14 * 一名物理学家的教育历程第二课时教案

一名物理学家的教育历程

【教学目标】

1．引导学生从生活出发，了解科学、认识科学，体会科学的精神。

2．引导学生以“教育历程”为重点，探讨其中表现的思想内涵。培养筛选整合文章关键信息的能力。

3．感受科学家在探求真理中所表现的人格魅力，激发学生探求未知世界的兴趣，培养学生养成良好的性格品质。

【教学重点】

引导学生以“教育历程”为重点，探讨其中表现的思想内涵，引导学生体会科学精神。

【教学难点】

培养筛选整合文章关键信息的能力。

【教学过程】

一、导入：作为小孩的我们，当看到一些引起我们好奇的现象时，总喜欢去问为什么，也爱去探究，你有过什么样的探究经历呢？（请同学谈谈小时候由好奇引发的探究经历）

每个人都有自己充满了神奇的童年，都有过与这些好奇相关的探索。那么请问同学们现在还在继续探索吗？如果你继续探索，说不定你就有可能是第二个加来道雄！我们今天一起来看看他的教育历程。

二、了解作者

加来道雄（1947---今），美籍日裔物理学家。世界著名物理学家、著名的科学畅销书的著作作者、超弦理论的奠基人。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》。其中的《超越时空》被称为“20世纪人类的伟大智力壮行”。

题记作用：这句话表明了他研究理论物理的目标和意义，，作者加以引用，即表示对爱因斯坦科学探索精神的崇敬和对爱因斯坦探索宇宙的意义的理解，也表明他一生求索的目标以及他对自己探索宇宙本质的意义的认识。

三、课文研习，探究历程：

（一）夯实基础，正音

刨根究底（

páo ）

撒手人寰（

huán）

湮没

（

yán ）

惊诧（

chà）

栅

栏

（

zhà

）

畏葸不前（

xǐ

）

五彩斑斓（

lán ）

目眩（xuàn）

鄙

视（

bǐ

）

冷嘲热讽（

fěng）

杜

撰（zhuàn）

怪诞（

dàn）

（二）结构梳理，整体感知

作者在文章的开篇就说了：“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“。这两件趣事是什么？

第一件是指作者小时候在父母的带领下，去旧金山游览著名的日本茶园。作者在那里发现了丰富多彩的非常有趣的鲤鱼世界。

第二件趣事是指作者在八岁时曾听过的一个有关整个人类历史上最伟大的科学家的故事。

文章题目是“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。但是作者在开头说“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”作为文章主要内容，又是共时性的叙述。这样安排，使文章脉络清楚，又重点突出。

结构图：

童年

青年

成年

鲤鱼世界的幻想（想象）

——实验——（理论物理学家）

爱因斯坦故事（理论）

叙述的顺序主要是历时性的

，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。

（三）合作探究：

1、作者认为童年的两件事是有趣的，那么他认为趣在哪里呢？（筛选整合信息、关键词句）

（1）鲤鱼世界的趣——“我想，它们的世界一定奇妙无比。”

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“恐怖的事情”，而不肯去探究原因。

④“鲤鱼‘科学家’”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“。

（2）“对于一个孩子来说，这是很神秘的。”——“但是最使我感兴趣的是他未能完成自己的伟大发现就撒手人寰。”

2、这两件趣事引导了作者做什么呢？

（1）鲤鱼“科学家”引起了作者对人类社会的思考，借此来说明人类的“自以为是”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。

这件事充分了挖掘了作者的好奇心和想象力，引发了他对高维空间的思考，奠定了他对高维空间理论探究的基础。

（2）爱因斯坦未竟事业首先引起了作者的探索兴趣，去探索这个未竟的事业；其次他把爱因斯坦的理论当成一个“侦探故事”来阅读、探究，并且“我决定要对这一秘密刨根问底”；再次高中时代,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。在这一过程中作者的基本科学素质都得到了培养和锻炼。例如探究能力，推断能力，动手实验能力以及在其中不可缺少的不怕挫折、质疑求真的科学精神，尊重事实和实事求是的科学态度等都得到了培养和锻炼。

