基于物理核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué)案例

王健

摘 要：當(dāng)今教育變革的主題是促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，教育工作者越來越關(guān)注學(xué)生的核心素養(yǎng)，核心素養(yǎng)是能夠適應(yīng)自身和社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵能力。探索能促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的課堂教學(xué)改革，建立基于核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)的有效性，是推進(jìn)課堂教學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵。為此，設(shè)計(jì)了此教學(xué)案例。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);高中物理;教學(xué)案例

本文設(shè)計(jì)了“高中物理·人教版·必修二·第六章萬有引力與航天·第5節(jié)宇宙航行·科學(xué)漫步：黑洞”的教學(xué)案例。本課的教學(xué)設(shè)計(jì)立足于學(xué)生的科學(xué)精神的培養(yǎng)。讓學(xué)生在科學(xué)家關(guān)于黑洞問題的研究歷史中，感悟科學(xué)家求真、求簡的研究思想和獻(xiàn)身于科學(xué)的精神。

教學(xué)案例：

一、核心素養(yǎng)

（一）物理觀念

1.了解恒星的演化。

2.了解黑洞的形成。

3.了解黑洞的觀測及拍照方法。

4.了解給黑洞拍照的科學(xué)意義。

（二）科學(xué)思維

1.通過對恒星演化過程的了解，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究方法和思維過程。

2.通過對黑洞知識(shí)的了解，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、解決問題的能力。

3.通過課外與同學(xué)之間的交流，以及在科普書籍、雜志和互聯(lián)網(wǎng)上查找相關(guān)資料，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，提高團(tuán)結(jié)協(xié)作和語言表達(dá)的能力。

（三）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

1.通過人類探尋恒星演化的過程，培養(yǎng)學(xué)生尊重歷史、尊重科學(xué)、獻(xiàn)身科學(xué)的思想和情感，從而樹立正確的世界觀、物質(zhì)觀。

2.通過了解我國科學(xué)家在黑洞研究中的貢獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義情感、民族自豪感和使命感。

3.通過了解黑洞的形成過程，讓學(xué)生明白黑洞所涉及的問題對整個(gè)物理學(xué)和人類的認(rèn)識(shí)都有深遠(yuǎn)的意義。

4.學(xué)生在學(xué)習(xí)中了解、感受科學(xué)發(fā)展過程中蘊(yùn)藏著的科學(xué)和人文精神。

二、重點(diǎn)和難點(diǎn)

（一）重點(diǎn)

1.黑洞的形成。

2.黑洞的拍照方法。

3.給黑洞拍照的科學(xué)意義。

（二）難點(diǎn)

1.黑洞的拍照方法。

2.給黑洞拍照的科學(xué)意義。

三、教學(xué)過程

（一）引入新課

[教師]：我們上節(jié)課學(xué)習(xí)了“粒子和宇宙”，初步了解了粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和宇宙的演化，本節(jié)課繼續(xù)學(xué)習(xí)恒星的演化。上節(jié)課結(jié)束時(shí)，我給學(xué)生留了一項(xiàng)作業(yè)：要進(jìn)一步了解恒星的演化及恒星最后的歸宿等天體物理學(xué)知識(shí)，學(xué)生可在科普書籍、雜志和互聯(lián)網(wǎng)上查找。下面請學(xué)生回答一下：恒星最后的歸宿是什么？

[學(xué)生活動(dòng)1]：這與恒星的質(zhì)量大小有關(guān)。天體物理的研究表明，如果恒星的質(zhì)量大致介于1～8倍太陽質(zhì)量之間，它會(huì)演變?yōu)榘装?，即體積很小，但質(zhì)量不太小的恒星。如果恒星的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的約10～20倍，更強(qiáng)大的壓力使得原子被“壓碎”，電子和質(zhì)子被壓在一起，整個(gè)恒星成為中子組成的天體，叫作中子星。當(dāng)恒星的質(zhì)量更大時(shí)，其內(nèi)部的任何物質(zhì)都無法抵抗巨大引力產(chǎn)生的壓力，物質(zhì)被“壓”成了更為神奇的天體——黑洞。

[教師]：本節(jié)課我們將從六個(gè)方面學(xué)習(xí)黑洞：1.黑洞的樣子;2.黑洞的形成;3.如何“看到”黑洞;4.如何給黑洞拍照;5.給黑洞拍照的意義;6.如果掉到黑洞里會(huì)發(fā)生什么？

（二）新課教學(xué)

1.黑洞的樣子

[教師]：我們來看一下，黑洞的樣子，首先我們來欣賞一下科幻電影中的黑洞（視頻播放）。

[教師]：通過視頻播放，我們了解了人類形象中黑洞的形象，那么真正的黑洞是什么樣子的呢？（展示黑洞的照片）我們是多么幸運(yùn)，成為了見證首張黑洞照片誕生的人！

