资源简介

教 案
一、基本信息
课题 3.3 人类对宇宙的探索 课型 新授课
课时 2课时 教材 浙教版七年级科学上册
第三章 广袤浩瀚的宇宙
年级 七年级 教法 启发式教学、探究式学习、
科学史融入教学、多媒体辅助教学
教学重点 地心说→日心说→现代宇宙学的发展脉络；
哈勃定律与宇宙膨胀；
宇宙的层次结构（太阳系→银河系→河外星系→宇宙）；
恒星的演化（诞生→主序星→红巨星→白矮星等） 教学难点 哈勃定律的理解与气球膨胀类比；
宇宙大爆炸理论的科学方法（理论预言+观测验证）；
恒星演化各阶段的条件与产物
教具准备 多媒体课件、气球（气球膨胀实验）、
北斗七星与北极星示意图 学具准备 气球、圆点贴纸（气球膨胀探究活动）
学情分析 学生对"宇宙"有朦胧认识，知道天宫课堂、黑洞等热点话题，对探索宇宙有兴趣。但对科学史的演进逻辑（观察→设模型→验证→修正）理解不深，对宇宙尺度缺乏直观感受。气球膨胀类比实验能有效突破宇宙膨胀这一难点。
二、核心素养目标
1. 科学观念
（1）了解人类对宇宙认识的发展过程：地心说→日心说→现代宇宙学，建立宇宙是不断演化的科学观念。
（2）知道哈勃定律与宇宙膨胀，初步了解宇宙大爆炸理论的基本内容。
（3）认识宇宙的层次结构：太阳系→银河系→河外星系→宇宙，建立宇宙尺度的空间概念。
（4）了解恒星的诞生与演化路径，知道太阳的未来命运。
2. 科学思维
（1）通过科学史的学习，体会"观察→提出模型→发现矛盾→修正模型→理论预测→观测验证"的科学思维方法。
（2）通过气球膨胀类比，理解宇宙膨胀的本质（不是物质在空间中运动，而是空间本身在膨胀）。
（3）运用比较和归纳的方法，分析不同质量恒星的演化归宿。
3. 探究实践
（1）通过气球膨胀实验，亲身感受宇宙膨胀的过程。
（2）借助图3.3-4，分析银河系外星系的距离与退行速度的关系，得出哈勃定律。
（3）观察星空，认识北斗七星和北极星，学会用北极星辨认方向。
4. 态度责任
（1）通过"天宫课堂"和中国天文科技成就，激发民族自豪感与探索宇宙的使命感。
（2）体会科学家的探索精神（哥白尼、哈勃、爱因斯坦、我国郭守敬望远镜发现最大恒星级黑洞），树立追求真理的信念。
（3）认识宇宙演化与地球命运的关系，增强保护地球的意识。
三、教学重难点
教学重点：人类对宇宙认识的发展脉络（地心说→日心说→现代宇宙学）；哈勃定律与宇宙膨胀；宇宙的层次结构；恒星的演化路径。
教学难点：理解宇宙膨胀的本质（气球膨胀类比）；宇宙大爆炸理论的科学方法（理论预言需经观测验证）；恒星演化与质量的关系。
四、教学过程
第1课时：从地心说到日心说到现代宇宙学说
（一）情境导入（约5分钟）
图1 "天宫课堂"第四课在中国空间站开讲
2023年9月21日，"天宫课堂"第四课在中国空间站开讲。航天员为广大青少年带来精彩太空科普课，通过视频与地面师生实时互动。
【提问】人类为什么孜孜不倦地探索宇宙？探索宇宙有哪些发现？
设计意图：以"天宫课堂"这一中国航天最新成就切入，激发学生的民族自豪感和探索宇宙的兴趣。
（二）新知探究
【环节1】从地心说到日心说（约15分钟）
1. 地心说：
我国战国时期盖天说认为"天圆如张盖，地方如棋盘"。公元2世纪，希腊天文学家托勒密完善"地心说"模型，认为地球是宇宙中心，静止不动，太阳、月球、行星都围绕地球运转。
图2 托勒密地心说模型
地心说能解释行星观测路径和太阳、月球的运动路径，在随后1000多年里普遍为人们接受。
【理解要点】地心说虽然错误，但它能解释当时的观测现象，是科学认识发展过程中的一个阶段——说明科学认识是逐步完善的，不是一蹴而就的。
2. 日心说：
16世纪，哥白尼经过20年天文观测研究，提出"日心说"模型，认为太阳是宇宙中心，地球和行星都围绕太阳做圆周运动。
图3 哥白尼日心说模型
日心说使人们的认识从"地球中心"走向"太阳中心"。
【易错提示】日心说中"太阳是宇宙中心"也有错误——太阳只是太阳系的中心，不是宇宙的中心。银河系中心在人马座方向，宇宙没有中心。
【环节2】现代宇宙学说（约15分钟）
1. 哈勃的发现：
1929年，天文学家哈勃测定银河系以外星系的距离，分析20多个星系的退行速度和距离，发现：银河系以外的大多数星系都在远离我们而去，距离越远，退行速度越大。
