13 * 宇宙的未来教学设计(教案)

宇宙的未来

【教学目标】

一、知识教育目标

1．了解斯蒂芬

霍金生平及思想成就，了解有关宇宙学的一些知识；

2．了解自然科学小论文的语体特点。

二、能力培养目标

1．学习科普文章的专业特点，以提高语言运用的科学性、规范性；

2．通过和本单元前面的课文进行比较，提高比较阅读的能力。

三、德育渗透目标

感受作者对科学的狂热追求精神，激发学生对宇宙奥秘的探索热情。

四、美育渗透目标

引导学生体会这篇讲演幽默的语言风格，提高自己的思维想象表达能力。

【重点、难点、疑点及解决办法】

重点：

1．了解有关宇宙学的一些知识；

2．掌握科普文章的语言特点，提高阅读科普文本的能力。

难点：

1．语言的科学性、规范性、专业性。

2．通过和本单元前面的课文进行比较，提高比较阅读的能力。

【课时安排】1课时

【教学步骤】

一、明确目标

1．了解有关宇宙学的一些知识；

2．了解文本传达的宇宙思想。

二、整体感知

1．导入新课

在当今世界的自然科学领域，能够和爱因斯坦比肩的人物恐怕应当首推史蒂芬·霍金了，他不但做出了辉煌的科学成就，其坚强的意志品质也深深地感染着我们，我们今天就来学习他的一篇演说辞《宇宙的未来》（板书课题）。

本文作者是当代著名的理论物理学家，他以"宇宙的未来"这样玄而又玄的话题在剑桥大学作讲演，对我们认识宇宙有哪些启示呢？

2．作者简介

史蒂芬·霍金是继阿尔伯特·爱因斯坦之后最杰出的物理学家。霍金1942年出生于英国牛津，先后就读于牛津大学和剑桥大学，学习数学、物理学和宇宙学。1963年，霍金经诊断得了肌萎缩性侧索硬化症。这种病会引起肌肉萎缩，导致瘫痪；说话会越来越困难，直至完全丧失语言能力；患者通常因并发肺炎或窒息而死亡。不过，患者的思维能力包括记忆能力不受影响。医生告诉霍金他最多只能活两年。在经历了一段短暂的失望和沮丧后，霍金又开始了他的宇宙学研究。霍金后来在相对论、"大爆炸"和黑洞等领域取得了突出的研究成果。霍金1988年出版的宇宙学著作《时间简史：从大爆炸到黑洞》，是一部里程碑式的畅销书。霍金被确诊患病已三十多年，但他仍孜孜于宇宙起源的理论研究，仍在为大统一理论而耕耘不已。霍金现任剑桥大学卢卡斯数学教授，这也是牛顿爵士曾担任过的职位。

三、重点、难点的学习与目标达成过程

1．感知课文，明确本文的整体写作思路。

在讲演的开头，作者就指出，预言将来是非常困难的，预言宇宙的将来尤其困难。虽然如此，科学家对此仍然满怀信心。

课文第2段，作者却话题一转，考察起预言的历史。指出，"科学预言也许并不比那些巫师或预言家的更可靠些"，比如对天气预报、对"极端条件下物体的精确的定律"，以及对大脑的工作机制等，都还缺乏准确的判断。但是，

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"宇宙在非常大的尺度下的未来"，还是可以预言的。

宇宙中的局部运动也许会出现混沌状态，但宇宙在大尺度上是可以预测的。宇宙正在高速膨胀，其他星系正在飞速离我们远去。宇宙微波背景辐射证明了宇宙的膨胀大体上"是平滑的而非混沌的"，因为如果宇宙的膨胀率和平均密度不均匀，来自宇宙各个方向的宇宙微波背景辐射温度就不会如此一致。"这表明，宇宙的行为在非常大尺度下是简单的，而不是混沌的。因此我们可以预言宇宙遥远的未来。" 从目前的情况看，宇宙中星系之间的距离在增大，但是星系之间的引力吸引有可能降低膨胀率。"如果宇宙的密度大于某个临界值，引力吸引将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩。宇宙就会坍缩到一个大挤压。""大挤压"和"大爆炸"前的状态相似，"具有无限密度"，"物理定律在这种状态下失效"。

这样，预言宇宙的未来，"关键问题在于：平均密度是多少？如果它比临界值小，宇宙就将永远膨胀。但是如果它比临界值大，宇宙就会坍缩"。

但是，计算宇宙的平均密度并不容易。把我们现在能看到的恒星质量加起来，还不到临界值的百分之一；即使加上"气体云的质量"，最多达到临界值的百分之一。但是，我们能不能据此得出宇宙将永远膨胀下去的结论呢？还不能。因为宇宙中还存在许多暗物质，这些暗物质我们肉眼看不见，不能直接观测到。黑洞就是这类暗物质，它是超大恒星死亡的产物。霍金对黑洞的解释是："空间一时间的一个区域，因为那儿的引力是如此之强，以至于任何东西甚至光都不能从该处逃逸出来。"（见《时间简史》一书所附《小辞典》）我们虽然看不见黑洞的存在，但可以通过观察螺旋星系和星系团来判断它们的存在：能使大质量的星系或星系团绕之旋转的东西，其质量一定比这些星系和星系团大得多。

