“宇宙的起源”教学设计

浙江省杭州市杭州英特外国语学校 （311121） 李学海

“宇宙的起源”教学设计

浙江省杭州市杭州英特外国语学校 （311121） 李学海

一、教材分析

本节是浙教版《科学》教材九年级下第一章第一节的内容，学生已经学习过转化与平衡，知道了自然界各种物质的层次结构、运动、变化、转化和平衡等基本特性，转化与平衡是可重演的研究，可以通过猜想加实验验证的方式来进行；第一章“演化的自然”是不可重演的研究，基于此，可以由现象→假说→模型，模型、假说法非常适合这一章的教学。第一章依据从宏观到微观，从久远到现代的线索展示自然的演化过程。宇宙是物质的世界，它处于不断的运动和发展中。千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。教材通过模型、假说等加深科学的宇宙观、唯物辩证的自然观，培养学生依据相应的证据演绎推理科学假说的能力。

二、学情分析

学生对宇宙并不陌生，有很多问题在儿童时代就朦胧产生。虽然学生已经了解部分内容，但宇宙的起源离学生的现实生活较远，也比较抽象；学生在宇宙方面的基础知识很缺乏，教学过程中也很难找到直观的实验和真实的模型支持，对学生来说理解较为困难。但同时学生对未知的宇宙充满了好奇，为促进学生发展想象力和创新精神提供了广阔的空间。

三、相关内容

首先介绍有关古代人对宇宙的认识，激发学生的兴趣；接着介绍哈勃对星系光谱研究的成果，建立星系运动模型，然后安排学生实验——“气球膨胀和黑点运动”，帮助学生更好地理解星系运动特点，最后根据人类寻找到的证据建立大爆炸宇宙论的宇宙起源学说并介绍“宇宙大爆炸理论”。根据教学内容、学情和学生的年龄特点，本节内容可以采用多媒体课件组合的方式进行教学，并收集有关的信息材料，将大量图片、文字、视频资源有机整合，充分利用多媒体平台和网络资源的优势，开拓学生视野，学生观看并说出自己的感受，给每一位同学足够的施展空间，大胆发表自己的独特见解的机会，激发学生探究科学的兴趣，培养学生科学实践的能力。

四、改进的背景和理论依据

在进行科学教学时，常常需要展现科学探究的过程。科学史的教学有利于启发学生的思维，加深学生对所学知识的理解，它可以为重要的科学事实、概念、原理、方法以及技术发明提供历史背景、现实来源和应用，是体现科学态度、情感与价值观的载体。

在少年儿童的精神世界，都希望自己是一个发现者、研究者、探索者，希望驾驭知识。这一时期他们已经能够理解一般的抽象概念、掌握一定的科学定义，对许多现象能进行概括和抽象，逐渐掌握概念的本质特征和概念系统。在判断推理方面，初中学生自觉地作出恰当的判断和进行合乎逻辑的推理的能力，有的学生能超出直接感知的事物，提出假设，进行推理和论证；有的学生还能根据掌握的资料，进行分析和科学实验，作出判断和推理，从而发现事物的内在联系。

通常的教学设计是将大量的多媒体材料融入课堂进行介绍，但宇宙的起源比较抽象，如果采用常规教学方法，学生难于理解和掌握。而科学教学重在培养学生的科学思维、科学方法、科学精神等科学素养，科学史是科学教学中培养学生科学素养的良好素材。通过介绍“宇宙的起源”，将其作为科学史的教学素材，注重过程与方法相结合，有效地发挥学生想象力，增强学生的主体意识，进行科学课堂教学情境的创设，使学生在学习中领会科学精神的本质。

五、改进后的教学设计

基于教学内容和初中学生的心理发展特点，可以将宇宙大爆炸理论的发展史融入上课的过程中，具体的教学设计如下。

视频：1922年，弗里德曼发现，根据爱因斯坦的广义相对论的方程推导：宇宙不一定是静态的，它可以是膨胀的，也可以是缩小的。

1927年，勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。爱因斯坦的广义相对论虽支持他的理论，但是爱因斯坦自己不相信广义相对论所能推导出的宇宙扩张。为此勒梅特专门跑去拜见爱因斯坦，爱因斯坦用了“今生”来表达他的感受：勒梅特的描述是他“今生所能想象的最美丽的画面”。由于勒梅特曾经是神父，有人嘲笑他：圣经给了这个科学家愚蠢的想象力。在20世纪中叶，伽莫夫在勒梅特的膨胀宇宙模型基础上提出了大爆炸宇宙模型。

问题：很多科学家反对勒梅特和伽莫夫的观点，如果你是他们，你会怎么办？

学生回答：

（1）听从其他科学家的意见，保留自己的观点。

（2）走自己的路，继续坚持自己的观点，并且继续修正原来的模型。

（3）寻找证据，找大爆炸留下的遗迹，就像篝火燃尽了会有一堆灰烬一样。

视频：1965年，贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊想要使用一根通信天线，可是不断地受到咝咝的噪音干扰，他们重新组装了仪器，检查线路，排除了鸟粪、拧紧了螺丝等一系列可能的故障，还是找不到产生噪音的原因，无法消除，他们感到非常困惑。

