科幻影片中的中學(xué)物理課程資源探析

楊明芳 張圣羽

摘? 要 科幻影片是當(dāng)代主要的電影類型之一，蘊(yùn)含著豐富的物理課程教學(xué)資源。以熱門科幻影片《流浪地球》為例，分析影片中生動(dòng)展現(xiàn)物理知識(shí)的部分情節(jié)，充實(shí)中學(xué)物理課程資源，探析科幻影片在物理教育中獨(dú)特的育人價(jià)值。

關(guān)鍵詞 科幻影片;中學(xué)物理;課程資源;流浪地球

中圖分類號(hào)：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）09-0052-03

1 前言

中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》明確指出，到2035年將總體實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化，邁入教育強(qiáng)國(guó)行列，推動(dòng)我國(guó)成為學(xué)習(xí)大國(guó)、人力資源強(qiáng)國(guó)和人才強(qiáng)國(guó)。加快信息化時(shí)代教育變革，利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革，建立數(shù)字教育資源共建共享機(jī)制。物理學(xué)科是科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)相互聯(lián)系的重要載體，同時(shí)對(duì)其他自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，因此，中學(xué)物理的教學(xué)質(zhì)量水平作為物理教育的基礎(chǔ)，顯得尤為重要。

2001年頒布的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》指出，要開(kāi)發(fā)并合理利用校內(nèi)外各種課程資源，好的課程資源可以讓教學(xué)起到事半功倍的效果。優(yōu)質(zhì)高效的物理教學(xué)需要豐富的課程資源作為保證。科幻影片作為當(dāng)代主要的電影類型之一，蘊(yùn)含豐富的科學(xué)知識(shí)。在國(guó)外，已有較多將科幻影片列為課程資源的專門研究，而我國(guó)由于高質(zhì)量科幻影片數(shù)量有限，同時(shí)對(duì)電影類課程資源的利用不夠重視等多方面原因，對(duì)該方向開(kāi)展的研究廣度不足、深度有限，對(duì)其中蘊(yùn)含的獨(dú)特育人價(jià)值挖掘不夠。

2 中學(xué)物理課程資源

關(guān)于課程資源的定義，我國(guó)學(xué)者一般認(rèn)為有廣義和狹義之分。其中，廣義的課程資源是指有利于實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的各種因素，狹義的課程資源是指形成課程的直接因素來(lái)源[1]。中學(xué)物理課程資源是在此基礎(chǔ)上加上學(xué)科背景，站在物理學(xué)科的角度進(jìn)行定義，任何能夠輔助中學(xué)物理教學(xué)的資源均可作為中學(xué)物理課程資源的一部分。基于課程資源分類理論，從呈現(xiàn)方式的角度，可將其分為文字資源、實(shí)物資源、活動(dòng)資源和信息化資源。這些資源分別擁有各自的特點(diǎn)，其中信息化資源具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多媒體化的特點(diǎn)[1]，起著刺激學(xué)生感官，擴(kuò)大教學(xué)范圍，提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵作用，具有其他資源無(wú)法替代的獨(dú)特作用。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展進(jìn)步，中學(xué)物理課程的信息化資源將會(huì)成為最具開(kāi)發(fā)價(jià)值的研究領(lǐng)域。

3 科幻影片與中學(xué)物理課程資源

科幻影片作為備受青少年追捧的電影類型，一般以帶有科幻元素的內(nèi)容為主要題材，以幻想的情景為創(chuàng)作背景，在一定的科學(xué)概念、科學(xué)規(guī)律基礎(chǔ)上展開(kāi)故事情節(jié)[2]，利用前沿的科學(xué)技術(shù)解決發(fā)生在幻想世界中的問(wèn)題，有著天馬行空、豐富多彩、引人注目的特點(diǎn)?？苹糜捌闹谱鞴に嚢芏辔锢韺W(xué)知識(shí)[3]，如全息攝影、3D立體技術(shù)等。同時(shí)，不少影片的劇情內(nèi)容也展現(xiàn)了許多科學(xué)前沿技術(shù)，如影片《阿凡達(dá)》中山體在磁場(chǎng)中懸浮的情景等[4]?？苹糜捌蓮?qiáng)烈吸引中學(xué)生的注意，若借助科幻影片開(kāi)展中學(xué)物理教學(xué)，將會(huì)取得事半功倍的教學(xué)效果。適當(dāng)挖掘科幻影片中展現(xiàn)的物理知識(shí)，豐富現(xiàn)有物理教學(xué)資源，將影片片段引入課堂教學(xué)，更加生動(dòng)地展現(xiàn)物理知識(shí)散發(fā)的科學(xué)魅力，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣將得到有效提升[5]。