3、作者的童年趣事引导了他走上一名理论物理学家的历程，那么我们的好奇为什么没有引导我们呢？你觉得你和作者不同之处在于哪儿呢？

（丰富的想象力、对科学的兴趣、勇于实践、勤奋钻研、有恒心、勤于探究、实验的精神、要耐得住寂寞、不要固步自封、坚定的信念，坚持不懈的努力。……）

（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。作者如果不是对这些趣事充满乐趣，充满好奇，那么他就不会去探寻自然的奥秘。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。 （3）实验精神：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。

四、总结

一名理论物理学家的成长历程，给了我们很多的启示：大胆的想象、怀疑和猜测，不要固步自封；兴趣在人的成长过程中是不可或缺的，但要达到成功的彼岸离不了坚定的信念、坚持不懈的努力，这或许是作者要告诉我们后辈的，希望大家能踏着他的脚步，一步一步取得进步。我们还知道哪些和作者成长历程相似的科学家？

补充资料：

（1）理论物理学家：对应于物理学分为理论物理和实验物理，物理学家也可以分为理论物理学家和实验物理学家。当然，物理学中理论和实验都是必不可缺的组成部分，所以有时候这样的分类很难界定。只不过在一个物理学家更偏重理论的情况下，他（她）被称为理论物理学家，例如爱因斯坦；而如果偏重实验，则称为实验物理学家，例如法拉第。）（探索宇宙

加来道雄博士在GCF大会上的精彩讲话。）

（2）爱因斯坦（1879——1955），美籍德国犹太裔，理论物理学家，相对论的创立者，现代物理学奠基人。1921年获诺贝尔物理学奖，1999年被美国《时代周刊》评选为“世纪伟大”。有一次，一个美国记者问爱因斯坦关于他成功的秘诀。他回答：“早在1901年，我还是二十二岁的青年时，我已经发现了成功的公式。我可以把这公式的秘密告诉你，那就是A+X=Y=Z！A就是成功，X就是正确的方法，Y是努力工作，Z是少废话！这公式对我有用，我想对许多人也一样有用。

（3）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。 （4）多维空间：0维：没有长宽高，单纯的一个点，如奇点。

一维

：只有长度

二维

：平面世界

只有长宽

三维

：长宽高

立体世界

我们肉眼亲身感觉到看到的世界

三维空间是点的位置由三个坐标决定的空间。

四维

：是在空间的架构上比普通三维空间的长、宽、高三条轴外又加了一条时间轴，而这条时间的轴是一条虚数值的轴。根据阿尔伯特·爱因斯坦相对论所说：我们生活中所面对的三维空间加上时间构成所谓四维空间。

一维是线，二维是面，三维是静态空间，四维是动态空间（因为有了时间）。

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”。 （5）据美国《生活科学》杂志８月号报道，科学家的使命是搞清楚这个世界如何运转，让大自然迫不得已泄露隐藏许久的秘密。当然，并非每一个人都能成为科学家。那究竟具备什么样的素质才能成为科学家呢？

成为一位科学家必须具备两个重要条件：探寻谜团的好奇心和解开谜团的创造力。欧洲研究委员会委托进行的一项有关科学创造力的研究称："科学家表现出超强的好奇心。他们会对基本问题进行更加深入的研究，充分表现出求知的欲望。"好奇心是指对一个有序世界微小差异的敏感性。大量研究表明，充满好奇心的人渴望寻求新奇的事物和陌生的东西，希望给一切问题找到更好的答案。

好奇的科学家相信，茫茫宇宙定有规律。他们总在孜孜不倦地寻找目前公认理论难以解

释的数据，为了平息数据和理论之间的冲突，科学家常常越过各种思想桎梏，通过不同角度思考问题。被誉为"量子物理学之父"的德国科学家马克斯．普朗克说过，科学家"必须具有鲜活的、本能的想像，因为新思想不是通过推理产生的，而是通过艺术创造力想像出来的"。

