14一名物理学家的教育历程 日]加来道雄 【教学目标】 知识教育目标 引导学生从生活出发,了解科学、认识科学 、能力培养目标 引导学生以“教育历程”为重点,探讨其中表现的思想内涵 、德育滲透目标 引导学生体会科学精神。 【重点、难点及解决办法】 高维空间对普通人来说,是很难想像的。所以,教学重点是文章内容,而不是相关的科学 知识。相关知识教师有所了解,能帮助教学课文即可,不必教授给学生 【课时安排】 1课时 【教学内容与步骤】 导入新课 成为一位科学家是无数有志青年的梦想,对物理的探究更是许多年轻的学子孜孜以求的 我们来看一下加来道雄的成长道路,或许能得到一些启发 (板书)一名物理学家的教育历程 明确目标 1.引导学生从生活出发,了解科学、认识科学 2.引导学生以“教育历程”为重点,探讨其中表现的思想内涵 三、整体感知 1.作者简介 加来道雄,美籍日裔物理学家,毕业于美国哈佛大学,获加利福尼亚大学伯克利分校哲学 博士学位,后任纽约市立大学城市学院理论物理学教授。主要著作有《超越爱因斯坦》(与 特雷纳合著)《量子场论》《超弦导论》。 2.本文的基本结构 文章的题目是“一名物理学家的教育历程”,因此,叙述的顺序主要是历时性的。但是, 作者开头就说“童年的两件趣事极大地丰富了我对世界的理解力,并且引导我走上成为一个 理论物理学家的历程。”而“童年的两件趣事”作为文章的主要内容,又是共时性的叙述 这样的结构安排,使文章既脉络清楚,又重点突出。结构如图 童年 青年 (成年) 鲤鱼世界的幻想(想像) 实验 (理论物理学家) 爱因斯坦故事(理论) 3.本文的基本内容 ①人人都对自然感到好奇,都以自己喜爱的形式寻求自然的“谜底”,但是大多数人一般 直接探寻自然本身,而作者却由人的观察角度,反思人类对宇宙的认知。看似作者少年时的 思维超出同龄人,其实只是他充分发挥了自己的想像力,并且保持了这样奇特的想像力,由 此奠定了他对高维空间理论探究的基础。②作者少年时接触到爱因斯坦的“未竟事业”,激 发了他的探究兴趣。他之所以感到“激动人心”,是因为他把爱因斯坦的理论当成一个“侦 探故事”来阅读、探究,这非常符合少年的心理。另外,“我决定要对这一秘密刨根问底” 也表现了他有毅力有恒心的性格,这是成为科学家的基本素质。③高中时代,本应“在棒球
14 一名物理学家的教育历程 ［日］加来道雄 【教学目标】 一、知识教育目标 引导学生从生活出发，了解科学、认识科学。 二、能力培养目标 引导学生以“教育历程”为重点，探讨其中表现的思想内涵。 三、德育渗透目标 引导学生体会科学精神。 【重点、难点及解决办法】 高维空间对普通人来说，是很难想像的。所以，教学重点是文章内容，而不是相关的科学 知识。相关知识教师有所了解，能帮助教学课文即可，不必教授给学生。 【课时安排】 1 课时 【教学内容与步骤】 一、导入新课 成为一位科学家是无数有志青年的梦想，对物理的探究更是许多年轻的学子孜孜以求的， 我们来看一下加来道雄的成长道路，或许能得到一些启发。 （板书）一名物理学家的教育历程 二、明确目标 1．引导学生从生活出发，了解科学、认识科学 2．引导学生以“教育历程”为重点，探讨其中表现的思想内涵。 三、整体感知 1．作者简介 加来道雄，美籍日裔物理学家，毕业于美国哈佛大学，获加利福尼亚大学伯克利分校哲学 博士学位，后任纽约市立大学城市学院理论物理学教授。主要著作有《超越爱因斯坦》（与 特雷纳合著）《量子场论》《超弦导论》。 2．本文的基本结构 文章的题目是“一名物理学家的教育历程”，因此，叙述的顺序主要是历时性的。