第一章 自然的探索

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,课程概况：,自然科学基础,是中央广播电视大学“人才培养模式改革和开放教育试点”小学教育专业的一门必修的综合基础课。,本课程将物理学、化学、生物学及地学的基础知识及应用加以综合，理论联系实际，体现理论性、实践性和应用性。,课程教材：,主教材： 张民生主编,自然科学基础,（高等教育出版社，,1997,年,8,月第一版，,2008,年,8,月第二版）,辅助教材：石萍之主编,自然科学基础课程学习指导书,（高等教育出版社，,2008,年,7,月第一版）,课程考核方法,本课程的考试既重视知识、理论的考核，又重视应用能力的考核。考核分三个认知能力层次，即从了解、理解、掌握三个层次进行命题。各层次的含义如下：,了解：是指学习本课程后，对于基本知识、基本概念必须有透彻的了解，并且能够准确地表述。,理解：本层次要求达到的水平是在了解的基础上，系统、全面地把握本课程的基本理论，能对有关问题进行正确的阐释。,掌握：是指能够掌握分析问题的技能，能够运用学到的基本知识、基本理论分析和解决有关的理论问题和实际问题。,本课程考核以笔试为主，主要考核学生在理解的基础上，能够利用基本概念、基本理论分析和解决有关的理论问题和实际问题。各层次题目所占分数比例大体是：,了解占,20%,，理解占,30%,；简单应用占,30%,；掌握占,20%,。,平时成绩占,30%,，期末成绩占,70%,。,第一章自然的探索,学习目标和要求：,1,、,了解自然科学发展的历史轨迹，了解现代科技发展趋 势，了解实验结果的整理和总结,2,、知道自然科学的基本研究方法,3,、了解自然科学、技术、社会与教育的关系,教学方法：,1,、以自学为主，采取通读和重点阅读相结合,2,、把教材和学习指导书相结合,教学重点：,1,、近代自然科学诞生阶段的三件大事,2,、经典力学中牛顿最重要的成就,3,、,19,世纪的三大发现,4,、,20,世纪科技的特点,5,、自然科学研究的方法,6,、观察和实验的意义和作用,7,、逻辑思维和科学假说,知识结构,自然科学发展的历史轨迹,自然科学研究的基本方法,科学技术、社会与教育,自然科学的发展历程,近代自然科学诞生阶段的三件大事,近代自然科学发展阶段的重大成就,现代科技发展趋势,第一节 自然科学发展轨迹,要求：,1,、了解自然科学发展的三个阶段,2,、了解古希腊的自然科学和我国古代四 大发明,自然科学：,是研究自然界中各种现象或事物的结构、性质和运动规律的科学。因此，自然界的物质形态、结构、性质和运动规律等都是自然科学的研究对象。,自然科学的产生和发展是一个持续的历史过程，按其本身成熟的程度，可把它分为 古代、近代和现代三个时期,。,古代,近代,现代,人类有历史记载的文明时期开始,16,世纪,19,世纪欧洲,20,世纪,开始,诞生时期,三个,阶段,古希腊的自然哲学：,自然科学与哲学融为一体,古希腊被认为是人类科学的发祥地，在其文化鼎盛时期（公元前,6-,公元前,4,世纪）产生了科学。,古代希腊科学分为两个时期：,从公元前,600,年至公元前,300,年，称为希腊的古典时期：毕达哥拉斯派、原子论派、柏拉图学派、亚里士多德学派。,从公元前,300,年至公元前,30,年，称为希腊化时期：托勒密、阿基米德、欧几里得等著名的科学家。,（一）古代自然科学：,古代中国的科学技术,天文学方面：是世界历史上天文观测记录最系统、最完整的国家。早在夏代，中国已有观察天象的记载，已有天干地支记日法；春秋战国时期已有对哈雷彗星的观察记录。,数学方面：最早的数学著作,骨髀算经,成书于公元前,1,世纪；,九章算术,成书于,1,世纪东汉初年，是中国古代数学体系形成的标志。,物理学方面：北宋沈括的,梦溪笔谈,介绍了人工磁北方法制作指南针，并提出了地磁偏角的概念。,化学方面：主要表现在造纸技术、火箭技术、漆器和瓷器制作技术。