科幻影片中的中学物理课程资源探析

    杨明芳 张圣羽

    

    

    

    摘? 要 科幻影片是当代主要的电影类型之一，蕴含着丰富的物理课程教学资源。以热门科幻影片《流浪地球》为例，分析影片中生动展现物理知识的部分情节，充实中学物理课程资源，探析科幻影片在物理教育中独特的育人价值。

    关键词 科幻影片;中学物理;课程资源;流浪地球

    中图分类号：G633.7? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）09-0052-03

    1 前言

    中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》明确指出，到2035年将总体实现教育现代化，迈入教育强国行列，推动我国成为学习大国、人力资源强国和人才强国。加快信息化时代教育变革，利用现代技术加快推动人才培养模式改革，建立数字教育资源共建共享机制。物理学科是科学、技术与社会相互联系的重要载体，同时对其他自然科学的发展产生重要影响，因此，中学物理的教学质量水平作为物理教育的基础，显得尤为重要。

    2001年颁布的《基础教育课程改革纲要（试行）》指出，要开发并合理利用校内外各种课程资源，好的课程资源可以让教学起到事半功倍的效果。优质高效的物理教学需要丰富的课程资源作为保证。科幻影片作为当代主要的电影类型之一，蕴含丰富的科学知识。在国外，已有较多将科幻影片列为课程资源的专门研究，而我国由于高质量科幻影片数量有限，同时对电影类课程资源的利用不够重视等多方面原因，对该方向开展的研究广度不足、深度有限，对其中蕴含的独特育人价值挖掘不够。

    2 中学物理课程资源

    关于课程资源的定义，我国学者一般认为有广义和狭义之分。其中，广义的课程资源是指有利于实现课程目标的各种因素，狭义的课程资源是指形成课程的直接因素来源[1]。中学物理课程资源是在此基础上加上学科背景，站在物理学科的角度进行定义，任何能够辅助中学物理教学的资源均可作为中学物理课程资源的一部分。基于课程资源分类理论，从呈现方式的角度，可将其分为文字资源、实物资源、活动资源和信息化资源。这些资源分别拥有各自的特点，其中信息化资源具有网络化、智能化、多媒体化的特点[1]，起着刺激学生感官，扩大教学范围，提高教学质量的关键作用，具有其他资源无法替代的独特作用。随着现代科技的发展进步，中学物理课程的信息化资源将会成为最具开发价值的研究领域。

    3 科幻影片与中学物理课程资源

    科幻影片作为备受青少年追捧的电影类型，一般以带有科幻元素的内容为主要题材，以幻想的情景为创作背景，在一定的科学概念、科学规律基础上展开故事情节[2]，利用前沿的科学技术解决发生在幻想世界中的问题，有着天马行空、丰富多彩、引人注目的特点。科幻影片的制作工艺包含很多物理学知识[3]，如全息摄影、3D立体技术等。同时，不少影片的剧情内容也展现了许多科学前沿技术，如影片《阿凡达》中山体在磁场中悬浮的情景等[4]。科幻影片可强烈吸引中学生的注意，若借助科幻影片开展中学物理教学，将会取得事半功倍的教学效果。适当挖掘科幻影片中展现的物理知识，丰富现有物理教学资源，将影片片段引入课堂教学，更加生动地展现物理知识散发的科学魅力，学生的学习兴趣将得到有效提升[5]。

    4 科幻影片中的中学物理课程资源例析：《流浪地球》

    影片《流浪地球》改编自刘慈欣的同名短篇小说，彰显人类命运共同的核心价值，国内外反响颇高。该片于2019年2月5日公映，上映仅一个月时间，票房累计已超过45亿元人民币，全球票房逾6.6亿美元。

    影片主要讲述了在不远的将来，太阳内核急速老化，持续膨胀，地球即将被吞没。为了生存，人类倾尽所有建造了10 000座驱使地球前进的行星发动机，以完成预想的逃离太阳系、时间长达2500年的计划，无数人为此挺身而出，为该项计划的实现奉献智慧和力量。

    《流浪地球》这部影片无论在娱乐界，还是在科普界，都引起巨大反响，其蕴藏的物理教育价值不容小觑。下面选取若干展现丰富物理知识的影片片段进行简要分析，将其应用于中学物理教学中，或许会收获不凡的教学效果。