4 科幻影片中的中學(xué)物理課程資源例析：《流浪地球》

影片《流浪地球》改編自劉慈欣的同名短篇小說(shuō)，彰顯人類命運(yùn)共同的核心價(jià)值，國(guó)內(nèi)外反響頗高。該片于2019年2月5日公映，上映僅一個(gè)月時(shí)間，票房累計(jì)已超過(guò)45億元人民幣，全球票房逾6.6億美元。

影片主要講述了在不遠(yuǎn)的將來(lái)，太陽(yáng)內(nèi)核急速老化，持續(xù)膨脹，地球即將被吞沒(méi)。為了生存，人類傾盡所有建造了10 000座驅(qū)使地球前進(jìn)的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，以完成預(yù)想的逃離太陽(yáng)系、時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2500年的計(jì)劃，無(wú)數(shù)人為此挺身而出，為該項(xiàng)計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)奉獻(xiàn)智慧和力量。

《流浪地球》這部影片無(wú)論在娛樂(lè)界，還是在科普界，都引起巨大反響，其蘊(yùn)藏的物理教育價(jià)值不容小覷。下面選取若干展現(xiàn)豐富物理知識(shí)的影片片段進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，將其應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中，或許會(huì)收獲不凡的教學(xué)效果。

牛頓第三定律? 影片中人類在地球表面建立的10 000座行星發(fā)動(dòng)機(jī)，為地球飛離太陽(yáng)系提供動(dòng)力，每座推進(jìn)式發(fā)動(dòng)機(jī)高達(dá)11 km，共為地球提供合計(jì)150萬(wàn)億噸物質(zhì)重的推力，即這些行星發(fā)動(dòng)機(jī)總共產(chǎn)生的推力F1的大小為F1=mg=

1.5×1017 kg×9.8 N/kg=1.47×1018 N。根據(jù)牛頓第三定律可知，行星發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中燃燒燃料向外排出氣體，氣體反作用于發(fā)動(dòng)機(jī)（地球），為地球提供飛離太陽(yáng)系的推動(dòng)力，如圖1所示。

該部分內(nèi)容對(duì)應(yīng)人教版高中《物理》（必修1）第四章第5節(jié)“牛頓第三定律”。牛頓運(yùn)動(dòng)定律作為經(jīng)典動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)性內(nèi)容，在高中物理力學(xué)知識(shí)體系中占有很重要的地位。學(xué)生在學(xué)習(xí)牛頓第三定律時(shí)，易將相互作用力與平衡力的概念混淆，從而在對(duì)物體進(jìn)行受力分析時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。利用影片中行星發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)地球運(yùn)動(dòng)的視頻片段輔助教學(xué)，強(qiáng)烈的科幻代入感可拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)感官，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生理解相互作用力“反向、共線、異體、同時(shí)”等特點(diǎn)。

反沖運(yùn)動(dòng)? 影片中的多個(gè)片段均可作為牛頓第三定律的教學(xué)資源。伴隨劇情發(fā)展，宇航員需要乘坐載人飛船前往太空站，在飛船點(diǎn)火瞬間，大量燃料燃燒釋放出的氣體推動(dòng)飛船向上運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過(guò)程也涉及動(dòng)量守恒定律中反沖運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)。在人教版高中《物理》（選修3-5）第十六章第5節(jié)“反沖運(yùn)動(dòng) 火箭”這節(jié)內(nèi)容中，教科書以火箭發(fā)射這一典型的反沖運(yùn)動(dòng)過(guò)程為案例，定量與定性相結(jié)合地介紹了火箭發(fā)射過(guò)程與注意事項(xiàng)。

利用科幻影片這一類視頻資源，還原火箭發(fā)射的場(chǎng)景（圖2），不僅可以讓學(xué)生分別從受力分析的角度和動(dòng)量知識(shí)的角度研究物體的運(yùn)動(dòng)，將前后所學(xué)知識(shí)建立聯(lián)系，而且會(huì)讓學(xué)生感受到強(qiáng)烈的民族自豪感和努力奮斗的使命感。

