统编版必修下册《一名物学家的教育历程》优秀导学案设计

1、统编版必修下册一名物学家的教育历程优秀导学案设计 素养目标 1体会加来道雄所说的怀疑精神、兴趣、毅力等基本精神品质对人成长的作用； 2以“教育历程”为重点，探讨其中表现的思想内涵； 3养成正确的科学观，明确兴趣在学习过程中的重要作用。 课文预习案（任务一） 一、作者介绍 加来道雄是当今高能物理和理论物理学中超弦理论的发明者之一加来道雄博士为国际知名的理论物理学与环境学者，他秉持着爱因斯坦的精神：探寻“所有事物的原理”加来道雄博士提出的“超弦理论”，虽然只是短短一个一英寸长的方程式，也许就是解开宇宙之谜的第一把钥匙。 二、背景介绍 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

2、）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-

3、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”。 三、文体介绍 四、资料链接 加来道雄博士是纽约市立大学的理论物理学教授，著作多达九本，其中包括穿梭超时空：十度空间科学奇航以及Visions：HowScienceWillRevolutionizethe21stCentury他同时也是电视节目的常客，曾为“夜线”、“赖利金脱口秀”与“六十分钟”的座上宾，更数度出现在美国公共电视（P

4、BS)）的纪录片中此外，TLCBBCTechTV和SciFiChannel等频道都曾制作加来道雄博士的专题报导。 语言建构与运用（任务二） 1自读课文，给下列加点的字注音或根据拼音写汉字，将字的注音批注在课文中 斑ln（）xingyng不息（）杜zhun（） 惊诧（）冥冥世界（）令人目xun（） 怪dn（）撒手人寰（）刨根究底（） 浩hn（）湮没（）畏葸不前（） 解析斓汹涌撰chmng眩q诞hunpo瀚ynx 2给下列各组字注音、组词 遐（）斓（）诞（） 暇（）澜（）涎（） 瑕（）谰（） 解析xi遐想xi闲暇xi瑕不掩瑜ln斑斓ln波澜ln谰言dn荒诞xin垂涎三尺 3查词典，解释下列词语的意

5、思（目标：理解词语意思的能力B） （1）细枝末节： （2）自鸣得意： （3）在所不辞： （4）遐想： （5）杜撰： （6）怪诞： （7）畏葸： 解析 （1）比喻事情或问题的细小而无关紧要的部分（2）自以为了不起，表示很得意 （3）决不推辞（4）悠远的思索或想象（5）没有根据地编造，虚构 （6）荒诞离奇古怪（7）畏惧，害怕 4你是否对自然界有过好奇之心？是否也因此产生了对科学的兴趣？阅读课文，看看对鲤鱼世界的遐想和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？ 设题意图：让学生了解文章主要内容。 参考答案： 对鲤鱼世界的避想，使作者感悟到人类观察角度的局限，激发探究未知世界的热情；

6、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。 5苏轼说过：“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。物理学家的理论也许过于艰深，但是其中的道理，和日常生活的体验是相通的。文章所讲述的鲤鱼的故事，给了你怎样的启发？你是否也有过类似的奇思妙想呢？ 设题意图：引导学生把科学和生活联系起来，激发他们探究科学的热情。 参考答案： 站在地球上观察，我们觉得地球是平面的，但是在高空，我们就可以看到地球的曲面。这与鲤鱼们观察它们的宇宙，看到的是幽暗的水体是类似的。 思维提升与发展（任务三）

7、 一、整体把握 1文章特点 （1）结构 文章的题目是一名物理学家的教育历程，田此，叙述的顺序主要是历时牲的。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(想象) 实验(理论物理学家) 爱因斯坦故事(理论) （2）内容 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

8、，其实只是他充分发挥了自己的想象力，并且保持了这样奇特的想象力，由此奠定了他对高维空间理论探究的基础。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。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

9、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。由到，我们可以清楚地看到作者的“教育历程”和“教育内容”。 （3）详略 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

