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1、科学家的素养20世纪的科学伟人爱因斯坦瓯海区第一高级中学杜保钢教学内容解析20世纪的科学伟人爱因斯坦为人教版选修4中外历史人物评说第六单元杰出的 科学家第5课内容，本课从两个大方面论述了爱因斯坦的一生，一是通过爱因斯坦的成长 经历及科学成就解释其为什么被称为20世纪最伟大的科学家，二是通过其在两次世界大战期 间及战后为反战和平事业做出的贡献树立其“具有正义感的社会活动家”形象，整课内容逻 辑清晰，主线明确。在具体内容上与必修3专题七近代物理学的奠基人和革命者一课有 较强的联系性和互补性，从教材的编排和逻辑上又与本单元第4课近代科学之父牛顿有 较强联系，教学过程中可以借鉴和回顾。教学目标设置1
2、. 了解爱因斯坦的成长历程，简述他的主要科学成就：提出狭义相对论、广义相对论、光量 子假说等。认识爱因斯坦对科学和社会发展的巨大推动作用。2 .感受爱因斯坦脚踏实地进行科学研究和勇于科学创新的精神，感悟其成长的人生启迪。学生学情分析对于高二的学生来说，通过整本中外历史人物评说的学习，已经具备一定的人物认 识、解读和评价的知识和能力，本课所涉及的人物爱因斯坦也是被广大学生所熟悉的陌生人 物。说熟悉是因为提到爱因斯坦大部分学生都能讲上几句，说陌生是因为大部分学生又很难 了解的爱因斯坦一生，尤其是他的科学理论。在讲授本课前引导学生讲必修3专题七近代 物理学的奠基人和革命者与本单元第4课近代科学之父牛
3、顿重新温习，将有助于学生 对本课知识加深理解。教学策略分析在教学的处理上，将历史学科的五项核心素养中的部分内容自然落实在本课的教学中， 尽量避免将一节历史课上成物理课，紧抓爱因斯坦人生经历这条主线，通过科学成就和社会 活动相关内容落实和升华主题。以人物经历的时空为线，板书通过时间轴线、ppt以爱因斯 坦人生足迹为线索展示爱因斯坦的人生经历及主要科学成就。对于本课最大的难点一一爱因 斯坦的科学理论，既要解释到位，也要把握好度，以其解决“力的来源”这条主线展开，要 让学生明白爱因斯坦为什么会提出相对论等一系列的科学理论，最终通过科学理论的解释让 学生明白爱因斯坦的科学理论是对前人成果的继承和革命性
4、发展。爱因斯坦参加的社会活动 分为“一战时期”“两次世界大战期间”“第二次世界大战期间”“第二次世界大战之后”四个 时间段由学生总结归纳，最后通过对科学家应具备的素养升华至“家国情怀。让学生体会到 爱因斯坦不仅是一位伟大的科学家，同时也是一位具有高度社会责任感的社会活动家。教学过程导入：在坐的同学有没有曾经或现在梦想过将来成为一名科学家？（有？没有？）提到科学家, 在上一课中学到的牛顿和这课要学的爱因斯坦，都是科学家中的大师级人物，那爱因斯坦又 是一名怎么样的科学？（没有）的确，当我连爱因斯坦是个什么样的人都不知道的时候，我 又怎么可能成为像他一样的科学家呢？中国著名物理学家、中科院院士周培源
5、在谈到爱因斯 坦时说到：“爱因斯坦是一个在自然科学创造上有历史性贡献的人，对待人类社会问题如 此严肃、热情，历史上没有先例。”如果我们当中真的有哪位同学想成为像爱因斯坦一样的科 学家的话，我想他的成长经历和身上的优秀素养或许会帮到我们。新课讲授一、爱因斯坦的人生经历1、学生以时间为线回顾爱因斯坦的人生经历师：首先，有哪位同学可以帮我们一起回顾下爱因斯坦的一生，并把他一生中的关键时刻与 成就帮我们找出来。（将板书时间轴列出草图，随课程推进再进行补充）2、老师以空间为线补充爱因斯坦的人生轨迹结合学生的讲述，老师进行补充说明，并结合1905、1914、1916等关键时间点进行重点解读。 3、爱因斯坦
6、人生经历参考1879年，爱因斯坦出生在德国南部的乌尔姆；1880-1894年，举家迁至慕尼黑，在这里他经历了怎样的童年和少年？1894年，迁居意大利米兰；1896年，进入苏黎世工业大学，主修数学和物理；1902年，任职伯尔尼专利局（挫折）；1905年，狭义相对论，光量子假说1912年，爱因斯坦回到母校任教。1914年，从瑞士回到德国，任柏林威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授，并当选普鲁士 科学院院士。1916年，完成广义相对论的基础，首次进行引力波的探讨。1922年，在去日本、中国等地的途中，被授予1921年诺贝尔物理学奖，但并不是因为相对 论，是什么？（光量子假说）2017年，美国三位科学