问题：要消除噪音，怎么办？

学生回答：

（1）继续查找噪音产生的可能原因，并加以消除。

（2）如果实在找不到噪音产生的原因，放弃。

（3）寻求其他人的帮助。

讲述：于是他们打电话给普林斯顿大学的罗伯特•迪克，迪克意识到年轻人发现了什么。他对他的同事说“哎呀，好家伙，人家抢在我们前面了。”科学家们相信：这种找不到来源的噪声正是大爆炸初期残留的宇宙射线，是宇宙大爆炸时留下的遗迹。这一意外发现让人们可以从中捕获宇宙创生早期的重要信息。虽然两位学者没有发表任何论文来解释噪音的性质，但他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

讲述：现在证明大爆炸有了，是存在的，大爆炸时发生了什么变化呢？

视频：物理学家艾伦•古思听了罗伯特•迪克的讲座，对宇宙的形成产生了兴趣，并于1981年提出了爆炸理论。在20世纪，科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10～43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释。

视频：宇宙大爆炸

介绍宇宙大爆炸理论的主要观点。

大约150亿年前，我们所处的宇宙全部以粒子的形式，极高的温度（在100亿度以上）、极大的密度，被挤压在一个“原始火球”中。宇宙就是在这个火球的大爆炸中诞生的。在大爆炸发生前，宇宙中没有物质、没有能量、没有生命。大爆炸使物质四散出击，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。

学生讨论：你是否同意大爆炸宇宙论的观点？谈谈你的理由。

学生回答：大爆炸宇宙论很好地解释了星系间的距离在不断的扩大，宇宙在不断地膨胀之中。但宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样的，或者说发生这次大爆炸的原因是什么，宇宙的将来又将怎样变化。

设计意图：设计渗透了对宇宙大爆炸理论历史的介绍，将新知识的背景材料融入课堂，发挥学生想象力，创设有效的课堂教学情境，让学生自己来分析表达，提出独立的见解，它的价值在于还原了知识形成和发展过程中的本来面目。在科学家所持各种观点的碰撞与争论中，让学生领略科学本身的内涵，增加了教学的趣味性，发展了学生的质疑精神，逐步加深对提出问题的理解，也体现了生本教育的理念。

讨论1．假设你来到宇宙边缘，把头伸出帘幕，那会发生什么？你的头会在什么地方？你会看到对面是什么？

学生回答：

（1）会从宇宙的另一端伸出来。宇宙相当于很大的“星体”，在其外面，还有更大的“宇宙”，其中漂浮着数以万计的目前人们眼中认识的宇宙。

（2）头伸出去之后，会到宇宙其它地方或另一个宇宙空间中，可能在任何一个星球。由于在宇宙边缘，空间扭曲，或许被瞬间杀死。

（3）由于我们所处的宇宙，在宇宙大爆炸之后，经历了从无时间、无空间转变为一个有独立事件与空间的宇宙的历程。因此，我们可以大胆推测，宇宙外的体系也必定有属于自己的时间和空间。若宇宙为孤立的，即宇宙外无时间或空间，那么便没有除宇宙之外的空间来容纳我们的“头”，我们的“头”便伸不出去；若“头”能伸出，则表明我们所处的宇宙被更大的空间所包容，说不定会发现其它和我们宇宙呈并联关系的宇宙体系。但到底如何，还需要我们进一步的探索与开拓。

（4）根据大爆炸理论，137亿年前，宇宙大爆炸之前还只是一个奇点，而在这个奇点外，是什么都没有的，不存在空间，不存在时间，而在大爆炸之后，这个奇点不断膨胀，且在“什么都没有中”膨胀。当人来到宇宙边缘，将“头”伸出宇宙，而“头”只能存在于空间之中，宇宙之外没有空间，所以“头”是伸不出去的。

（5）有个学生说：也许爱因斯坦、霍金和其他人都错了，未来几百年后爱因斯坦也可能是另一个亚里士多德……

讨论2．人类为什么花费巨大的人力物力来研究宇宙的起源？有什么意义？

（1）人类有探索精神，探究未知的世界，人类的文明就是这样逐步推进的。

（2）贯穿实证的精神，通过对客观物质世界的观察和测量，来寻求对现实世界的解释和对未来世界的预测，探求事实的本原，追求真理。科学讲求实证的过程和证据。

（3）过去的历史是现在一切的原因，回答千百年来的哲学与科学问题：我们是谁？我们从哪里来？要到哪里去？

设计意图：当学生对所学的内容有兴趣时，当学生的惰性遭遇到理智的挑战时，当教学内容能够用多种形式来呈现时，学生会学得最好。设计中课堂讨论的两个问题是很开放的问题，学生对相对论的内容已经有所了解，所以在回答问题的时候已经有他们自己的分析和理解。学生的思路很开阔，思维活跃，勇于质疑，不满足于教材上的结论，而是根据实际情况进行创造性思维并提出独立的见解，互动性强，体现了学生的创造力。在思维的火花不断碰撞中发现、分析和解决问题，提高了思维深广度，领会科学精神的本质。