人教版高二上册第14课“一个物理学家的教育历程”的课文和教案。
文本
日裔美国物理学家加来道雄·加来道雄是纽约城市大学城市学院的理论物理学教授。他毕业于哈佛大学，在加州大学伯克利分校获得哲学博士学位。他是《超越爱因斯坦》(与treanor合著)、《量子场论》和《超弦引论》的作者。在过去的10年里，他也是电台每周一小时科学节目的主持人。
我想知道上帝是如何创造世界的，但我对这样或那样的特定现象不感兴趣。我想知道世界的内在规律，剩下的都是细节。
-爱因斯坦
童年的两个有趣的故事，极大地丰富了我对世界的认识，也让我成为了一名理论物理学家。
我记得我爸妈时不时带我去旧金山参观日本茶园。我蹲在那里的一个小水池边，陶醉在睡莲间缓缓游动的五颜六色的鲤鱼。这是我童年最快乐的回忆之一。
在那个安静的瞬间，我充满了无限的遐想。我经常问自己一些只有小孩子才会问的傻问题，比如池子里的鲤鱼是怎么观察周围世界的。我想他们的世界一定很精彩！
鲤鱼一生都生活在这个浅水池里。他们认为他们的“宇宙”由黑暗的池水和睡莲组成。他们大部分时间都在池底游荡，所以只隐约意识到水面之上还有另一个外面的世界。我的世界的本质超出了他们的理解。我喜欢坐在只有几十厘米的距离，但我们却隔得像深渊一样远。我和鲤鱼生活在两个完全不同的宇宙，从不进入彼此的世界。我们被水面上一道薄薄的“栅栏”隔开。
我曾经想过，在水底的鱼中，可能有一些鲤鱼“科学家”。我想这个鲤鱼“科学家”会对那些暗示除了睡莲之外还有另一个平行世界的鱼冷嘲热讽。他们相信真实的东西是鱼能看到和触摸到的。泳池就是一切。池外的无形世界没有科学意义。
有一次，我遇上了暴雨。我注意到成千上万的笑声轰击池面。池水变得混沌，睡莲在汹涌的水波下摇曳。在躲避风雨的同时，我想弄清楚周围的一切会以什么样的形式出现在鲤鱼的眼中。在他们眼里，睡莲好像是自己在动，什么也冲不走。因为就像我们看不到周围的空气和空间一样，鲤鱼也看不到它们赖以生存的水，它们对睡莲能锻炼自己感到不解。
我认为鲤鱼“科学家”会巧妙地发明一些虚构的东西——它被称为“力”，以掩盖他们的无知。因为他们看不懂看不见的水面上的水波，所以会得出结论:睡莲之所以能移动而不被触碰，是因为有一种看不见的神秘力量在作用于它。他们可能会给这种错觉起一个高深莫测的名字(比如超距作用，或者不接触睡莲就能移动的能力)。
我曾经想过，如果一个鲤鱼“科学家”被抓到池子里会怎么样？在把它放回水池之前，它可能会疯狂地挣扎着接受我的检查。那么其他鲤鱼会怎么看待这件事呢？对他们来说，这真是一件可怕的事情。他们第一次意识到，一个鲤鱼“科学家”从他们的宇宙中消失了。九就是这么简单，不留痕迹。无论他们如何在他们的宇宙中寻找，都没有这条丢失的鲤鱼的踪迹。然而，就在几秒钟后，当我把它放回水池时，鲤鱼“科学家”突然出现了。对于其他鲤鱼来说，这真是一个奇迹。
平静之后，鲤鱼“科学家”会讲一个真正让他们惊喜的传奇故事。它说:“突然间，不知何故，我被拉出了我们的宇宙(池水)，扔进了一个看不见的世界，那里有耀眼的亮光和我从未见过的奇怪物体。最奇怪的是，抓住我的生物一点也不像鱼。更让我震惊的是，它反正看不到自己的鳍，但是没有鳍还能动。感觉熟悉的自然规律已经不适合这个看不见的世界了。然后，我发现自己突然被扔回了我们的世界。”(当然，这个宇宙外旅行的故事对于鲤鱼来说是怪诞的，大多数鱼认为这完全是无稽之谈。)
我常常想，我们就像骄傲地在池子里游的鲤鱼。我们的一生都在自己的“池子”里度过，以为我们的宇宙只包含那些看得见摸得着的东西。像鲤鱼一样，我们认为宇宙只包含熟悉的、看得见的东西。我们自鸣得意地拒绝承认，在我们的宇宙正前方还有其他平行宇宙或空间，超出了我们的理解范围。如果我们的科学家发明了力这样的概念，那只是因为他们看不到充满我们周围空间的无形振动。一些科学家鄙视更高维度世界的想法，因为他们不能在实验室里方便地验证它。
我们的宇宙可能是无数平行宇宙中的一个。每个宇宙都通过无数的空洞——连接两个空域的隧道——与其他宇宙相连。在这些空腔之间穿行是有可能的，但可能性很小。)