7、家因在引力波探测中发挥的作用被授 予诺贝尔物理学奖。1929年，发表统一场论，光辐射学研究、宇宙学等诸多领域的成就。1931年，九一八事件发生，爱因斯坦也作出了反应，他做了什么？1933年，爱因斯坦与妻子永远离开欧洲，前往美国普林斯顿。1937年，爱因斯坦热情地参与营救和声援中国的七君子事件1939年，二战爆发，爱因斯坦再次投入到反战的社会活动中。1955年4月18 0：爱因斯坦病逝于普林斯顿。师：爱因斯坦之所以能取得如此多的成就，跟他在年幼时期形成的习惯和性格有很大关系。 在爱因斯坦养成的习惯和性格中，有哪些对他取得后来的成就有帮助的？ 生：善于思考、寻根究底的精神，对罗盘针产生了兴趣等等；
8、师：当然，他也因为太过于执着吃过一些苦头。生：比如为难老师被退学（爱因斯坦年表上记载是因宗教原因被退学，建议同学们利用 课外的时间找资料来求证）。师：爱因斯坦的成长经历并不算特别的顺利，学业完成的也很艰辛，找工作也很艰辛，但 是小时候培养起来的优秀品质帮了他很大忙，在经历了伯尔尼专利局的挫折与积蓄力量的 过程后，爱因斯坦的小宇宙还是爆发了。二、爱因斯坦的科学成就有很多同学在学了爱因斯坦之后说他的理论太艰涩，太难理解，也有人讲这世界上没几 个人能真正读懂爱因斯坦，不然，当你能静下心来好好读一读书，认真考察一下爱因斯坦的 时代背景及科学发展的状况，想一想他为什么会提出这些理论，而不只是局限在理论本
9、身的 时候，或许就能想明白了。我们不妨把目光从爱因斯坦身上挪开，看看前一课讲的另外一个人物一一牛顿。牛顿一 生最重要的成就有哪些？生：经典力学师：经金力学中的几个理论是围绕什么问题展开的？（生：力）但是，牛顿只知道这是 自然界普遍存在的一种现象而已，却不理解为什么会有万有引力，这个“力”到底是谁首先 推动的，他曾尝试验证上帝是否是宇宙万物的第一推动力。囿于时代等因素的局限，牛顿没 能找到合理的答案。其实爱因斯坦也想找到答案，如果我说爱因斯坦的大部分理论都是在寻 找“力”的来源的话是不是会好理解一点呢。我们现在知道了为什么，接下来要去找找是什 么：他是怎么探讨这个问题的呢？（请同学在刚才回答的基
10、础上进行补充，要求找到爱因斯 坦的主要科学成就）1、狭义相对论和光量子假说师：1905年一篇论文论动体的电动力学引起了物理学界的震动，这篇论文究竟讲了什 么？它的基本原理是什么？生：狭义相对论：力和运动的相对性；光速不变的原理。师：相对论的结论对当时的物理学界产生了什么影响？提示，关注下课本的【历史纵横】 （pl34）o生：为原子能的利用奠定理论基础，是近代物理学领域的一次伟大革命。师：但是爱因斯坦似乎对自己的成果还并不是很满意，在研究相对论的同时，他在同年的 另外一个理论（生：光量子假说）又讲了些什么？产生了怎么样的影响？材料：【历史纵横】（P130）牛顿在他的著作中提出，光是由一粒粒像小弹
11、丸一样的机械微 粒所组成的粒子流。而惠更斯认为光是一种机械波动，由发光物体振动引起。19世纪60 年代，麦克斯韦又提出光是一种波长较短的电磁波。到了 20世纪，爱因斯坦提出光量子论, 赋予光以波粒二象性,把光的微粒说和波动说在一个更高的基础上统一起来。生：光具有波粒两象性，推动了量子力学的发展，解决了经典物理学无法解释的光电效应 问题。师：量子力学本身的内容我们今天这里不展开探讨，但是，我们需要知道量子力学中的“纠 缠”与“不确定性”原理，将力的来源问题推向了一种未知论。爱因斯坦说“上帝不会掷 筛子”，“他确信量子力学是对自然的一种不完备的描述”（亚伯拉罕派斯爱因斯坦传, 商务印书馆，2003
