33人類對宇宙的探索(二)教學設計浙教版七年級上冊科學

教學設計

課程基本信息學科科學（浙教版）年級七年級學期秋季課題人類對宇宙的探索教學簡析本課是七年級上冊第3章第3節(jié)《人類對宇宙的探索》第二課時，是在了解地心說和日心說的基礎上，認識宇宙的起源和演化歷史。教材按照時間線索，先介紹了愛因斯坦基于廣義相對論建構的一個靜態(tài)的宇宙模型，再介紹了弗里德曼從廣義相對論出發(fā)，得到了一個均勻地膨脹或收縮的宇宙模型。然后，在兩個宇宙模型相互沖突的情況下，引導學生探索不同星系的退行速度與它們到地球的距離關系，得出了哈勃定律，建構了宇宙正在不斷地膨脹模型。最后，讓學生逆向推理，并基于加莫夫等人的元素生成理論，提出了宇宙大爆炸理論模型。讓人們感受人類探索宇宙過程中的艱辛歷程，進一步激發(fā)學生探索宇宙的興趣。學情分析學生在前面的學習中已經(jīng)知道了地心說和日心說，也通過書籍、網(wǎng)絡對地月系、太陽系、銀河系等有了一定的認識。但學生對愛因斯坦廣義相對論、星系運動規(guī)律、大爆炸宇宙理論等了解的很有限，且七年級的學生空間想象能力、模型建構能力都尚顯不足。所以，學生學習本節(jié)課的主要困難是“能通過對觀測數(shù)據(jù)和圖像的分析得出哈勃定律，能基于證據(jù)與解釋，逐步建構宇宙熱大爆炸理論?！苯虒W目標1.科學觀念：通過了解現(xiàn)代科學家的理論研究和天文學家的天文觀測，認識宇宙的起源和演化歷史；知道宇宙模型的不斷更迭和現(xiàn)代宇宙正在不斷地膨脹，形成初步的空間宇宙觀。2.科學思維：通過讀圖，分析、歸納得出星系運行規(guī)律；通過實驗模擬、邏輯推理、理論辨析等，建構宇宙的靜態(tài)模型、膨脹模型和大爆炸宇宙理論模型。3.探究實踐：通過探索宇宙的過去、現(xiàn)在和未來，理解探索宇宙不僅需要作出假設、收集證據(jù)、得出結論，而且需要基于新的證據(jù)，進行進一步的探究，并不斷修正、完善宇宙學說。4.態(tài)度責任：通過了解對科學家探索宇宙奧秘的過程，體會到人類對宇宙的認識過程是一個不斷發(fā)展的過程，悟科學家不畏艱辛、敢于爭論、追求真理的科學精神。教學內容教學重點：認識宇宙的起源和演化歷史。

