谈习题教学中学科前沿内容的渗透——以“建构黑洞物理意义，了解黑洞研究进展”习题教学为例，本文主要内容关键词为：黑洞论文,习题论文,研究进展论文,为例论文,学科论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
为了适应科学技术的突飞猛进和社会经济可持续增长，为了提高学生的科学素养和促进学生的全面发展，物理教学内容的现代化已引起人们愈来愈多的关注.但在如何实现课程内容现代化、如何吸收科技新成果的具体途径上，指望一本新编的教课书便能担此重任是不切实际的，更何况科学本身是一个不断发展的过程.鉴于此，在物理习题教学中渗透学科前沿内容倒不失为课程内容现代化建设的一条积极思路.
一、习题教学渗透学科前沿内容的教育价值
数百年来，物理学的发展极大地扩展和深化了人类对物质世界的认识，也带动了其他自然科学学科、技术、文化、经济和社会的发展.20世纪初以来，在以相对论、量子论为标志的物理学革命的推动下，信息技术、新材料技术、新能源技术取得了辉煌的成就.在21世纪，物理学还将有一个更加辉煌的发展.李政道教授认为：“目前的情况与20世纪初很相似，同样面临两个疑问：其一，目前的物理理论都是对称的，而实验却发现了不少对称的破缺；其二，有一半基本粒子至今一点都独立不出来的.”由于物理研究对象的扩展（从宏观到微观、从传统物理过程到化学过程、从无生命到有生命），今天的物理学已代表着一套获得知识、组织知识和运用知识以解决问题的有效步骤和方法——把这套方法运用到什么问题上，这问题就成了物理学.从这一层面来讲，在物理习题教学中渗透学科前沿内容是物理学自身发展的基本要求和必然选择.
从目前世界各国理科教育改革实践来看，从强调知识内容向获取知识的教学过程转变、从强调单纯积累知识向探求知识转变、从强调单科教学向注重不同学科相互渗透转变已成为国际潮流.相比之下，我国的中学物理教学有全国统一的教学大纲、教材、考试说明和考试，教师不敢轻易地将有争议的尚未定论的或正处于发展之中的科技新成就、科学新思想介绍给学生，物理学科的前沿知识排斥于物理教育之外，其结果是学生只了解物理学的昨天、不知道物理学的今天、更不懂如何去探索物理学的明天.为了改革这一状况，局部的改良（压缩旧的课程内容）或者彻底改造旧有课程内容已经成为课程内容现代化和吸收科技新成果的基本途径.根据我国国情和课程改革的渐进性特征，课程内容的现代化应该根据现代科学观点增加基础知识的比重来实现，此处“基础知识”的内涵已经发生变化——通过基础知识结构的不断同化和顺应，新的先进的知识进入了基础知识结构.[1]正是在这一点上，渗透最新的学科前沿内容于物理习题教学，不仅为师生共同探究新知准备了丰富而又真实的素材，而且为基础教育改革的课程资源建设提供了新的生长点.
从学生成长角度来看，如果在牢固掌握大纲规定的基本内容基础上适当了解现代物理的发展状况，在物理习题教学中渗透学科前沿内容，让学生通过具体问题解决活动接触和熟悉一些如超导技术、同步辐射、遥感技术、核磁共振、可燃冰、新材料、纳米技术等新概念、新结论，初步了解物理和其他学科及现代技术的关系以及它们的发展趋势，进一步感受物理学研究内容之广泛、之基础、之重要，进一步体会物理学是现代前沿科学中最为激励人心的学科之一并且在不断地向前发展着，这对破除类似“绝对真理”“最终理论”“惟一确定”“理想线性”等形而上学思想，养成学生勤于思考、悟物穷理的良好学习习惯和不盲从权威、不迷信教条、敢于批判和想像、敢于实践和创新的健全人格都将会起到积极的作用.
