《第5課20世紀的科學(xué)偉人愛因斯坦》教學(xué)設(shè)計(浙江省縣級優(yōu)課)-科學(xué)教案

科學(xué)家的素養(yǎng)——20世紀的科學(xué)偉人愛因斯坦甌海區(qū)第一高級中學(xué)杜保鋼教學(xué)內(nèi)容解析《20世紀的科學(xué)偉人愛因斯坦》為人教版《選修4中外歷史人物評說第六單元杰出的科學(xué)家》第5課內(nèi)容，本課從兩個大方面論述了愛因斯坦的一生，一是通過愛因斯坦的成長經(jīng)歷及科學(xué)成就解釋其為什么被稱為20世紀最偉大的科學(xué)家，二是通過其在兩次世界大戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后為反戰(zhàn)和平事業(yè)做出的貢獻樹立其“具有正義感的社會活動家”形象，整課內(nèi)容邏輯清晰，主線明確。在具體內(nèi)容上與必修3專題七《近代物理學(xué)的奠基人和革命者》一課有較強的聯(lián)系性和互補性，從教材的編排和邏輯上又與本單元第4課《近代科學(xué)之父牛頓》有較強聯(lián)系，教學(xué)過程中可以借鑒和回顧。教學(xué)目標設(shè)置1.了解愛因斯坦的成長歷程，簡述他的主要科學(xué)成就：提出狹義相對論、廣義相對論、光量子假說等。認識愛因斯坦對科學(xué)和社會發(fā)展的巨大推動作用。2.感受愛因斯坦腳踏實地進行科學(xué)研究和勇于科學(xué)創(chuàng)新的精神，感悟其成長的人生啟迪。學(xué)生學(xué)情分析對于高二的學(xué)生來說，通過整本《中外歷史人物評說》的學(xué)習(xí)，已經(jīng)具備一定的人物認識、解讀和評價的知識和能力，本課所涉及的人物愛因斯坦也是被廣大學(xué)生所熟悉的陌生人物。說熟悉是因為提到愛因斯坦大部分學(xué)生都能講上幾句，說陌生是因為大部分學(xué)生又很難了解的愛因斯坦一生，尤其是他的科學(xué)理論。在講授本課前引導(dǎo)學(xué)生講必修3專題七《近代物理學(xué)的奠基人和革命者》與本單元第4課《近代科學(xué)之父牛頓》重新溫習(xí)，將有助于學(xué)生對本課知識加深理解。教學(xué)策略分析在教學(xué)的處理上，將歷史學(xué)科的五項核心素養(yǎng)中的部分內(nèi)容自然落實在本課的教學(xué)中，盡量避免將一節(jié)歷史課上成物理課，緊抓愛因斯坦人生經(jīng)歷這條主線，通過科學(xué)成就和社會活動相關(guān)內(nèi)容落實和升華主題。以人物經(jīng)歷的時空為線，板書通過時間軸線、ppt以愛因斯坦人生足跡為線索展示愛因斯坦的人生經(jīng)歷及主要科學(xué)成就。對于本課最大的難點——愛因斯坦的科學(xué)理論，既要解釋到位，也要把握好度，以其解決“力的來源”這條主線展開，要讓學(xué)生明白愛因斯坦為什么會提出相對論等一系列的科學(xué)理論，最終通過科學(xué)理論的解釋讓學(xué)生明白愛因斯坦的科學(xué)理論是對前人成果的繼承和革命性發(fā)展。愛因斯坦參加的社會活動分為“一戰(zhàn)時期”“兩次世界大戰(zhàn)期間”“第二次世界大戰(zhàn)期間”“第二次世界大戰(zhàn)之后”四個時間段由學(xué)生總結(jié)歸納，最后通過對科學(xué)家應(yīng)具備的素養(yǎng)升華至“家國情懷”，讓學(xué)生體會到愛因斯坦不僅是一位偉大的科學(xué)家，同時也是一位具有高度社會責(zé)任感的社會活動家。教學(xué)過程導(dǎo)入：在坐的同學(xué)有沒有曾經(jīng)或現(xiàn)在夢想過將來成為一名科學(xué)家？（有？