    牛頓第三定律? 影片中人类在地球表面建立的10 000座行星发动机，为地球飞离太阳系提供动力，每座推进式发动机高达11 km，共为地球提供合计150万亿吨物质重的推力，即这些行星发动机总共产生的推力F1的大小为F1=mg=

    1.5×1017 kg×9.8 N/kg=1.47×1018 N。根据牛顿第三定律可知，行星发动机在工作过程中燃烧燃料向外排出气体，气体反作用于发动机（地球），为地球提供飞离太阳系的推动力，如图1所示。

    该部分内容对应人教版高中《物理》（必修1）第四章第5节“牛顿第三定律”。牛顿运动定律作为经典动力学的基础性内容，在高中物理力学知识体系中占有很重要的地位。学生在学习牛顿第三定律时，易将相互作用力与平衡力的概念混淆，从而在对物体进行受力分析时出现错误。利用影片中行星发动机推动地球运动的视频片段辅助教学，强烈的科幻代入感可拓展学生的学习感官，同时促进学生理解相互作用力“反向、共线、异体、同时”等特点。

    反冲运动? 影片中的多个片段均可作为牛顿第三定律的教学资源。伴随剧情发展，宇航员需要乘坐载人飞船前往太空站，在飞船点火瞬间，大量燃料燃烧释放出的气体推动飞船向上运动。这个过程也涉及动量守恒定律中反冲运动的相关知识。在人教版高中《物理》（选修3-5）第十六章第5节“反冲运动 火箭”这节内容中，教科书以火箭发射这一典型的反冲运动过程为案例，定量与定性相结合地介绍了火箭发射过程与注意事项。

    利用科幻影片这一类视频资源，还原火箭发射的场景（图2），不仅可以让学生分别从受力分析的角度和动量知识的角度研究物体的运动，将前后所学知识建立联系，而且会让学生感受到强烈的民族自豪感和努力奋斗的使命感。

    能量守恒? 载人飞船点火升空，修改行星发动机数据，以及行星发动机喷射火焰等镜头，均伴随着能量转化过程，如图3所示。影片中介绍行星发动机喷射火焰的目的是点燃木星，火石的化学能通过燃烧释放，推动火焰升高，正在燃烧的燃料的动能和势能实现相互转化，达到最高点时动能减至零，重力势能达到最大值，达到最大高度，但最终总能量不足以将火焰推至指定高度以点燃木星。

    运动过程中总能量守恒，但存在多种不同形式能量之间的转化，这一过程涉及多种能量，如燃料的化学能、内能（热能）、动能、重力势能等。若考虑阻力对物体运动过程的影响，则燃料系统中的部分能量因物体克服阻力做功被消耗。学生可以从感性上认识功是能量转化的量度，借助生动的科幻影片视频资源深化对功能关系的理解。

    万有引力定律及天体运动? 该部影片的全部剧情均围绕地球逃离太阳系这一主题展开，与高中物理知识关联较多的部分是万有引力定律及天体运动。地球若要挣脱太阳系的束缚，其逃逸速度至少需达到16.7 km/s，即第三宇宙速度。在地球远离太阳系的运动过程中，对其运动轨迹影响最大的星体是木星，木星与地球之间的万有引力是影响地球运动轨迹的重要因素。

    木星的质量M约为1.900×1027 kg，地球的质量m约为5.965×1024 kg，木星与地球间的距离r约为6.300×1011 m，

    根据万有引力计算公式，代入数据计算，可得木星对地球的万有引力F2=1.905×1018 N。

    地球在行星发动机推力F1及木—地引力F2的合力作用下完成逃离太阳系的运动。根据力的合成原理，地球此时所受合力，且合力的大小满足的关系。当F最大时，根据牛顿第二定律F=ma可知，地球在运动过程中获得的最大加速度为amax=3.44×10-7 m/s。而在地球运动过程中，木—地距离将会发生变化，F1的大小和F1与F2之间的夹角均随之变化，使得合力F变化，继而导致加速度a变化，则地球将做变加速曲线运动，发生变轨。