,医学和药学方面：,黄帝内经,是我国第一部最重要的医学著作；李时珍的,本草纲目,，载药,1892,种，方剂,11000,个；战国时期扁鹊以针灸疗法著称于世；汉末华佗以麻沸散做全身麻醉，这在当时是很杰出的成就。,地理学方面：,山海经,是最古老的地理书 。,古代中国的四大发明： 造纸、印刷术、指南针和火药,马克思,“,资产阶级发展的必要前提”,要求：,了解以下三件大事对自然科学发展的影响,太阳中心说,向神学的挑战,血液循环学说,对神学的打击,伽利略,为近代自然科学开辟道路,（二）、,近代自然科学诞生阶段的三件大事,托勒密的地心说宇宙模型,太阳中心说,波兰天文学家哥白尼,代表人,意大利哲学家布鲁诺,意大利物理学家伽利略,意义,：改变了地球为中心的观点，看到了运动的相对性，向被教会奉为天经地义的地球中心观点提出了 严重的挑战,核心内容,：,日心和地动的观点,血液循环学说,维萨,里,1543,年,塞尔维特,1553,年,哈,维,1628,年,心脏有四个房室,小,循环,（肺循环）,大循环,（体循环）,人体构造,论心脏与血液的运动,意义,:,沉重地打击了宗教神学有关人体的荒谬说教,伽利略,1.,用望远镜观,察天体，为太,阳中心学说提,供证据,2.,发现了落体,定律和抛物体,的运动规律，,为经典力学奠,定了基础,科学成果方面,1.,把实验方法,提高到真正科学,的水平，将实验,方法和数学方,法结合，创立,了近代科学方法,科学研究方面,尊称为现代科学之父，其工作标志着自然科学成为独立的科学,（三）、,近代自然科学发展阶段的重大成就,要求：,1,、了解物理学、生物学、化学领域的重大成就,2,、掌握十九世纪的三大发现,（重点）,物理学领域,（,1,）经典力学,万有引力定律：,自然界中一切具有质量的物体之间都存在着相互吸引的作用力，这一引力的大小与两物体质量的乘积成正比，与它们之间的距离平方成反比。,意义,：,这一定律的发现，把天体和地面上物体的运动描述统一了起来，并深刻揭示了其运动规律。,1,、重要的成就,第一定律：惯性,一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。,运动三定律,第二定律：质量,物体的加速度跟物体所受的外力的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向相同。,第三定律：作用力与反作用力定律,两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。,（,2,）光,的,波动理论,牛顿的微粒说,惠更斯的波动说,（,3,）热力学的建立和能量守恒原理的发现,（,4,）电磁学,法拉第的电磁感应定律,麦克斯韦用数学语言概括了全部电磁现象，及预言电磁波的存在,化学领域,（,1,）化学科学的确立,波义耳：提出元素的概念；强调化学是实验科学,（,2,）燃烧的氧化学说的确立,拉瓦锡氧化学说，创立了了化学元素命名方法及质量守恒定律,（,3,）科学原子论的确立,道尔顿建立了原子论，提出了第一张原子图象表,（,4,）化学元素周期律的发现,俄国门捷列夫、德国迈尔提出了化学元素周期律,（,5,）有机化学的建立,德国维勒用无机物氰和氨水全盛了有机物尿素,2,、十九世纪的三大发现,（重点）,能量守恒与转化定律,细胞学说,达尔文的生物进化论,热力学：,由研究当时的蒸汽机的效率开始，进而描述 热和功的相互转化及其在数量上的关系的规律,能量守恒与转化定律：,是,19,世纪自然科学三大发现之一，它揭示了热、力、电和化学等各种运动形式之间的转化和统一性，使自然界的运动形式达到空前的综合和统一。这是继牛顿力学体系以来物理学的最大成就。,能量守恒与转化定律,细胞学说的建立,细胞是一切有机体,结构和发育的基本,单位，有机体的发,育，就是细胞的分,化和形成的过程,胡克第一个,发现细胞,（小室）,施莱登,提出细,胞是一切植物,结构的基本单位,施旺把这,一,学说扩大到,动物学界,1665,年,1838,年,1839,年,意义,：,证明了有机体在结构和发育上的统一性，是生物科学史上的重大综合,达尔文的进化论,产生前提,：,18-19,世纪的比较解剖学、胚胎学和古生物学的发展，是生物进化论产生的科学前提。