12、年版，35页），看来爱因斯坦对量子力学的解释也不是特别满意。2、广义相对论师：尽管是在第一次世界大战复杂的环境下，爱因斯坦经过几年的酝酿，提出了著名的广 义相对论。它的主要内容是什么？跟狭义相对论有什么区别？生：等效原理和广义相对性原理师：等效原理怎么理解？课本上这两句话太过于抽象，我们举个例子，假设我现在在一部 静止的电梯中，手中有一个球，我松手，球落在了地上，为什么球会落在地上？（生：引 力的作用）那假设我乘坐的电梯在太空中静止，松开手球会怎么样？（悬浮在空中）此时 电梯在太空中向上做加速度运动，松开手这个球会怎么样？（在惯性力的作用下落到地板 上）所以，我在密闭的电梯中松开手，球落在地上
13、，我能不能区分清楚自己此时是在地球 上受引力影响还是在太空中向上做加速度运动而产生的影响？（不能）由此，爱因斯坦得 出结论：引力场和惯性场是一样的等效的，引力只是假象，理论上讲引力可能并不存在！ 那牛顿就错了吗？（生：没有？有？）好，既然引力不存在，作为假象存在的这个“力” 为什么能让这个球落在地面上？历史课不只是有材料可以帮我们寻找答案，我们也可以通 过演示来直观地进行观察。（当然，这个不叫实验）我需要几位志愿者来一起演示一下。 演示过程：这是一个平面，我们把它比作宇宙，我手里这个比作太阳，当我们把太阳放在 宇宙中，会出现什么现象？（平面宇宙变弯曲宇宙了）这个白球好比地球，我把地球放在 这个
14、平面中会发生什么事情？（地球向太阳靠拢）如果这个太阳的质量足够大，悬殊到真 正的太阳跟地球的比例时，可能会发生什么？（白球会绕着这个被压弯的平面做圆周运动）。 通过我们刚才的演示和观察？你认为爱因斯坦的广义相对论里引力的本质是什么？生：时空扭曲师：没错，如果说狭义相对论的相对性只是区分了物体在两种状态下的运动的相对性，那 么广义相对论的相对性已经是一个疯狂的突破了，他用一种近乎哲学思辨的方式思考科学 问题，兼具科学家与哲学家的风范。从刚才的展示过程看，无论是狭义还是广义相对论都 对牛顿的经典力学是一次严峻的挑战，但是，如果说牛顿是近代物理学的建立者，那么爱 因斯坦扮演者怎样的角色？（生：革命者
15、）同时 相对论也是对经典物理学的补充和发展, 而且两人的理论都没有离开前人的成就。广义相对论产生了什么影响？生：改变了人们对于宇宙的认识。（颠覆了我们对宇宙和力的原有认识）师：当然，学界对于爱因斯坦的解释也有诸多质疑的声音。1920年，德国出现反相对论的 呼声，爱因斯坦遭到恶毒攻击，他起而公开迎战，随后到各国讲学宣讲自己的理论。虽然 有诸多的挫折，但爱因斯坦在讲学过程中还是有所收获的，1922年，在去日本、中国等地 的途中，被授予1921年诺贝尔物理学奖，但并不是因为相对论，是什么？（光量子假说） 为什么？（没有办法通过科学实验证实）2017年，美国三位科学家因在引力波探测中发挥 的作用被授予
16、诺贝尔物理学奖。狭义相对论统计物理学3、宇宙学、统一场论但是爱因斯坦知道，这还不是最后的答案。他自己说他投入到量,子理论的研究的时间和精力远大于相对论，1929年，发表统 广义相对论量子理论一场论，试图将广义相对论与量子理论等相关内容整合统一在/一个理论中。在此之后，爱因斯坦做了很多努力，尽管“引力与统一场论其他已知的基本力的统一，在今天，依然像爱因斯坦时代那样，”是一个梦J （爱因斯坦传p505）也有人认为“人们不该把上帝弄碎的东西再拼接起来”， （爱因斯坦传P505）但“现在人们普遍认识到，力的统一是最重要的物理学使命之一” （爱因斯坦传P504）,而且在“20世纪70年代，统一第一次获得
17、了不容置疑的成功二 （爱因斯坦传p505）师：参考pl34【学思之窗】结合爱因斯坦一生中比较重要的科学成就，思考从这些成就取 得的过程中，我们能有怎么样的启发？生：科学创新师：对，探求未知，不满足现状，当然科学创新不只是突破，也包括对前人的继承。那我 们又该怎么做才能取得成功？材料一：成功的秘诀一个爱说废话而不爱用功的青年，整天缠着爱因斯坦，要他公开成功 的秘诀。爱因斯坦厌烦了，便写了一个公式给他：A = x + y + z .爱因斯坦解释道：“A代表 成功，x代表？ y代表？ z代表？ ”（你认为这里的xyz可以代表什么？看爱因斯坦怎么回答 的？）成功=艰苦劳动+正确方法+少说空话我很清楚，