值得提及的是，在量子力学的发展过程中，玻尔于1921年创立的丹麦哥本哈根理论研究所起到了关键作用，这当然与研究所民主的学术气氛有关[2]，但更与玻尔不断追逐学术前沿的教学风格有关.玻尔讲学有一个最大特点，自己知道的内容、自己已经搞清楚的问题不讲，讲的问题都是自己正在思考的问题.所以，来到哥本哈根理论研究所的学者们接触到的问题始终是学科前沿的问题，教学上的突破就可能预示着科学上的突破.尽管中学物理教学不可能如研究所讲学那样只关注学科前沿，但这种追逐学术前沿的教学风格对我们中学物理教学工作依然有一定的启发意义.
二、习题教学渗透学科前沿内容的现实切入点
习题教学为渗透学科前沿内容提供了广阔空间，有关学科前沿的一些具体问题则构成了教学渗透的现实切入点.在适当介绍或提供有关学科前沿内容具体问题的背景知识、研究方法和简化物理过程及物理模型的基础上，完全可以将学科前沿问题变化为学生能够处理的问题.例如，联系高中物理课本[3]，在习题教学中以宇宙速度、能量守恒和光子概念等为基础，渗透有关黑洞的最新研究进展，对开拓学生的科学视野、提高学生的探究兴趣和想像力无疑会起到积极的作用.
[例题1] 黑洞，作为宇宙中一种特殊的“星”，由于它不容易被看到但却能将其近旁物质无情地吸入和粉碎，从而牢牢地抓住了广大公众的想像力.从理论上讲，黑洞发现史的开端应该追溯到伊萨克·牛顿.在牛顿万有引力定律的基础上，法国著名数学家和天文学家皮埃尔·拉普拉斯以数学分析为工具，明确预言了宇宙中存在着黑洞.
一个密度均匀的球形天体，它的质量等于太阳质量M[，日]=2×10[30]kg，问它的半径R（这一临界半径就是黑洞的临界半径）最大为多少时，才会使它的第一宇宙速度大于光在真空中的速度？
解与析：因为第一宇宙速度V[，1]是物体能环绕星体表面作圆周运动的速度.若V[，1]=c，则从星体表面发射的光子肯定到不了远处，因而从远处“看到”是黑的.设黑洞的临界半径为R[，0]，据第一宇宙速度计算公式有：
因此，对于质量等于太阳质量M[，日]=2×10[30]kg的天体，当其半径R＜R[，0]时便构成了一个黑洞.
[例题2] 所谓黑洞，产生于某些类型的星体的最后演化阶段.当星体变得如此之小（相对一定星体的质量）以至于从它表面发射的光不再具有足够的能量离开它，它就成了一个黑洞.[4]有些黑洞问题可以利用守恒定律以及频率为v的光子具有质量m=（hv）/c[2]的假定，求解到一个数量级的近似值.把一个星体看成质量为M的均匀球.当它们变成黑洞时，其半径的极限有多大？
解与析：设一个频率为v[，0]、能量为hv[，0]的光子从半径为R、质量为M的星体射出.当它与星体中心相距r时，根据能量守恒定律和引力
对一个具有太阳质量的星体，这个值约为R[，0]=1.5km.（用这种方法推导出的表达式同根据爱因斯坦引力理论得到的表达式相差一个2的因子，但这并不影响结果的数量级）
[例题3] 天文学家根据天文观测宣布下列研究成果：银河系中可能存在一个大黑洞，距黑洞60亿千米的星体以2000km/s的速度绕其旋转；接近黑洞的所有物质即使速度等于光速也被黑洞吸入.试求黑洞的质量及最大半径.[5]
解与析：研究黑洞60亿千米的星体以2000km/s的速度绕黑洞旋转，据万有引力定律和牛顿第二定律容易得黑洞质量；再根据卫星（设质量为m′）在“近黑洞轨道的速度”等于光速可以算出黑洞的最大半径R[，0].
代入数据得到黑洞质量3.6×10[35]kg，黑洞的最大半径为2.7×10[8]m.