从那以后，我对高维世界的可能性产生了极大的兴趣。和很多孩子一样，我贪婪地阅读了这样一个冒险故事，故事讲述了时间旅行者进入其他空间，探索我们看不到的平行宇宙，在那里很容易让通常的物理定律不再起作用。长大后，我想知道在百慕大三角洲神秘消失的那艘船是不是只进入了一个空间漏洞。阿西莫夫的《基地》系列让我惊叹不已。书中对超空间旅行的发现导致了一个银河帝国的崛起。
童年的第二件事也给我留下了深刻的印象。我八岁的时候听过一个故事，从此它一直留在我的脑海里。我记得我的中学老师给全班同学讲了一个关于一位伟大的已故科学家的故事。他们非常崇敬地谈论他，称他为整个人类历史上最伟大的科学家。他们说很少有人能理解他的想法，但他的发现改变了整个世界和我们周围的一切。他们想告诉我们的很多事情我都不明白，但最让我感兴趣的是，他还没完成自己的伟大发现就去世了。他们说他致力于这个理论很多年了，但是在他死后，他完成的论文仍然在他自己的桌子上。
我被这个故事迷住了。对于一个孩子来说，这是非常神秘的。他未完成的作品是什么？他桌上的论文是什么内容？什么问题可能这么难解决，这么重要，值得这么伟大的科学家花一辈子在这种研究上？出于好奇，我决定尽可能地了解爱因斯坦和他未完成的理论。我记得我花了很多时间静静地阅读我能找到的关于这位伟人和他的理论的每一本书。这段记忆依然温暖如春。我看完了当地图书馆的书后，就开始找遍全城的图书馆和书店，急切地寻找相关线索。我很快了解到，这个故事比任何神秘的谋杀故事都更令人兴奋，比我想象的任何事情都更重要。我决定把这个秘密弄个水落石出，即使为此我不得不成为一名理论物理学家。
很快，我知道爱因斯坦那篇未完成的论文就是他试图建构的所谓统一场论。这个理论可以解释从小码到浩瀚星系的所有自然规律。但是，作为一个孩子，我无法理解茶园水池里游来游去的鲤鱼和爱因斯坦桌上那篇未完成的论文之间可能存在某种联系。我不明白使用更高维度可能是解决统一场论的关键。
后来到了高中，在当地图书馆看完了很多书，也经常去斯坦福大学的物理图书馆看看。在那里，我发现爱因斯坦的工作使得一种叫做反物质的新物质成为可能。这种物质的作用方式和普通物质一样，但当它接触到普通物质时，就会湮灭，突然释放能量。我也知道科学家建造了一些大型仪器，或者说“原子对撞机”，可以在实验室里产生少量这种奇怪的物质，也就是反物质。
年轻人的一个优势就是不会被世俗的约束所吓倒，这通常是大多数成年人似乎很难超越的。没有考虑其中的困难，我开始建造自己的原子对撞机。我一直在研究科学文献，最后我确定我可以造出一个所谓的电子感应加速器，可以把电子加速到百万电子伏(654.38+0百万电子伏是指电子在654.38+0百万伏的电场中加速后得到的能量)。
先买了少量钠22，钠22是一种放射性物质，可以自然放出正电子(电子的反物质)。然后我建了一个云室，在云室里我可以看到亚原子粒子留下的痕迹。这样我就可以在云室里拍出几百张反物质留下的漂亮照片。然后，我在周边搜索了大量的电子仓库，组装了必要的硬件设备，包括数百磅(1磅=454克)的废钢，在我的车间里建造了一台230万电子伏的电子感应加速器，完全有能力产生一束反电子。为了产生电子感应加速器所必需的巨大磁场，我说服了父母，让他们帮我在我读高中的学校的足球场上缠绕22英里(1英里=1.61米)的铜线。我们在这条50码(1码=0.91米)的线上度过了整整一个圣诞假期，缠绕并安装了笨重的线圈，这些线圈会使高能电子的运动路径发生弯曲。
当它最终建成时，这台300磅、6千瓦的电子感应加速器消耗了我家产生的每一点能量。我接的时候一般都会把每个保险丝都烧断，房间就变得一片漆黑。当房子处于黑暗中时，母亲经常周期性地摇头。我想我妈妈很疑惑，他不能有一个在棒球场或篮球场打球的儿子，却有一个在车库里造巨大电子仪器的儿子。令我欣慰的是，一种仪器已经成功产生了比地磁场强2万多倍的磁场，这是加速一束电子所必需的。
教学计划
一.作者简介
