Разработка спецкурса по физике черных дыр для учащихся старших классов общеобразовательной средней школы

1. Министерство просвещения Российской Федерации  Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего

Министерство просвещения Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Ульяновский государственный педагогический университет
имени И.Н. Ульянова»
Кафедра физики и технических дисциплин
Выпускная квалификационная работа
«Разработка спецкурса по физике черных дыр для учащихся старших классов
общеобразовательной средней школы»
Автор работы: Филиппова Дарья Дмитриевна
Шифр работы: ФМ-20-14
Факультет физико-математического и технологического образования
Направление подготовки: 44.03.05. Педагогическое образование (с двумя профилями
подготовки)
Направление (профиль) образовательной программы: Физика. Математика
Научный руководитель: д-р физ.-мат. наук, профессор Червон С. В.

2. Актуальность

Современная астрофизика представляет собой одну из
наиболее стремительно развивающихся областей науки,
которая вызывает устойчивый интерес как у научного
сообщества, так и у широкой аудитории. Одним из
наиболее загадочных объектов во Вселенной являются
черные дыры — области пространства-времени с
гравитацией, столь сильной, что из них не может
вырваться даже свет. Исследования в этой области сыграли
ключевую роль в развитии общей теории относительности,
квантовой механики и космологии. Однако, несмотря на
высокий интерес, физика черных дыр практически не
представлена в школьной программе, что обедняет
мировоззренческое и научное развитие учащихся.

3. Проблема исследования

Школьные курсы физики ограничены как по
времени, так и по сложности содержания. Темы,
связанные с современной физикой, включая
астрофизику и черные дыры, часто считаются
слишком абстрактными и математически
сложными для старшеклассников. В результате
учащиеся лишаются возможности
познакомиться с одной из самых ярких и
концептуально интересных областей
современной науки.

4. Цель исследования

Разработка и научное обоснование спецкурса
по физике черных дыр для учащихся старших
классов, соответствующего их когнитивному
уровню и построенного с учетом
современных педагогических технологий и
методических подходов.

5. Поставленные задачи

1. Провести литературный обзор по физике черных дыр,
анализируя фундаментальные научные труды,
учебники и современные исследования.
2. Осуществить теоретический анализ ключевых
концепций, связанных с черными дырами, и
определить, какие из них можно адаптировать для
изучения в старшей школе.
3. Разработать структуру и содержание спецкурса,
включая учебную программу, методики преподавания
и примеры учебных заданий.
4. Провести педагогический эксперимент, направленный
на оценку эффективности предложенного курса среди
старшеклассников.

6.

Объект исследования – процесс обучения физике в
старших классах.
Предмет исследования – методика преподавания
спецкурса по физике черных дыр, адаптированного
под уровень подготовки учащихся.

7. Научная новизна

Заключается в создании комплексного спецкурса по
физике черных дыр, включающего как
фундаментальные научные знания, так и
интерактивные методики преподавания,
адаптированные для старшеклассников.

8. Практическая значимость

Предложенный курс может быть использован:
1. в качестве факультативного курса по
физике в школах,
2. для подготовки учащихся к конкурсам и
проектной деятельности по астрофизике,
научно-исследовательской деятельности,
3. как методический ресурс для учителей
физики, желающих углубить преподавание
современных тем.

9. Работа включает

• Введение
• Глава 1. Теоретические основы физики черных
дыр
• Глава 2. Методологические аспекты
преподавания сложных тем в старшей школе
• Заключение
• Литература
• Приложение

10. Глава 1. Теоретические основы физики черных дыр

Рис. 1. Световой цилиндр
Рис. 4. Пространственно-временная
диаграмма, иллюстрирующая образование
черной дыры в процессе гравитационного
коллапса.
Рис. 2 и 3. Пространственно-временной
континуум специальной теории
относительности и "гибкое" пространствовремя общей теории относительности.

11.

Рис. 5. Приветствие космонавта.
Рис. 6. Два времени черной дыры.
Рис. 7. Гравитационный коллапс звезды.

12.

Рис. 8 и 9. Навигационные окружности
в водовороте черной дыры.
Рис. 11. Необратимый рост черных дыр.
Рис. 10. Сечение вращающейся черной
дыры.

13.

Рис. 12. Квантовое испарение черной дыры
за счет поляризации вакуума.
Рис. 13 и 14. Погружение
несколлапсировавшей
сферической звезды и метрики
Шварцшильда.
Рис. 15. Кротовая нора в
пространстве-времени.

14. Рисунок 16. Изучение сферической черной дыры с помощью диаграммы Крускала.

Рисунок 17. Урезанная
диаграмма Крускала,
описывающая коллапс
звезды в черную дыру.
Рисунок 18. Диаграмма
Пенроуза для вращающейся
черной дыры.

15. Глава 2. Методологические аспекты преподавания сложных тем в старшей школе

В основу методической концепции курса легли следующие принципы:
Принцип доступности: чёрные дыры объясняются через образы — резиновая
плёнка, водовороты, тени.
Наглядность: используются симуляции (PhET, Stellarium), графика и видео
NASA.
Проблемность: обсуждаются парадоксы (информационный, причинности и
др.).
Междисциплинарность: курс связывает физику, астрономию, философию,
даже искусство.
Исследовательская активность: задания требуют анализа, гипотез,
аргументации.
Форма организации — комбинированная: лекционные элементы сочетаются с
дискуссиями, групповыми заданиями и проектной деятельностью.

16.

Спецкурс рассчитан на 6 занятий по 45–60 минут и
включает:
• 1 занятие: Возникновение и развитие представлений о
чёрных дырах
• 2 занятие: Физические основы и структура чёрных дыр
• 3 занятие: Образование чёрных дыр в природе
• 4 занятие: Методы наблюдения и косвенные признаки
чёрных дыр
• 5 занятие: Исследовательская работа учащихся
• 6 занятие: Презентация проектов, подведение итогов,
рефлексия

17. Заключение

В ходе исследования была разработана методика
преподавания спецкурса по физике черных дыр для
учащихся старших классов, включающая
теоретическое обоснование, учебную программу и
методические рекомендации.

18. Перспективы дальнейшей работы

1) Адаптация курса для дистанционного
обучения и онлайн-платформ.
2) Расширение курса за счет включения
практических астрономических
наблюдений и работы с реальными
научными данными.
3) Внедрение курса в образовательные
программы специализированных школ и
научных кружков.

19. Приложение

20.

21. Список использованных источников

Космос Эйнштейна / М. Каку. – М.: Альпина нон-фикшн, 2024. – 240 с.
О специальной и общей теории относительности. / А. Эйнштейн. – М.: Наука,
2008. – 79 с.
Краткая история времени / С. Хокинг – М.: Амфора, 2017. – 279 с.
Природа пространства и времени / С. Хокинг, Р. Пенроуз. – М.: Едиториал
УРСС, 2007. – 192 с.
Дорога к реальности. Полное руководство по законам Вселенной / Р. Пен-роуз.
– М.: Альпина нон-фикшн, 2019. – 912 с.
Методы обучения физике / М. Каган. – М.: Просвещение, 2009. – 486 с.
Педагогика: инновационные технологии обучения / И. П. Подласый. – М.:
Высшая школа, 2015. – 184 с.
Проблемное обучение в преподавании физики / А. В. Брушлинский. – М.:
Академия, 2008. – 174 с.
Современные подходы к преподаванию физики / А. Гинденштейн. – М.:
Дрофа, 2016. – 158 с.
Интерактивные методы обучения физике / С. А. Занудин. – Казань: Ка-занский
университет, 2020. – 183 с.

22. Спасибо за внимание!