一名物理學家的教育歷程 背景資料 一 作者介紹加來道雄 美籍日裔物理學家 畢業于美國哈佛大學 獲加利福尼亞大學伯克利分校哲學博士學位 后任紐約市立大學城市學院理論物理學教授 主要著作有 超越愛因斯坦 與特雷納合著 量子場論 超弦導論 二 相關知識為了更好地理解課文 我們需要了解一些相關的理論物理學知識 1 統一場論根據現代物理學知識 將我們的宇宙結合起來的力有四種 引力 電磁力 強核力和弱核力 物理學家運用量子力學 已經把后三種力統一起來 美籍華裔物理學家楊振寧和他的學生米爾斯提出楊一米爾斯場理論 解決了這一問題 被稱為 標準模型 但是這一理論因為計算繁復無比而讓人頭疼 但是引力仍然游離在外 愛因斯坦畢終生之力想尋求四種力的統一 建立一個大一統的理論 最終也沒有實現 2 高維空間現代理論物理學認為 統一四種力的前景 在于高維空間 如十維或更高 理論的確立 比如對于古人來講 風暴是怎樣產生的 風暴會襲擊什么地方 什么時候襲來 什么時候結束 他們是一無所知的 因為他們生活在平坦的大地上 只能靠肉眼從近似于二維平面的角度來觀察 即使有簡單的預報 也都是靠經驗來推測的 現在有了氣象衛星 從太空這樣三維角度觀察地球 在地面上看來神秘莫測的風暴被看得一清二楚 可以精準地預報風暴的動向 同樣 理論物理學家認為 傳統的四維 空間三維加上時間 理論太 小 不能解釋宇宙中的四種力 當他們超越四維而在更高維 如十維或更高 中尋求統一這四種力時 就能得到一種簡單 漂亮的解決模型 科學家認為宇宙應該是簡單 合諧的 高維空間理論認為 宇宙大爆炸后10 43秒 十維宇宙分解成四維宇宙和六維宇宙 四維宇宙暴脹 經過近一百五十億年 演變成今天我們生活的宇宙 大爆炸后10 35秒 大統一力分開 但是高維空間理論很難在實驗室中得到證實 因為要模擬當時的環境 需要的能量太大 根本無法做到 所以現在高維空間理論只能是 理論 一名物理學家的教育歷程教學目標一 知識教育目標引導學生從生活出發 了解科學 認識科學 二 能力培養目標引導學生以 教育歷程 為重點 探討其中表現的思想內涵 三 德育滲透目標引導學生體會科學精神 重點 難點及解決辦法高維空間對普通人來說 是很難想像的 所以 教學重點是文章內容 而不是相關的科學知識 相關知識教師有所了解 能幫助教學課文即可 不必教授給學生 課時安排 1課時教學步驟一 導入新課成為一位科學家是無數有志青年的夢想 對物理的探究更是許多年輕的學子孜孜以求的 我們來看一下加來道雄的成長道路 或許能得到一些啟發 板書 一名物理學家的教育歷程二 明確目標1 引導學生從生活出發 了解科學 認識科學2 引導學生以 教育歷程 為重點 探討其中表現的思想內涵 三 整體感知1 作者簡介加來道雄 美籍日裔物理學家 畢業于美國哈佛大學 獲加利福尼亞大學伯克利分校哲學博士學位 后任紐約市立大學城市學院理論物理學教授 主要著作有 超越愛因斯坦 與特雷納合著 量子場論 超弦導論 2 本文的基本結構文章的題目是 一名物理學家的教育歷程 因此 敘述的順序主要是歷時性的 但是 作者開頭就說 童年的兩件趣事極大地豐富了我對世界的理解力 并且引導我走上成為一個理論物理學家的歷程 而 童年的兩件趣事 作為文章的主要內容 又是共時性的敘述 這樣的結構安排 使文章既脈絡清楚 又重點突出 結構如圖 童年青年 成年 鯉魚世界的幻想 想像 實驗 理論物理學家 愛因斯坦故事 理論 3 本文的基本內容 人人都對自然感到好奇 都以自己喜愛的形式尋求自然的 謎底 但是大多數人一般直接探尋自然本身 而作者卻由人的觀察角度 反思人類對宇宙的認知 看似作者少年時的思維超出同齡人 其實只是他充分發揮了自己的想像力 并且保持了這樣奇特的想像力 由此奠定了他對高維空間理論探究的基礎 作者少年時接觸到愛因斯坦的 未竟事業 激發了他的探究興趣 他之所以感到 激動人心 是因為他把愛因斯坦的理論當成一個 偵探故事 來閱讀 探究 這非常符合少年的心理 另外 我決定要對這一秘密刨根問底 也表現了他有毅力有恒心的性格 這是成為科學家的基本素質 高中時代 本應 在棒球場或籃球場玩耍 享受青春年華 但作者卻 找遍周邊地區大量的電子倉庫 裝配必需的硬件設備 在 