科幻影片中的中學物理課程資源探析

楊明芳 張圣羽

摘? 要 科幻影片是當代主要的電影類型之一，蘊含著豐富的物理課程教學資源。以熱門科幻影片《流浪地球》為例，分析影片中生動展現物理知識的部分情節，充實中學物理課程資源，探析科幻影片在物理教育中獨特的育人價值。

關鍵詞 科幻影片;中學物理;課程資源;流浪地球

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）09-0052-03

1 前言

中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》明確指出，到2035年將總體實現教育現代化，邁入教育強國行列，推動我國成為學習大國、人力資源強國和人才強國。加快信息化時代教育變革，利用現代技術加快推動人才培養模式改革，建立數字教育資源共建共享機制。物理學科是科學、技術與社會相互聯系的重要載體，同時對其他自然科學的發展產生重要影響，因此，中學物理的教學質量水平作為物理教育的基礎，顯得尤為重要。

2001年頒布的《基礎教育課程改革綱要（試行）》指出，要開發并合理利用校內外各種課程資源，好的課程資源可以讓教學起到事半功倍的效果。優質高效的物理教學需要豐富的課程資源作為保證。科幻影片作為當代主要的電影類型之一，蘊含豐富的科學知識。在國外，已有較多將科幻影片列為課程資源的專門研究，而我國由于高質量科幻影片數量有限，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，對其中蘊含的獨特育人價值挖掘不夠。

2 中學物理課程資源

關于課程資源的定義，我國學者一般認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課程目標的各種因素，狹義的課程資源是指形成課程的直接因素來源[1]。中學物理課程資源是在此基礎上加上學科背景，站在物理學科的角度進行定義，任何能夠輔助中學物理教學的資源均可作為中學物理課程資源的一部分。基于課程資源分類理論，從呈現方式的角度，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絡化、智能化、多媒體化的特點[1]，起著刺激學生感官，擴大教學范圍，提高教學質量的關鍵作用，具有其他資源無法替代的獨特作用。隨著現代科技的發展進步，中學物理課程的信息化資源將會成為最具開發價值的研究領域。

3 科幻影片與中學物理課程資源

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容為主要題材，以幻想的情景為創作背景，在一定的科學概念、科學規律基礎上展開故事情節[2]，利用前沿的科學技術解決發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。科幻影片的制作工藝包含很多物理學知識[3]，如全息攝影、3D立體技術等。同時，不少影片的劇情內容也展現了許多科學前沿技術，如影片《阿凡達》中山體在磁場中懸浮的情景等[4]。科幻影片可強烈吸引中學生的注意，若借助科幻影片開展中學物理教學，將會取得事半功倍的教學效果。適當挖掘科幻影片中展現的物理知識，豐富現有物理教學資源，將影片片段引入課堂教學，更加生動地展現物理知識散發的科學魅力，學生的學習興趣將得到有效提升[5]。

4 科幻影片中的中學物理課程資源例析：《流浪地球》

影片《流浪地球》改編自劉慈欣的同名短篇小說，彰顯人類命運共同的核心價值，國內外反響頗高。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的將來，太陽內核急速老化，持續膨脹，地球即將被吞沒。為了生存，人類傾盡所有建造了10 000座驅使地球前進的行星發動機，以完成預想的逃離太陽系、時間長達2500年的計劃，無數人為此挺身而出，為該項計劃的實現奉獻智慧和力量。

《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，其蘊藏的物理教育價值不容小覷。下面選取若干展現豐富物理知識的影片片段進行簡要分析，將其應用于中學物理教學中，或許會收獲不凡的教學效果。

牛頓第三定律? 影片中人類在地球表面建立的10 000座行星發動機，為地球飛離太陽系提供動力，每座推進式發動機高達11 km，共為地球提供合計150萬億噸物質重的推力，即這些行星發動機總共產生的推力F1的大小為F1=mg=

1.5×1017 kg×9.8 N/kg=1.47×1018 N。根據牛頓第三定律可知，行星發動機在工作過程中燃燒燃料向外排出氣體，氣體反作用于發動機（地球），為地球提供飛離太陽系的推動力，如圖1所示。

該部分內容對應人教版高中《物理》（必修1）第四章第5節“牛頓第三定律”。牛頓運動定律作為經典動力學的基礎性內容，在高中物理力學知識體系中占有很重要的地位。學生在學習牛頓第三定律時，易將相互作用力與平衡力的概念混淆，從而在對物體進行受力分析時出現錯誤。利用影片中行星發動機推動地球運動的視頻片段輔助教學，強烈的科幻代入感可拓展學生的學習感官，同時促進學生理解相互作用力“反向、共線、異體、同時”等特點。

反沖運動? 影片中的多個片段均可作為牛頓第三定律的教學資源。伴隨劇情發展，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動。這個過程也涉及動量守恒定律中反沖運動的相關知識。在人教版高中《物理》（選修3-5）第十六章第5節“反沖運動 火箭”這節內容中，教科書以火箭發射這一典型的反沖運動過程為案例，定量與定性相結合地介紹了火箭發射過程與注意事項。

