“宇宙的起源”教學設計

浙江省杭州市杭州英特外國語學校 （311121） 李學海

“宇宙的起源”教學設計

浙江省杭州市杭州英特外國語學校 （311121） 李學海

一、教材分析

本節是浙教版《科學》教材九年級下第一章第一節的內容，學生已經學習過轉化與平衡，知道了自然界各種物質的層次結構、運動、變化、轉化和平衡等基本特性，轉化與平衡是可重演的研究，可以通過猜想加實驗驗證的方式來進行；第一章“演化的自然”是不可重演的研究，基于此，可以由現象→假說→模型，模型、假說法非常適合這一章的教學。第一章依據從宏觀到微觀，從久遠到現代的線索展示自然的演化過程。宇宙是物質的世界，它處于不斷的運動和發展中。千百年來，科學家們一直在探尋宇宙是什么時候、如何形成的。教材通過模型、假說等加深科學的宇宙觀、唯物辯證的自然觀，培養學生依據相應的證據演繹推理科學假說的能力。

二、學情分析

學生對宇宙并不陌生，有很多問題在兒童時代就朦朧產生。雖然學生已經了解部分內容，但宇宙的起源離學生的現實生活較遠，也比較抽象；學生在宇宙方面的基礎知識很缺乏，教學過程中也很難找到直觀的實驗和真實的模型支持，對學生來說理解較為困難。但同時學生對未知的宇宙充滿了好奇，為促進學生發展想象力和創新精神提供了廣闊的空間。

三、相關內容

首先介紹有關古代人對宇宙的認識，激發學生的興趣；接著介紹哈勃對星系光譜研究的成果，建立星系運動模型，然后安排學生實驗——“氣球膨脹和黑點運動”，幫助學生更好地理解星系運動特點，最后根據人類尋找到的證據建立大爆炸宇宙論的宇宙起源學說并介紹“宇宙大爆炸理論”。根據教學內容、學情和學生的年齡特點，本節內容可以采用多媒體課件組合的方式進行教學，并收集有關的信息材料，將大量圖片、文字、視頻資源有機整合，充分利用多媒體平臺和網絡資源的優勢，開拓學生視野，學生觀看并說出自己的感受，給每一位同學足夠的施展空間，大膽發表自己的獨特見解的機會，激發學生探究科學的興趣，培養學生科學實踐的能力。

四、改進的背景和理論依據

在進行科學教學時，常常需要展現科學探究的過程。科學史的教學有利于啟發學生的思維，加深學生對所學知識的理解，它可以為重要的科學事實、概念、原理、方法以及技術發明提供歷史背景、現實來源和應用，是體現科學態度、情感與價值觀的載體。

在少年兒童的精神世界，都希望自己是一個發現者、研究者、探索者，希望駕馭知識。這一時期他們已經能夠理解一般的抽象概念、掌握一定的科學定義，對許多現象能進行概括和抽象，逐漸掌握概念的本質特征和概念系統。在判斷推理方面，初中學生自覺地作出恰當的判斷和進行合乎邏輯的推理的能力，有的學生能超出直接感知的事物，提出假設，進行推理和論證；有的學生還能根據掌握的資料，進行分析和科學實驗，作出判斷和推理，從而發現事物的內在聯系。

通常的教學設計是將大量的多媒體材料融入課堂進行介紹，但宇宙的起源比較抽象，如果采用常規教學方法，學生難于理解和掌握。而科學教學重在培養學生的科學思維、科學方法、科學精神等科學素養，科學史是科學教學中培養學生科學素養的良好素材。通過介紹“宇宙的起源”，將其作為科學史的教學素材，注重過程與方法相結合，有效地發揮學生想象力，增強學生的主體意識，進行科學課堂教學情境的創設，使學生在學習中領會科學精神的本質。

五、改進后的教學設計

基于教學內容和初中學生的心理發展特點，可以將宇宙大爆炸理論的發展史融入上課的過程中，具體的教學設計如下。

視頻：1922年，弗里德曼發現，根據愛因斯坦的廣義相對論的方程推導：宇宙不一定是靜態的，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膨脹宇宙模型：整個宇宙最初聚集在一個“原始原子”中，后來發生了大爆炸，碎片向四面八方散開，形成了我們的宇宙。愛因斯坦的廣義相對論雖支持他的理論，但是愛因斯坦自己不相信廣義相對論所能推導出的宇宙擴張。為此勒梅特專門跑去拜見愛因斯坦，愛因斯坦用了“今生”來表達他的感受：勒梅特的描述是他“今生所能想象的最美麗的畫面”。由于勒梅特曾經是神父，有人嘲笑他：圣經給了這個科學家愚蠢的想象力。在20世紀中葉，伽莫夫在勒梅特的膨脹宇宙模型基礎上提出了大爆炸宇宙模型。