,核心思想,：自然选择学说,（适者生存，优胜劣汰）,重要意义：,细胞学说和达尔文进化论是,19,世纪生物科学史上的大事件，揭示了生物界的统一性及其发展的规律。这是生物科学发展史上的一次空前的综合，是生物科学的里程碑。恩格斯把它们与能量守恒和转化定律一起誉为,19,世纪三大发现。,（四）现代科技发展趋势,科学技术经历了全面空前的革命,物理学领域：,建立了以相对论和量子论为支柱,的现代物理学体系等,化学领域,：对物质的化学结构有了更深入的认,识，建立起分子工程学这门新学科,生物学领域,：揭示了,DNA,的结构和遗传密码， 遗传工程在新的技术革命中将发挥更巨大的作用,科学走向新的综合,人们的视野在微观和宏观两方面都扩大,10,万倍以上，对自然界有更深入的了解，使生物学与化学、物理学结合得更加密切，越来越多的事实证明，重大科技成果，都将是综合研究的结果。,科技成为第一生产力，人类生活发生巨大变化,进入,20,世纪后，科技对生会的推动作用越来越显著，对人类历史发展和国家兴衰起着决定作用。人类生活质量提高，寿命延长，并追求人与自然的和谐。,第二节 自然科学的基本研究方法,自然科学研究的过程,观察和实验方法,观察、实验结果的整理和总结,一、自然科学研究的过程,要求：,知道自然科学研究经历几个过程,自然科学研究的过程,选择和确定,研究的,课题,制订进行研,究的,计划,选择,观察,实验,方法,将,得到的,结果,分析归纳,作出解释,这是一个不断提出问题和解决问题的过程,选题,调查研究,作开题,报告,如何进行选题：,制定工作方案,和实验计划,制订实验计划的基本程序,确定实验目的,明确指导理论,选定实验方法、步骤,配备实验器材,实验记录,结果处理,二、观察和实验方法,要求：,1,、了解观察和实验的联系与区别,2,、,了解直接观察和间接观察的优点和缺点,3,、了解直接实验和模拟实验的区别和联系,1,、观察和实验的区别与联系,联系,：都是科学实践活动，是科学研究的基本方法，,区别：,观察,是在自然条件下进行的，有局限性；不利于认清最本质的、起决定作用的内部规律。,实验,可以能够人为地变革和控制自然对象，再现最本质的方面，而且具有可重复性。,观察,分类,：根据获取观察对象的,方式,直接观察,间接观察,定性观察,定量观察,根据获取观察对象的,要求,分类的目的是为了从不同角度考察观察活动，加深对观察的理解,定性观察和定量观察,概念：是考察自然界事物是否具有某种特性，以及事物之间是否有某种联系,特点：获得的有关观察对象的性质、特征是大致的、不确定的、粗略的,定,性,观,察,定,量,观,察,概念：是借助科学仪器来测量观察对象的各种数量关系，刻划对象数量特征，因而定量观察又称为观测或测量。,特点：获得的有关观察对象的性质、特征是确定的、定量的,直接观察和间接观察,直,接,观,察,特点,：是观察者用感觉器官对观察对象进行观察，形成直接经验知识，,存在问题,：存在局限性,有时还有错觉（受感 官的局限性影响）,间,接,观,察,特点,：使用观测仪器对进行观察,优越性,：扩大观察范围、提高观察的精确性,（重点）,提高观察速度、能使感觉形式发生转换,存在问题：,1.,不如直接观察生动、简便易行,2.,仪器发生问题，可能导致观察失误,3.,观察不能改变或控制对象,分类：直接实验和,模拟实验,直,接,实,验,概念：,实验者用实验手段直接作用于所研究的现象或对象的实验。,基本程序,：准备阶段（决定实验成败的一个关键）,实施阶段,实验结果的处理阶段,实验,模,拟,实,验,概念,：实验者的实验手段是通过与原型相似的模拟对象间接作用于所研究的现象或对象的。