一名物理學(xué)家的教育歷程
【背景資料】
一、作者介紹
加來(lái)道雄，美籍日裔物理學(xué)家，畢業(yè)于美國哈佛大學(xué)，獲加利福尼亞大學(xué)伯克利分校哲學(xué)博士學(xué)位，后任紐約市立大學(xué)城市學(xué)院理論物理學(xué)教授。主要著(zhù)作有《超越愛(ài)因斯坦》（與特雷納合著(zhù)）《量子場(chǎng)論》《超弦導論》。
二、相關(guān)知識
為了更好地理解課文，我們需要了解一些相關(guān)的理論物理學(xué)知識：
（1）統一場(chǎng)論
根據現代物理學(xué)知識，將我們的宇宙結合起來(lái)的力有四種：引力、電磁力、強核力和弱核力。物理學(xué)家運用量子力學(xué)，已經(jīng)把后三種力統一起來(lái)（美籍華裔物理學(xué)家楊振寧和他的學(xué)生米爾斯提出楊一米爾斯場(chǎng)理論，解決了這一問(wèn)題，被稱(chēng)為“標準模型”。但是這一理論因為計算繁復無(wú)比而讓人頭疼），但是引力仍然游離在外。愛(ài)因斯坦畢終生之力想尋求四種力的統一，建立一個(gè)大一統的理論，最終也沒(méi)有實(shí)現。
（2）高維空間
現代理論物理學(xué)認為，統一四種力的前景，在于高維空間（如十維或更高）理論的確立。比如對于古人來(lái)講，風(fēng)暴是怎樣產(chǎn)生的，風(fēng)暴會(huì )襲擊什么地方，什么時(shí)候襲來(lái)，什么時(shí)候結束，他們是一無(wú)所知的，因為他們生活在平坦的大地上，只能靠肉眼從近似于二維平面的角度來(lái)觀(guān)察，即使有簡(jiǎn)單的預報，也都是靠經(jīng)驗來(lái)推測的。現在有了氣象衛星，從太空這樣三維角度觀(guān)察地球，在地面上看來(lái)神秘莫測的風(fēng)暴被看得一清二楚，可以精準地預報風(fēng)暴的動(dòng)向。同樣，理論物理學(xué)家認為，傳統的四維（空間三維加上時(shí)間）理論太“小”，不能解釋宇宙中的四種力。當他們超越四維而在更高維（如十維或更高）中尋求統一這四種力時(shí)，就能得到一種簡(jiǎn)單、漂亮的解決模型（科學(xué)家認為宇宙應該是簡(jiǎn)單、合諧的）。
高維空間理論認為，宇宙大爆炸后10-43秒，十維宇宙分解成四維宇宙和六維宇宙，四維宇宙暴脹，經(jīng)過(guò)近一百五十億年，演變成今天我們生活的宇宙。大爆炸后10-35秒，大統一力分開(kāi)。但是高維空間理論很難在實(shí)驗室中得到證實(shí)，因為要模擬當時(shí)的環(huán)境，需要的能量太大，根本無(wú)法做到，所以現在高維空間理論只能是“理論”。
【示范教案】
一名物理學(xué)家的教育歷程
教學(xué)目標
一、知識教育目標
引導學(xué)生從生活出發(fā)，了解科學(xué)、認識科學(xué)。
二、能力培養目標
引導學(xué)生以“教育歷程”為重點(diǎn)，探討其中表現的思想內涵。
三、德育滲透目標
引導學(xué)生體會(huì )科學(xué)精神。
重點(diǎn)、難點(diǎn)及解決辦法
高維空間對普通人來(lái)說(shuō)，是很難想像的。所以，教學(xué)重點(diǎn)是文章內容，而不是相關(guān)的科學(xué)知識。相關(guān)知識教師有所了解，能幫助教學(xué)課文即可，不必教授給學(xué)生。
課時(shí)安排
1課時(shí)
教學(xué)步驟
一、導入新課
成為一位科學(xué)家是無(wú)數有志青年的夢(mèng)想，對物理的探究更是許多年輕的學(xué)子孜孜以求的，我們來(lái)看一下加來(lái)道雄的成長(cháng)道路，或許能得到一些啟發(fā)。
（板書(shū)）一名物理學(xué)家的教育歷程
二、明確目標
1．引導學(xué)生從生活出發(fā)，了解科學(xué)、認識科學(xué)
2．引導學(xué)生以“教育歷程”為重點(diǎn)，探討其中表現的思想內涵。
三、整體感知
1．作者簡(jiǎn)介
加來(lái)道雄，美籍日裔物理學(xué)家，畢業(yè)于美國哈佛大學(xué)，獲加利福尼亞大學(xué)伯克利分校哲學(xué)博士學(xué)位，后任紐約市立大學(xué)城市學(xué)院理論物理學(xué)教授。主要著(zhù)作有《超越愛(ài)因斯坦》（與特雷納合著(zhù)）《量子場(chǎng)論》《超弦導論》。