10、、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科学精神 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）想象力：科学是需要想象力的，想象力能带来创造力。作者正是从对鲤鱼世界的想象中，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。由感性的想象上升到理性的创造，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

11、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)有了想象力，有了乐趣，那只是成为科学家最基础的因素，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

12、不是空想出来的。 二、问题探究 1“鲤鱼科学家”对“世界”的认识是怎样的？ 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“。 2作者想通过“鲤鱼科学家”对世界的认识说明什么？ 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

13、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？ 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象，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

14、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？ 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。 5作者建立实验室的事例，对我们现实生活有怎样的意义？ 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

15、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。 审美鉴赏与创造（任务四） 物理学家眼中的审美法则：“没缺陷”与“不常见” 审美法则：“没缺陷”与“不常见” 自然科学研究有“三段式”的研究方法，关于美学也不妨这么做。第一是“归纳”，归纳一下不同类型的美有什么共同点，由此可以得到一个初步法则。然后要“证实”，要看看这个初步法则是不是适用于所有的美？最后一步，就是“证伪”。证伪就是举反例，如果有的审美对象明显不符合所确立的那个美的法则，但是我还觉得美，那就说明这个法则是有问题的，得修改。 我做

16、了30多年研究，得到的这个审美法则是什么？很简单，只有六个字：“没缺陷、不常见”。我相信很多人此刻大脑里已经出现了“断臂维纳斯”这个例子。“断臂维纳斯”被称为“残缺之美”。残缺不就是有缺陷吗？这是一个反例，对不对？但是雕塑没有实用功能，所以雕塑的断臂不是缺陷，它是艺术品。这个作品美，还因为它的表达方式不常见，它特意制造出这样一种现象，然后引起感情的共鸣。 有句话叫做“距离产生美”。但实际上，距离产生美的原因不是距离，而是因为距离掩盖了缺陷，是因为在远处看不到细节，看不到缺陷。所以传统美学的一个重要误区，就是混淆了审美对象（比如说艺术品）和艺术品所描述的对象，传统美学里面讲的残缺美、缺陷美都是不

17、对的。有时候，不是艺术品有残缺，而是艺术品所描述的对象有残缺。我们认为艺术品美，未必会认为艺术品所描述的对象也一定美。 由审美法则看科学创新 那么科学技术创新的本质，从美学的角度来考察到底是什么？ 技术创新就是弥补缺陷。人跑得不快，就创造出汽车、火车、飞机，那就是在弥补人的缺陷，对不对？然后创造“不常见”。以前没有飞机，现在有了，这就是创造出来的一个“不常见”。科学创新是什么？是修正缺陷。牛顿理论有缺陷，后来就变成了广义相对论。爱因斯坦的广义相对论先是修正缺陷，然后发现“不常见”，如新的天体、新的科学规律。所以科学创新是修正缺陷，发现“不常见”。 所以我说，科技创新的本质就是对美的追求。广义相

18、对论是在牛顿力学的基础上建立起来的。关于牛顿力学体系，实际上用两句话就说完了。第一句话，牛顿是把伽利略已经建立的理论，变成了牛顿第一定律和牛顿第二定律；第二句话，牛顿第三定律是牛顿的原创，再加上万有引力定律，然后就得出了开普勒三大定律。 当时没有人明白，为什么太阳系行星的运行要满足开普勒定律，但是牛顿从他的科学原理出发推出来了，这在当时来讲是不得了的事情。从美学的角度来考虑，我们首先看，在“没缺陷”这方面它的表现是什么？牛顿解释了当时所有已知的相关观测和实验现象，全部解释了。 在“不常见”方面，牛顿正确地预言海王星的存在及其轨道。正是海王星的发现，彻底确立了牛顿理论作为第一个自然科学理论体系的