加来道雄，日裔美国物理学家，毕业于美国哈佛大学，获加州大学柏克莱分校哲学博士学位，后在纽约市立大学城市学院担任理论物理教授。主要著作包括《超越爱因斯坦》(与崔纳合著)、《量子场论》和《超弦引论》。
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知识:
(1)统一场论
根据现代物理学的知识，有四种力联合我们的宇宙:引力、电磁力、强核力和弱核力。物理学家利用量子力学统一了后三种力(美籍华人物理学家杨振宁和他的学生米尔斯提出了杨毅米尔斯场论，解决了这个问题，被称为“标准模型”。但是这个理论很头疼，因为计算复杂，但是引力还是自由的。爱因斯坦一生都在努力寻求四种力的统一，建立统一的理论，但始终没有实现。
(2)高维空间
现代理论物理认为，统一四种力的前景在于高维空间(如十维或更高维)理论的建立。比如对于古人来说，他们对风暴是如何产生的，风暴会袭击哪里，什么时候会袭击，什么时候会结束一无所知，因为他们生活在平坦的土地上，只能从类似二维平面的角度用肉眼观察。即使有简单的预测，他们也是依靠经验来推测。现在有了气象卫星，我们可以像太空一样从三维视角观察地球。在地面上，可以清楚地看到神秘的风暴，并可以准确地预测风暴的趋势。同样，理论物理学家认为传统的四维(三维空间加时间)理论太小，无法解释宇宙中的四种力。当他们超越四维，寻求在更高维度(比如十维或更高维度)统一这四种力时，就可以得到一个简单而美好的解模型(科学家认为宇宙应该是简单和谐的)。
根据高维空间理论，BIGBANG后10-43秒，十维宇宙分解成四维和六维宇宙，四维宇宙爆炸，经过近150亿年，演变成我们今天生活的宇宙。10-大爆炸后35秒，统一被一股力量分开。但是高维空间的理论很难在实验室得到证实，因为模拟当时的环境需要耗费太多的能量，所以高维空间的理论现在只能是“理论”。
演示教案
物理学家的教育课程
教学目标
一，知识教育的目标
引导学生从生活出发，了解科学，认识科学。
二、能力培养目标
引导学生聚焦“教育过程”，探究其中所表达的思想内涵。
第三，德育渗透的目标
引导学生理解科学精神。
重点、难点和解决方案
高维空间是常人难以想象的。所以教学的重点是文章的内容，而不是相关的科学知识。懂点相关知识的老师可以帮忙教课文，不一定非要教给学生。
课时安排1课时
教学步骤
第一，新课程的引入
成为一名科学家是无数有志青年的梦想，对物理的探索是很多青年学生努力的方向。让我们看看加来道雄的成长之路，或许能从中得到一些启发。
(板书)物理学家的教育课程
第二，明确目标
1.引导学生从生活出发，了解科学，认识科学。
2.引导学生聚焦“教育过程”，探究其中所表达的思想内涵。
第三，整体感知
1.作者简介
加来道雄，日裔美国物理学家，毕业于美国哈佛大学，获加州大学柏克莱分校哲学博士学位，后在纽约市立大学城市学院担任理论物理教授。主要著作包括《超越爱因斯坦》(与崔纳合著)、《量子场论》和《超弦引论》。
2.本文的基本结构。
文章题目是《一个物理学家的教育历程》，所以叙述顺序以历时性为主。但作者在开头说“童年的两件趣事极大地丰富了我对世界的理解，并引导我成为一名理论物理学家。”作为文章的主要内容，“童年的两个有趣的故事”是一个共时性的叙事。这种结构安排使文章既清晰又重点突出。结构如图所示:
童年青年(成人)
鲤鱼世界的幻想(想象)
实验(理论物理学家)
爱因斯坦的故事(理论)
3.本文的基本内容。
每个人都对自然充满好奇，以自己喜欢的形式寻求自然的“答案”，但大多数人一般都是直接探索自然本身，而作者则从人类观察的角度反思人类对宇宙的认知。看来作者少年时的思维是超越同龄人的。其实只是他发挥了自己的想象力，保持了这样一种奇特的想象力，为他探索高维空间理论奠定了基础。②作者少年时接触到爱因斯坦的“未竟事业”，引起了他的探究兴趣。他觉得“刺激”，是因为他把爱因斯坦的理论当成“侦探小说”来读和探讨，非常符合青少年的心理。另外，“我决定要把这个秘密弄个水落石出”也显示了他的毅力，这是成为科学家的基本素质。③高中时期，本该“在棒球场或篮球场上玩耍”，尽情享受青春，但作者“在周边地区搜罗了大量电子仓库，组装了必要的硬件设备”，“在学校足球场上缠绕了22英里的铜线”，并自己搭建了一个实验室，验证爱因斯坦的理论，探索反物质。作者辛苦而枯燥的工作表现了他对科学的热爱，他脚踏实地的个性和一个科学工作者的潜力。从① ②到③，我们可以清楚地看到作者的“教育历程”和“教育内容”。