沒有？）提到科學(xué)家，在上一課中學(xué)到的牛頓和這課要學(xué)的愛因斯坦，都是科學(xué)家中的大師級人物，那愛因斯坦又是一名怎么樣的科學(xué)？（沒有）的確，當我連愛因斯坦是個什么樣的人都不知道的時候，我又怎么可能成為像他一樣的科學(xué)家呢？中國著名物理學(xué)家、中科院院士周培源在談到愛因斯坦時說到：“愛因斯坦是……一個在自然科學(xué)創(chuàng)造上有歷史性貢獻的人，對待人類社會問題如此嚴肅、熱情，歷史上沒有先例。”如果我們當中真的有哪位同學(xué)想成為像愛因斯坦一樣的科學(xué)家的話，我想他的成長經(jīng)歷和身上的優(yōu)秀素養(yǎng)或許會幫到我們。新課講授一、愛因斯坦的人生經(jīng)歷1、學(xué)生以時間為線回顧愛因斯坦的人生經(jīng)歷師：首先，有哪位同學(xué)可以幫我們一起回顧下愛因斯坦的一生，并把他一生中的關(guān)鍵時刻與成就幫我們找出來。（將板書時間軸列出草圖，隨課程推進再進行補充）2、老師以空間為線補充愛因斯坦的人生軌跡結(jié)合學(xué)生的講述，老師進行補充說明，并結(jié)合1905、1914、1916等關(guān)鍵時間點進行重點解讀。3、愛因斯坦人生經(jīng)歷參考1879年，愛因斯坦出生在德國南部的烏爾姆；1880-1894年，舉家遷至慕尼黑，在這里他經(jīng)歷了怎樣的童年和少年？1894年，遷居意大利米蘭；1896年，進入蘇黎世工業(yè)大學(xué)，主修數(shù)學(xué)和物理；1902年，任職伯爾尼專利局（挫折）；1905年，狹義相對論，光量子假說1912年，愛因斯坦回到母校任教。1914年，從瑞士回到德國，任柏林威廉皇帝物理研究所所長和柏林大學(xué)教授，并當選普魯士科學(xué)院院士。1916年，完成《廣義相對論的基礎(chǔ)》，首次進行引力波的探討。1922年，在去日本、中國等地的途中，被授予1921年諾貝爾物理學(xué)獎，但并不是因為相對論，是什么？（光量子假說）2017年，美國三位科學(xué)家因在引力波探測中發(fā)揮的作用被授予諾貝爾物理學(xué)獎。1929年，發(fā)表《統(tǒng)一場論》，光輻射學(xué)研究、宇宙學(xué)等諸多領(lǐng)域的成就。1931年，九一八事件發(fā)生，愛因斯坦也作出了反應(yīng)，他做了什么？1933年，愛因斯坦與妻子永遠離開歐洲，前往美國普林斯頓。1937年，愛因斯坦熱情地參與營救和聲援中國的七君子事件1939年，二戰(zhàn)爆發(fā)，愛因斯坦再次投入到反戰(zhàn)的社會活動中。1955年4月18日：愛因斯坦病逝于普林斯頓。師：愛因斯坦之所以能取得如此多的成就，跟他在年幼時期形成的習(xí)慣和性格有很大關(guān)系。在愛因斯坦養(yǎng)成的習(xí)慣和性格中，有哪些對他取得后來的成就有幫助的？生：善于思考、尋根究底的精神，對羅盤針產(chǎn)生了興趣等等；師：當然，他也因為太過于執(zhí)著吃過一些苦頭。生：比如為難老師被退學(xué)（《愛因斯坦年表》上記載是因宗教原因被退學(xué)，建議同學(xué)們利用課外的時間找資料來求證）。師：愛因斯坦的成長經(jīng)歷并不算特別的順利，學(xué)業(yè)完成的也很艱辛，找工作也很艱辛，但是小時候培養(yǎng)起來的優(yōu)秀品質(zhì)幫了他很大忙，在經(jīng)歷了伯爾尼專利局的挫折與積蓄力量的過程后，愛因斯坦的小宇宙還是爆發(fā)了。二、愛因斯坦的科學(xué)成就有很多同學(xué)在學(xué)了愛因斯坦之后說他的理論太艱澀，太難理解，也有人講這世界上沒幾個人能真正讀懂愛因斯坦，不然，當你能靜下心來好好讀一讀書，認真考察一下愛因斯坦的時代背景及科學(xué)發(fā)展的狀況，想一想他為什么會提出這些理論，而不只是局限在理論本身的時候，或許就能想明白了。