[例题4] 假设我们的宇宙就是一个黑洞，即我们不可能把光发射到宇宙之外.所以即使在宇宙之外还存在空间、还存在天体的话（这完全是一种假设——在历史上也有人提出过这一宇宙模型），那么，外面的天体看我们的宇宙就是一个大黑洞.试从这一假定出发估算我们的宇宙半径.设宇宙是密度均匀的球体，宇宙的平均密度约为ρ=10[-26]kg/m[3]的数量级.
解与析：设宇宙质量为M，半径为R[，0]，则
这意味着黑洞半径愈小，黑洞的密度愈大；而黑洞的密度愈小，黑洞的半径则愈大.例如，对半径为1km的黑洞，其密度大到10[20]kg/m[3]的数量级；对平均密度约为ρ=10[-26]kg/m[3]的宇宙，其半径应为10[26]m（目前对于宇宙的天文观测表明，宇宙的大小为100～200亿光年，数量级恰好为10[26]m，这是否仅仅是一种巧合还说不清楚，或者这又是一个新的关于“黑洞”的物理问题）.
三、习题教学渗透学科前沿内容的教学目标
渗透学科前沿内容的习题教学，其教学目标具体表现在以下几个层次或方面：
1.相关具体问题的解决 渗透学科前沿内容于物理习题教学，其基本目标是根据学生的现有知识水平，通过建模、简化和近似处理等手段促进学生圆满完成具体问题的解决任务，这也是帮助学生进一步建构相关学科前沿知识意义的前提.例如，在有关“黑洞”问题的习题教学中，学生正是利用中学物理的有关匀速圆周运动、人造卫星的宇宙速度、能量守恒（引力势能表达式）、光子概念、引力红移等物理知识来解决有关“黑洞”的半径、密度等具体问题的.
2.学科前沿内容的了解 作为课程内容现代化的一条基本途径，渗透学科前沿的物理习题教学就不能仅仅停留在具体问题的解决上，而应当在具体问题解决的基础上引导学生就相关学科前沿进行广泛而深入的研究、探索，努力向学生介绍有关这一问题的最新研究进展，提高学生的学习兴趣，开阔学生的科学视野，进而完成学科前沿知识的意义建构.在“黑洞”问题的物理习题教学中，除了要求学生了解“黑洞”概念（著名物理学家钱德拉塞卡在1983年物理学诺贝尔奖获奖仪式上将黑洞定义为：黑洞将三维空间分为两个区域，一个是以称之为视界的二维光滑曲面为边界的内区域，一个是视界以外的渐进平直的外区域，而且内区域中的点不能与外区域中的点交换讯息），还需要让学生知道“黑洞”的分类及“黑洞”的最新观测证认情况（天文学家已经探测到黑洞的视界，掌握了黑洞存在的直接证据）.[6]
3.发展学生的学习策略 现代社会是一个学习化社会，教会学生学会学习是教育促进学生终身发展的一项根本性任务.著名教育心理学家皮亚杰指出，在整个认知发展过程中，人们面临新事物时获取知识和解决问题的方式只有两种：同化与顺应.同化是指认知主体直接利用原有的认知结构和问题图式解决问题，而顺应则是主体修改原有的认知结构或者重建新的认知结构，用修改的或重新建构的认知结构去解决问题、并形成新的问题图式的过程.因此，渗透学科前沿知识于物理习题教学应当充分利用学生的观察和经验，切实帮助学生在具体问题的解决活动中拓展自己的解题思路、获取新的推理方法和提高自身的信息素养，并促进学生通过问题解决过程中的顺应作用优化自身的认知结构、提升自己的学习策略化水平.