哈勃定律：v = Hd（v为退行速度，d为距离，H为哈勃常数）
图4 不同星系的距离与退行速度关系（哈勃定律示意图）
哈勃定律表明：宇宙正在膨胀。
【重点强调】哈勃定律是20世纪天文学最伟大的发现之一，它直接支持了宇宙膨胀的观点，为宇宙大爆炸理论奠定了基础。
【气球膨胀探究活动】（约5分钟）：
学生活动：准备气球，表面贴上圆形小纸片（代表星系）。充气使气球胀大，观察各"星系"间距离的变化。
图5 气球膨胀模拟宇宙膨胀实验
观察结果：气球胀大过程中，所有"星系"之间的距离都增大。任意一张"纸片"上的"居民"都会看到其他"星系"在远离自己。
结论：这类比说明——宇宙膨胀不是物质在空间中运动，而是空间本身在膨胀。地球上看到几乎所有星系都在退行，并不意味着地球在宇宙中心。
2. 宇宙大爆炸理论：
1948年，伽莫夫等人建立宇宙大爆炸理论：宇宙起源于极高温、极高密度的"奇点"大爆炸，之后宇宙不断膨胀、温度下降，生成各种物质，形成各种星系。
图6 宇宙大爆炸与宇宙演化示意图
理论预言：大爆炸残余辐射温度约为5K。实际观测到的宇宙微波背景辐射温度约为2.73K，与理论预测非常接近。
宇宙大爆炸理论已成为宇宙学中的标准模型，我们的宇宙始于约138亿年前的一次大爆炸。
【科学方法】科学理论的评价标准：理论预言→观测验证，两者相符→理论被接受。宇宙大爆炸理论的预言（2.73K微波背景辐射）与实际观测高度吻合，因此被广泛接受。
（三）课堂练习（约5分钟）
1. 托勒密"地心说"模型与哥白尼"日心说"模型的根本区别是什么？
2. 哈勃定律的内容是什么？它说明了什么？
3. 气球膨胀实验中，任意一张纸片上的"居民"会看到什么现象？这说明了什么？
（四）第1课时小结（约2分钟）
回顾：人类对宇宙中心的认识（地心说→日心说→太阳只是太阳系中心，宇宙无中心）→哈勃定律与宇宙膨胀→宇宙大爆炸理论。
第2课时：银河系和河外星系、恒星的演化
（一）情境导入（约3分钟）
【复习提问】上节课我们知道宇宙正在膨胀，宇宙起源于大爆炸。那么，我们具体处在宇宙的什么位置？宇宙有多大？
设计意图：从宏观宇宙进入具体层次，自然过渡到银河系和恒星。
（二）新知探究
【环节1】银河系和河外星系（约12分钟）
图7 星系的三种类型：旋涡星系、椭圆星系、不规则星系
星系是由恒星、恒星系统、星团、尘埃和气体在引力作用下聚集的大型天体系统。分为三类：旋涡星系、椭圆星系、不规则星系。
银河系是一个旋涡星系。太阳系位于银河系的一条旋臂上，因此从地球上看不到银河系的俯视旋涡结构。
图8 银河系的侧视图与俯视图
银河系直径约1.0×10 光年，中心厚度约1.2×10 光年。太阳与银河系中心距离约2.6×10 光年，约2.4亿年绕银河系中心转一圈。
银河系外还有上千亿个河外星系。仙女星系是比银河系更巨大的旋涡星系，1919年哈勃测定其距离，确认它位于银河系之外。
图9 不同尺度天体系统范围示意图
【理解要点】宇宙层次：太阳系（约1光年）→银河系（约10万光年）→本星系群（约1000万光年）→宇宙（约930亿光年）。认识到人类在宇宙中的渺小，但人类却在不断探索宇宙的奥秘。
【观察星空活动】（约5分钟）
1. 北斗七星：春天斗柄朝东，夏天朝南，秋天朝西，冬天朝北。
2. 找到北极星：将北斗七星斗前两颗星连线，朝斗口方向延伸5倍距离，即可找到北极星。北极星可用来辨认方向。
图10 北斗七星与北极星位置关系
【环节2】恒星的演化（约15分钟）
1. 恒星的诞生：宇宙膨胀降温→出现宇宙尘埃→尘埃在引力作用下聚集形成星云团→星云团收缩升温→温度足够高时开始发光→恒星诞生。
2. 主序星阶段：当恒星内部温度超过1×10 ℃时，氢核聚变（H→He）向外释放能量，恒星稳定下来，进入主序星阶段。太阳已存在约50亿年，主序星阶段还有约50亿年。恒星约90%的生命周期处于主序星阶段。
图11 恒星质量与寿命关系图
3. 恒星的质量与寿命的关系：质量越大，寿命越短；质量越小，寿命越长。
【易错提示】这是反直觉的：质量大的恒星"燃料"多，但燃烧剧烈、消耗快，所以寿命反而短。质量小的恒星燃烧缓慢，寿命可达数百亿年。
4. 太阳的未来演化：
约50亿年后，太阳中心氢耗尽→球核收缩→外层膨胀→形成红巨星（体积接近火星轨道，吞噬水星、金星、地球，亮度升到今天近1万倍）→抛出外层物质形成行星状星云→球核收缩形成白矮星→慢慢"熄灭"形成黑矮星。