作者指出，根据现在的观测研究，将这些暗物质估算在内，"仍然只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右"。于是有人择原理和暴涨理论为之说，前者假设有多个宇宙共存，而我们所能理解的只是身处其中的一个；后者认为宇宙可能采取一种非常规的方式突变，从一个微小的尺度很快达到临界状态。

归根到底，宇宙的未来只有两种命运：继续膨胀，或可能收缩。这取决于宇宙现有的密度，所以，科学家在没有称算出宇宙的重量之前，不得不承认"宇宙实际上是处在刀锋上"，所以要继承巫师或预言家的传统："两方下赌注，以保万无一失。" 2．研读课文，讨论问题。

（1）作者是怎样探讨"宇宙的未来"的？

【明确】作者先从古代的巫术和近代的宗教预言谈起，引出话题，说明从科学的角度谈论宇宙的未来是非常严肃的事，科学有别于宗教的地方是它的求实精神。探讨宇宙是继续膨胀还是有可能收缩是这篇讲演的主体部分，计算宇宙的密度又是这一主体部分的关键，有关宇宙中物质密度临界值的探讨，则把问题引向深入。最后，介绍两种新的理论--人择原理和暴涨理论，则体现了科学界最新的探索。作者从可见物质谈到暗物质，从成熟的理论谈到科学的假说，把问题讲得透彻明白。最后没有做出一个明确的预言，恰恰说明了他严谨的科学态度。

（2）怎样理解本文的一些相关论述？

【明确】这是一篇科学讲演，涉及较为复杂的背景知识。这些知识和讲演的主题是密切相关的，如果不作必要的交待，讲演的内容就会显得抽象和单薄。如，谈到天气预报、大脑工作原理都具有混沌性质，来反衬宇宙在大尺度上是"平滑而非混沌"的；如，谈到恒星的死亡（归宿）引出黑洞，为宇宙中暗物质的存在寻找理论支持；如，谈到现存宇宙对初始密度的极度敏感，引出了"人择原理"等等。这些相关的论述，或从对立面凸显观点，或从纵深面强化观点，使论证丰富多彩。

（3）这篇讲演在语言上具有怎样的特点？

【明确】讲演是面对面的交流，这种交流又是单向度的，如果不注意讲演的语言艺术，就达不到最佳的表达效果。这篇讲演，除了推理严谨外，语言幽默也是其突出的特点。幽默的语言创造出一种轻松愉快的气氛，更具有亲和力，使所阐发的事理更容易为听众接受。如，谈到轮赌盘的旋转具有混沌性质，作者说即使是物理学家也不能计算出它"出来的数字，否则的话，物理学家就会在赌场发财"，这就生动地说明了什么是混沌现象；如，文章最后一句话："所以我正是继承那些巫师或预言者的良好传统，两方下赌注，以保万无一失。"兼有讽刺与幽默，对宇宙未来命运的判断采取了审慎态度。

二、自主学习。学生速读课文，解决下列问题。

（1）作者认为“科学预言也许并不比那些巫师或预言家更可靠些”，又说“我们认为可以做可靠的预言”，两者是否矛盾？为什么？

（2）作者最后说“两方下赌注，以确保万无一失”，这和巫师、宗教预言有何不同？

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学生独立思考，然后与同学交流，不同理解可以讨论。老师点拨思路、方法，对“微波背景”“平均密度”“暗物质”“黑洞”“人择原理”等重要信息可以发动学生明确或给以提示，帮助理解，对于学生提出的疑难问题要妥善处理。

三、合作探究。说说加点词语的作用，体会作者严密的语言，探究怎样使语言表达更加严密。

1、 它会是一部对未来预言的历史，几乎所有这些预言都是大错特错的。

2、 那些定律在理解宇宙如何起始方面很重要，但是它不影响宇宙的未来演化，除非直到宇宙坍缩成一种高密度的状态。

学生先独立思考，然后小组内交流，探究怎样可以使语言表达更加严密。老师指导，明确方法：加个限制或加个条件等。

3、赏析下列语句，说说在表现手法上有何的相同点，探究其在表达上的作用。

（1）、 如果你稍微改变一下你旋转轮赌盘的方式，就会改变出来的数字。你在实际上不可能预言出来的数字，否则的话，物理学家就会在赌场发财。

（2）、 对我们而言，时空是显得四维的，而在M理论是十维或者十一维的，这是怎么回事呢？为什么我们不能观察到另外的六或七维呢？这个问题的传统的，也是迄今仍被普遍接受的答案是，额外维全部被卷曲到一个小尺度的空间中，余下四维几乎是平坦的。它就像人的一根头发，如果你从远处看它，它就显得像是一维的线。但是如果你在放大镜下看它，你就看到了它的粗细，头发的的确确是三维的。在时空的情形下，足够高倍数的放大镜应能揭示出弯卷的额外维数，如果它存在的话。

（霍金《膜的新奇世界》）

四、课堂小结。

布置作业

完成"研讨与练习一、二"。

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