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，分析影片中生動展現(xiàn)物理知識的部分情節(jié)，充實中學(xué)物理課程資源，探析科幻影片在物理教育中獨特的育人價值。

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：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）09-0052-03

1 前言

中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》明確指出，到2035年將總體實現(xiàn)教育現(xiàn)代化，邁入教育強(qiáng)國行列，推動我國成為學(xué)習(xí)大國、人力資源強(qiáng)國和人才強(qiáng)國。加快信息化時代教育變革，利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動人才培養(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)與社會相互聯(lián)系的重要載體，同時對其他自然科學(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?？苹糜捌鳛楫?dāng)代主要的電影類型之一，蘊(yùn)含豐富的科學(xué)知識。在國外，已有較多將科幻影片列為課程資源的專門研究，而我國由于高質(zhì)量科幻影片數(shù)量有限，同時對電影類課程資源的利用不夠重視等多方面原因，對該方向開展的研究廣度不足、深度有限，對其中蘊(yùn)含的獨特育人價值挖掘不夠。

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?；谡n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、實物資源、活動資源和信息化資源。這些資源分別擁有各自的特點，其中信息化資源具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多媒體化的特點[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，具有其他資源無法替代的獨特作用。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成為最具開發(fā)價值的研究領(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題，有著天馬行空、豐富多彩、引人注目的特點?？苹糜捌闹谱鞴に嚢芏辔锢韺W(xué)知識[3]，如全息攝影、3D立體技術(shù)等。同時，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，若借助科幻影片開展中學(xué)物理教學(xué)，將會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，豐富現(xiàn)有物理教學(xué)資源，將影片片段引入課堂教學(xué)，更加生動地展現(xiàn)物理知識散發(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，彰顯人類命運(yùn)共同的核心價值，國內(nèi)外反響頗高。該片于2019年2月5日公映，上映僅一個月時間，票房累計已超過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，太陽內(nèi)核急速老化，持續(xù)膨脹，地球即將被吞沒。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)動機(jī)，以完成預(yù)想的逃離太陽系、時間長達(dá)2500年的計劃，無數(shù)人為此挺身而出，為該項計劃的實現(xiàn)奉獻(xiàn)智慧和力量。

《流浪地球》這部影片無論在娛樂界，還是在科普界，都引起巨大反響，其蘊(yùn)藏的物理教育價值不容小覷。下面選取若干展現(xiàn)豐富物理知識的影片片段進(jìn)行簡要分析，將其應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中，或許會收獲不凡的教學(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)動機(jī)，為地球飛離太陽系提供動力，每座推進(jìn)式發(fā)動機(jī)高達(dá)11 km，共為地球提供合計150萬億噸物質(zhì)重的推力，即這些行星發(fā)動機(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)動機(jī)在工作過程中燃燒燃料向外排出氣體，氣體反作用于發(fā)動機(jī)（地球），為地球提供飛離太陽系的推動力，如圖1所示。

該部分內(nèi)容對應(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)動定律作為經(jīng)典動力學(xué)的基礎(chǔ)性內(nèi)容，在高中物理力學(xué)知識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，易將相互作用力與平衡力的概念混淆，從而在對物體進(jìn)行受力分析時出現(xiàn)錯誤。利用影片中行星發(fā)動機(jī)推動地球運(yùn)動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，同時促進(jìn)學(xué)生理解相互作用力“反向、共線、異體、同時”等特點。

反沖運(yùn)動? 影片中的多個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，在飛船點火瞬間，大量燃料燃燒釋放出的氣體推動飛船向上運(yùn)動。這個過程也涉及動量守恒定律中反沖運(yùn)動的相關(guān)知識。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 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)動過程為案例，定量與定性相結(jié)合地介紹了火箭發(fā)射過程與注意事項。

利用科幻影片這一類視頻資源，還原火箭發(fā)射的場景（圖2），不僅可以讓學(xué)生分別從受力分析的角度和動量知識的角度研究物體的運(yùn)動，將前后所學(xué)知識建立聯(lián)系，而且會讓學(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? 載人飛船點火升空，修改行星發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)，以及行星發(fā)動機(jī)噴射火焰等鏡頭，均伴隨著能量轉(zhuǎn)化過程，如圖3所示。影片中介紹行星發(fā)動機(jī)噴射火焰的目的是點燃木星，火石的化學(xué)能通過燃燒釋放，推動火焰升高，正在燃燒的燃料的動能和勢能實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化，達(dá)到最高點時動能減至零，重力勢能達(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燃木星。

