教育而言,重知识,轻能力的现象很普遍。这些都是一名理论物理学家重视实验给我们现实生活的启迪
 

王佐明

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