2.黑洞的形成

[教師]：既然我們已經(jīng)知道黑洞的樣子了，那么，黑洞是怎樣形成的呢？

[學(xué)生活動(dòng)2]：黑洞是個(gè)什么“洞”？嚴(yán)格來講，黑洞并不是個(gè)“洞”，而是宇宙空間內(nèi)存在的一種特殊天體。它像個(gè)“無底洞”，會(huì)把周圍任何物質(zhì)都吸進(jìn)去，連光也無法逃脫。黑洞無法直接觀測，但能借由吸積盤、噴流現(xiàn)象等間接方式得知其存在。

[學(xué)生活動(dòng)3]：黑洞最初其實(shí)是一顆衰老的巨大恒星，有資格成為黑洞的恒星，質(zhì)量要達(dá)到太陽的數(shù)十倍以上，恒星發(fā)光發(fā)熱靠的是內(nèi)部的核聚變，但恒星中心的“燃料”畢竟有限，也會(huì)消耗，恒星內(nèi)部能量不足，無法支撐起外殼的重量，在外殼重壓之下，恒星內(nèi)核開始塌縮，最終，所有物質(zhì)縮成一個(gè)體積接近無限小，而密度超大的點(diǎn)，這便是奇點(diǎn)，奇點(diǎn)質(zhì)量極大體積極小，會(huì)形成強(qiáng)大引力場（看起來像一個(gè)黑色的“勢力范圍”），吸收周圍物質(zhì)，就連光也會(huì)被吸進(jìn)去，這個(gè)“勢力范圍”就被稱作黑洞的半徑或事件視界。

[教師]：我們?nèi)绾吻蠼獬龊诙吹陌霃侥?？下面請學(xué)生把你們求解的結(jié)果給大家展示一下。

[學(xué)生活動(dòng)4]：我們組研究的問題是：黑洞的半徑，通過查閱資料知道了什么是黑洞的半徑，以及引力勢能的表達(dá)式，通過建立模型、推導(dǎo)求解出黑洞的半徑。我們小組，求解出黑洞的半徑公式以后，查閱地球的質(zhì)量和太陽的質(zhì)量，如果地球或者太陽成為黑洞的話，它們半徑將縮小到8.84mm和2.948km（學(xué)生展示計(jì)算過程和結(jié)果）。我們試想一下，如果地球縮小到8.84mm，我們的生活將會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢？

[教師]：本小組的同學(xué)不僅很好地完成了查閱和求解，還給我們提出了一個(gè)很有趣的問題。但是此小組的同學(xué)是通過經(jīng)典力學(xué)求解出來的。實(shí)際上，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）針對廣義相對論方程，求出了關(guān)于球狀物質(zhì)分布的解，此解的一個(gè)結(jié)果是可能存在黑洞。

[教師]：1916年卡爾·史瓦西首次發(fā)現(xiàn)了史瓦西半徑的存在，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)半徑是一個(gè)球狀對稱、不自轉(zhuǎn)的物體的重力場的精確解。經(jīng)典力學(xué)的求解過程并非嚴(yán)格推導(dǎo)過程，結(jié)論的正確僅僅是一種巧合。他發(fā)現(xiàn)一個(gè)物體的史瓦西半徑與其質(zhì)量成正比。太陽的史瓦西半徑約為3千米，地球的史瓦西半徑只有約9毫米。物體的實(shí)際半徑小于其史瓦西半徑的物體被稱為黑洞。在不自轉(zhuǎn)的黑洞上，史瓦西半徑所形成的球面組成一個(gè)視界（僅對于不自轉(zhuǎn)的黑洞，自轉(zhuǎn)的黑洞的情況稍許不同）。光和粒子均無法逃離這個(gè)球面。

播放視頻：黑洞的形成。讓學(xué)生明白黑洞所涉及的問題對整個(gè)物理學(xué)和人類的認(rèn)識(shí)都有深遠(yuǎn)的意義。

3.如何“看”到黑洞

[教師]：至此，黑洞已經(jīng)誕生。剛誕生的“嬰兒黑洞”如饑似渴，開始將體積較小的恒星的氣體撕扯到自己身邊。這些氣體在被黑洞吞噬前，會(huì)在事件視界外形成一個(gè)環(huán)狀圓盤，成為吸積盤，它是科學(xué)家定位黑洞的重要依據(jù)。當(dāng)吸積氣體過多時(shí)，一部分氣體會(huì)沿著磁場運(yùn)動(dòng)，高速噴射強(qiáng)能量物質(zhì)，這就是噴流，它促進(jìn)新恒星形成，也能調(diào)節(jié)星系演化。

播放視頻：黑洞的吸積盤和噴流。以視頻的方式加深學(xué)生對如何“看”到黑洞有更深層次的理解。

4.如何給黑洞拍照

[教師]：播放視頻：事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）。讓學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)到科學(xué)家的偉大和人類的智慧。