四、重点和难点学习及目标完成过程
1.这篇文章的材料处理有什么特点？
明确这篇文章的布局重点突出，细节处理得当。整体而言，作者并没有按时间顺序叙述从童年到小学到初中再到高中，而是通过童年的两个有趣故事和高中建立实验室的例子，突出了他成为“物理学家”的“教育过程”，与其他成长经历无关；部分如高中，笔者看过很多关于统一场论的书，也经常去斯坦福大学的物理图书馆。关于相关理论书籍如何启发和指导他的研究，肯定有很多精彩的故事，但作者只涉及到了一点，重点是做自己的原子对撞机。具体数据描述详细，让人体会到作者严谨踏实的性格和内在成为物理学家的基本需求。
2.问这篇文章体现了什么样的科学精神？
界定本文的三个主要部分，并不是简单的一个成长故事，而是科学精神的深刻内涵，从中可以看出“学历”的哪些方面对成为一名优秀的科学家最重要。
(1)想象力:科学需要想象力，想象力能带来创造力。正是从鲤鱼世界的想象中，作者认识到了人类观察空间的局限性，间接认识到了高维空间的可能性。从感性想象到理性创造，体现了创新意识和探索精神。
(2)趣味性:科学不应该枯燥，而应该充满乐趣。探索大自然的奥秘，是与大自然类似捉迷藏的“游戏”，是真正科学家的人生“境界”。“游戏”让他们乐在其中，充满激情，不受外界干扰；而“境界”让他们不顾功利，不畏强权，只求真理。
(3)实验精神:丁肇中说:“现代学术的基础是田野探索，也就是我们现在所说的实验。”“科学发展的历史告诉我们，新知识只能通过实地实验获得，而不是通过自省或哲学空谈。”有想象力，有乐趣，只是成为科学家最基本的因素。不扎扎实实做实验，就得不到基础数据，假说也就无法成立。一味做白日梦，不做基础工作，是不可能到达真理的彼岸的。虽然作者的高维空间理论还停留在纸面上，但科学家们一直在做大量的基础实验工作，试图证明该理论。就算科学家霍金用睿智的头脑创造了黑洞理论，也必须有数学和天体物理学的实验基础，不是天方夜谭。
3.问“鲤鱼科学家”他们对“世界”的理解是什么？
主要有以下几点:(1)“池外看不见的世界没有科学意义。”(2)“他们对睡莲能自己移动感到不解”——他们用神秘的“力量”掩盖自己的无知。(3)“鲤鱼科学家”的“消失”和“再现”——他们认为这是“奇迹”，是“可怕的事情”，拒绝探究原因。(4)“鲤鱼科学”的“传奇故事”确实证明了另一个世界的存在，但他们却认为这是“无稽之谈”，可笑至极，违背了他们的“自然法则”。
4.作者想通过“鲤鱼科学家”对世界的理解来说明什么？
明确说明“自以为是”的人类类似于“鲤鱼科学家”。(1)人类“在我们自己的池子里度过一生”，只要有一种自然存在“超出我们的理解”，他们就“拒绝承认”。(2)“科学家发明力之类的概念……”因为他们只愿意承认“那些看得见摸得着的东西”，拒绝改变思维方式。(3)他们“鄙视”那些“在实验室里无法方便验证”的理论，表现出思想上的保守和固执。
5.阅读提问文中的两小段太空探险故事和统一场论书籍，对描述“教育过程”有什么作用？
很明显，文中的重点是童年的乐趣和实验室的建立。这三个例子已经完整地勾勒出了“教育过程”。而夹杂在其中的两个小例子主要起到补充和衔接的作用。冒险故事加深作者对高维空间的想象，激发兴趣；阅读统一场论书籍，既体现了作者高中时期对知识的热衷，也连接了从理论到实验的探究过程。
6.提问者说:“我已经决定要把这个问题弄个水落石出，哪怕为此我不得不成为一名理论物理学家。”作者心目中的“理论物理学家”应该是一个什么样的人？
