“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(jié)是浙教版《科學》教材九年級下第一章第一節(jié)的內(nèi)容，學生已經(jīng)學習過轉(zhuǎn)化與平衡，知道了自然界各種物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)、運動、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(xiàn)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(jù)從宏觀到微觀，從久遠到現(xiàn)代的線索展示自然的演化過程。宇宙是物質(zhì)的世界，它處于不斷的運動和發(fā)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(yǎng)學生依據(jù)相應的證據(jù)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(chǎn)生。雖然學生已經(jīng)了解部分內(nèi)容，但宇宙的起源離學生的現(xiàn)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(fā)展想象力和創(chuàng)新精神提供了廣闊的空間。

三、相關內(nèi)容

首先介紹有關古代人對宇宙的認識，激發(fā)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(jù)人類尋找到的證據(jù)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(jù)教學內(nèi)容、學情和學生的年齡特點，本節(jié)內(nèi)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(wǎng)絡資源的優(yōu)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(fā)表自己的獨特見解的機會，激發(fā)學生探究科學的興趣，培養(yǎng)學生科學實踐的能力。

四、改進的背景和理論依據(jù)

在進行科學教學時，常常需要展現(xiàn)科學探究的過程?？茖W史的教學有利于啟發(fā)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(fā)明提供歷史背景、現(xiàn)實來源和應用，是體現(xiàn)科學態(tài)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(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者，希望駕馭知識。這一時期他們已經(jīng)能夠理解一般的抽象概念、掌握一定的科學定義，對許多現(xiàn)象能進行概括和抽象，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，初中學生自覺地作出恰當?shù)呐袛嗪瓦M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(jù)掌握的資料，進行分析和科學實驗，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(guī)教學方法，學生難于理解和掌握。而科學教學重在培養(yǎng)學生的科學思維、科學方法、科學精神等科學素養(yǎng)，科學史是科學教學中培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)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(jié)合，有效地發(fā)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(chuàng)設，使學生在學習中領會科學精神的本質(zhì)。

五、改進后的教學設計

基于教學內(nèi)容和初中學生的心理發(fā)展特點，可以將宇宙大爆炸理論的發(fā)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(fā)現(xiàn)，根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論的方程推導：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(fā)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(jīng)是神父，有人嘲笑他：圣經(jīng)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(xù)堅持自己的觀點，并且繼續(xù)修正原來的模型。

（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(chǎn)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(xù)查找噪音產(chǎn)生的可能原因，并加以消除。

（2）如果實在找不到噪音產(chǎn)生的原因，放棄。

（3）尋求其他人的幫助。

講述：于是他們打電話給普林斯頓大學的羅伯特?迪克，迪克意識到年輕人發(fā)現(xiàn)了什么。他對他的同事說“哎呀，好家伙，人家搶在我們前面了?！笨茖W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(fā)現(xiàn)讓人們可以從中捕獲宇宙創(chuàng)生早期的重要信息。雖然兩位學者沒有發(fā)表任何論文來解釋噪音的性質(zhì)，但他們獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

講述：現(xiàn)在證明大爆炸有了，是存在的，大爆炸時發(fā)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(chǎn)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(xiàn)。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(fā)生前，宇宙中沒有物質(zhì)、沒有能量、沒有生命。大爆炸使物質(zhì)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(zhì)。宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應下降，后來相繼出現(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(xiàn)在的宇宙在大爆炸發(fā)生之前到底是什么樣的，或者說發(fā)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(fā)揮學生想象力，創(chuàng)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(fā)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(nèi)涵，增加了教學的趣味性，發(fā)展了學生的質(zhì)疑精神，逐步加深對提出問題的理解，也體現(xiàn)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(fā)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(shù)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(jīng)歷了從無時間、無空間轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€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(fā)現(xiàn)其它和我們宇宙呈并聯(lián)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(jù)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(zhì)世界的觀察和測量，來尋求對現(xiàn)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?？茖W講求實證的過程和證據(jù)。

（3）過去的歷史是現(xiàn)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(nèi)容有興趣時，當學生的惰性遭遇到理智的挑戰(zhàn)時，當教學內(nèi)容能夠用多種形式來呈現(xiàn)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(nèi)容已經(jīng)有所了解，所以在回答問題的時候已經(jīng)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(zhì)疑，不滿足于教材上的結(jié)論，而是根據(jù)實際情況進行創(chuàng)造性思維并提出獨立的見解，互動性強，體現(xiàn)了學生的創(chuàng)造力。在思維的火花不斷碰撞中發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，提高了思維深廣度，領會科學精神的本質(zhì)。