基于物理核心素養的高中物理教學案例

王健

摘 要：當今教育變革的主題是促進學生核心素養的發展，教育工作者越來越關注學生的核心素養，核心素養是能夠適應自身和社會發展的關鍵能力。探索能促進學生核心素養發展的課堂教學改革，建立基于核心素養的課堂教學的有效性，是推進課堂教學發展的關鍵。為此，設計了此教學案例。

關鍵詞：核心素養;高中物理;教學案例

本文設計了“高中物理·人教版·必修二·第六章萬有引力與航天·第5節宇宙航行·科學漫步：黑洞”的教學案例。本課的教學設計立足于學生的科學精神的培養。讓學生在科學家關于黑洞問題的研究歷史中，感悟科學家求真、求簡的研究思想和獻身于科學的精神。

教學案例：

一、核心素養

（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意義。

（二）科學思維

1.通過對恒星演化過程的了解，培養學生科學研究方法和思維過程。

2.通過對黑洞知識的了解，培養學生提出問題、解決問題的能力。

3.通過課外與同學之間的交流，以及在科普書籍、雜志和互聯網上查找相關資料，激發學習的興趣，提高團結協作和語言表達的能力。

（三）科學態度與責任

1.通過人類探尋恒星演化的過程，培養學生尊重歷史、尊重科學、獻身科學的思想和情感，從而樹立正確的世界觀、物質觀。

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

3.通過了解黑洞的形成過程，讓學生明白黑洞所涉及的問題對整個物理學和人類的認識都有深遠的意義。

4.學生在學習中了解、感受科學發展過程中蘊藏著的科學和人文精神。

二、重點和難點

（一）重點

1.黑洞的形成。

2.黑洞的拍照方法。

3.給黑洞拍照的科學意義。

（二）難點

1.黑洞的拍照方法。

2.給黑洞拍照的科學意義。

三、教學過程

（一）引入新課

[教師]：我們上節課學習了“粒子和宇宙”，初步了解了粒子物理學的基礎知識和宇宙的演化，本節課繼續學習恒星的演化。上節課結束時，我給學生留了一項作業：要進一步了解恒星的演化及恒星最后的歸宿等天體物理學知識，學生可在科普書籍、雜志和互聯網上查找。下面請學生回答一下：恒星最后的歸宿是什么？

[學生活動1]：這與恒星的質量大小有關。天體物理的研究表明，如果恒星的質量大致介于1～8倍太陽質量之間，它會演變為白矮星，即體積很小，但質量不太小的恒星。如果恒星的質量是太陽質量的約10～20倍，更強大的壓力使得原子被“壓碎”，電子和質子被壓在一起，整個恒星成為中子組成的天體，叫作中子星。當恒星的質量更大時，其內部的任何物質都無法抵抗巨大引力產生的壓力，物質被“壓”成了更為神奇的天體——黑洞。

[教師]：本節課我們將從六個方面學習黑洞：1.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.如果掉到黑洞里會發生什么？

（二）新課教學

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，成為了見證首張黑洞照片誕生的人！

2.黑洞的形成

[教師]：既然我們已經知道黑洞的樣子了，那么，黑洞是怎樣形成的呢？

[學生活動2]：黑洞是個什么“洞”？嚴格來講，黑洞并不是個“洞”，而是宇宙空間內存在的一種特殊天體。它像個“無底洞”，會把周圍任何物質都吸進去，連光也無法逃脫。黑洞無法直接觀測，但能借由吸積盤、噴流現象等間接方式得知其存在。

[學生活動3]：黑洞最初其實是一顆衰老的巨大恒星，有資格成為黑洞的恒星，質量要達到太陽的數十倍以上，恒星發光發熱靠的是內部的核聚變，但恒星中心的“燃料”畢竟有限，也會消耗，恒星內部能量不足，無法支撐起外殼的重量，在外殼重壓之下，恒星內核開始塌縮，最終，所有物質縮成一個體積接近無限小，而密度超大的點，這便是奇點，奇點質量極大體積極小，會形成強大引力場（看起來像一個黑色的“勢力范圍”），吸收周圍物質，就連光也會被吸進去，這個“勢力范圍”就被稱作黑洞的半徑或事件視界。

