基于物理核心素养的高中物理教学案例

王健

摘 要：当今教育变革的主题是促进学生核心素养的发展，教育工作者越来越关注学生的核心素养，核心素养是能够适应自身和社会发展的关键能力。探索能促进学生核心素养发展的课堂教学改革，建立基于核心素养的课堂教学的有效性，是推进课堂教学发展的关键。为此，设计了此教学案例。

关键词：核心素养;高中物理;教学案例

本文设计了“高中物理·人教版·必修二·第六章万有引力与航天·第5节宇宙航行·科学漫步：黑洞”的教学案例。本课的教学设计立足于学生的科学精神的培养。让学生在科学家关于黑洞问题的研究历史中，感悟科学家求真、求简的研究思想和献身于科学的精神。

教学案例：

一、核心素养

（一）物理觀念

1.了解恒星的演化。

2.了解黑洞的形成。

3.了解黑洞的观测及拍照方法。

4.了解给黑洞拍照的科学意义。

（二）科学思维

1.通过对恒星演化过程的了解，培养学生科学研究方法和思维过程。

2.通过对黑洞知识的了解，培养学生提出问题、解决问题的能力。

3.通过课外与同学之间的交流，以及在科普书籍、杂志和互联网上查找相关资料，激发学习的兴趣，提高团结协作和语言表达的能力。

（三）科学态度与责任

1.通过人类探寻恒星演化的过程，培养学生尊重历史、尊重科学、献身科学的思想和情感，从而树立正确的世界观、物质观。

2.通过了解我国科学家在黑洞研究中的贡献，培养学生的爱国主义情感、民族自豪感和使命感。

3.通过了解黑洞的形成过程，让学生明白黑洞所涉及的问题对整个物理学和人类的认识都有深远的意义。

4.学生在学习中了解、感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神。

二、重点和难点

（一）重点

1.黑洞的形成。

2.黑洞的拍照方法。

3.给黑洞拍照的科学意义。

（二）难点

1.黑洞的拍照方法。

2.给黑洞拍照的科学意义。

三、教学过程

（一）引入新课

[教师]：我们上节课学习了“粒子和宇宙”，初步了解了粒子物理学的基础知识和宇宙的演化，本节课继续学习恒星的演化。上节课结束时，我给学生留了一项作业：要进一步了解恒星的演化及恒星最后的归宿等天体物理学知识，学生可在科普书籍、杂志和互联网上查找。下面请学生回答一下：恒星最后的归宿是什么？

[学生活动1]：这与恒星的质量大小有关。天体物理的研究表明，如果恒星的质量大致介于1～8倍太阳质量之间，它会演变为白矮星，即体积很小，但质量不太小的恒星。如果恒星的质量是太阳质量的约10～20倍，更强大的压力使得原子被“压碎”，电子和质子被压在一起，整个恒星成为中子组成的天体，叫作中子星。当恒星的质量更大时，其内部的任何物质都无法抵抗巨大引力产生的压力，物质被“压”成了更为神奇的天体——黑洞。

[教师]：本节课我们将从六个方面学习黑洞：1.黑洞的样子;2.黑洞的形成;3.如何“看到”黑洞;4.如何给黑洞拍照;5.给黑洞拍照的意义;6.如果掉到黑洞里会发生什么？

（二）新课教学

1.黑洞的样子

[教师]：我们来看一下，黑洞的样子，首先我们来欣赏一下科幻电影中的黑洞（视频播放）。

[教师]：通过视频播放，我们了解了人类形象中黑洞的形象，那么真正的黑洞是什么样子的呢？（展示黑洞的照片）我们是多么幸运，成为了见证首张黑洞照片诞生的人！

2.黑洞的形成

[教师]：既然我们已经知道黑洞的样子了，那么，黑洞是怎样形成的呢？

[学生活动2]：黑洞是个什么“洞”？严格来讲，黑洞并不是个“洞”，而是宇宙空间内存在的一种特殊天体。它像个“无底洞”，会把周围任何物质都吸进去，连光也无法逃脱。黑洞无法直接观测，但能借由吸积盘、喷流现象等间接方式得知其存在。

[学生活动3]：黑洞最初其实是一颗衰老的巨大恒星，有资格成为黑洞的恒星，质量要达到太阳的数十倍以上，恒星发光发热靠的是内部的核聚变，但恒星中心的“燃料”毕竟有限，也会消耗，恒星内部能量不足，无法支撑起外壳的重量，在外壳重压之下，恒星内核开始塌缩，最终，所有物质缩成一个体积接近无限小，而密度超大的点，这便是奇点，奇点质量极大体积极小，会形成强大引力场（看起来像一个黑色的“势力范围”），吸收周围物质，就连光也会被吸进去，这个“势力范围”就被称作黑洞的半径或事件视界。

[教师]：我们如何求解出黑洞的半径呢？下面请学生把你们求解的结果给大家展示一下。

[学生活动4]：我们组研究的问题是：黑洞的半径，通过查阅资料知道了什么是黑洞的半径，以及引力势能的表达式，通过建立模型、推导求解出黑洞的半径。我们小组，求解出黑洞的半径公式以后，查阅地球的质量和太阳的质量，如果地球或者太阳成为黑洞的话，它们半径将缩小到8.84mm和2.948km（学生展示计算过程和结果）。我们试想一下，如果地球缩小到8.84mm，我们的生活将会发生怎样的变化呢？