我們不妨把目光從愛因斯坦身上挪開，看看前一課講的另外一個人物——牛頓。牛頓一生最重要的成就有哪些？生：經(jīng)典力學(xué)……師：經(jīng)典力學(xué)中的幾個理論是圍繞什么問題展開的？（生：力）但是，牛頓只知道這是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象而已，卻不理解為什么會有萬有引力，這個“力”到底是誰首先推動的，他曾嘗試驗證上帝是否是宇宙萬物的第一推動力。囿于時代等因素的局限，牛頓沒能找到合理的答案。其實愛因斯坦也想找到答案，如果我說愛因斯坦的大部分理論都是在尋找“力”的來源的話是不是會好理解一點呢。我們現(xiàn)在知道了為什么，接下來要去找找是什么：他是怎么探討這個問題的呢？（請同學(xué)在剛才回答的基礎(chǔ)上進行補充，要求找到愛因斯坦的主要科學(xué)成就）1、狹義相對論和光量子假說師：1905年一篇論文《論動體的電動力學(xué)》引起了物理學(xué)界的震動，這篇論文究竟講了什么？它的基本原理是什么？生：狹義相對論：力和運動的相對性；光速不變的原理。師：相對論的結(jié)論對當時的物理學(xué)界產(chǎn)生了什么影響？提示，關(guān)注下課本的【歷史縱橫】（p134）。生：為原子能的利用奠定理論基礎(chǔ)，是近代物理學(xué)領(lǐng)域的一次偉大革命。師：但是愛因斯坦似乎對自己的成果還并不是很滿意，在研究相對論的同時，他在同年的另外一個理論（生：光量子假說）又講了些什么？產(chǎn)生了怎么樣的影響？材料：【歷史縱橫】（P130）牛頓在他的著作中提出，光是由一粒粒像小彈丸一樣的機械微粒所組成的粒子流。而惠更斯認為光是一種機械波動，由發(fā)光物體振動引起。19世紀60年代，麥克斯韋又提出光是一種波長較短的電磁波。到了20世紀，愛因斯坦提出光量子論，賦予光以波粒二象性，把光的微粒說和波動說在一個更高的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來。生：光具有波粒兩象性，推動了量子力學(xué)的發(fā)展，解決了經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的光電效應(yīng)問題。師：量子力學(xué)本身的內(nèi)容我們今天這里不展開探討，但是，我們需要知道量子力學(xué)中的“糾纏”與“不確定性”原理，將力的來源問題推向了一種未知論。愛因斯坦說“上帝不會擲篩子”，“他確信量子力學(xué)是對自然的一種不完備的描述”（亞伯拉罕·派斯《愛因斯坦傳》，商務(wù)印書館，2003年版，35頁），看來愛因斯坦對量子力學(xué)的解釋也不是特別滿意。2、廣義相對論師：盡管是在第一次世界大戰(zhàn)復(fù)雜的環(huán)境下，愛因斯坦經(jīng)過幾年的醞釀，提出了著名的廣義相對論。它的主要內(nèi)容是什么？跟狹義相對論有什么區(qū)別？生：等效原理和廣義相對性原理……師：等效原理怎么理解？課本上這兩句話太過于抽象，我們舉個例子，假設(shè)我現(xiàn)在在一部靜止的電梯中，手中有一個球，我松手，球落在了地上，為什么球會落在地上？（生：引力的作用）那假設(shè)我乘坐的電梯在太空中靜止，松開手球會怎么樣？（懸浮在空中）此時電梯在太空中向上做加速度運動，松開手這個球會怎么樣？（在慣性力的作用下落到地板上）所以，我在密閉的電梯中松開手，球落在地上，我能不能區(qū)分清楚自己此時是在地球上受引力影響還是在太空中向上做加速度運動而產(chǎn)生的影響？