[教師]：我們如何求解出黑洞的半徑呢？下面請學生把你們求解的結果給大家展示一下。

[學生活動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式，通過建立模型、推導求解出黑洞的半徑。我們小組，求解出黑洞的半徑公式以后，查閱地球的質量和太陽的質量，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（學生展示計算過程和結果）。我們試想一下，如果地球縮小到8.84mm，我們的生活將會發生怎樣的變化呢？

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

[教師]：1916年卡爾·史瓦西首次發現了史瓦西半徑的存在，他發現這個半徑是一個球狀對稱、不自轉的物體的重力場的精確解。經典力學的求解過程并非嚴格推導過程，結論的正確僅僅是一種巧合。他發現一個物體的史瓦西半徑與其質量成正比。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。物體的實際半徑小于其史瓦西半徑的物體被稱為黑洞。在不自轉的黑洞上，史瓦西半徑所形成的球面組成一個視界（僅對于不自轉的黑洞，自轉的黑洞的情況稍許不同）。光和粒子均無法逃離這個球面。

播放視頻：黑洞的形成。讓學生明白黑洞所涉及的問題對整個物理學和人類的認識都有深遠的意義。

3.如何“看”到黑洞

[教師]：至此，黑洞已經誕生。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，會在事件視界外形成一個環狀圓盤，成為吸積盤，它是科學家定位黑洞的重要依據。當吸積氣體過多時，一部分氣體會沿著磁場運動，高速噴射強能量物質，這就是噴流，它促進新恒星形成，也能調節星系演化。

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：事件視界望遠鏡（EHT）。讓學生清晰地認識到科學家的偉大和人類的智慧。

5.給黑洞拍照的意義

[教師]：我們為什么要給黑洞拍照呢？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。培養他們尊重歷史、尊重科學、獻身科學的思想和情感，從而樹立正確的世界觀、物質觀。

6.如果掉到黑洞里會發生什么

[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，我們的生活將會發生怎樣的變化呢？也就是說，如果我們掉進黑洞里會發生什么？

[學生活動5]：我們小組研究的問題是：如果掉進黑洞會發生什么？

通過上網，查閱相關資料，如果我們真的能靠近黑洞，我們在靠近黑洞的時候，會處于一個“自由落體”的狀態，我們會有失重的感覺。

如果我們真的掉進黑洞，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。而且當我們越接近黑洞的中心時，引力差效應就會越大，然后我們很可能會在宏大引力差的作用下被拉伸成一條比頭發絲還要細的細線。最終，我們將會化為一縷煙飄走。

還可能會出現其他的情況，簡單地說，當一個人站在視界邊緣，一腳跨過視界，被黑洞吸入，假設這個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，導致引力太強，強到連光線也無法逃脫，結果就是這個人在被吸入黑洞后，無論做什么，都無法被視界外的人看到。

我們在穿越一個黑洞邊界的時候，在這個時候如果能夠做到運動速度跟光速相等的話，就能夠逃離。所有的引力場都會有一個脫離速度，打個比方來說，在地球上，火箭能夠進入太空，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。

當我們從黑洞里面向外面看的時候，黑洞外面的時間會變得非常地快，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展，直到宇宙的末日或黑洞消亡這個變化才會停止。但是，實際上你是看不到這些景象的，因為進入黑洞的電磁波會發生“藍移現象”。

播放視頻：如果掉到黑洞里會發生什么？學生在學習中了解、感受科學發展過程中蘊藏著的科學和人文精神。

7.總結

[教師]：今天咱們學習了黑洞，了解了黑洞的相關知識，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。咱們確實非常幸運，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，這是名副其實的親歷歷史、見證歷史。我期待大家通過自己的努力創造歷史。

四、教學反思

本課的教學如果只采用講授式教學就會變得十分乏味，學生被教師的教學設計牽著鼻子走，失去應有的主體地位。教師的講授往往也脫離了學生思考的問題，使教學效果大打折扣。讓學生自己查找資料、分析資料，則可激發學生的興趣、體驗獲得知識的樂趣，而學生自己提出的問題往往也會對教師有所啟發。

對學生科學精神的培養，必須通過對科學史料的掌握來實現，本課較好地解決了這一問題。關于黑洞的講解教師沒有必要講得過多，更多應該強化物理分析，突出黑洞處理問題的科學思想方法。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社.2018：4-5.

[2]黃愛國，王嘉燕.基于核心素養觀念的中學物理課堂教學評價體系構建[J].新課程研究，2021.