但是， 作者开头就说“童年的两件趣事极大地丰富了我对世界的理解力，并且引导我走上成为一个 理论物理学家的历程。”而“童年的两件趣事”作为文章的主要内容，又是共时性的叙述。 这样的结构安排，使文章既脉络清楚，又重点突出。结构如图： 童年 青年 （成年） 鲤鱼世界的幻想（想像） 实验 （理论物理学家） 爱因斯坦故事（理论） 3．本文的基本内容 ①人人都对自然感到好奇，都以自己喜爱的形式寻求自然的“谜底”，但是大多数人一般 直接探寻自然本身，而作者却由人的观察角度，反思人类对宇宙的认知。看似作者少年时的 思维超出同龄人，其实只是他充分发挥了自己的想像力，并且保持了这样奇特的想像力，由 此奠定了他对高维空间理论探究的基础。②作者少年时接触到爱因斯坦的“未竟事业”，激 发了他的探究兴趣。他之所以感到“激动人心”，是因为他把爱因斯坦的理论当成一个“侦 探故事”来阅读、探究，这非常符合少年的心理。另外，“我决定要对这一秘密刨根问底”， 也表现了他有毅力有恒心的性格，这是成为科学家的基本素质。③高中时代，本应“在棒球
场或篮球场玩耍”,享受青春年华,但作者却“找遍周边地区大量的电子仓库,装配必需的 硬件设备”,在“学校的足球场中缠绕22英里长的铜线”,自己动手建设实验室,验证爱因 斯坦理论,探究反物质。作者进行这样艰苦枯燥的工作,体现了他对科学的热爱,以及踏实 的性格,显露出一个科学工作者的潜能。由①②到③,我们可以清楚地看到作者的“教育历 程”和“教育内容” 四、重点、难点的学习与目标完成过程 1.【提问】本文在材料处理上有什么特点? 【明确】本文布局谋篇重点突出,详略得当。在整体上,作者并没有从童年到小学到初中 到高中,按时间顺序叙事,而是通过童年的两件趣事和高中时建立实验室的事例,突出他成 长为一名“物理学家”的“教育历程”,并不旁及其他成长的经验:在局部上,如高中阶段, 作者看了许多统一场理论方面的书,并常常去斯坦福大学的物理图书馆,相关的理论书籍是 怎样启发、引导他研究的,这里肯定有许多精彩的故事,但是作者只是一笔带过,重点放在 制造“自己的原子对撞机”上,其中具体的数据叙述得很详尽,让人体会到作者严谨、踏实 的性格,以及内在的成为物理学家所需要的基本素质。 2.【提问】本文体现了怎样的科学精神? 【明确】本文三个主要部分,并不是简单地叙述成长的故事,而是具有深刻的科学精神内 涵,可以从中看到哪些方面的“教育”对成为优秀科学家最为重要。 (1)想像力:科学是需要想像力的,想像力能带来创造力。作者正是从对鲤鱼世界的想 像中,认识到人类观察空间的局限性,间接感悟到高维空间存在的可能。由感性的想像上升 到理性的创造,体现了创新意识和探索精神 (2)乐趣:科学不应该是枯燥的,而是应该充满乐趣的。探寻自然的奧秘,对真正的科 学工作者来说,是和自然做的近似于捉迷藏的“游戏”,也是人生的“境界”。“游戏”使他 们乐此不疲,充满激情,不受外界的诱惑和干扰:而“境界”使他们不顾功利,不畏强权, 只求真理。 (3)实验精神:丁肇中说过:“现代学术的基础就是实地的探察,就是我们现在所谓的实 验。”“科学发展的历史告诉我们,新的知识只能通过实地实验而得到,不是由自我检讨或哲 理的清谈就可求到的。”(《应有格物致知精神》)有了想像力,有了乐趣,那只是成为科学家 的最基础的因素,不去踏踏实实地做实验,就不能得到基本数据,假说就不能确立。一味地 空想,不去做基础工作,不可能达到真理的彼岸。作者从事的高维空间理论,虽然还停留在 纸面上,但是科学家们己经在做许多基础的实验工作,努力使理论得到证明。即使如科学家 霍金靠睿智的头脑创建黑洞理论,也要有数学和天体物理学的实验基础,也不是空想出来的。 3.