（不能）由此，愛因斯坦得出結(jié)論：引力場和慣性場是一樣的等效的，引力只是假象，理論上講引力可能并不存在！那牛頓就錯了嗎？（生：沒有？有？）好，既然引力不存在，作為假象存在的這個“力”為什么能讓這個球落在地面上？歷史課不只是有材料可以幫我們尋找答案，我們也可以通過演示來直觀地進行觀察。（當然，這個不叫實驗）我需要幾位志愿者來一起演示一下。演示過程：這是一個平面，我們把它比作宇宙，我手里這個比作太陽，當我們把太陽放在宇宙中，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？（平面宇宙變彎曲宇宙了）這個白球好比地球，我把地球放在這個平面中會發(fā)生什么事情？（地球向太陽靠攏）如果這個太陽的質(zhì)量足夠大，懸殊到真正的太陽跟地球的比例時，可能會發(fā)生什么？（白球會繞著這個被壓彎的平面做圓周運動）。通過我們剛才的演示和觀察？你認為愛因斯坦的廣義相對論里引力的本質(zhì)是什么？生：時空扭曲師：沒錯，如果說狹義相對論的相對性只是區(qū)分了物體在兩種狀態(tài)下的運動的相對性，那么廣義相對論的相對性已經(jīng)是一個瘋狂的突破了，他用一種近乎哲學(xué)思辨的方式思考科學(xué)問題，兼具科學(xué)家與哲學(xué)家的風(fēng)范。從剛才的展示過程看，無論是狹義還是廣義相對論都對牛頓的經(jīng)典力學(xué)是一次嚴峻的挑戰(zhàn)，但是，如果說牛頓是近代物理學(xué)的建立者，那么愛因斯坦扮演者怎樣的角色？（生：革命者）同時，相對論也是對經(jīng)典物理學(xué)的補充和發(fā)展，而且兩人的理論都沒有離開前人的成就。廣義相對論產(chǎn)生了什么影響？生：改變了人們對于宇宙的認識。（顛覆了我們對宇宙和力的原有認識）師：當然，學(xué)界對于愛因斯坦的解釋也有諸多質(zhì)疑的聲音。1920年，德國出現(xiàn)反相對論的呼聲，愛因斯坦遭到惡毒攻擊，他起而公開迎戰(zhàn)，隨后到各國講學(xué)宣講自己的理論。雖然有諸多的挫折，但愛因斯坦在講學(xué)過程中還是有所收獲的，1922年，在去日本、中國等地的途中，被授予1921年諾貝爾物理學(xué)獎，但并不是因為相對論，是什么？（光量子假說）為什么？（沒有辦法通過科學(xué)實驗證實）2017年，美國三位科學(xué)家因在引力波探測中發(fā)揮的作用被授予諾貝爾物理學(xué)獎。3、宇宙學(xué)、統(tǒng)一場論但是愛因斯坦知道，這還不是最后的答案。他自己說他投入到量子理論的研究的時間和精力遠大于相對論，1929年，發(fā)表《統(tǒng)一場論》，試圖將廣義相對論與量子理論等相關(guān)內(nèi)容整合統(tǒng)一在一個理論中。在此之后，愛因斯坦做了很多努力，盡管“引力與其他已知的基本力的統(tǒng)一，在今天，依然像愛因斯坦時代那樣，是一個夢?！保ā稅垡蛩固箓鳌穚505）也有人認為“人們不該把上帝弄碎的東西再拼接起來”，（《愛因斯坦傳》p505）但“現(xiàn)在人們普遍認識到，力的統(tǒng)一是最重要的物理學(xué)使命之一”（《愛因斯坦傳》p504），而且在“20世紀70年代，統(tǒng)一第一次獲得了不容置疑的成功”。（《愛因斯坦傳》p505）師：參考p134【學(xué)思之窗】結(jié)合愛因斯坦一生中比較重要的科學(xué)成就，思考從這些成就取得的過程中，我們能有怎么樣的啟發(fā)？生：科學(xué)創(chuàng)新……師：對，探求未知，不滿足現(xiàn)狀，當然科學(xué)創(chuàng)新不只是突破，也包括對前人的繼承。那我們又該怎么做才能取得成功？材料一：成功的秘訣一個愛說廢話而不愛用功的青年，整天纏著愛因斯坦，要他公開成功的秘訣。