“宇宙的起源”教學(xué)設(shè)計(jì)

浙江省杭州市杭州英特外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 （311121） 李學(xué)海

“宇宙的起源”教學(xué)設(shè)計(jì)

浙江省杭州市杭州英特外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 （311121） 李學(xué)海

一、教材分析

本節(jié)是浙教版《科學(xué)》教材九年級(jí)下第一章第一節(jié)的內(nèi)容，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)轉(zhuǎn)化與平衡，知道了自然界各種物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、變化、轉(zhuǎn)化和平衡等基本特性，轉(zhuǎn)化與平衡是可重演的研究，可以通過(guò)猜想加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式來(lái)進(jìn)行；第一章“演化的自然”是不可重演的研究，基于此，可以由現(xiàn)象→假說(shuō)→模型，模型、假說(shuō)法非常適合這一章的教學(xué)。第一章依據(jù)從宏觀到微觀，從久遠(yuǎn)到現(xiàn)代的線(xiàn)索展示自然的演化過(guò)程。宇宙是物質(zhì)的世界，它處于不斷的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展中。千百年來(lái)，科學(xué)家們一直在探尋宇宙是什么時(shí)候、如何形成的。教材通過(guò)模型、假說(shuō)等加深科學(xué)的宇宙觀、唯物辯證的自然觀，培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)相應(yīng)的證據(jù)演繹推理科學(xué)假說(shuō)的能力。

二、學(xué)情分析

學(xué)生對(duì)宇宙并不陌生，有很多問(wèn)題在兒童時(shí)代就朦朧產(chǎn)生。雖然學(xué)生已經(jīng)了解部分內(nèi)容，但宇宙的起源離學(xué)生的現(xiàn)實(shí)生活較遠(yuǎn)，也比較抽象；學(xué)生在宇宙方面的基礎(chǔ)知識(shí)很缺乏，教學(xué)過(guò)程中也很難找到直觀的實(shí)驗(yàn)和真實(shí)的模型支持，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)理解較為困難。但同時(shí)學(xué)生對(duì)未知的宇宙充滿(mǎn)了好奇，為促進(jìn)學(xué)生發(fā)展想象力和創(chuàng)新精神提供了廣闊的空間。

三、相關(guān)內(nèi)容

首先介紹有關(guān)古代人對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的興趣；接著介紹哈勃對(duì)星系光譜研究的成果，建立星系運(yùn)動(dòng)模型，然后安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)——“氣球膨脹和黑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)”，幫助學(xué)生更好地理解星系運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，最后根據(jù)人類(lèi)尋找到的證據(jù)建立大爆炸宇宙論的宇宙起源學(xué)說(shuō)并介紹“宇宙大爆炸理論”。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)情和學(xué)生的年齡特點(diǎn)，本節(jié)內(nèi)容可以采用多媒體課件組合的方式進(jìn)行教學(xué)，并收集有關(guān)的信息材料，將大量圖片、文字、視頻資源有機(jī)整合，充分利用多媒體平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)拓學(xué)生視野，學(xué)生觀看并說(shuō)出自己的感受，給每一位同學(xué)足夠的施展空間，大膽發(fā)表自己的獨(dú)特見(jiàn)解的機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生探究科學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)踐的能力。

四、改進(jìn)的背景和理論依據(jù)

在進(jìn)行科學(xué)教學(xué)時(shí)，常常需要展現(xiàn)科學(xué)探究的過(guò)程?？茖W(xué)史的教學(xué)有利于啟發(fā)學(xué)生的思維，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，它可以為重要的科學(xué)事實(shí)、概念、原理、方法以及技術(shù)發(fā)明提供歷史背景、現(xiàn)實(shí)來(lái)源和應(yīng)用，是體現(xiàn)科學(xué)態(tài)度、情感與價(jià)值觀的載體。