5.給黑洞拍照的意義

[教師]：我們?yōu)槭裁匆o黑洞拍照呢？給黑洞拍照的意義又是什么呢？

播放視頻：給黑洞拍照的意義。培養(yǎng)他們尊重歷史、尊重科學(xué)、獻(xiàn)身科學(xué)的思想和情感，從而樹立正確的世界觀、物質(zhì)觀。

6.如果掉到黑洞里會(huì)發(fā)生什么

[教師]：至此，我們知道了黑洞的形成、如何給黑洞拍照以及給黑洞拍照的意義，現(xiàn)在回想一下剛才那一小組提出的問題：我們試想一下，如果地球縮小到8.84mm，我們的生活將會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢？也就是說，如果我們掉進(jìn)黑洞里會(huì)發(fā)生什么？

[學(xué)生活動(dòng)5]：我們小組研究的問題是：如果掉進(jìn)黑洞會(huì)發(fā)生什么？

通過上網(wǎng)，查閱相關(guān)資料，如果我們真的能靠近黑洞，我們在靠近黑洞的時(shí)候，會(huì)處于一個(gè)“自由落體”的狀態(tài)，我們會(huì)有失重的感覺。

如果我們真的掉進(jìn)黑洞，我們的頭部所受到的引力與你腳部所遭到的引力是不同的。而且當(dāng)我們越接近黑洞的中心時(shí)，引力差效應(yīng)就會(huì)越大，然后我們很可能會(huì)在宏大引力差的作用下被拉伸成一條比頭發(fā)絲還要細(xì)的細(xì)線。最終，我們將會(huì)化為一縷煙飄走。

還可能會(huì)出現(xiàn)其他的情況，簡單地說，當(dāng)一個(gè)人站在視界邊緣，一腳跨過視界，被黑洞吸入，假設(shè)這個(gè)人在被吸入黑洞后不停地手舞足蹈、做鬼臉，但是由于黑洞密度太大，導(dǎo)致引力太強(qiáng)，強(qiáng)到連光線也無法逃脫，結(jié)果就是這個(gè)人在被吸入黑洞后，無論做什么，都無法被視界外的人看到。

我們在穿越一個(gè)黑洞邊界的時(shí)候，在這個(gè)時(shí)候如果能夠做到運(yùn)動(dòng)速度跟光速相等的話，就能夠逃離。所有的引力場都會(huì)有一個(gè)脫離速度，打個(gè)比方來說，在地球上，火箭能夠進(jìn)入太空，就是脫離了引力場的速度。如果說我們來到黑洞的邊界，想要逃離黑洞的話，我們就必須跑得比光速還要快，但是這是不可能的事情。

當(dāng)我們從黑洞里面向外面看的時(shí)候，黑洞外面的時(shí)間會(huì)變得非常地快，在你通過視界的那一刻，理論上你是可以看到宇宙的迅速發(fā)展，直到宇宙的末日或黑洞消亡這個(gè)變化才會(huì)停止。但是，實(shí)際上你是看不到這些景象的，因?yàn)檫M(jìn)入黑洞的電磁波會(huì)發(fā)生“藍(lán)移現(xiàn)象”。

播放視頻：如果掉到黑洞里會(huì)發(fā)生什么？學(xué)生在學(xué)習(xí)中了解、感受科學(xué)發(fā)展過程中蘊(yùn)藏著的科學(xué)和人文精神。

7.總結(jié)

[教師]：今天咱們學(xué)習(xí)了黑洞，了解了黑洞的相關(guān)知識(shí)，知道了黑洞的形成、如何給黑洞拍照以及給黑洞拍照的意義。咱們確實(shí)非常幸運(yùn)，成為了人類歷史上也可能是太陽系歷史上第一批親眼見證黑洞真容的人，這是名副其實(shí)的親歷歷史、見證歷史。我期待大家通過自己的努力創(chuàng)造歷史。

四、教學(xué)反思

本課的教學(xué)如果只采用講授式教學(xué)就會(huì)變得十分乏味，學(xué)生被教師的教學(xué)設(shè)計(jì)牽著鼻子走，失去應(yīng)有的主體地位。教師的講授往往也脫離了學(xué)生思考的問題，使教學(xué)效果大打折扣。讓學(xué)生自己查找資料、分析資料，則可激發(fā)學(xué)生的興趣、體驗(yàn)獲得知識(shí)的樂趣，而學(xué)生自己提出的問題往往也會(huì)對教師有所啟發(fā)。

對學(xué)生科學(xué)精神的培養(yǎng)，必須通過對科學(xué)史料的掌握來實(shí)現(xiàn)，本課較好地解決了這一問題。關(guān)于黑洞的講解教師沒有必要講得過多，更多應(yīng)該強(qiáng)化物理分析，突出黑洞處理問題的科學(xué)思想方法。

參考文獻(xiàn)

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