【提问】“鲤鱼科学家”对“世界”的认识是怎样的? 【明确】主要有以下几点:(1)“水池之外看不见的世界没有科学意义。”(2)“它们为睡 莲自己能够运动而困惑不解”一一它们以神秘的“力”来掩盖自己的无知。(3)“鲤鱼科学 家”的“消失”和“重现”一一它们认为是“奇迹”,是“可怖的事情”,而不肯去探究原因 (4)“鲤鱼科学”的“传奇故事”,真实地证明另一个世界的存在,而它们却认为“胡说八 道”,荒谬绝伦,违背它们的“自然规律”。 4.【提问】作者想通过“鲤鱼科学家”对世界的认识说明什么 【明确】说明“自以为是”的人类和“鲤鱼科学家”有相似之处。(1)人类“一生就在我们 自己的‘池子’里度过”,只要“超出我们的理解力”的自然存在,他们就“拒绝承认”。(2) “科学家发明像力这样一些概念……”,是因为他们只愿意承认“那些看得见摸得着的事物”, 不肯改变思考问题的方式。(3)“不能在实验室里便利地验证”的理论,他们就加以“鄙视” 表现出思想上的保守和固执 5.【提问】课文中阅读多维空间历险故事和统一场理论书籍两小段内容,对“教育历程”的
场或篮球场玩耍”，享受青春年华，但作者却“找遍周边地区大量的电子仓库，装配必需的 硬件设备”，在“学校的足球场中缠绕 22 英里长的铜线”，自己动手建设实验室，验证爱因 斯坦理论，探究反物质。作者进行这样艰苦枯燥的工作，体现了他对科学的热爱，以及踏实 的性格，显露出一个科学工作者的潜能。由①②到③，我们可以清楚地看到作者的“教育历 程”和“教育内容”。 四、重点、难点的学习与目标完成过程 1．【提问】本文在材料处理上有什么特点？ 【明确】本文布局谋篇重点突出，详略得当。在整体上，作者并没有从童年到小学到初中 到高中，按时间顺序叙事，而是通过童年的两件趣事和高中时建立实验室的事例，突出他成 长为一名“物理学家”的“教育历程”，并不旁及其他成长的经验；在局部上，如高中阶段， 作者看了许多统一场理论方面的书，并常常去斯坦福大学的物理图书馆，相关的理论书籍是 怎样启发、引导他研究的，这里肯定有许多精彩的故事，但是作者只是一笔带过，重点放在 制造“自己的原子对撞机”上，其中具体的数据叙述得很详尽，让人体会到作者严谨、踏实 的性格，以及内在的成为物理学家所需要的基本素质。 2．【提问】本文体现了怎样的科学精神？ 【明确】本文三个主要部分，并不是简单地叙述成长的故事，而是具有深刻的科学精神内 涵，可以从中看到哪些方面的“教育”对成为优秀科学家最为重要。 （1）想像力：科学是需要想像力的，想像力能带来创造力。作者正是从对鲤鱼世界的想 像中，认识到人类观察空间的局限性，间接感悟到高维空间存在的可能。由感性的想像上升 到理性的创造，体现了创新意识和探索精神。 （2）乐趣：科学不应该是枯燥的，而是应该充满乐趣的。探寻自然的奥秘，对真正的科 学工作者来说，是和自然做的近似于捉迷藏的“游戏”，也是人生的“境界”。“游戏”使他 们乐此不疲，充满激情，不受外界的诱惑和干扰；而“境界”使他们不顾功利，不畏强权， 只求真理。 （3）实验精神：丁肇中说过：“现代学术的基础就是实地的探察，就是我们现在所谓的实 验。”“科学发展的历史告诉我们，新的知识只能通过实地实验而得到，不是由自我检讨或哲 理的清谈就可求到的。”（《应有格物致知精神》）有了想像力，有了乐趣，那只是成为科学家 的最基础的因素，不去踏踏实实地做实验，就不能得到基本数据，假说就不能确立。一味地 空想，不去做基础工作，不可能达到真理的彼岸。作者从事的高维空间理论，虽然还停留在 纸面上，但是科学家们已经在做许多基础的实验工作，努力使理论得到证明。