2．本文的基本結構
文章的題目是“一名物理學(xué)家的教育歷程”，因此，敘述的順序主要是歷時(shí)性的。但是，作者開(kāi)頭就說(shuō)“童年的兩件趣事極大地豐富了我對世界的理解力，并且引導我走上成為一個(gè)理論物理學(xué)家的歷程。”而“童年的兩件趣事”作為文章的主要內容，又是共時(shí)性的敘述。這樣的結構安排，使文章既脈絡(luò )清楚，又重點(diǎn)突出。結構如圖：
童年 青年 （成年）
鯉魚(yú)世界的幻想（想像）
實(shí)驗 （理論物理學(xué)家）
愛(ài)因斯坦故事（理論）
3．本文的基本內容
①人人都對自然感到好奇，都以自己喜愛(ài)的形式尋求自然的“謎底”，但是大多數人一般直接探尋自然本身，而作者卻由人的觀(guān)察角度，反思人類(lèi)對宇宙的認知。看似作者少年時(shí)的思維超出同齡人，其實(shí)只是他充分發(fā)揮了自己的想像力，并且保持了這樣奇特的想像力，由此奠定了他對高維空間理論探究的基礎。②作者少年時(shí)接觸到愛(ài)因斯坦的“未竟事業(yè)”，激發(fā)了他的探究興趣。他之所以感到“激動(dòng)人心”，是因為他把愛(ài)因斯坦的理論當成一個(gè)“偵探故事”來(lái)閱讀、探究，這非常符合少年的心理。另外，“我決定要對這一秘密刨根問(wèn)底”，也表現了他有毅力有恒心的性格，這是成為科學(xué)家的基本素質(zhì)。③高中時(shí)代，本應“在棒球場(chǎng)或籃球場(chǎng)玩耍”，享受青春年華，但作者卻“找遍周邊地區大量的電子倉庫，裝配必需的硬件設備”，在“學(xué)校的足球場(chǎng)中纏繞22英里長(cháng)的銅線(xiàn)”，自己動(dòng)手建設實(shí)驗室，驗證愛(ài)因斯坦理論，探究反物質(zhì)。作者進(jìn)行這樣艱苦枯燥的工作，體現了他對科學(xué)的熱愛(ài)，以及踏實(shí)的性格，顯露出一個(gè)科學(xué)工作者的潛能。由①②到③，我們可以清楚地看到作者的“教育歷程”和“教育內容”。
四、重點(diǎn)、難點(diǎn)的學(xué)習與目標完成過(guò)程
1．【提問(wèn)】本文在材料處理上有什么特點(diǎn)？
【明確】本文布局謀篇重點(diǎn)突出，詳略得當。在整體上，作者并沒(méi)有從童年到小學(xué)到初中到高中，按時(shí)間順序敘事，而是通過(guò)童年的兩件趣事和高中時(shí)建立實(shí)驗室的事例，突出他成長(cháng)為一名“物理學(xué)家”的“教育歷程”，并不旁及其他成長(cháng)的經(jīng)驗；在局部上，如高中階段，作者看了許多統一場(chǎng)理論方面的書(shū)，并常常去斯坦福大學(xué)的物理圖書(shū)館，相關(guān)的理論書(shū)籍是怎樣啟發(fā)、引導他研究的，這里肯定有許多精彩的故事，但是作者只是一筆帶過(guò)，重點(diǎn)放在制造“自己的原子對撞機”上，其中具體的數據敘述得很詳盡，讓人體會(huì )到作者嚴謹、踏實(shí)的性格，以及內在的成為物理學(xué)家所需要的基本素質(zhì)。
2．【提問(wèn)】本文體現了怎樣的科學(xué)精神？
【明確】本文三個(gè)主要部分，并不是簡(jiǎn)單地敘述成長(cháng)的故事，而是具有深刻的科學(xué)精神內涵，可以從中看到哪些方面的“教育”對成為優(yōu)秀科學(xué)家最為重要。
（1）想像力：科學(xué)是需要想像力的，想像力能帶來(lái)創(chuàng )造力。作者正是從對鯉魚(yú)世界的想像中，認識到人類(lèi)觀(guān)察空間的局限性，間接感悟到高維空間存在的可能。由感性的想像上升到理性的創(chuàng )造，體現了創(chuàng )新意識和探索精神。
（2）樂(lè )趣：科學(xué)不應該是枯燥的，而是應該充滿(mǎn)樂(lè )趣的。探尋自然的奧秘，對真正的科學(xué)工作者來(lái)說(shuō)，是和自然做的近似于捉迷藏的“游戲”，也是人生的“境界”。“游戲”使他們樂(lè )此不疲，充滿(mǎn)激情，不受外界的誘惑和干擾；而“境界”使他們不顧功利，不畏強權，只求真理。
