14 * 一名物理学家的教育历程教学设计一等奖

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一名物理学家的教育历程

【学习目标】

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，学习重点是文章内容，而不是相关的科学知识。

【知识链接】

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）。

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高维空间理论认为，宇宙大爆炸后10秒，十维宇宙分解成四维宇宙和六维宇宙，-35四维宇宙暴胀，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”。

【文本解读】

问题1：作者想通过“鲤鱼科学家”对世界的认识说明什么？

1探究：说明“自以为是”的人类和“鲤鱼科学家”有相似之处，对于未知世界的现象不理解，对超出理解能力的事物拒绝接受。（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。

问题2：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？

2探究：课文的重点是童年趣事和建立实验室，这两个事例已经把“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。阅读历险故事的作用是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的作用是，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。

问题3：阅读课文，看看对爱因斯坦未竟事业的向往，是怎样启迪作者走上科学探索道路的? 3探究：对爱因斯坦未竟事业的向往，使作者产生对统一场理论的兴趣，好像“侦探”一样急于找到“故事”的线索和结局。由此，作者开始阅读相关书籍，建立自己的实验室，走上了科学探索的道路。

问题4：作者建立实验室的事例，对我们现实生活有怎样的意义？

4探究：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。

问题5.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？

5探究：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。

问题6.本文体现了怎样的科学精神？

6探究：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：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。

问题7.在人们的印象当中，物理学知识高深莫测，枯燥难懂。本文虽然也夹杂有一些高深的物理学知识，然而此文读来却没有一般说明文的枯燥、难懂，作者是怎样达到这种效果的呢？

7探究：（1）语言生动形象。

举例：文章用形象的描述，增强文章的感性认识。如文章对于鲤鱼世界的遐想的描述，尤其

是那场暴雨之后，作者对“鲤鱼”科学家心理行为的描述更是栩栩如生。作者还借助于想像，采用拟人化的笔法，让“鲤鱼”科学家会看会想，会提出问题会说话，这样就使深奥的道理变得浅显易懂。如第九段中，它说：“突然之间，不知怎的我就被拉出了咱们的宇宙……随后，我发现自己突然又被扔回了咱们的世界。”

作用：语言表述上的形象生动，让我们容易理解文章的主旨，感受其科学态度。

（2）布局谋篇重点突出，详略得当。

举例：从总体上，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，在作者的“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。

作用：在材料选择上的详略处理，使文章思路清晰，重点突出，易于读者理解与把握文章的思想。

问题8.《一名物理学家的教育历程》与《宇宙的边疆》都是说明文，请比较二者的异同。

8探究：相同点：两篇文章的文体相同，都是科普类的说明文，都具有深厚的人文内涵；二者都运用了多种表达方式，如列数字，打比方，举例子等；二者的写作目的相同，都是表现人类对未知领域的探索，表达对探索精神的赞美。

不同点：二者说明的内容不同，前者主要介绍了童年的两件趣事和高中时建立实验室的事例，说明自己是如何走上科学研究之路的。后者介绍了宇宙中星系的一些知识，表明了人类对宇宙的探索。二者说明的顺序不同，前者主要按照时间的顺序，而后者按照空间顺序。