問題：很多科學家反對勒梅特和伽莫夫的觀點，如果你是他們，你會怎么辦？

學生回答：

（1）聽從其他科學家的意見，保留自己的觀點。

（2）走自己的路，繼續堅持自己的觀點，并且繼續修正原來的模型。

（3）尋找證據，找大爆炸留下的遺跡，就像篝火燃盡了會有一堆灰燼一樣。

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

問題：要消除噪音，怎么辦？

學生回答：

（1）繼續查找噪音產生的可能原因，并加以消除。

（2）如果實在找不到噪音產生的原因，放棄。

（3）尋求其他人的幫助。

講述：于是他們打電話給普林斯頓大學的羅伯特?迪克，迪克意識到年輕人發現了什么。他對他的同事說“哎呀，好家伙，人家搶在我們前面了。”科學家們相信：這種找不到來源的噪聲正是大爆炸初期殘留的宇宙射線，是宇宙大爆炸時留下的遺跡。這一意外發現讓人們可以從中捕獲宇宙創生早期的重要信息。雖然兩位學者沒有發表任何論文來解釋噪音的性質，但他們獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

講述：現在證明大爆炸有了，是存在的，大爆炸時發生了什么變化呢？

視頻：物理學家艾倫?古思聽了羅伯特?迪克的講座，對宇宙的形成產生了興趣，并于1981年提出了爆炸理論。在20世紀，科學的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的體現。他對于宇宙起源后10～43秒以來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。

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“原始火球”中。宇宙就是在這個火球的大爆炸中誕生的。在大爆炸發生前，宇宙中沒有物質、沒有能量、沒有生命。大爆炸使物質四散出擊，通過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。宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應下降，后來相繼出現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程中逐漸形成的。

學生討論：你是否同意大爆炸宇宙論的觀點？談談你的理由。

學生回答：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驗的支持，無法回答現在的宇宙在大爆炸發生之前到底是什么樣的，或者說發生這次大爆炸的原因是什么，宇宙的將來又將怎樣變化。

設計意圖：設計滲透了對宇宙大爆炸理論歷史的介紹，將新知識的背景材料融入課堂，發揮學生想象力，創設有效的課堂教學情境，讓學生自己來分析表達，提出獨立的見解，它的價值在于還原了知識形成和發展過程中的本來面目。在科學家所持各種觀點的碰撞與爭論中，讓學生領略科學本身的內涵，增加了教學的趣味性，發展了學生的質疑精神，逐步加深對提出問題的理解，也體現了生本教育的理念。

討論1．假設你來到宇宙邊緣，把頭伸出簾幕，那會發生什么？你的頭會在什么地方？你會看到對面是什么？

學生回答：

（1）會從宇宙的另一端伸出來。宇宙相當于很大的“星體”，在其外面，還有更大的“宇宙”，其中漂浮著數以萬計的目前人們眼中認識的宇宙。

（2）頭伸出去之后，會到宇宙其它地方或另一個宇宙空間中，可能在任何一個星球。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，經歷了從無時間、無空間轉變為一個有獨立事件與空間的宇宙的歷程。因此，我們可以大膽推測，宇宙外的體系也必定有屬于自己的時間和空間。若宇宙為孤立的，即宇宙外無時間或空間，那么便沒有除宇宙之外的空間來容納我們的“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，說不定會發現其它和我們宇宙呈并聯關系的宇宙體系。但到底如何，還需要我們進一步的探索與開拓。

（4）根據大爆炸理論，137億年前，宇宙大爆炸之前還只是一個奇點，而在這個奇點外，是什么都沒有的，不存在空間，不存在時間，而在大爆炸之后，這個奇點不斷膨脹，且在“什么都沒有中”膨脹。當人來到宇宙邊緣，將“頭”伸出宇宙，而“頭”只能存在于空間之中，宇宙之外沒有空間，所以“頭”是伸不出去的。

（5）有個學生說：也許愛因斯坦、霍金和其他人都錯了，未來幾百年后愛因斯坦也可能是另一個亞里士多德……

討論2．人類為什么花費巨大的人力物力來研究宇宙的起源？有什么意義？

（1）人類有探索精神，探究未知的世界，人類的文明就是這樣逐步推進的。

（2）貫穿實證的精神，通過對客觀物質世界的觀察和測量，來尋求對現實世界的解釋和對未來世界的預測，探求事實的本原，追求真理。科學講求實證的過程和證據。

（3）過去的歷史是現在一切的原因，回答千百年來的哲學與科學問題：我們是誰？我們從哪里來？要到哪里去？

設計意圖：當學生對所學的內容有興趣時，當學生的惰性遭遇到理智的挑戰時，當教學內容能夠用多種形式來呈現時，學生會學得最好。設計中課堂討論的兩個問題是很開放的問題，學生對相對論的內容已經有所了解，所以在回答問題的時候已經有他們自己的分析和理解。學生的思路很開闊，思維活躍，勇于質疑，不滿足于教材上的結論，而是根據實際情況進行創造性思維并提出獨立的見解，互動性強，體現了學生的創造力。在思維的火花不斷碰撞中發現、分析和解決問題，提高了思維深廣度，領會科學精神的本質。