學校的足球場中纏繞22英里長的銅線 自己動手建設實驗室 驗證愛因斯坦理論 探究反物質 作者進行這樣艱苦枯燥的工作 體現了他對科學的熱愛 以及踏實的性格 顯露出一個科學工作者的潛能 由 到 我們可以清楚地看到作者的 教育歷程 和 教育內容 四 重點 難點的學習與目標完成過程1 提問 本文在材料處理上有什么特點 明確 本文布局謀篇重點突出 詳略得當 在整體上 作者并沒有從童年到小學到初中到高中 按時間順序敘事 而是通過童年的兩件趣事和高中時建立實驗室的事例 突出他成長為一名 物理學家 的 教育歷程 并不旁及其他成長的經驗 在局部上 如高中階段 作者看了許多統一場理論方面的書 并常常去斯坦福大學的物理圖書館 相關的理論書籍是怎樣啟發 引導他研究的 這里肯定有許多精彩的故事 但是作者只是一筆帶過 重點放在制造 自己的原子對撞機 上 其中具體的數據敘述得很詳盡 讓人體會到作者嚴謹 踏實的性格 以及內在的成為物理學家所需要的基本素質 2 提問 本文體現了怎樣的科學精神 明確 本文三個主要部分 并不是簡單地敘述成長的故事 而是具有深刻的科學精神內涵 可以從中看到哪些方面的 教育 對成為優秀科學家最為重要 1 想像力 科學是需要想像力的 想像力能帶來創造力 作者正是從對鯉魚世界的想像中 認識到人類觀察空間的局限性 間接感悟到高維空間存在的可能 由感性的想像上升到理性的創造 體現了創新意識和探索精神 2 樂趣 科學不應該是枯燥的 而是應該充滿樂趣的 探尋自然的奧秘 對真正的科學工作者來說 是和自然做的近似于捉迷藏的 游戲 也是人生的 境界 游戲 使他們樂此不疲 充滿激情 不受外界的誘惑和干擾 而 境界 使他們不顧功利 不畏強權 只求真理 3 實驗精神 丁肇中說過 現代學術的基礎就是實地的探察 就是我們現在所謂的實驗 科學發展的歷史告訴我們 新的知識只能通過實地實驗而得到 不是由自我檢討或哲理的清談就可求到的 應有格物致知精神 有了想像力 有了樂趣 那只是成為科學家的最基礎的因素 不去踏踏實實地做實驗 就不能得到基本數據 假說就不能確立 一味地空想 不去做基礎工作 不可能達到真理的彼岸 作者從事的高維空間理論 雖然還停留在紙面上 但是科學家們已經在做許多基礎的實驗工作 努力使理論得到證明 即使如科學家霍金靠睿智的頭腦創建黑洞理論 也要有數學和天體物理學的實驗基礎 也不是空想出來的 3 提問 鯉魚科學家 對 世界 的認識是怎樣的 明確 主要有以下幾點 1 水池之外看不見的世界沒有科學意義 2 它們為睡蓮自己能夠運動而困惑不解 它們以神秘的 力 來掩蓋自己的無知 3 鯉魚科學家 的 消失 和 重現 它們認為是 奇跡 是 可怖的事情 而不肯去探究原因 4 鯉魚科學 的 傳奇故事 真實地證明另一個世界的存在 而它們卻認為 胡說八道 荒謬絕倫 違背它們的 自然規律 4 提問 作者想通過 鯉魚科學家 對世界的認識說明什么 明確 說明 自以為是 的人類和 鯉魚科學家 有相似之處 1 人類 一生就在我們自己的 池子 里度過 只要 超出我們的理解力 的自然存在 他們就 拒絕承認 2 科學家發明像力這樣一些概念 是因為他們只愿意承認 那些看得見摸得著的事物 不肯改變思考問題的方式 3 不能在實驗室里便利地驗證 的理論 他們就加以 鄙視 表現出思想上的保守和固執 5 提問 課文中閱讀多維空間歷險故事和統一場理論書籍兩小段內容 對 教育歷程 的敘述有什么作用 明確 課文的重點是童年趣事和建立實驗室 這三個事例已經把 教育歷程 完整地勾畫出來 而夾雜在其中的兩個小事例 主要起補充和銜接的作用 歷險故事加深作者對高維空間的想像 激發興趣 而閱讀統一場理論書籍 既表現高中階段作者求知的熱情 也銜接起由理論到實驗的探究過程 6 提問 作者說 我決定要對這一問題刨根問底 縱然為此而必須成為一名理論物理學家也在所不辭 在作者心中 理論物理學家 應該是怎樣的人 明確 理論物理學家的工作是抽象 枯燥的 受實驗條件的限制 自己的學說很難得到實驗的證明 甚至可能到死也得不到成就 這樣的人必須耐得住寂寞 必須有奉獻精神 在所不辭 意味著 理論物理學家 道路的艱辛 7 提問 作者建立實驗室的事例 對我們現實生活有怎樣的意義 明確 科學是