,作用,：用于那些不能对其进行直接实验的对象，尝试用与原来对象相似的某个对象（替代物）作为实验的对象,模型的二重性：,一方面是实验者运用实验工具实行实际变革的对象；,另一方面它只是客观原型的替代物，是实验者用以认识原型的工具,分类：,自然模型,是从自然界已有的事物中选择出来的替代物，如医学上、生物学上用的模型,人造模型,按照原型先人为制造一个模型，用以 代替原型进行一些性能测试,程序,：准备阶段、实施阶段和结果处理阶段,特别注意,：选择,恰当的模型,，且要求实验在与原型所处的条件基本相似的情况下进行，才能使实验获得的信息可靠，才能有效地类推到原型上去。,实验方法进行观察研究的特点：,可以纯化,研究对象,可以强化,实验对象,可以加速、,再现或模拟自,然过程,实验可将对象置于严格控制的条件下，排除各种偶然、次要、外界等因素的干扰，便于提示客观规律,为了揭示某些变化的规律或本质，要把某些条件强化，在强化的条件下研究对象,模拟实验可以缩短自然现象的周期,三、观察、实验结果的整理和总结,要求：,1,、了解科学抽象活动类型,2,、了解假说及其检验方法,3,、了解自然科学发展途径,感性认识,理性认识,自然观察,实验,客观事物的本,质和运动规律,科学的抽象活动,逻辑思维,直觉、灵感,1,、感性认识,理性认识的过程,1,）,.,逻辑思维,在感性认识的基础上，运用概念、判断、推理等思维形式对客观世界间接的、概括的反映过程。,比较,-,分类法、分析综合法、归纳,演绎法、,2,）,.,逻辑思维的基本方法,3,）,.,直觉和灵感,4,）,.,数学方法,5,）,.,假说及其检验,假说既是一种科学方法，也是科学研究的成果,基本特征,：具有一定的科学根据,具有一定的猜测性,感性认识,理性认识,假说,逻辑分析法,实验检验法,假说检验方法,（,科学理论）,自然科学就是沿着以下发展途径，越来越丰富和完善的。,假说 理论 新假说 新理论,自然科学发展途径,：,越来越丰富和完善的。,第三节 科学、技术、社会与教育,科学、技术与社会（,STS,）,科学教育的内涵,一、科学、技术与社会（,STS,）,要求：,了解,STS,的内涵、基本精神,1,、科学、技术与社会的内涵,是近年来世界各国科学教育改革中形成的一种新的科,学教育构想，是以强调,科学、技术与社会的相互关系,和,科,学技术在社会生产、生活和发展中的应用,为指导思想而组,织实施的科学教育。把科学教育和当前的社会发展、社会,生产、社会生活紧密结合起来,精神：,把科学教育和当前的社会发展、社会生产、社会生活紧密结合起来，从而培养学生对自己生活中与科学有关的问题作出决策的能力。,二、科学、科学教育,科学活动三要素：,（重点）,探索,对人类生存的宇宙的探索；,解释,对探索过程中各种事物所做的解释；,检验,对所作解释的检验。,内涵：,（重点）,科学知识、科学精神、科学态度与科学方法,课 后 小 结,自然科学发展的历史轨迹,自然科学研究的基本方法,科学技术、社会与教育,自然科学的发展历程,近代自然科学诞生阶段的三件大事,近代自然科学发展阶段的重大成就,现代科技发展趋势,自然科学研究的过程,观察和实验方法,观察、实验结果的整理和总结,科学、技术与社会（,STS,）,科学教育的内涵,课程体系,课 堂 自 测,1,、古代中国的四大发明是：（ ） 、 （ ） 、 （ ） 、 （ ）,2,、十九世纪的三大发现是：,、,、,。,3,、假说的基本特征：,、,。,4,、科学活动三个基本要求是：,、,、,。,5,、被尊称为近代科学之父的是（）,A,。,牛顿,B,。,伽利略,C,。,哥白尼,D,。,道尔顿,6,、不属于实验的一个阶段是：（）,A,。,准备阶段,B,。,实施阶段,C,。,结果处理阶段,D,。,提出假说阶段,7,、给活力论致命打击的是（）,8,、用实验方法进行观察的三个特点是：（ ） 、 （ ） 、 （ ）,能量守恒与转化定律 细胞学说 生物进化论,具有一定的科学依据 具有一定的猜测性,探索 解释 检验,B,D,预 习 提 纲,第一节地球概况,为什么说地球在宇宙中所处的地位是十分渺小的？,恒星和行星的区别,太阳系的九大行星名称和相对位置,地球的结构特点,地球的地表形态,作业：,自然科学基础,课后习题,