在少年兒童的精神世界，都希望自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者，希望駕馭知識(shí)。這一時(shí)期他們已經(jīng)能夠理解一般的抽象概念、掌握一定的科學(xué)定義，對(duì)許多現(xiàn)象能進(jìn)行概括和抽象，逐漸掌握概念的本質(zhì)特征和概念系統(tǒng)。在判斷推理方面，初中學(xué)生自覺(jué)地作出恰當(dāng)?shù)呐袛嗪瓦M(jìn)行合乎邏輯的推理的能力，有的學(xué)生能超出直接感知的事物，提出假設(shè)，進(jìn)行推理和論證；有的學(xué)生還能根據(jù)掌握的資料，進(jìn)行分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，作出判斷和推理，從而發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)在聯(lián)系。

通常的教學(xué)設(shè)計(jì)是將大量的多媒體材料融入課堂進(jìn)行介紹，但宇宙的起源比較抽象，如果采用常規(guī)教學(xué)方法，學(xué)生難于理解和掌握。而科學(xué)教學(xué)重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)方法、科學(xué)精神等科學(xué)素養(yǎng)，科學(xué)史是科學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的良好素材。通過(guò)介紹“宇宙的起源”，將其作為科學(xué)史的教學(xué)素材，注重過(guò)程與方法相結(jié)合，有效地發(fā)揮學(xué)生想象力，增強(qiáng)學(xué)生的主體意識(shí)，進(jìn)行科學(xué)課堂教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中領(lǐng)會(huì)科學(xué)精神的本質(zhì)。

五、改進(jìn)后的教學(xué)設(shè)計(jì)

基于教學(xué)內(nèi)容和初中學(xué)生的心理發(fā)展特點(diǎn)，可以將宇宙大爆炸理論的發(fā)展史融入上課的過(guò)程中，具體的教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

視頻：1922年，弗里德曼發(fā)現(xiàn)，根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論的方程推導(dǎo)：宇宙不一定是靜態(tài)的，它可以是膨脹的，也可以是縮小的。

1927年，勒梅特也提出了一個(gè)膨脹宇宙模型：整個(gè)宇宙最初聚集在一個(gè)“原始原子”中，后來(lái)發(fā)生了大爆炸，碎片向四面八方散開(kāi)，形成了我們的宇宙。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論雖支持他的理論，但是愛(ài)因斯坦自己不相信廣義相對(duì)論所能推導(dǎo)出的宇宙擴(kuò)張。為此勒梅特專(zhuān)門(mén)跑去拜見(jiàn)愛(ài)因斯坦，愛(ài)因斯坦用了“今生”來(lái)表達(dá)他的感受：勒梅特的描述是他“今生所能想象的最美麗的畫(huà)面”。由于勒梅特曾經(jīng)是神父，有人嘲笑他：圣經(jīng)給了這個(gè)科學(xué)家愚蠢的想象力。在20世紀(jì)中葉，伽莫夫在勒梅特的膨脹宇宙模型基礎(chǔ)上提出了大爆炸宇宙模型。

問(wèn)題：很多科學(xué)家反對(duì)勒梅特和伽莫夫的觀點(diǎn)，如果你是他們，你會(huì)怎么辦？

學(xué)生回答：

（1）聽(tīng)從其他科學(xué)家的意見(jiàn)，保留自己的觀點(diǎn)。

（2）走自己的路，繼續(xù)堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)，并且繼續(xù)修正原來(lái)的模型。

（3）尋找證據(jù)，找大爆炸留下的遺跡，就像篝火燃盡了會(huì)有一堆灰燼一樣。

視頻：1965年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師彭齊亞斯和威爾遜想要使用一根通信天線(xiàn)，可是不斷地受到咝咝的噪音干擾，他們重新組裝了儀器，檢查線(xiàn)路，排除了鳥(niǎo)糞、擰緊了螺絲等一系列可能的故障，還是找不到產(chǎn)生噪音的原因，無(wú)法消除，他們感到非常困惑。