即使如科学家 霍金靠睿智的头脑创建黑洞理论，也要有数学和天体物理学的实验基础，也不是空想出来的。 3．【提问】“鲤鱼科学家”对“世界”的认识是怎样的？ 【明确】主要有以下几点：（1）“水池之外看不见的世界没有科学意义。”（2）“它们为睡 莲自己能够运动而困惑不解”——它们以神秘的“力”来掩盖自己的无知。（3）“鲤鱼科学 家”的“消失”和“重现”——它们认为是“奇迹”，是“可怖的事情”，而不肯去探究原因。 （4）“鲤鱼科学”的“传奇故事”，真实地证明另一个世界的存在，而它们却认为“胡说八 道”，荒谬绝伦，违背它们的“自然规律”。 4．【提问】作者想通过“鲤鱼科学家”对世界的认识说明什么？ 【明确】说明“自以为是”的人类和“鲤鱼科学家”有相似之处。（1）人类“一生就在我们 自己的‘池子’里度过”，只要“超出我们的理解力”的自然存在，他们就“拒绝承认”。（2） “科学家发明像力这样一些概念……”，是因为他们只愿意承认“那些看得见摸得着的事物”， 不肯改变思考问题的方式。（3）“不能在实验室里便利地验证”的理论，他们就加以“鄙视”， 表现出思想上的保守和固执。 5．【提问】课文中阅读多维空间历险故事和统一场理论书籍两小段内容，对“教育历程”的
叙述有什么作用? 【明确】课文的重点是童年趣事和建立实验室,这三个事例已经把“教育历程”完整地勾画 出来。而夹杂在其中的两个小事例,主要起补充和衔接的作用。历险故事加深作者对高维空 间的想像,激发兴趣;而阅读统一场理论书籍,既表现高中阶段作者求知的热情,也衔接起 由理论到实验的探究过程。 6.【提问】作者说“我决定要对这一问题刨根问底,纵然为此而必须成为一名理论物理学家 也在所不辞。”在作者心中“理论物理学家”应该是怎样的人? 【明确】理论物理学家的工作是抽象、枯燥的,受实验条件的限制,自己的学说很难得到实 验的证明,甚至可能到死也得不到成就。这样的人必须耐得住寂寞,必须有奉献精神。“在 所不辞”意味着“理论物理学家”道路的艰辛。 7.【提问】作者建立实验室的事例,对我们现实生活有怎样的意义? 【明确】科学是建立在基础实验之上的,科学理论要经过实验的检验才能得到论证。实验 不是简单的操作,要有理论指导,要有实验的设计,要有策划组织能力,要有耐力和恒心等 等,实验考验的是实验者的综合能力。而我们当前存在的问题是,重视理论,轻视基础实验 表现为动手能力和实践能力差,思想上浮躁,急功近利。对教育而言,重知识,轻能力的现 象很普遍。这些都是一名理论物理学家重视实验给我们现实生活的启迪。 【布置作业】 完成“研讨与练习一、二 【相关知识】 为了更好地理解课文,我们需要了解一些相关的理论物理学知识: (1)统一场论 根据现代物理学知识,将我们的宇宙结合起来的力有四种:引力、电磁力、强核力和弱核 力。物理学家运用量子力学,已经把后三种力统一起来(美籍华裔物理学家杨振宁和他的学 生米尔斯提出杨一米尔斯场理论,解决了这一问题,被称为“标准模型”。但是这一理论因 为计算繁复无比而让人头疼),但是引力仍然游离在外。爱因斯坦毕终生之力想寻求四种力 的统一,建立一个大一统的理论,最终也没有实现。 (2)高维空间 现代理论物理学认为,统一四种力的前景,在于高维空间(如十维或更高)理论的确立 比如对于古人来讲,风暴是怎样产生的,风暴会袭击什么地方,什么时候袭来,什么时候结 束,他们是一无所知的,因为他们生活在平坦的大地上,只能靠肉眼从近似于二维平面的角 度来观察,即使有简单的预报,也都是靠经验来推测的。现在有了气象卫星,从太空这样三 维角度观察地球,在地面上看来神秘莫测的风暴被看得一清二楚,可以精准地预报风暴的动 向。