18、我本人没有特殊的天才。好奇心，专心一致和顽强的耐心，结合自我批评的精 神，这些给我带来了概念。生：脚踏实地三、爱因斯坦的社会活动师：从爱因斯坦的人生经历中看，爱因斯坦经历了两次世界大战，他本可以做一个单纯的“两 耳不闻窗外事，一心只去做科研”的科学家，但他并没有那么做，我们分别请几位同学帮我 们找找他在“一战时期”“两次世界大战期间”“第二次世界大战期间”“第二次世界大战之后” 四个时间段分别有哪些典型的社会活动。生：一战时发起成立反战团体，“93人宣言”（示错），与罗曼罗兰一起呼吁和平等；1931年：九一八事变发生后，呼吁制裁日本1933年，纳粹上台，爱因斯坦号召全国青年武装起来准备同纳粹做
19、殊死斗争，纳粹以2万 马克悬赏杀死他。爱因斯坦与妻子永远离开欧洲I,前往美国普林斯顿。材料：爱因斯坦淡汨名秘 在接受邀请到普林斯顿研究院任职的要求之一竟然是年薪只要 3000美元，他甚至还表示：“倘若在普林斯顿维持一年生活不需3000美元，还可以再低一 些。”以至于校方要和他“讨价还价”，请他别把年薪标准定得如此之低。1936年：声援“七君子事件”二战时：建议罗斯福抢在纳粹之前研制原子弹；痛心原子弹爆炸引起的大量平民伤害冷战时：发表了反核战的罗素-爱因斯坦宣言亲自领导组织“原子科学非常委员会”出刊原子科学家公报师：同学们找的很全，那么从这些活动中我们又能看到爱因斯坦的哪些素养？生: 师：先看前
20、面几个，比如一战时，他是在一种怎么样的大环境下发表这些宣言的？（别的德 国科学家都赞成战争的情况下）没错，而且站在了谁那边？（反战，中国），反对战争和当时 的中国及七君子是代表哪一方？（正义的一方）所以爱因斯坦正义感曝棚。如果在这条时间轴上，我把下面所有的社会活动都抹去，会不会影响他的成就和名誉？（不 会）是的，就算他任何社会活动都不参加，他仍然是一名伟大的科学家，但是他参加了，这 又是一种怎么样的精神？（爱好和平）以天下为己任，以世界和平为目标的高度的在会黄在1955年，爱因斯坦在普林斯顿去世，结束了他传奇的一生。材料：遵照他的遗嘱，不发讣造，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照
21、 他的书面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地方，为 的是不使任何地方成为圣地。平凡朴素四、根据爱因斯坦的经历，总结归纳科学家的素养有哪些？科学创新脚踏实地正义感平凡俭朴淡泊名利社会责任感思考题：1、通过本课的学习，你最欣赏爱因斯坦哪个或哪些素养？并说明理由。2、除以上内容外，根据自己对爱因斯坦的了解，他还具备哪些素养？（可推荐书目作为课外 思考）生：师：以爱因斯坦为代表的所有科学家身上的优秀品质其实都值得我们去学习，尽管爱因斯坦 与牛顿相比，或许不及牛顿涉及领域的宽阔，或许也不及牛顿在开创性方面所发挥的作用， 甚至爱因斯坦在当时的科学家中也不是最优秀的那一个，但爱
22、因斯坦之所以能成为爱因斯坦, 不仅像课本最后一段所讲的他在科学领域的杰出贡献和巨大影响，更因为在旁边【学思之窗】 最后所说的他不只站在自己国家的立场，更是站在人类的立场去呼吁和平的那份责任心，也因为他那份不随波逐流，坚持自我的可贵的正义感。所以，我认为爱因斯坦不只是德国人、美国人，更是一名世界公民，这就是他的大家情怀高度的社会责任感。三、结语:当然，不是每个人都能成为爱因斯坦，但是如果我们能从爱因斯坦身上的优秀的品质中 学到一些，对我们来说也将受益匪浅。最后让我们一起回到周培源的这段话，结束今天的课。“爱因斯坦不仅是一位伟大的科学家和一位富有哲学探索精神的杰出的思想家，同时还 是一个正直的、有高度社会责任感的人。他深切体会到一个勤恳的科学工作者的劳动成果对 社会要负怎样的责任。他一心希望科学造福于人类，而不要成为祸害。凡是他所经历的 重大政治事件，他都要公开表明自己的态度；凡是他所了解到的社会黑暗和政治迫害，他都 要公开谴责一个在自然科学创造上有历史性贡献的人，对待人类社会问题如此严肃、热 情，历史上没有先例J周培源举世景仰的科学巨匠板书设计:科学家的素养20世纪的科学伟人爱因斯坦广义相对论统场论发表反战宣言呼应九一八事变 移居美国 声援中国光量子假说狭义相对论获诺贝尔物理学奖科学创新 脚踏实地 正义感 平凡俭朴 淡泊名利 社会责任感建议罗斯福造原子弹u 一 搔子反对核战争