運(yùn)動過程中總能量守恒，但存在多種不同形式能量之間的轉(zhuǎn)化，這一過程涉及多種能量，如燃料的化學(xué)能、內(nèi)能（熱能）、動能、重力勢能等。若考慮阻力對物體運(yùn)動過程的影響，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)識功是能量轉(zhuǎn)化的量度，借助生動的科幻影片視頻資源深化對功能關(guān)系的理解。

萬有引力定律及天體運(yùn)動? 該部影片的全部劇情均圍繞地球逃離太陽系這一主題展開，與高中物理知識關(guān)聯(lián)較多的部分是萬有引力定律及天體運(yùn)動。地球若要掙脫太陽系的束縛，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)離太陽系的運(yùn)動過程中，對其運(yùn)動軌跡影響最大的星體是木星，木星與地球之間的萬有引力是影響地球運(yùn)動軌跡的重要因素。

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)萬有引力計算公式，代入數(shù)據(jù)計算，可得木星對地球的萬有引力F2=1.905×1018 N。

地球在行星發(fā)動機(jī)推力F1及木—地引力F2的合力作用下完成逃離太陽系的運(yùn)動。根據(jù)力的合成原理，地球此時所受合力，且合力的大小滿足的關(guān)系。當(dāng)F最大時，根據(jù)牛頓第二定律F=ma可知，地球在運(yùn)動過程中獲得的最大加速度為amax=3.44×10-7 m/s。而在地球運(yùn)動過程中，木—地距離將會發(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，發(fā)生變軌。

影片最終地球的運(yùn)動軌跡雖然不再是理想圓周，但萬有引力依然使地球做曲線運(yùn)動?？梢岳迷撚捌屋o助講解變軌問題，從圓形軌跡到不規(guī)則曲線軌跡，再到逃離太陽系的軌跡，在分析天體動力學(xué)問題過程中兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)知識水平螺旋上升的特點，幫助學(xué)生從相對簡單的運(yùn)動過渡到復(fù)雜運(yùn)動的分析上來，定性掌握一般天體運(yùn)動的物理模型。

洛希極限? 影片中介紹當(dāng)?shù)厍蚺c木星之間的距離越來越近時，在某一時刻地球?qū)黄颇拘堑膭傮w洛希極限。天體的洛希極限指的是一個天體自身的引力與另一個天體帶來的潮汐力相等時兩者之間的距離，它以首位計算這個極限數(shù)值的人愛德華·洛希的名字命名。當(dāng)兩天體之間的距離小于洛希極限時，天體就會傾向碎散，繼而成為另一天體的環(huán)，如圖4所示。簡單地講，影片中地球離木星過近時，地球?qū)凰毫选?/p>

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)洛希極限計算公式，代入數(shù)據(jù)可得地球相對木星的洛希極限：

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)行知識拓展，鍛煉科學(xué)思維。

影片最后，劉培強(qiáng)犧牲了個人生命，成功解救了處于毀滅絕境邊緣的地球，其無私奉獻(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

基于上述分析可以看出，該影片呈現(xiàn)了豐富的物理知識，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)情況下需依托真實物理情景進(jìn)行，但是限于學(xué)生已有生活經(jīng)驗與學(xué)校教學(xué)條件，適當(dāng)開發(fā)切合教學(xué)實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)為知識既不是客觀的東西，也不是主觀的東西，知識是個體在與環(huán)境發(fā)生相互作用的過程中逐漸建構(gòu)的結(jié)果[7]。作為引入新課的素材，可以第一時間抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣點，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)物理之時激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，明晰基本知識。

其次，科幻影片具有的多樣性、間接性、價值潛在性等特點，需要教師在挖掘這類資源的教學(xué)價值的同時，提高自身對于捕捉課程資源的敏感性。教師要有意識地關(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)生的實際需求為切入點，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，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，以生動的教學(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，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值觀，對實現(xiàn)課程思政、立德樹人具有重要意義。

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