14 * 一名物理学家的教育历程教学设计及教案分析

14、

一名物理学家的教育历程

【教学目标】

1、知识和能力

(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。

2、过程和方法：自主 合作 探究

3、情感态度和价值观:引导学生体会科学精神。

【学习重点、难点】引导学生以“教育历程”为重点，探讨其中表现的思想内涵。

【学习课时】1课时

【课前预习案】

【夯实基础 预为之所】

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”。

【课内探究案】

【整体感知 深入思考】

1、作者介绍了他由童年到青年成长过程中的几件事情？每一件事情对他成长为一名物理学家有什么意义？

明确：

第一部分（第1段）：交代童年的两件趣事，极大地丰富了作者对世界的理解力，并且引导作者走上成为一名理论物理学家的历程。

第二部分（第2—11段）：主要叙述作者对鲤鱼世界的遐想。 第三部分（第12—18段）：主要介绍了作者对爱因斯坦未竟事业的向往。

2、“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”。

意在说明“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。

3、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。

4、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。

【能力提升案】

【巩固积累 水滴石穿】

1．下列词语中加点的字，注音有误的一项是（B

）

A.璀璨（càn）

斑斓（lán）

撒手人寰（huán) ．．．B.目眩（xuàn）

畏葸（sī）

孜孜不倦（zī) ．．．

C.怪诞（dàn)

湮没（yān)

自鸣得意（míng ) ．．．

D.遐想（xiá）

杜撰（zhuàn）

惊诧不已（chà) ．．．2.下列各句中，加点的成语使用不恰当的一句是（B

）

A.关于李自成的传说，有不少地方是混合着穷苦百姓的感情和希望，真实的事情未必都被众人知道，而传说的故事未必不含着虚构的、添枝加叶的地方。

．．．．B.虽然李刚劣迹斑斑，但瑕不掩瑜，我们还应该看到他为人仗义的一面。

．．．．

C.对各种自然灾害不能麻痹大意，必须在战术上重视，必须未雨绸缪，防微杜渐。

．．．．

D.“崇尚科学文明，反对迷信愚昧”图片展，将伪科学暴露得淋漓尽致，使观众深受教育。

．．．．3．下列各句无语病的一句是（A）

A.上网的诱惑无法令现代人拒绝，但昂贵的网上消费又使网迷们痛心不已。

B.只要把自己所学的知识同企业的发展、国家的振兴结合起来，知识就不愁有用武之地。

C.摩托罗拉研发中心成立以来，不断研制开发新产品、新技术、新工艺，取得了骄人的成绩。

D.联合国曾将90年代定为减少自然灾害的10年，以期通过世界各国人民的共同努力减少自然灾害给人类带来的痛苦。

4.依次填入下面横线处的句子，与上下文衔接最恰当的一组是（A）

我想象那弓影高耸的枫桥，桥下是潺潺的流水，桥畔停泊着一二客船。

假如在月落乌啼的寒夜会霜风如削，星星渔火闪烁在江面，钟声如缕，悠悠从水面飘来叩醒舟人的客梦。

①那云水苍茫，烟波浩渺的一片秋江，

②那一片秋江云水苍茫，烟波浩渺，

③夕阳的影里沿江的红树沉醉着；

④沿江的红树沉醉在夕阳的影里；

⑤寒山寺的梵宇，矗立在丛树之间。

⑥丛树之间矗立着寒山寺的梵宇。

A.①③⑤

B.②④⑥

C.①④⑥

D.②④⑤

阅读下面的文字，完成第5－7题。

我们的宇宙外面是什么

在宇宙学中，有一个非常重要的常数、叫做宇宙学常数。这个常数在我们的宇宙中起着一种斥力的作用，使得我们的宇宙加速膨胀。20世纪80年代末，诺贝尔奖获得者、美国理论物理学温伯格指出，如果宇宙学常数显著地大于它现在所具有的数值，那么它的排斥作用就会过于巨大，以致万有引力根本不可能把物质吸引到一起形成恒星和星系。

据此，一些科学家提出了所谓“人择原理”。也就是说，我们的宇宙为什么是这个样子，那是因为它必须是这个样子，生命才有可能产生，人类才有可能存在。或者说，一些物理常数的数值为什么必须那么大，那是因为只有当它们的数值等于那么大的时候才会有人类存在。