問(wèn)題：要消除噪音，怎么辦？

學(xué)生回答：

（1）繼續(xù)查找噪音產(chǎn)生的可能原因，并加以消除。

（2）如果實(shí)在找不到噪音產(chǎn)生的原因，放棄。

（3）尋求其他人的幫助。

講述：于是他們打電話(huà)給普林斯頓大學(xué)的羅伯特?迪克，迪克意識(shí)到年輕人發(fā)現(xiàn)了什么。他對(duì)他的同事說(shuō)“哎呀，好家伙，人家搶在我們前面了?！笨茖W(xué)家們相信：這種找不到來(lái)源的噪聲正是大爆炸初期殘留的宇宙射線(xiàn)，是宇宙大爆炸時(shí)留下的遺跡。這一意外發(fā)現(xiàn)讓人們可以從中捕獲宇宙創(chuàng)生早期的重要信息。雖然兩位學(xué)者沒(méi)有發(fā)表任何論文來(lái)解釋噪音的性質(zhì)，但他們獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

講述：現(xiàn)在證明大爆炸有了，是存在的，大爆炸時(shí)發(fā)生了什么變化呢？

視頻：物理學(xué)家艾倫?古思聽(tīng)了羅伯特?迪克的講座，對(duì)宇宙的形成產(chǎn)生了興趣，并于1981年提出了爆炸理論。在20世紀(jì)，科學(xué)的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的體現(xiàn)。他對(duì)于宇宙起源后10～43秒以來(lái)的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋。

視頻：宇宙大爆炸

介紹宇宙大爆炸理論的主要觀點(diǎn)。

大約150億年前，我們所處的宇宙全部以粒子的形式，極高的溫度（在100億度以上）、極大的密度，被擠壓在一個(gè)“原始火球”中。宇宙就是在這個(gè)火球的大爆炸中誕生的。在大爆炸發(fā)生前，宇宙中沒(méi)有物質(zhì)、沒(méi)有能量、沒(méi)有生命。大爆炸使物質(zhì)四散出擊，通過(guò)大爆炸的能量形成了一些基本粒子，這些粒子在能量的作用下，逐漸形成了宇宙中的各種物質(zhì)。宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應(yīng)下降，后來(lái)相繼出現(xiàn)在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在這種不斷膨脹冷卻的過(guò)程中逐漸形成的。

學(xué)生討論：你是否同意大爆炸宇宙論的觀點(diǎn)？談?wù)勀愕睦碛伞?/p>

學(xué)生回答：大爆炸宇宙論很好地解釋了星系間的距離在不斷的擴(kuò)大，宇宙在不斷地膨脹之中。但宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實(shí)驗(yàn)的支持，無(wú)法回答現(xiàn)在的宇宙在大爆炸發(fā)生之前到底是什么樣的，或者說(shuō)發(fā)生這次大爆炸的原因是什么，宇宙的將來(lái)又將怎樣變化。

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)計(jì)滲透了對(duì)宇宙大爆炸理論歷史的介紹，將新知識(shí)的背景材料融入課堂，發(fā)揮學(xué)生想象力，創(chuàng)設(shè)有效的課堂教學(xué)情境，讓學(xué)生自己來(lái)分析表達(dá)，提出獨(dú)立的見(jiàn)解，它的價(jià)值在于還原了知識(shí)形成和發(fā)展過(guò)程中的本來(lái)面目。在科學(xué)家所持各種觀點(diǎn)的碰撞與爭(zhēng)論中，讓學(xué)生領(lǐng)略科學(xué)本身的內(nèi)涵，增加了教學(xué)的趣味性，發(fā)展了學(xué)生的質(zhì)疑精神，逐步加深對(duì)提出問(wèn)題的理解，也體現(xiàn)了生本教育的理念。

討論1．假設(shè)你來(lái)到宇宙邊緣，把頭伸出簾幕，那會(huì)發(fā)生什么？你的頭會(huì)在什么地方？你會(huì)看到對(duì)面是什么？

學(xué)生回答：

（1）會(huì)從宇宙的另一端伸出來(lái)。宇宙相當(dāng)于很大的“星體”，在其外面，還有更大的“宇宙”，其中漂浮著數(shù)以萬(wàn)計(jì)的目前人們眼中認(rèn)識(shí)的宇宙。