（3）實(shí)驗精神：丁肇中說(shuō)過(guò)：“現代學(xué)術(shù)的基礎就是實(shí)地的探察，就是我們現在所謂的實(shí)驗。”“科學(xué)發(fā)展的歷史告訴我們，新的知識只能通過(guò)實(shí)地實(shí)驗而得到，不是由自我檢討或哲理的清談就可求到的。”（《應有格物致知精神》）有了想像力，有了樂(lè )趣，那只是成為科學(xué)家的最基礎的因素，不去踏踏實(shí)實(shí)地做實(shí)驗，就不能得到基本數據，假說(shuō)就不能確立。一味地空想，不去做基礎工作，不可能達到真理的彼岸。作者從事的高維空間理論，雖然還停留在紙面上，但是科學(xué)家們已經(jīng)在做許多基礎的實(shí)驗工作，努力使理論得到證明。即使如科學(xué)家霍金靠睿智的頭腦創(chuàng )建黑洞理論，也要有數學(xué)和天體物理學(xué)的實(shí)驗基礎，也不是空想出來(lái)的。
3．【提問(wèn)】“鯉魚(yú)科學(xué)家”對“世界”的認識是怎樣的？
【明確】主要有以下幾點(diǎn)：（1）“水池之外看不見(jiàn)的世界沒(méi)有科學(xué)意義。”（2）“它們?yōu)樗徸约耗軌蜻\動(dòng)而困惑不解”--它們以神秘的“力”來(lái)掩蓋自己的無(wú)知。（3）“鯉魚(yú)科學(xué)家”的“消失”和“重現”--它們認為是“奇跡”，是“可怖的事情”，而不肯去探究原因。（4）“鯉魚(yú)科學(xué)”的“傳奇故事”，真實(shí)地證明另一個(gè)世界的存在，而它們卻認為“胡說(shuō)八道”，荒謬絕倫，違背它們的“自然規律”。
4．【提問(wèn)】作者想通過(guò)“鯉魚(yú)科學(xué)家”對世界的認識說(shuō)明什么？
【明確】說(shuō)明“自以為是”的人類(lèi)和“鯉魚(yú)科學(xué)家”有相似之處。（1）人類(lèi)“一生就在我們自己的‘池子’里度過(guò)”，只要“超出我們的理解力”的自然存在，他們就“拒絕承認”。（2）“科學(xué)家發(fā)明像力這樣一些概念……”，是因為他們只愿意承認“那些看得見(jiàn)摸得著(zhù)的事物”，不肯改變思考問(wèn)題的方式。（3）“不能在實(shí)驗室里便利地驗證”的理論，他們就加以“鄙視”，表現出思想上的保守和固執。
5．【提問(wèn)】課文中閱讀多維空間歷險故事和統一場(chǎng)理論書(shū)籍兩小段內容，對“教育歷程”的敘述有什么作用？
【明確】課文的重點(diǎn)是童年趣事和建立實(shí)驗室，這三個(gè)事例已經(jīng)把“教育歷程”完整地勾畫(huà)出來(lái)。而夾雜在其中的兩個(gè)小事例，主要起補充和銜接的作用。歷險故事加深作者對高維空間的想像，激發(fā)興趣；而閱讀統一場(chǎng)理論書(shū)籍，既表現高中階段作者求知的熱情，也銜接起由理論到實(shí)驗的探究過(guò)程。
6．【提問(wèn)】作者說(shuō)“我決定要對這一問(wèn)題刨根問(wèn)底，縱然為此而必須成為一名理論物理學(xué)家也在所不辭。”在作者心中“理論物理學(xué)家”應該是怎樣的人？
【明確】理論物理學(xué)家的工作是抽象、枯燥的，受實(shí)驗條件的限制，自己的學(xué)說(shuō)很難得到實(shí)驗的證明，甚至可能到死也得不到成就。這樣的人必須耐得住寂寞，必須有奉獻精神。“在所不辭”意味著(zhù)“理論物理學(xué)家”道路的艱辛。
7．【提問(wèn)】作者建立實(shí)驗室的事例，對我們現實(shí)生活有怎樣的意義？
【明確】科學(xué)是建立在基礎實(shí)驗之上的，科學(xué)理論要經(jīng)過(guò)實(shí)驗的檢驗才能得到論證。實(shí)驗不是簡(jiǎn)單的操作，要有理論指導，要有實(shí)驗的設計，要有策劃組織能力，要有耐力和恒心等等，實(shí)驗考驗的是實(shí)驗者的綜合能力。而我們當前存在的問(wèn)題是，重視理論，輕視基礎實(shí)驗，表現為動(dòng)手能力和實(shí)踐能力差，思想上浮躁，急功近利。對教育而言，重知識，輕能力的現象很普遍。這些都是一名理論物理學(xué)家重視實(shí)驗給我們現實(shí)生活的啟迪。
布置作業(yè)
完成“研討與練習一、二”。
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