19、正确性。所以这个理论在当时来看，应该是在“没缺陷”、“不常见”这方面都到了极致的科学理论。 但爱因斯坦认为，牛顿力学理论在理论与有用性方面均存在缺陷。因此，爱因斯坦建立了广义相对论。关于广义相对论，我也用两句话来说： 第一句话它体现了理性思维的辉煌。这体现在爱因斯坦提出了“引力质量和惯性质量的等效性原理”。我们每个人都有惯性，同时也受到地球的引力，爱因斯坦认为产生惯性的是惯性质量，产生引力的是引力质量，它们是两件不同的事情，但又是等效的。 另外一句话，就是它是物理和数学结合的典范。假设电梯在加速下降，在电梯里的你看一看窗外的东西，你会发现你的空间是弯曲的，为什么是弯曲的？因为你在单位时间内移动

20、的距离不再是恒定的，你的速度越来越快，你在单位时间内看到的外面的东西越来越多，所以你就不能再用欧几里得几何描述日常的平直空间了，你需要描述弯曲空间的黎曼几何。爱因斯坦把黎曼几何应用到了引力质量和惯性质量的等效性上，就得到了广义相对论。 以“没缺陷”和“不常见”法则欣赏广义相对论与引力波之美 有人说广义相对论方程是最美妙的方程。如果只看这个方程，我也看不出它美妙在哪里，只有把它的“没缺陷”与“不常见”讲清楚才能体会到它的美妙。我们知道，在平直时空里，两条平行线永远不会相交，两条平行线相交一定是在弯曲空间里发生的。同样，三角形内角之和，在平直空间里是180度，而在弯曲空间里它是可以大于或小于180

21、度的。 下面就要给大家讲万有引力的本质以及引力波了。用一句话概括，万有引力和引力波都是时空弯曲的结果。所以从根本上来讲，只要有时空弯曲就一定会有引力波，当然引力也是时空弯曲的一个结果，在平直时空里面是不可能有引力波的。 这件事情太重要了。地球绕着太阳转，并不是没事吃饱了撑着在转，而是由于太阳导致了它周围的时空弯曲了，地球以为它在走直线，但实际上空间弯曲了，所以只好围着太阳绕圈。 我们接下来从美学的角度来看一下广义相对论在“没缺陷”和“不常见”两个方面的表现。 理论方面的没缺陷，体现在它回答了引力的本质是什么。爱因斯坦质疑牛顿引力理论的地方，就是他问了“引力的本质是什么”，这个问题在广义相对论里

22、面得到了解决。引力的本质就是质量导致时空弯曲，弯曲的时空决定了一切物质的运动，包括光线。光线原则上不走平直的空间，而是走弯曲的时空，只是在我们的日常空间里这弯曲度太小了，我们以为它走的是直线。 广义相对论在实用性方面也没缺陷，体现在它在弱引力场情况下和牛顿引力理论所说是一样的，因此牛顿理论能够解释和应用的地方它全部适用，牛顿理论里面凡是没缺陷的地方它也没缺陷，但是它又比牛顿理论更加精确，牛顿理论不适用的地方它也完全适用。 广义相对论的“不常见”体现在什么地方？它是第一个把物质和时空建立了深刻联系的理论。我们知道，在广义相对论以前，甚至我们今天大部分人仍然认为空间是空间、物质是物质，物质在空间里

23、面运动，对不对？但是相对论认为不是这样，物质和时空是相互联系的，而且它第一个揭示了时空在本质上是弯曲的，平直时空只是一个特例。 牛顿理论预言了海王星的存在，那么爱因斯坦的广义相对论预言了什么？它预言了特别多的东西，如黑洞的存在、宇宙的膨胀、引力偏折即引力透镜现象，还有引力红移、引力波等，这些预言全部被观测证实了。所以说这是一个极为不常见的理论。 而引力波事例又是一个目前看来完全没有缺陷的事例。 文化的传承与发展（任务五） 从物理学的角度看传统文化 当提到如果宇宙混沌交替是导致宏观层面产生量子化的因素，那么在面对现实世界的时候就很有可能是以一种概率的形式出现在大家面前，人么很容易想到一个著名的思