[教师]：本小组的同学不仅很好地完成了查阅和求解，还给我们提出了一个很有趣的问题。但是此小组的同学是通过经典力学求解出来的。实际上，德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）针对广义相对论方程，求出了关于球状物质分布的解，此解的一个结果是可能存在黑洞。

[教师]：1916年卡尔·史瓦西首次发现了史瓦西半径的存在，他发现这个半径是一个球状对称、不自转的物体的重力场的精确解。经典力学的求解过程并非严格推导过程，结论的正确仅仅是一种巧合。他发现一个物体的史瓦西半径与其质量成正比。太阳的史瓦西半径约为3千米，地球的史瓦西半径只有约9毫米。物体的实际半径小于其史瓦西半径的物体被称为黑洞。在不自转的黑洞上，史瓦西半径所形成的球面组成一个视界（仅对于不自转的黑洞，自转的黑洞的情况稍许不同）。光和粒子均无法逃离这个球面。

播放视频：黑洞的形成。让学生明白黑洞所涉及的问题对整个物理学和人类的认识都有深远的意义。

3.如何“看”到黑洞

[教师]：至此，黑洞已经诞生。刚诞生的“婴儿黑洞”如饥似渴，开始将体积较小的恒星的气体撕扯到自己身边。这些气体在被黑洞吞噬前，会在事件视界外形成一个环状圆盘，成为吸积盘，它是科学家定位黑洞的重要依据。当吸积气体过多时，一部分气体会沿着磁场运动，高速喷射强能量物质，这就是喷流，它促进新恒星形成，也能调节星系演化。

播放视频：黑洞的吸积盘和喷流。以视频的方式加深学生对如何“看”到黑洞有更深层次的理解。

4.如何给黑洞拍照

[教师]：播放视频：事件视界望远镜（EHT）。让学生清晰地认识到科学家的伟大和人类的智慧。

5.给黑洞拍照的意义

[教师]：我们为什么要给黑洞拍照呢？给黑洞拍照的意义又是什么呢？

播放视频：给黑洞拍照的意义。培养他们尊重历史、尊重科学、献身科学的思想和情感，从而树立正确的世界观、物质观。

6.如果掉到黑洞里会发生什么

[教师]：至此，我们知道了黑洞的形成、如何给黑洞拍照以及给黑洞拍照的意义，现在回想一下刚才那一小组提出的问题：我们试想一下，如果地球缩小到8.84mm，我们的生活将会发生怎样的变化呢？也就是说，如果我们掉进黑洞里会发生什么？

[学生活动5]：我们小组研究的问题是：如果掉进黑洞会发生什么？

通过上网，查阅相关资料，如果我们真的能靠近黑洞，我们在靠近黑洞的时候，会处于一个“自由落体”的状态，我们会有失重的感觉。

如果我们真的掉进黑洞，我们的头部所受到的引力与你脚部所遭到的引力是不同的。而且当我们越接近黑洞的中心时，引力差效应就会越大，然后我们很可能会在宏大引力差的作用下被拉伸成一条比头发丝还要细的细线。最终，我们将会化为一缕烟飘走。

还可能会出现其他的情况，简单地说，当一个人站在视界边缘，一脚跨过视界，被黑洞吸入，假设这个人在被吸入黑洞后不停地手舞足蹈、做鬼脸，但是由于黑洞密度太大，导致引力太强，强到连光线也无法逃脱，结果就是这个人在被吸入黑洞后，无论做什么，都无法被视界外的人看到。

我们在穿越一个黑洞边界的时候，在这个时候如果能够做到运动速度跟光速相等的话，就能够逃离。所有的引力场都会有一个脱离速度，打个比方来说，在地球上，火箭能够进入太空，就是脱离了引力场的速度。如果说我们来到黑洞的边界，想要逃离黑洞的话，我们就必须跑得比光速还要快，但是这是不可能的事情。

当我们从黑洞里面向外面看的时候，黑洞外面的时间会变得非常地快，在你通过视界的那一刻，理论上你是可以看到宇宙的迅速发展，直到宇宙的末日或黑洞消亡这个变化才会停止。但是，实际上你是看不到这些景象的，因为进入黑洞的电磁波会发生“蓝移现象”。

播放视频：如果掉到黑洞里会发生什么？学生在学习中了解、感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神。

7.总结

[教师]：今天咱们学习了黑洞，了解了黑洞的相关知识，知道了黑洞的形成、如何给黑洞拍照以及给黑洞拍照的意义。咱们确实非常幸运，成为了人类历史上也可能是太阳系历史上第一批親眼见证黑洞真容的人，这是名副其实的亲历历史、见证历史。我期待大家通过自己的努力创造历史。

四、教学反思

本课的教学如果只采用讲授式教学就会变得十分乏味，学生被教师的教学设计牵着鼻子走，失去应有的主体地位。教师的讲授往往也脱离了学生思考的问题，使教学效果大打折扣。让学生自己查找资料、分析资料，则可激发学生的兴趣、体验获得知识的乐趣，而学生自己提出的问题往往也会对教师有所启发。

对学生科学精神的培养，必须通过对科学史料的掌握来实现，本课较好地解决了这一问题。关于黑洞的讲解教师没有必要讲得过多，更多应该强化物理分析，突出黑洞处理问题的科学思想方法。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社.2018：4-5.

[2]黄爱国，王嘉燕.基于核心素养观念的中学物理课堂教学评价体系构建[J].新课程研究，2021.