4.培养学生的健全人格 科学是一个不断发展的过程.学科前沿知识的不断更新和发展决定了渗透学科前沿知识于物理习题教学在发展学生主动性、批判性、创造性和培养学生主动适应社会变化等方面有着特别的要求.建构主义学习理论指出，学习者在学习中应该积极地做一定的事情，渗透学科前沿知识于物理习题教学恰为学生提供了许多富有挑战性、要求学生批判性思考的任务（例如，在黑洞问题中，尽管发现视界确实是人类在探测黑洞的历史上向前迈出的决定性一步，但黑洞的最后确认还要依赖于对引力波的探测——迄今还从未探测到，因而还有待未来进一步地研究），这些任务有利于激发学生的学习兴趣和发挥学生的主体精神，有利于学生形成主动学习的内驱力和批判性思考的性向，这是开展有效物理教学的内在根据，也是促进学生知识生成和人格丰满更为根本的方面.
事实上，上面所述教育教学目标既表现出一定的层次递进性，又有机地联系在一起：具体问题的解决有助于基于问题解决来建构学科前沿内容的意义，但从根本上来说，发展学生获取学科前沿新知识的能力并最终促进学生人格的健康成长更为重要，因为它关系到学生对科学发展的认知和对迅速变化社会的适应，关系到学生未来的可持续发展.
四、习题教学渗透学科前沿内容的基本对策
习题教学为渗透学科前沿内容提供了广阔空间.具体问题为渗透学科前沿内容提供了现实切入点.在具体教学实践中，转变教育观念、关注学科前沿、选择合适问题、开展教学实践等构成了更好实现学科前沿内容教学渗透的基本策略.
1.转变教育观念 在前沿内容的教与学问题上，也许心理上的障碍比科学上的障碍更难跨越——有时候不是能不能的问题，而是敢不敢的问题.传统观点所固守的“中学物理教学内容是物理学科基础中的基础、是经典物理学中的一些基本概念和基本规律、中学物理与现代物理发展之间存在着巨大的鸿沟”等认识是片面的.事实上，只要我们转变观念、善于挖掘、正确处理“直线教学”与“散点教学”[7]的关系，于中学物理教学中渗透现代物理发展的前沿内容、思想和观点，是大有必要也是大有可为的.
2.关注学科前沿 要实现在物理习题教学中渗透学科前沿内容的教学，仅有观念的转变是不够的，还需要对学科前沿发展前景的关注.由于历史的原因，目前绝大多数中学物理教师是狭窄的专业模式中培养出来的，教师在大学时代学习的知识很多已经陈旧、过时，靠吃老本的做法是绝对行不通的.“要想给学生一杯水，教师就得有一桶水.”从发展变化的视角看，我们更应当有一桶流动的水——永远新鲜、富有营养、受学生欢迎、富有时代气息、不断更新的高质量的水.[8]为此，积极参与物理教育科学研究、追踪物理学科现代前沿的发展、努力提高自身学术水平等应当成为广大中学物理教师专业发展的一个永恒主题.
3.选择合适问题 关注学科前沿并不是不考虑学生的现有水平，选择合适问题才能保证在物理习题教学中更好地渗透学科前沿内容.随着“3+X”高考模式在全国的普遍推广，关注学科前沿发展和学科之间渗透的物理问题也日益增多，这为完成于物理习题教学中渗透学科前沿内容选择合适的问题带来了方便.例如，在第十六届全国中学生物理竞赛复赛试题中，有关“双星系统的理论周期与观察周期不同”的问题及其解决将有助于人们对暗物质的认识和了解.
4.开展教学实践 前沿性（现代物理）与基础性（经典物理）是一对矛盾，正确认识和处理这一矛盾关系是渗透学科前沿内容于习题教学的一个基本前提.现代物理是在经典物理的基础上逐步发展起来的，但它并不否定经典物理，而是使经典物理成为特定条件下的近似理论；另一方面，经典物理学本身内容也在不断地丰富和发展，有些内容同样构成了学科前沿.在物理教学中，我们在传授知识、打下扎实基础方面较西方教育有一定的优势，但在促进学生接触学科前沿、勇于探索和创新上却较为保守.因此，除了在习题教学中渗透学科前沿内容之外，如何拓展中学物理教学和现代物理发展前沿相互联系的其他途径，如何指导学生开展追逐前沿的研究性学习等，还需要我们开展更多的教学研究和实践.