愛因斯坦厭煩了，便寫了一個公式給他：A＝x＋y＋z.愛因斯坦解釋道：“A代表成功，x代表？y代表？z代表？”（你認為這里的xyz可以代表什么？看愛因斯坦怎么回答的？）成功=艱苦勞動+正確方法+少說空話我很清楚，我本人沒有特殊的天才。好奇心，專心一致和頑強的耐心，結(jié)合自我批評的精神，這些給我?guī)砹烁拍?。生：腳踏實地……三、愛因斯坦的社會活動師：從愛因斯坦的人生經(jīng)歷中看，愛因斯坦經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，他本可以做一個單純的“兩耳不聞窗外事，一心只去做科研”的科學(xué)家，但他并沒有那么做，我們分別請幾位同學(xué)幫我們找找他在“一戰(zhàn)時期”“兩次世界大戰(zhàn)期間”“第二次世界大戰(zhàn)期間”“第二次世界大戰(zhàn)之后”四個時間段分別有哪些典型的社會活動。生：一戰(zhàn)時發(fā)起成立反戰(zhàn)團體，“93人宣言”（示錯），與羅曼·羅蘭一起呼吁和平等；1931年：九一八事變發(fā)生后，呼吁制裁日本1933年，納粹上臺，愛因斯坦號召全國青年武裝起來準備同納粹做殊死斗爭，納粹以2萬馬克懸賞殺死他。愛因斯坦與妻子永遠離開歐洲，前往美國普林斯頓。材料：愛因斯坦淡泊名利，在接受邀請到普林斯頓研究院任職的要求之一竟然是年薪只要3000美元，他甚至還表示：“倘若在普林斯頓維持一年生活不需3000美元，還可以再低一些?！币灾劣谛７揭退坝憙r還價”，請他別把年薪標準定得如此之低。1936年：聲援“七君子事件”二戰(zhàn)時：建議羅斯福搶在納粹之前研制原子彈；痛心原子彈爆炸引起的大量平民傷害冷戰(zhàn)時：發(fā)表了反核戰(zhàn)的《羅素-愛因斯坦宣言》親自領(lǐng)導(dǎo)組織“原子科學(xué)非常委員會”出刊《原子科學(xué)家公報》師：同學(xué)們找的很全，那么從這些活動中我們又能看到愛因斯坦的哪些素養(yǎng)？生：……師：先看前面幾個，比如一戰(zhàn)時，他是在一種怎么樣的大環(huán)境下發(fā)表這些宣言的？（別的德國科學(xué)家都贊成戰(zhàn)爭的情況下）沒錯，而且站在了誰那邊？（反戰(zhàn)，中國），反對戰(zhàn)爭和當時的中國及七君子是代表哪一方？（正義的一方）所以愛因斯坦正義感爆棚。如果在這條時間軸上，我把下面所有的社會活動都抹去，會不會影響他的成就和名譽？（不會）是的，就算他任何社會活動都不參加，他仍然是一名偉大的科學(xué)家，但是他參加了，這又是一種怎么樣的精神？（愛好和平）以天下為己任，以世界和平為目標的高度的社會責(zé)任感。1955年，愛因斯坦在普林斯頓去世，結(jié)束了他傳奇的一生。材料：遵照他的遺囑，不發(fā)訃造，不舉行公開葬禮，不建墳?zāi)?，不立紀念碑?；鸹瘯r按照他的書面遺囑：免除所有花卉布置以及所有音樂典禮。骨灰撒在永遠對人保密的地方，為的是不使任何地方成為圣地。平凡樸素四、根據(jù)愛因斯坦的經(jīng)歷，總結(jié)歸納科學(xué)家的素養(yǎng)有哪些？科學(xué)創(chuàng)新腳踏實地正義感平凡儉樸淡泊名利社會責(zé)任感思考題：1、通過本課的學(xué)習(xí)，你最欣賞愛因斯坦哪個或哪些素養(yǎng)？并說明理由。2、除以上內(nèi)容外，根據(jù)自己對愛因斯坦的了解，他還具備哪些素養(yǎng)？（可推薦書目作為課外思考）生：……師：以愛因斯坦為代表的所有科學(xué)家身上的優(yōu)秀品質(zhì)其實都值得我們?nèi)W(xué)習(xí)，盡管愛因斯坦與牛頓相比，或許不及牛頓涉及領(lǐng)域的寬闊，或許也不及牛頓在開創(chuàng)性方