能量守恒? 載人飛船點(diǎn)火升空，修改行星發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，以及行星發(fā)動(dòng)機(jī)噴射火焰等鏡頭，均伴隨著能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，如圖3所示。影片中介紹行星發(fā)動(dòng)機(jī)噴射火焰的目的是點(diǎn)燃木星，火石的化學(xué)能通過(guò)燃燒釋放，推動(dòng)火焰升高，正在燃燒的燃料的動(dòng)能和勢(shì)能實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化，達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)動(dòng)能減至零，重力勢(shì)能達(dá)到最大值，達(dá)到最大高度，但最終總能量不足以將火焰推至指定高度以點(diǎn)燃木星。

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中總能量守恒，但存在多種不同形式能量之間的轉(zhuǎn)化，這一過(guò)程涉及多種能量，如燃料的化學(xué)能、內(nèi)能（熱能）、動(dòng)能、重力勢(shì)能等。若考慮阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響，則燃料系統(tǒng)中的部分能量因物體克服阻力做功被消耗。學(xué)生可以從感性上認(rèn)識(shí)功是能量轉(zhuǎn)化的量度，借助生動(dòng)的科幻影片視頻資源深化對(duì)功能關(guān)系的理解。

萬(wàn)有引力定律及天體運(yùn)動(dòng)? 該部影片的全部劇情均圍繞地球逃離太陽(yáng)系這一主題展開(kāi)，與高中物理知識(shí)關(guān)聯(lián)較多的部分是萬(wàn)有引力定律及天體運(yùn)動(dòng)。地球若要掙脫太陽(yáng)系的束縛，其逃逸速度至少需達(dá)到16.7 km/s，即第三宇宙速度。在地球遠(yuǎn)離太陽(yáng)系的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡影響最大的星體是木星，木星與地球之間的萬(wàn)有引力是影響地球運(yùn)動(dòng)軌跡的重要因素。

木星的質(zhì)量M約為1.900×1027 kg，地球的質(zhì)量m約為5.965×1024 kg，木星與地球間的距離r約為6.300×1011 m，

根據(jù)萬(wàn)有引力計(jì)算公式，代入數(shù)據(jù)計(jì)算，可得木星對(duì)地球的萬(wàn)有引力F2=1.905×1018 N。

地球在行星發(fā)動(dòng)機(jī)推力F1及木—地引力F2的合力作用下完成逃離太陽(yáng)系的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)力的合成原理，地球此時(shí)所受合力，且合力的大小滿足的關(guān)系。當(dāng)F最大時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律F=ma可知，地球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲得的最大加速度為amax=3.44×10-7 m/s。而在地球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，木—地距離將會(huì)發(fā)生變化，F(xiàn)1的大小和F1與F2之間的夾角均隨之變化，使得合力F變化，繼而導(dǎo)致加速度a變化，則地球?qū)⒆鲎兗铀偾€運(yùn)動(dòng)，發(fā)生變軌。

影片最終地球的運(yùn)動(dòng)軌跡雖然不再是理想圓周，但萬(wàn)有引力依然使地球做曲線運(yùn)動(dòng)?？梢岳迷撚捌屋o助講解變軌問(wèn)題，從圓形軌跡到不規(guī)則曲線軌跡，再到逃離太陽(yáng)系的軌跡，在分析天體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題過(guò)程中兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)水平螺旋上升的特點(diǎn)，幫助學(xué)生從相對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)過(guò)渡到復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的分析上來(lái)，定性掌握一般天體運(yùn)動(dòng)的物理模型。

洛希極限? 影片中介紹當(dāng)?shù)厍蚺c木星之間的距離越來(lái)越近時(shí)，在某一時(shí)刻地球?qū)?huì)突破木星的剛體洛希極限。天體的洛希極限指的是一個(gè)天體自身的引力與另一個(gè)天體帶來(lái)的潮汐力相等時(shí)兩者之間的距離，它以首位計(jì)算這個(gè)極限數(shù)值的人愛(ài)德華·洛希的名字命名。當(dāng)兩天體之間的距離小于洛希極限時(shí)，天體就會(huì)傾向碎散，繼而成為另一天體的環(huán)，如圖4所示。簡(jiǎn)單地講，影片中地球離木星過(guò)近時(shí)，地球?qū)?huì)被撕裂。

已知地球的半徑R為6378.14 km，地球的密度ρm=

5.508×103 kg/m3，木星的密度ρM=1.326×103 kg/m3，根據(jù)洛希極限計(jì)算公式，代入數(shù)據(jù)可得地球相對(duì)木星的洛希極限：