同样,理论物理学家认为,传统的四维(空间三维加上时间)理论太“小”,不能解释 宇宙中的四种力。当他们超越四维而在更高维(如十维或更高)中寻求统一这四种力时,就 能得到一种简单、漂亮的解决模型(科学家认为宇宙应该是简单、合谐的)。 高维空间理论认为,宇宙大爆炸后10-43秒,十维宇宙分解成四维宇宙和六维宇宙,四维 宇宙暴胀,经过近一百五十亿年,演变成今天我们生活的宇宙。大爆炸后10-35秒,大统 力分开。但是高维空间理论很难在实验室中得到证实,因为要模拟当时的环境,需要的能量 太大,根本无法做到,所以现在高维空间理论只能是“理论
叙述有什么作用？ 【明确】课文的重点是童年趣事和建立实验室，这三个事例已经把“教育历程”完整地勾画 出来。而夹杂在其中的两个小事例，主要起补充和衔接的作用。历险故事加深作者对高维空 间的想像，激发兴趣；而阅读统一场理论书籍，既表现高中阶段作者求知的热情，也衔接起 由理论到实验的探究过程。 6．【提问】作者说“我决定要对这一问题刨根问底，纵然为此而必须成为一名理论物理学家 也在所不辞。”在作者心中“理论物理学家”应该是怎样的人？ 【明确】理论物理学家的工作是抽象、枯燥的，受实验条件的限制，自己的学说很难得到实 验的证明，甚至可能到死也得不到成就。这样的人必须耐得住寂寞，必须有奉献精神。“在 所不辞”意味着“理论物理学家”道路的艰辛。 7．【提问】作者建立实验室的事例，对我们现实生活有怎样的意义？ 【明确】科学是建立在基础实验之上的，科学理论要经过实验的检验才能得到论证。实验 不是简单的操作，要有理论指导，要有实验的设计，要有策划组织能力，要有耐力和恒心等 等，实验考验的是实验者的综合能力。而我们当前存在的问题是，重视理论，轻视基础实验， 表现为动手能力和实践能力差，思想上浮躁，急功近利。对教育而言，重知识，轻能力的现 象很普遍。这些都是一名理论物理学家重视实验给我们现实生活的启迪。 【布置作业】 完成“研讨与练习一、二”。 【相关知识】 为了更好地理解课文，我们需要了解一些相关的理论物理学知识： （1）统一场论 根据现代物理学知识，将我们的宇宙结合起来的力有四种：引力、电磁力、强核力和弱核 力。物理学家运用量子力学，已经把后三种力统一起来（美籍华裔物理学家杨振宁和他的学 生米尔斯提出杨一米尔斯场理论，解决了这一问题，被称为“标准模型”。但是这一理论因 为计算繁复无比而让人头疼），但是引力仍然游离在外。爱因斯坦毕终生之力想寻求四种力 的统一，建立一个大一统的理论，最终也没有实现。 （2）高维空间 现代理论物理学认为，统一四种力的前景，在于高维空间（如十维或更高）理论的确立。 比如对于古人来讲，风暴是怎样产生的，风暴会袭击什么地方，什么时候袭来，什么时候结 束，他们是一无所知的，因为他们生活在平坦的大地上，只能靠肉眼从近似于二维平面的角 度来观察，即使有简单的预报，也都是靠经验来推测的。现在有了气象卫星，从太空这样三 维角度观察地球，在地面上看来神秘莫测的风暴被看得一清二楚，可以精准地预报风暴的动 向。同样，理论物理学家认为，传统的四维（空间三维加上时间）理论太“小”，不能解释 宇宙中的四种力。当他们超越四维而在更高维（如十维或更高）中寻求统一这四种力时，就 能得到一种简单、漂亮的解决模型（科学家认为宇宙应该是简单、合谐的）。 高维空间理论认为，宇宙大爆炸后 10-43 秒，十维宇宙分解成四维宇宙和六维宇宙，四维 宇宙暴胀，经过近一百五十亿年，演变成今天我们生活的宇宙。大爆炸后 10-35 秒，大统一 力分开。但是高维空间理论很难在实验室中得到证实，因为要模拟当时的环境，需要的能量 太大，根本无法做到，所以现在高维空间理论只能是“理论