（2）頭伸出去之后，會(huì)到宇宙其它地方或另一個(gè)宇宙空間中，可能在任何一個(gè)星球。由于在宇宙邊緣，空間扭曲，或許被瞬間殺死。

（3）由于我們所處的宇宙，在宇宙大爆炸之后，經(jīng)歷了從無(wú)時(shí)間、無(wú)空間轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)有獨(dú)立事件與空間的宇宙的歷程。因此，我們可以大膽推測(cè)，宇宙外的體系也必定有屬于自己的時(shí)間和空間。若宇宙為孤立的，即宇宙外無(wú)時(shí)間或空間，那么便沒(méi)有除宇宙之外的空間來(lái)容納我們的“頭”，我們的“頭”便伸不出去；若“頭”能伸出，則表明我們所處的宇宙被更大的空間所包容，說(shuō)不定會(huì)發(fā)現(xiàn)其它和我們宇宙呈并聯(lián)關(guān)系的宇宙體系。但到底如何，還需要我們進(jìn)一步的探索與開(kāi)拓。

（4）根據(jù)大爆炸理論，137億年前，宇宙大爆炸之前還只是一個(gè)奇點(diǎn)，而在這個(gè)奇點(diǎn)外，是什么都沒(méi)有的，不存在空間，不存在時(shí)間，而在大爆炸之后，這個(gè)奇點(diǎn)不斷膨脹，且在“什么都沒(méi)有中”膨脹。當(dāng)人來(lái)到宇宙邊緣，將“頭”伸出宇宙，而“頭”只能存在于空間之中，宇宙之外沒(méi)有空間，所以“頭”是伸不出去的。

（5）有個(gè)學(xué)生說(shuō)：也許愛(ài)因斯坦、霍金和其他人都錯(cuò)了，未來(lái)幾百年后愛(ài)因斯坦也可能是另一個(gè)亞里士多德……

討論2．人類(lèi)為什么花費(fèi)巨大的人力物力來(lái)研究宇宙的起源？有什么意義？

（1）人類(lèi)有探索精神，探究未知的世界，人類(lèi)的文明就是這樣逐步推進(jìn)的。

（2）貫穿實(shí)證的精神，通過(guò)對(duì)客觀物質(zhì)世界的觀察和測(cè)量，來(lái)尋求對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的解釋和對(duì)未來(lái)世界的預(yù)測(cè)，探求事實(shí)的本原，追求真理。科學(xué)講求實(shí)證的過(guò)程和證據(jù)。

（3）過(guò)去的歷史是現(xiàn)在一切的原因，回答千百年來(lái)的哲學(xué)與科學(xué)問(wèn)題：我們是誰(shuí)？我們從哪里來(lái)？要到哪里去？

設(shè)計(jì)意圖：當(dāng)學(xué)生對(duì)所學(xué)的內(nèi)容有興趣時(shí)，當(dāng)學(xué)生的惰性遭遇到理智的挑戰(zhàn)時(shí)，當(dāng)教學(xué)內(nèi)容能夠用多種形式來(lái)呈現(xiàn)時(shí)，學(xué)生會(huì)學(xué)得最好。設(shè)計(jì)中課堂討論的兩個(gè)問(wèn)題是很開(kāi)放的問(wèn)題，學(xué)生對(duì)相對(duì)論的內(nèi)容已經(jīng)有所了解，所以在回答問(wèn)題的時(shí)候已經(jīng)有他們自己的分析和理解。學(xué)生的思路很開(kāi)闊，思維活躍，勇于質(zhì)疑，不滿(mǎn)足于教材上的結(jié)論，而是根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行創(chuàng)造性思維并提出獨(dú)立的見(jiàn)解，互動(dòng)性強(qiáng)，體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)造力。在思維的火花不斷碰撞中發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題，提高了思維深廣度，領(lǐng)會(huì)科學(xué)精神的本質(zhì)。