位于洛希極限內(nèi)的土星光環(huán)由許多小塊物質(zhì)組成，這很可能是土星的某些衛(wèi)星進(jìn)入其洛希極限所形成的。該部分內(nèi)容可作為補(bǔ)充教學(xué)資源使用，分層教學(xué)，幫助學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行知識(shí)拓展，鍛煉科學(xué)思維。

影片最后，劉培強(qiáng)犧牲了個(gè)人生命，成功解救了處于毀滅絕境邊緣的地球，其無(wú)私奉獻(xiàn)的高尚情操亦可促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

5 結(jié)語(yǔ)

基于上述分析可以看出，該影片呈現(xiàn)了豐富的物理知識(shí)，具有較為豐富的物理課程教學(xué)資源。中學(xué)物理教學(xué)大多數(shù)情況下需依托真實(shí)物理情景進(jìn)行，但是限于學(xué)生已有生活經(jīng)驗(yàn)與學(xué)校教學(xué)條件，適當(dāng)開(kāi)發(fā)切合教學(xué)實(shí)際需要的科幻影片片段作為課程資源，可以起到良好的補(bǔ)充作用[6]。

首先，科幻影片自身豐富的內(nèi)容呈現(xiàn)、多變的鏡頭給學(xué)生強(qiáng)烈的代入感，塑造出濃厚的科學(xué)氛圍。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為知識(shí)既不是客觀的東西，也不是主觀的東西，知識(shí)是個(gè)體在與環(huán)境發(fā)生相互作用的過(guò)程中逐漸建構(gòu)的結(jié)果[7]。作為引入新課的素材，可以第一時(shí)間抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣點(diǎn)，這一階段的學(xué)生邏輯思維能力不斷發(fā)展，探索欲求知欲持續(xù)增強(qiáng)，科幻影片的“科學(xué)性”與“幻想性”恰能吻合中學(xué)生心理發(fā)展規(guī)律，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)物理之時(shí)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，明晰基本知識(shí)。

其次，科幻影片具有的多樣性、間接性、價(jià)值潛在性等特點(diǎn)，需要教師在挖掘這類資源的教學(xué)價(jià)值的同時(shí)，提高自身對(duì)于捕捉課程資源的敏感性。教師要有意識(shí)地關(guān)注并積累生活中的物理課程資源[8]，進(jìn)行合理整合，以學(xué)生的實(shí)際需求為切入點(diǎn)，巧妙運(yùn)用科幻影片片段輔助教學(xué)，避免照搬照用，就資源講知識(shí)，本末倒置[9]。

最后，科幻影片呈現(xiàn)的部分內(nèi)容與科學(xué)研究前沿相關(guān)聯(lián)，物理教師要養(yǎng)成一定的教學(xué)前瞻性，注意挖掘影片中的物理知識(shí)，以生動(dòng)的教學(xué)資源幫助學(xué)生建立深刻的物理觀念，讓物理概念和規(guī)律等在學(xué)生頭腦中獲得升華。同時(shí)，優(yōu)質(zhì)科幻影片的情感基調(diào)也傳遞著正確的人生觀和價(jià)值觀，對(duì)實(shí)現(xiàn)課程思政、立德樹(shù)人具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]李森，陳曉端.課程與教學(xué)論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2015：129-136.

[2]陳飛.科幻作品在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2016.

[3]何桂明，陸慕瑩.試論電影資源與中學(xué)物理課程的整合[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2013（15）：57-58.

[4]劉雪芹，鄭敏靜.《科幻電影中的物理學(xué)》課程教學(xué)研究與實(shí)踐[J].電子世界，2014（16）：421.

[5]陳圣羽.動(dòng)畫中的中學(xué)物理課程資源探析[J].物理教學(xué)探討，2018，36（8）：69-72.

[6]陳冬梅，鐘蓬發(fā).課程資源的開(kāi)發(fā)與利用[M].南寧：廣西人民出版社，2007：109-113.

[7]董嘯.科幻電影在我國(guó)高中物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2018（2）：121-123.

[8]李輝.影視資源在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用[D].武漢：華中師范大學(xué)，2016.

[9]翁琳.將科幻電影資源引入中學(xué)物理課堂的探索：以《地心引力》為例[J].湖南中學(xué)物理，2017（9）：41-44.