2.建構宇宙大爆炸理論模型。

教學難點：1.通過數(shù)據(jù)、圖像分析得出哈勃定律。2.能基于證據(jù)與解釋，逐步建構宇宙熱大爆炸理論。教學過程聚焦：創(chuàng)設情境，聚焦問題1.創(chuàng)設情境：科學家為了探索宇宙的奧秘，發(fā)明制造了很多觀測儀器，同學們，你們看過“新一代太空望遠鏡——韋伯太空望遠鏡”拍攝的宇宙照片嗎？它能無視塵埃的干擾，所拍攝的“創(chuàng)生之柱”是新恒星孕育的搖籃，圖像清晰度遠超以往，揭示了天體景象的新細節(jié)，向人類展示了宇宙的“鬼斧神工”，天體生物學家稱其“壯觀得無法形容”。第二張照片是車輪星系，它是位于玉夫座方向的一個相互作用星系，有一個明亮的核心，一個內環(huán)，外部還有一個星暴環(huán)，美得驚心動魄。2.聚焦問題：目前，人們對宇宙已經(jīng)有了一定的認識，但還有許多奧秘等待著我們去發(fā)現(xiàn)，請自主思考并說出你感興趣的、想去探索的問題？3.表達交流：有的同學可能會問“宇宙有多大？”，有的可能會問“什么是黑洞？”，有的則好奇“宇宙從哪里來？”，有的則很想知道“什么是超新星爆發(fā)？”，有的對“是否有外星人”很感興趣，有的想了解“宇宙中時空穿越是否可行？”等等。4.引出課題：我們把“研究宇宙的性質、結構和演化的科學”，稱為“宇宙學”，同學們所好奇的這些方面都是宇宙學的研究內容?！驹O計意圖】利用太空望遠鏡韋伯拍攝的創(chuàng)生之柱和車輪星系創(chuàng)設真實情境，不僅激發(fā)學生的學習興趣。而且讓學生暢所欲言及順利引出課題。二、探究實踐：師生共議，建構模型（一）探索“宇宙正在不斷地膨脹”1.回顧歷史：早在2300年前的古代中國，屈原用一篇長詩《天問》叩問宇宙蒼穹：……九天之際，安放安屬？隅隈多有，誰知其數(shù)？天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？……大約在《天問》創(chuàng)作后的200余年，古人又通過漫長的天象觀測，設計制作了“二十八宿圓盤”，它是中國渾儀的始祖，是世界上現(xiàn)存最早的赤道式天體測量儀器。2.視頻觀看：先觀看視頻《愛因斯坦的相對論》，再回答下面問題：（1）誰最早提出了時空的概念？并指出每個事件由幾個坐標來進行描述？（2）依據(jù)研究對象的不同相對論分為哪兩種？（3）愛因斯坦將廣義相對論用于宇宙研究，建立了一個怎樣的宇宙模型？3.批判質疑：1915年，著名科學家愛因斯坦建立了廣義相對論，他將廣義相對論用于宇宙的研究，建構了一個有限無邊、靜態(tài)的宇宙模型。然而，1922年，蘇聯(lián)科學家弗里德曼從廣義相對論出發(fā)，得到了一個均勻膨脹或收縮的宇宙模型。那到底誰的推斷才是正確的呢？4.探索活動：（1）牧夫座星系離地球有多遠？它的退行速度有多大？（2）哪個星系的退行速度最大？哪個星系離地球最近？（3）星系距離地球的遠近與其退行速度有什么關系？（4）請預測距離地球50億光年的星系的退行速度？5.視頻觀看：《哈勃定律》（通過視頻觀看，我們了解哈勃通過觀測發(fā)現(xiàn)星系的光譜都有紅移現(xiàn)象，即發(fā)現(xiàn)了銀河系以外的大多數(shù)星系都在遠離我們而去，且距離越遠，退行速度越大。并在此基礎上哈勃提出了著名的哈勃定律：星系的退行速度與它們到地球的距離成正比。v=Hd，其中v為星系退行速度，d為星系到觀察者的距離，H為哈勃常數(shù)。）6.思考討論：1.哈勃定律反映了宇宙的整體性，展示了宇宙正在怎樣變化中？2.幾乎所有的星系都在退行，是否意味著地球處于宇宙的中心？你能借助怎樣的實驗進行模擬呢？7.實驗模擬：通過氣球表面貼上一些圓形小紙片，小紙片代表星系。在圓形小紙片上用筆做記號，表示星系上的居民，記錄相鄰“星系”的位置和距離。用打氣筒持續(xù)地向氣球充氣，使氣球不斷地脹大（即宇宙膨脹），觀察氣球在脹大過程中，各張圓形小紙片間距離的變化。這些“星系”之間的距離發(fā)生了怎樣的變化？實驗表面了什么？

8.科學閱讀：教科書第121、122頁中科學閱讀之《愛因斯坦》，并回答下面兩個問題：（1）愛因斯坦承認自己犯下的一個大錯誤是什么？（2）從中你受到怎樣的啟示？【設計意圖】通過視頻觀看、批判質疑等活動，認識了愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型、弗里德曼的均勻膨脹或收縮的宇宙模型。通過思考討論、實驗模擬、探索活動等，了解哈勃通過觀測得出了宇宙正在不斷膨脹的模型。（二）建構“宇宙起源的大爆炸理論”1.逆向推理：既然宇宙在不斷膨脹，讓我們一起來逆向推理，這就意味著過去的宇宙比現(xiàn)在小。那么，時間越往前，星系之間的距離越小，再往前倒退至某一時間，宇宙就該密集在一個點上。1948年，加莫夫等人建立的元素生成理論，為宇宙起源的大爆炸理論奠定了基礎。宇宙大爆炸理論認為，宇宙起源于極高溫、極高密度的“奇點”的大爆炸。2.視頻觀看：《宇宙大爆炸理論》（通過視頻觀看，我們了解到有許多證據(jù)支持宇宙大爆炸理論。如宇宙一直在膨脹，宇宙中的微波背景輻射，宇宙的元素豐度，引力波的發(fā)現(xiàn)，等等。）3.思考討論：（1）宇宙大爆炸理論合理嗎？（2）宇宙大爆炸理論面臨哪些挑戰(zhàn)？4.讀圖解說：（1）宇宙演化年表中，重要的物質與能量演化事件有哪些？（2）宇宙大爆炸理論是描述宇宙從什么到什么狀態(tài)的模型？（在宇宙演化年表中，重要的物質與能量演化事件主要有；在大爆炸后的100萬年基本粒子形成，大爆炸后的4億年第一批恒星誕生，大爆炸后的10億年第一批恒星形成，大爆炸后的138億年形成現(xiàn)代的星系。宇宙大爆炸理論是目前最準確的描述宇宙從誕生到當前狀態(tài)的模型。）【設計意圖】通過逆向推理、視頻觀看、思考討論等，逐步認識宇宙起源的熱大爆炸理論，并且通過讀圖解說了解宇宙演化年表中重要的物質與能量演化事件。進而理解探索宇宙不僅需要作出假設、收集證據(jù)、得出結論，而且需要基于新的證據(jù)，進行進一步的探究，并不斷修正、完善宇宙學說。三、拓展：深化理解，遷移應用角色扮演：以小組為單位，先通過書籍、互聯(lián)網(wǎng)等搜索現(xiàn)代宇宙學的相