图12 太阳未来演化示意图
5. 大质量恒星的归宿：
质量为太阳1~8倍：红巨星→白矮星
质量为太阳10~20倍：红超巨星→超新星爆发→中子星（1054年我国记录的"客星"即超新星，蟹状星云是遗迹）
质量更大：红超巨星→超新星爆发→黑洞（密度极大，光都无法逃脱）
图13 不同类型恒星的演化归宿
2019年我国郭守敬望远镜(LAMOST)发现迄今为止质量最大的恒星级黑洞。2022年5月，银河系中心超大质量黑洞首张照片公布。
【重点强调】我国天文学研究已取得世界领先成果（郭守敬望远镜发现最大恒星级黑洞、银河系中心黑洞照片），这体现了中国科技实力的提升，值得自豪。
（三）例题精讲（约8分钟）
例题1
图14 例题1配图
科学家发现一颗名为开普勒62E的宜居行星，该行星与其绕转的恒星所组成的天体系统，在结构层次上相当于（ ）
A．地月系　　B．太阳系　　C．银河系　　D．河外星系
解析：行星围绕恒星公转组成恒星系统，类似于太阳系的结构。答案：B。
例题2
下列有关宇宙的说法正确的是（ ）
A．太阳是离地球最近的行星
B．太阳黑子是太阳表面温度较高的气体斑块
C．每个月都会发生月食
D．从俯视图看，银河系像个大漩涡
解析：A错（太阳是恒星非行星）；B错（黑子温度比周围低）；C错（月食非每月发生）；D正确（银河系是旋涡星系）。答案：D。
例题3
科学家研究发现，太阳系附近有3颗可能存在外星生命的行星。图1为其中一颗行星与其绕转的恒星所组成的星系，该星系相当于宇宙结构层次中的（ ）
A．地月系　　B．太阳系　　C．银河系　　D．河外星系
解析：行星围绕恒星组成恒星系统，相当于太阳系这一层次。答案：B。
（四）课堂练习（约5分钟）
1. 银河系的直径约为多少光年？太阳位于银河系的什么位置？
2. 恒星的质量与寿命有什么关系？为什么质量大的恒星寿命反而短？
3. 太阳未来会经历怎样的演化过程？约多少年后太阳将开始膨胀为红巨星？
4. 什么是黑洞？为什么人们看不见黑洞？
（五）课堂小结（约4分钟）
本节课的核心内容：
1. 宇宙层次：太阳系→银河系（旋涡星系，直径10万光年）→河外星系（上千亿个）→宇宙（约138亿年历史，仍在膨胀）。
2. 恒星演化：诞生（星云）→主序星（氢核聚变，占寿命90%）→红巨星/红超巨星→归宿（白矮星/中子星/黑洞）。质量决定归宿。
3. 科学方法：观察→提出模型→发现矛盾→修正→理论预言→观测验证（宇宙大爆炸理论的范例）。
五、板书设计
§3.3 人类对宇宙的探索
一、人类对宇宙中心的认识
地心说（托勒密）→日心说（哥白尼）→太阳只是太阳系中心，宇宙无中心
二、现代宇宙学说
1. 哈勃定律：v=Hd → 宇宙正在膨胀（气球膨胀类比）
2. 宇宙大爆炸理论：约138亿年前，奇点大爆炸→膨胀→演化成今天宇宙
验证：宇宙微波背景辐射2.73K ≈ 理论预测5K
三、宇宙的层次结构
太阳系（1光年）→银河系（10万光年，旋涡星系）→河外星系（上千亿个）→宇宙（930亿光年）
四、恒星的演化
诞生：宇宙尘埃聚集→星云→收缩升温→发光
主序星：H聚变→稳定（太阳：100亿年，已过50亿年）
归宿：质量决定
1~8倍太阳质量→红巨星→白矮星→黑矮星
10~20倍→红超巨星→超新星→中子星
更大→红超巨星→超新星→黑洞
六、教学反思
1. 本节课科学史内容较多，学生是否理解了"观察→模型→验证→修正"这一科学认识发展过程？地心说到日心说的转变是否讲清了科学认识的阶段性和渐进性？
2. 气球膨胀类比实验的效果如何？学生是否真正理解了"宇宙膨胀不是物质在空间中运动，而是空间本身在膨胀"这一抽象概念？
3. 宇宙大爆炸理论的教学中，"理论预言+观测验证"的科学方法是否讲清楚了？学生是否理解了科学理论被接受的标准？
4. 恒星演化路径内容较多，学生能否根据恒星质量判断其不同归宿？太阳未来演化的讲解是否激发了学生对宇宙命运的思考？
5. 课堂时间分配是否合理？第2课时银河系+恒星演化内容量较大，是否需要调整为3课时？
6. 中国天文科技成就（天宫课堂、郭守敬望远镜、黑洞照片）的融入是否自然？是否对学生的民族自豪感产生了积极影响？

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