    影片最终地球的运动轨迹虽然不再是理想圆周，但万有引力依然使地球做曲线运动。可以利用该影片片段辅助讲解变轨问题，从圆形轨迹到不规则曲线轨迹，再到逃离太阳系的轨迹，在分析天体动力学问题过程中兼顾学生学习知识水平螺旋上升的特点，帮助学生从相对简单的运动过渡到复杂运动的分析上来，定性掌握一般天体运动的物理模型。

    洛希极限? 影片中介绍当地球与木星之间的距离越来越近时，在某一时刻地球将会突破木星的刚体洛希极限。天体的洛希极限指的是一个天体自身的引力与另一个天体带来的潮汐力相等时两者之间的距离，它以首位计算这个极限数值的人爱德华·洛希的名字命名。当两天体之间的距离小于洛希极限时，天体就会倾向碎散，继而成为另一天体的环，如图4所示。简单地讲，影片中地球离木星过近时，地球将会被撕裂。

    已知地球的半径R为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，根据洛希极限计算公式，代入数据可得地球相对木星的洛希极限：

    位于洛希极限内的土星光环由许多小块物质组成，这很可能是土星的某些卫星进入其洛希极限所形成的。该部分内容可作为补充教学资源使用，分层教学，帮助学有余力的学生进行知识拓展，锻炼科学思维。

    影片最后，刘培强牺牲了个人生命，成功解救了处于毁灭绝境边缘的地球，其无私奉献的高尚情操亦可促进培养学生的科学态度与责任。

    5 结语

    基于上述分析可以看出，该影片呈现了丰富的物理知识，具有较为丰富的物理课程教学资源。中学物理教学大多数情况下需依托真实物理情景进行，但是限于学生已有生活经验与学校教学条件，适当开发切合教学实际需要的科幻影片片段作为课程资源，可以起到良好的补充作用[6]。

    首先，科幻影片自身丰富的内容呈现、多变的镜头给学生强烈的代入感，塑造出浓厚的科学氛围。建构主义学习理论认为知识既不是客观的东西，也不是主观的东西，知识是个体在与环境发生相互作用的过程中逐渐建构的结果[7]。作为引入新课的素材，可以第一时间抓住学生的学习兴趣点，这一阶段的学生逻辑思维能力不断发展，探索欲求知欲持续增强，科幻影片的“科学性”与“幻想性”恰能吻合中学生心理发展规律，帮助学生在学习基础物理之时激发学习兴趣，明晰基本知识。

    其次，科幻影片具有的多样性、間接性、价值潜在性等特点，需要教师在挖掘这类资源的教学价值的同时，提高自身对于捕捉课程资源的敏感性。教师要有意识地关注并积累生活中的物理课程资源[8]，进行合理整合，以学生的实际需求为切入点，巧妙运用科幻影片片段辅助教学，避免照搬照用，就资源讲知识，本末倒置[9]。

    最后，科幻影片呈现的部分内容与科学研究前沿相关联，物理教师要养成一定的教学前瞻性，注意挖掘影片中的物理知识，以生动的教学资源帮助学生建立深刻的物理观念，让物理概念和规律等在学生头脑中获得升华。同时，优质科幻影片的情感基调也传递着正确的人生观和价值观，对实现课程思政、立德树人具有重要意义。

    参考文献

    [1]李森，陈晓端.课程与教学论[M].北京：北京师范大学出版社，2015：129-136.

    [2]陈飞.科幻作品在高中物理教学中的应用研究[D].苏州：苏州大学，2016.

    [3]何桂明，陆慕莹.试论电影资源与中学物理课程的整合[J].中国教育技术装备，2013（15）：57-58.

    [4]刘雪芹，郑敏静.《科幻电影中的物理学》课程教学研究与实践[J].电子世界，2014（16）：421.

    [5]陈圣羽.动画中的中学物理课程资源探析[J].物理教学探讨，2018，36（8）：69-72.

    [6]陈冬梅，钟蓬发.课程资源的开发与利用[M].南宁：广西人民出版社，2007：109-113.

    [7]董啸.科幻电影在我国高中物理教学中的应用[J].教育现代化，2018（2）：121-123.

    [8]李辉.影视资源在高中物理教学中的应用[D].武汉：华中师范大学，2016.

    [9]翁琳.将科幻电影资源引入中学物理课堂的探索：以《地心引力》为例[J].湖南中学物理，2017（9）：41-44.