33人类对宇宙的探索(二)教学设计浙教版七年级上册科学

教学设计

课程基本信息学科科学（浙教版）年级七年级学期秋季课题人类对宇宙的探索教学简析本课是七年级上册第3章第3节《人类对宇宙的探索》第二课时，是在了解地心说和日心说的基础上，认识宇宙的起源和演化历史。教材按照时间线索，先介绍了爱因斯坦基于广义相对论建构的一个静态的宇宙模型，再介绍了弗里德曼从广义相对论出发，得到了一个均匀地膨胀或收缩的宇宙模型。然后，在两个宇宙模型相互冲突的情况下，引导学生探索不同星系的退行速度与它们到地球的距离关系，得出了哈勃定律，建构了宇宙正在不断地膨胀模型。最后，让学生逆向推理，并基于加莫夫等人的元素生成理论，提出了宇宙大爆炸理论模型。让人们感受人类探索宇宙过程中的艰辛历程，进一步激发学生探索宇宙的兴趣。学情分析学生在前面的学习中已经知道了地心说和日心说，也通过书籍、网络对地月系、太阳系、银河系等有了一定的认识。但学生对爱因斯坦广义相对论、星系运动规律、大爆炸宇宙理论等了解的很有限，且七年级的学生空间想象能力、模型建构能力都尚显不足。所以，学生学习本节课的主要困难是“能通过对观测数据和图像的分析得出哈勃定律，能基于证据与解释，逐步建构宇宙热大爆炸理论。”教学目标1.科学观念：通过了解现代科学家的理论研究和天文学家的天文观测，认识宇宙的起源和演化历史；知道宇宙模型的不断更迭和现代宇宙正在不断地膨胀，形成初步的空间宇宙观。2.科学思维：通过读图，分析、归纳得出星系运行规律；通过实验模拟、逻辑推理、理论辨析等，建构宇宙的静态模型、膨胀模型和大爆炸宇宙理论模型。3.探究实践：通过探索宇宙的过去、现在和未来，理解探索宇宙不仅需要作出假设、收集证据、得出结论，而且需要基于新的证据，进行进一步的探究，并不断修正、完善宇宙学说。4.态度责任：通过了解对科学家探索宇宙奥秘的过程，体会到人类对宇宙的认识过程是一个不断发展的过程，悟科学家不畏艰辛、敢于争论、追求真理的科学精神。教学内容教学重点：认识宇宙的起源和演化历史。