利用科幻影片這一類視頻資源，還原火箭發射的場景（圖2），不僅可以讓學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動，將前后所學知識建立聯系，而且會讓學生感受到強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，修改行星發動機數據，以及行星發動機噴射火焰等鏡頭，均伴隨著能量轉化過程，如圖3所示。影片中介紹行星發動機噴射火焰的目的是點燃木星，火石的化學能通過燃燒釋放，推動火焰升高，正在燃燒的燃料的動能和勢能實現相互轉化，達到最高點時動能減至零，重力勢能達到最大值，達到最大高度，但最終總能量不足以將火焰推至指定高度以點燃木星。

運動過程中總能量守恒，但存在多種不同形式能量之間的轉化，這一過程涉及多種能量，如燃料的化學能、內能（熱能）、動能、重力勢能等。若考慮阻力對物體運動過程的影響，則燃料系統中的部分能量因物體克服阻力做功被消耗。學生可以從感性上認識功是能量轉化的量度，借助生動的科幻影片視頻資源深化對功能關系的理解。

萬有引力定律及天體運動? 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，與高中物理知識關聯較多的部分是萬有引力定律及天體運動。地球若要掙脫太陽系的束縛，其逃逸速度至少需達到16.7 km/s，即第三宇宙速度。在地球遠離太陽系的運動過程中，對其運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動軌跡的重要因素。

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

根據萬有引力計算公式，代入數據計算，可得木星對地球的萬有引力F2=1.905×1018 N。

地球在行星發動機推力F1及木—地引力F2的合力作用下完成逃離太陽系的運動。根據力的合成原理，地球此時所受合力，且合力的大小滿足的關系。當F最大時，根據牛頓第二定律F=ma可知，地球在運動過程中獲得的最大加速度為amax=3.44×10-7 m/s。而在地球運動過程中，木—地距離將會發生變化，F1的大小和F1與F2之間的夾角均隨之變化，使得合力F變化，繼而導致加速度a變化，則地球將做變加速曲線運動，發生變軌。

影片最終地球的運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動。可以利用該影片片段輔助講解變軌問題，從圓形軌跡到不規則曲線軌跡，再到逃離太陽系的軌跡，在分析天體動力學問題過程中兼顧學生學習知識水平螺旋上升的特點，幫助學生從相對簡單的運動過渡到復雜運動的分析上來，定性掌握一般天體運動的物理模型。

洛希極限? 影片中介紹當地球與木星之間的距離越來越近時，在某一時刻地球將會突破木星的剛體洛希極限。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值的人愛德華·洛希的名字命名。當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，如圖4所示。簡單地講，影片中地球離木星過近時，地球將會被撕裂。

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，根據洛希極限計算公式，代入數據可得地球相對木星的洛希極限：

位于洛希極限內的土星光環由許多小塊物質組成，這很可能是土星的某些衛星進入其洛希極限所形成的。該部分內容可作為補充教學資源使用，分層教學，幫助學有余力的學生進行知識拓展，鍛煉科學思維。

影片最后，劉培強犧牲了個人生命，成功解救了處于毀滅絕境邊緣的地球，其無私奉獻的高尚情操亦可促進培養學生的科學態度與責任。

5 結語

基于上述分析可以看出，該影片呈現了豐富的物理知識，具有較為豐富的物理課程教學資源。中學物理教學大多數情況下需依托真實物理情景進行，但是限于學生已有生活經驗與學校教學條件，適當開發切合教學實際需要的科幻影片片段作為課程資源，可以起到良好的補充作用[6]。

首先，科幻影片自身豐富的內容呈現、多變的鏡頭給學生強烈的代入感，塑造出濃厚的科學氛圍。建構主義學習理論認為知識既不是客觀的東西，也不是主觀的東西，知識是個體在與環境發生相互作用的過程中逐漸建構的結果[7]。作為引入新課的素材，可以第一時間抓住學生的學習興趣點，這一階段的學生邏輯思維能力不斷發展，探索欲求知欲持續增強，科幻影片的“科學性”與“幻想性”恰能吻合中學生心理發展規律，幫助學生在學習基礎物理之時激發學習興趣，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。教師要有意識地關注并積累生活中的物理課程資源[8]，進行合理整合，以學生的實際需求為切入點，巧妙運用科幻影片片段輔助教學，避免照搬照用，就資源講知識，本末倒置[9]。

最后，科幻影片呈現的部分內容與科學研究前沿相關聯，物理教師要養成一定的教學前瞻性，注意挖掘影片中的物理知識，以生動的教學資源幫助學生建立深刻的物理觀念，讓物理概念和規律等在學生頭腦中獲得升華。同時，優質科幻影片的情感基調也傳遞著正確的人生觀和價值觀，對實現課程思政、立德樹人具有重要意義。

參考文獻

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