很显然，理论物理学家的工作是抽象而枯燥的，而且由于实验条件的限制，他们的理论很难用实验来证明，甚至他们可能直到去世也不会有什么成就。这样的人一定要耐得住寂寞，要有奉献精神。“勤奋”就是“理论物理学家”的艰辛。
7.请作者为我们的现实生活设立一个实验室有什么意义？
很清楚，科学是以基础实验为基础的，科学理论只有经过实验的检验才能得到论证。实验不是简单的操作，它需要理论指导、实验设计、计划和组织能力、耐力和毅力等。实验很考验实验者的综合能力。而我们现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，思维浮躁，急功近利。就教育而言，重视知识，忽视能力是普遍现象。这些都是一个理论物理学家重视实验，在现实生活中给我们的启示。
整体把握
1.文章特点:(1)结构:
文章题目是《一个物理学家的教育历程》，所以叙述顺序以历时性为主。但作者开篇就说“童年的两件趣事，极大地丰富了我对世界的认识，引导我成为一名理论物理学家”。作为文章的主要内容，“童年的两个有趣的故事”是一个共时性的叙事。这种结构安排使文章既清晰又重点突出。结构如图所示:
(2)内容:
每个人都对自然充满好奇，以自己喜欢的形式寻求自然的“答案”，但大多数人一般都是直接探索自然本身，而作者则从人类观察的角度反思人类对宇宙的认知。看来作者少年时的思维是超越同龄人的。其实只是他发挥了自己的想象力，保持了这样一种奇特的想象力，为他探索高维空间理论奠定了基础。②作者少年时接触到爱因斯坦的“未竟事业”，引起了他的探究兴趣。他觉得“刺激”，是因为他把爱因斯坦的理论当成“侦探小说”来读和探讨，非常符合青少年的心理。另外，“我决定要把这个秘密弄个水落石出”也显示了他的毅力，这是成为科学家的基本素质。③高中时期，本该“在棒球场或篮球场上玩耍”，尽情享受青春，但作者“在周边地区搜罗了大量电子仓库，组装了必要的硬件设备”，“在学校足球场上缠绕了22英里的铜线”，并自己搭建了一个实验室，验证爱因斯坦的理论，探索反物质。作者辛苦而枯燥的工作表现了他对科学的热爱，他脚踏实地的个性和一个科学工作者的潜力。从① ②到③，我们可以清楚地看到作者的“教育历程”和“教育内容”。
(3)细节:
这篇文章的布局重点突出，细节恰当。整体而言，作者并没有按时间顺序叙述从童年到小学到初中再到高中，而是通过童年的两个有趣故事和高中建立实验室的例子，突出了他成为“物理学家”的“教育过程”，与其他成长经历无关；部分如高中，笔者看过很多关于统一场论的书，也经常去斯坦福大学的物理图书馆。关于相关理论书籍如何启发和指导他的研究，肯定有很多精彩的故事，但作者只涉及到了一点，重点是做自己的原子对撞机。具体数据描述详细，让人体会到作者严谨踏实的性格和内在成为物理学家的基本需求。
2.科学精神:
论文的三个主要部分并不是简单的讲述成长的故事，而是有着深刻的科学精神内涵，从中可以看出要成为优秀的科学家，哪些方面的“教育”是最重要的。
⑴想象力:科学需要想象力，想象力能带来创造力。正是从鲤鱼世界的想象中，作者认识到了人类观察空间的局限性，间接认识到了高维空间的可能性。从感性想象到理性创造，体现了创新意识和探索精神。
(2)趣味性:科学不应该枯燥，而应该充满乐趣。探索大自然的奥秘，是与大自然类似捉迷藏的“游戏”，是真正科学家的人生“境界”。“游戏”让他们乐在其中，充满激情，不受外界干扰；而“境界”让他们不顾功利，不畏强权，只求真理。
⑶实验精神:丁肇中说:“现代学术的基础是田野探索，也就是我们现在所说的实验。”“科学发展的历史告诉我们，新知识只能通过实地实验获得，而不是通过自省或哲学空谈。”有想象力，有乐趣，只是成为科学家最基本的因素。不扎扎实实做实验，就得不到基础数据，假说也就无法成立。一味做白日梦，不做基础工作，是不可能到达真理的彼岸的。虽然作者的高维空间理论还停留在纸面上，但科学家们一直在做大量的基础实验工作，试图证明该理论。就算科学家霍金用睿智的头脑创造了黑洞理论，也必须有数学和天体物理学的实验基础，不是天方夜谭。