2.建构宇宙大爆炸理论模型。

教学难点：1.通过数据、图像分析得出哈勃定律。2.能基于证据与解释，逐步建构宇宙热大爆炸理论。教学过程聚焦：创设情境，聚焦问题1.创设情境：科学家为了探索宇宙的奥秘，发明制造了很多观测仪器，同学们，你们看过“新一代太空望远镜——韦伯太空望远镜”拍摄的宇宙照片吗？它能无视尘埃的干扰，所拍摄的“创生之柱”是新恒星孕育的摇篮，图像清晰度远超以往，揭示了天体景象的新细节，向人类展示了宇宙的“鬼斧神工”，天体生物学家称其“壮观得无法形容”。第二张照片是车轮星系，它是位于玉夫座方向的一个相互作用星系，有一个明亮的核心，一个内环，外部还有一个星暴环，美得惊心动魄。2.聚焦问题：目前，人们对宇宙已经有了一定的认识，但还有许多奥秘等待着我们去发现，请自主思考并说出你感兴趣的、想去探索的问题？3.表达交流：有的同学可能会问“宇宙有多大？”，有的可能会问“什么是黑洞？”，有的则好奇“宇宙从哪里来？”，有的则很想知道“什么是超新星爆发？”，有的对“是否有外星人”很感兴趣，有的想了解“宇宙中时空穿越是否可行？”等等。4.引出课题：我们把“研究宇宙的性质、结构和演化的科学”，称为“宇宙学”，同学们所好奇的这些方面都是宇宙学的研究内容。【设计意图】利用太空望远镜韦伯拍摄的创生之柱和车轮星系创设真实情境，不仅激发学生的学习兴趣。而且让学生畅所欲言及顺利引出课题。二、探究实践：师生共议，建构模型（一）探索“宇宙正在不断地膨胀”1.回顾历史：早在2300年前的古代中国，屈原用一篇长诗《天问》叩问宇宙苍穹：……九天之际，安放安属？隅隈多有，谁知其数？天何所沓？十二焉分？日月安属？列星安陈？……大约在《天问》创作后的200余年，古人又通过漫长的天象观测，设计制作了“二十八宿圆盘”，它是中国浑仪的始祖，是世界上现存最早的赤道式天体测量仪器。2.视频观看：先观看视频《爱因斯坦的相对论》，再回答下面问题：（1）谁最早提出了时空的概念？并指出每个事件由几个坐标来进行描述？（2）依据研究对象的不同相对论分为哪两种？（3）爱因斯坦将广义相对论用于宇宙研究，建立了一个怎样的宇宙模型？3.批判质疑：1915年，著名科学家爱因斯坦建立了广义相对论，他将广义相对论用于宇宙的研究，建构了一个有限无边、静态的宇宙模型。然而，1922年，苏联科学家弗里德曼从广义相对论出发，得到了一个均匀膨胀或收缩的宇宙模型。那到底谁的推断才是正确的呢？4.探索活动：（1）牧夫座星系离地球有多远？它的退行速度有多大？（2）哪个星系的退行速度最大？哪个星系离地球最近？（3）星系距离地球的远近与其退行速度有什么关系？（4）请预测距离地球50亿光年的星系的退行速度？5.视频观看：《哈勃定律》（通过视频观看，我们了解哈勃通过观测发现星系的光谱都有红移现象，即发现了银河系以外的大多数星系都在远离我们而去，且距离越远，退行速度越大。并在此基础上哈勃提出了著名的哈勃定律：星系的退行速度与它们到地球的距离成正比。v=Hd，其中v为星系退行速度，d为星系到观察者的距离，H为哈勃常数。）6.思考讨论：1.哈勃定律反映了宇宙的整体性，展示了宇宙正在怎样变化中？2.几乎所有的星系都在退行，是否意味着地球处于宇宙的中心？你能借助怎样的实验进行模拟呢？7.实验模拟：通过气球表面贴上一些圆形小纸片，小纸片代表星系。在圆形小纸片上用笔做记号，表示星系上的居民，记录相邻“星系”的位置和距离。用打气筒持续地向气球充气，使气球不断地胀大（即宇宙膨胀），观察气球在胀大过程中，各张圆形小纸片间距离的变化。这些“星系”之间的距离发生了怎样的变化？实验表面了什么？

8.科学阅读：教科书第121、122页中科学阅读之《爱因斯坦》，并回答下面两个问题：（1）爱因斯坦承认自己犯下的一个大错误是什么？（2）从中你受到怎样的启示？【设计意图】通过视频观看、批判质疑等活动，认识了爱因斯坦的静态宇宙模型、弗里德曼的均匀膨胀或收缩的宇宙模型。通过思考讨论、实验模拟、探索活动等，了解哈勃通过观测得出了宇宙正在不断膨胀的模型。（二）建构“宇宙起源的大爆炸理论”1.逆向推理：既然宇宙在不断膨胀，让我们一起来逆向推理，这就意味着过去的宇宙比现在小。那么，时间越往前，星系之间的距离越小，再往前倒退至某一时间，宇宙就该密集在一个点上。1948年，加莫夫等人建立的元素生成理论，为宇宙起源的大爆炸理论奠定了基础。宇宙大爆炸理论认为，宇宙起源于极高温、极高密度的“奇点”的大爆炸。2.视频观看：《宇宙大爆炸理论》（通过视频观看，我们了解到有许多证据支持宇宙大爆炸理论。如宇宙一直在膨胀，宇宙中的微波背景辐射，宇宙的元素丰度，引力波的发现，等等。）3.思考讨论：（1）宇宙大爆炸理论合理吗？（2）宇宙大爆炸理论面临哪些挑战？4.读图解说：（1）宇宙演化年表中，重要的物质与能量演化事件有哪些？（2）宇宙大爆炸理论是描述宇宙从什么到什么状态的模型？（在宇宙演化年表中，重要的物质与能量演化事件主要有；在大爆炸后的100万年基本粒子形成，大爆炸后的4亿年第一批恒星诞生，大爆炸后的10亿年第一批恒星形成，大爆炸后的138亿年形成现代的星系。宇宙大爆炸理论是目前最准确的描述宇宙从诞生到当前状态的模型。）【设计意图】通过逆向推理、视频观看、思考讨论等，逐步认识宇宙起源的热大爆炸理论，并且通过读图解说了解宇宙演化年表中重要的物质与能量演化事件。进而理解探索宇宙不仅需要作出假设、收集证据、得出结论，而且需要基于新的证据，进行进一步的探究，并不断修正、完善宇宙学说。三、拓展：深化理解，迁移应用角色扮演：以小组为单位，先通过书籍、互联网等搜索现代宇宙学的相