“人择原理”是当代物理学中争论最激烈的问题之一。大多数物理学家认为，在我们的宇宙中，自然规律之所以是这个样子，应该有着某种跟人类存在毫无关系的深层原因。“人择原理”最激烈的反对者说，这个原理是不科学的，它起着帮助“创世论”的作用，意味着有某个类似于上帝的设计者为最后创造出生命和人类，对即将通过大爆炸生成的宇宙作了细致的调节。

但是，另一些物理学家则为“人择原理”另辟蹊径。他们认为我们的宇宙只不过是许多

可能存在着的宇宙中的一个。事实上，许多物理学家和宇宙学家已经开始相信我们的宇宙不是独一无二的，而是许许多多宇宙中的一个。按照这种“多重宇宙”思想，有无数不同的宇宙和无数可能的自然规律。它们并非都生成恒星和星系。即使恒星和星系能够生成，它们那里的不同的自然规律也不一定会让恒星制造出那些对于生命来说至关重要的元素。

当然，按照多重宇宙观点，我们的宇宙就不是惟一复杂到足以支持有意识的生命存在的宇宙。英国天文学家里斯认为，在多重宇宙中，数量众多的不适合人类居住的宇宙构成了一个巨大的“海洋”，在这个“海洋”中可能散布着一些“岛屿”，这些“岛屿”被称为“可居住宇宙”。在各个可居住宇宙中，物理常数的数值仅仅略微有些不同，都在允许生命存在的范围之内。我们的宇宙应该是一个普通的可居住宇宙，并无特别之处。

多重宇宙使得"人择原理"成为一种概率原理，从而具有了科学依据。有一种能够把量子力学和广义相对论调和在一起的新理论，叫做弦论。这种理论主张一切物质都由极其细小的弦组成，这些弦具有一定的能量，在十维的时空中进行振动。弦论所描述的宇宙远不止一个，可达10500个。这是一个我们无法想像的巨大的数字。在这么多的宇宙之中，每个宇宙都有不同的物理特性，可居住宇宙的出现即使只有极其微小的频率，它的绝对数量也必定是一个非常大的数字。

诚然，弦论是一种尚未被实验和观测证实的理论。可是，且不说弦论，实际上里斯走得比这更远。他认为在那些可居住宇宙的“岛屿”上，确定基本物理学和宇宙学状况的物理常数也许可以与我们的宇宙有很大差别。例如，它们或许有更重的电子，或许由一次较冷的大爆炸演化而来，或许光会以较低的速度传播，或许万有引力会更强大。如果真是这样，那可居住宇宙出现的概率就大多了，但它们相互之间的差别也就十分巨大。

（节选自王家骥《别样宇宙花亦红》，略有改动。）

5．从原文看，下列对“人择原理”有关内容的解说，不正确的一项是（ ）

A.“人择原理”是一种以物理学为依据试图解释我们的宇宙生命诞生原因的理论。

B.“人择原理”认为我们的宇宙的自然规律与生命产生、人类存在之间有必然关系。

C.“人择原理”符合多重宇宙理论观点，是用以解释可居住宇宙的普遍适用的原理。

5．C。【解析】该题难度较小，“普遍适用”，夸大其词。

6．从原文看，下列对"实际上里斯走得比这更远"这句话的理解，正确的一项是（ ）

A.里斯发展了一种能够把量子力学和广义相对论调和在一起的弦论。

B.里斯接受了多重宇宙观点并通过实验和观测创建了新的理论体系。

C.里斯已为“人择原理”和可居住宇宙找到了更多的物理常数的证据。

D.里斯认为物理常数与生命产生之间的关系未必局限于已有的认识。

6． D。【解析】A项“走得更远”并不能说明是“发展了”。B项说“里斯接受了多重宇宙观点”，从第五段中可以找到根据，但说他“通过试验和观测创建了新的理论体系”是引申不当。C项“找到了”与文末“如果真是这样”不一致。

该题难度较大，一定要把文章最后一段和第五段结合起来阅读。

7．依据原文提供的信息，下列推断不正确的一项是（ ）

A.虽然科学家都以我们的宇宙为参照来推求其他可居住宇宙的存在，但结论不尽相同。

B.尽管“人择原理”受到了普遍的质疑，但是它对促进弦论的发展却起到了较大的作用。

C.即使真正弄清了生命产生与物理常数的关系，也未必能准确描述可居住宇宙的数量。

D.虽然科学家对多重宇宙和可居住宇宙的认识不尽相同，但他们的认识正在逐步深入。

7． B。【解析】弦论主要理论根据是量子力学和广义相对论。

*教后反思*