24、想实验和理论薛定谔的猫和平行宇宙。这些结论可以说我们一直是不太认同的，之所以产生此类观点的原因在于对于量子而言由于过程不可测只有结果，对于多个量子来说结果非唯一而是多样性，呈现出一定概率的分布，于是人们推广到宏观物质上就认为宇宙也应该会有很多结果。问题在哪里？两方面，一方面是将整体的性质套用在个体身上。量子的分布规律是多个量子共同作用的结果，而非一个量子所表现出来的。由一个量子来代表的多个量子的特性，很明显这是忽略了量变因素在里面所起到的作用。如果把宇宙比作一个量子，尽管其走向有很多可能性，但是结果只有一个。另一方面是有关猫的生死问题，以前有过专门讨论。在这里简单来说，实际上是犯了一种偷换概念

25、的错误。其核心的关键词就是“顺序”。人们所能观察到的只有当下或者之前所产生的结果。概率的意义在于事情还未发生之前。换句话说，一旦猫死掉了概率就结束了。之所以你还觉得他还活着，那是因为你不知道而已，与概率无关啦。 同时这里还要分清楚一个概念，就是平行宇宙和多重宇宙的区别。我们对多重宇宙实际上倾向于用多重空间或多重时空去阐释，主要是针对时空的个性而言。如果多重空间存在，时空将有可能会是无限的。因为在个性时空不断的诞生和毁灭过程中，从宇宙整体来看除非所有时空全部毁灭，否则可能反而保持了时空的延续性。如果时空一直存在，再从宇宙的无限性来看，混沌到底是什么，是否无处不在，是否真正存在？似乎有点叫人怀疑人

26、生。不过这个概念倒是理清了很多问题。假设混沌是诞生某一时空的基础，时空又归属于有质量物体的特性，再由质能互换就可以推出混沌和能量是相通的。显然这与前面所讲的抽调一切对立面的混沌并不完全相同，怎么办？ 禅说里面有个故事叫不持一物，讲的就是四大皆空又不执着于空。由于我们把混沌执着于另一类无，使之与时空对立，又习惯于无中生有万物始于混沌，这导致在不知不觉中把混沌具象话了。可见到了这一步，混沌虽然神秘莫测，然而却担当不起总概念的担子。这个总概念只能是道来担，或者禅中的一即一切，一切即一。然则非禅中有一，道中亦有一，且两者还不相同，此一非彼一。常常有人认为道家之一便是道，若一为道，道为一，又何来道生一呢

27、？且夫道德经中有云：得一者，天清地宁，神灵谷盈，万物生而王天下。可见不同的东西得到一会有不同的效果，但是这些东西又都有一个共同的属性就是得一。是故形而上者谓之道，道者，大而全也；形而下之谓之器，器者，万物也；道器之间谓之一，一者，大同也。所以说，道是一个抽象的概念，器是一个具体的概念，一则是连接道和器之间的一个纽带，代表了万事万物之间的共性。实际上在我们看来，辩证唯物理论中谈论物质的时候，物质的统一性代表了道的属性，物质的多样性代表了器的属性，而组成物质世界的本源代表了一的属性。 当把自然科学和社会科学看作相通的时候，儒家的道心惟微，惟精惟一，有的时候也可以解释成为世界的本源或组成这个物质世界的最基础（小）的单位。这个最基础（小）的单位到底是什么，是基本粒子还是一种能量。从对立统一矛盾的角度出发，我们倾向于具有波粒二象性的能量子。光子就是能量子的一种。这些能量子的特性就在于只有运动质量，静止的时候质量为0。世间万物的变化就在一静一动，一无一有之中。虽然哲学上常说运动是绝对的，静止是相对的。那是因为相对的静止相对的是有质量的物质，