1、. 阿基米德

关于阿基米德，流传着这样一段有趣的故事。相传叙拉古赫农王让工匠替他做了一顶纯金的王冠，做好后，国王疑心工匠在金冠中掺了假，但这顶金冠确与当初交给金匠的纯金一样重，到底工匠有没有捣鬼呢？既想检验真假，又不能破坏王冠，这个问题不仅难倒了国王，也使诸大臣们面面相觑。

后来，国王请阿基米德来检验。最初，阿基米德也是冥思苦想而不得要领。一天，他去澡堂洗澡，当他坐进澡盆里时，看到水往外溢，同时感到身体被轻轻拖起。他突然悟到可以用测定固体在水中排水量的办法，来确定金冠的比重。他兴奋地跳出澡盆，连衣服都顾不得跑了出去，大声喊着“尤里卡！尤里卡！”。(Fureka，意思是“我知道了”)。

他经过了进一步的实验以后来到王宫，他把王冠和同等重量的纯金放在盛满水的两个盆里，比较两盆溢出来的水，发现放王冠的盆里溢出来的水比另一盆多。这就说明王冠的体积比相同重量的纯金的体积大，所以证明了王冠里掺进了其他金属。

他是物理学家、数学家，静力学和流体静力学的奠基人。

2．麦克斯韦

麦克斯韦从小就有很强的求知欲和想象力，爱思考，好提问。据说还在他两岁多的时候，有一次爸爸领他上街，看见一辆马车停在路旁，他就问：“爸爸，那马车为什么不走呢？”父亲说：“它在休息。”麦克斯韦又问：“它为什么要休息呢？”父亲随口说了一句：“大概是累了吧？”“不，”麦克斯韦认真地说，“它是肚子疼！”还有一次，姨妈给麦克斯韦带来一篮苹果，他一个劲地问：“这苹果为什么是红的？”姨不知道怎么回答，就叫他去玩吹肥皂泡谁知他吹肥皂泡的时候，看到肥皂泡上五彩缤纷的颜色，提的问题反而更多了。上中学的时候，他还提过象“死甲虫为什么不导电”，“活猫和活狗摩擦会生电吗”等问题。父亲很早就教麦克斯韦学几何和代数。上中学以后，课本上的数学知识麦克斯韦差不多都会了，因此父亲经常给他开“小灶”，让他带一些难题到学校里去做。每当同学们欢蹦乱跳地玩的时候，麦克斯韦却进入了数学的乐园，他常常一个人躲在教室的角落里，或者独自坐在树荫下，入迷地思考和演算着数学难题。麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一

3. 伽利略

有一次，他站在比萨的天主教堂里，眼睛盯着天花板，一动也不动。他在干什么呢？原来，他用右手按左手的脉搏，看着天花板上来回摇摆的灯。他发现，这灯的摆动虽然是越来越弱，以至每一次摆动的距离渐渐缩短，但是，每一次摇摆需要的时间却是一样的。于是，伽利略做了一个适当长度的摆锤，测量了脉搏的速度和均匀度。从这里，他找到了摆的规律。钟就是根据他发现的这个规律制造出来的

4.焦耳

英国著名科学家焦耳从小就很喜爱物理学，他常常自己动手做一些关于电、热之类的实验。

有一年放假，焦耳和哥哥一起到郊外旅游。这时，天空浓云密布，电闪雷鸣，刚想上岸躲雨的焦耳发现，每次闪电过后好一会儿才能听见轰隆的雷声，这是怎么回事？

焦耳顾不得躲雨，拉着哥哥爬上一个山头，用怀表认真记录下去每次闪电到雷鸣之间相隔的时间。

开学后焦耳几乎是迫不及待地把自己做的实验都告诉了老师，并向老师请教。

老师望着勤学好问的焦耳笑了，耐心地为他讲解：“光和声的传播速度是不一样的，光速快而声速慢，所以人们总是想见闪电再听到雷声，而实际上闪电雷鸣是同时发生的。”

焦耳听了恍然大悟。从此，他对学习科学知识更加入迷。通过不断地学习和认真地观察计算，他终于发现了热功当量和能量守恒定律，成为一名出色的科学家