基于“四層四翼”挖掘科幻電影的物理資源

梁文韜 鄭衛峰

摘 ? 要：基于高考評價體系中“四層和四翼”的理念，從科幻電影中挖掘物理教學資源，以“綠巨人彈跳所需力的大小”這一原始問題為例探討挖掘方法：基于必備知識分析情境；通過構建其中的物理模型培養關鍵能力；應用綜合知識和結合生活常識解決問題培養思維方法和體現學科素養；緊扣核心價值對所得結果進行分析。

關鍵詞：“四層四翼”；原始問題；科幻電影

2020年教育部考試中心發布的《中國高考評價體系》是高考內容的改革和命題的綱領性文件，其核心內容可總結為“一核、四層、四翼”[ 1 ]。該評價體系指出“四層”和“四翼”均需要情境作為載體。“四層”作為考查內容，包括必備知識、關鍵能力、學科素養和核心價值；“四翼”作為考查要求，包括基礎性、綜合性、應用性和創新性。高考評價體系發布后，全國各省高考試卷中基于情境出發的物理問題出現的頻率明顯增多[ 2 ]。因此為了更好地體現高考的考查要求，教師在教學過程中需要結合具體情境傳授物理理論知識，引導學生從“解題”到“解決問題”的轉變。

近幾年來，國內外有不少研究者探索將電影資源作為物理課程資源加以利用，其中科幻電影由于自身集藝術性、科學性和趣味性于一體一直是被挖掘的重要對象[ 3 ]。因此教師可以通過挖掘科幻電影中與物理學科相關的資源，篩選電影某些視頻片段編制一個個實際的問題情境，引導學生發現、分析和解決情境問題。因電影動態的形式展現的情境比單純的紙質資料更具有吸引力，能有效提高學生學習物理的興趣和愛好，同時也培養學生對實際問題的觀察、挖掘和解決的能力，更有利于學生積累解決情境問題的經驗和能力，滿足現階段中國高考評價體系的要求。下文將基于高考評價體系的“四層和四翼”，以電影《復仇者聯盟》為例，展現如何從科幻電影資源中發現和提出物理問題，再到引導學生解決問題的全過程。

1 ?科幻電影中挖掘物理情境問題的方法

《中國高考評價體系說明》中明確提出“情境正是實現價值引領、素質導向、能力為重、知識為基的綜合考察的載體”[ 1 ]。漫威出品的科幻電影，有不少情境如：綠巨人“一躍百米”；雷神拿著錘子飛天；美國隊長把盾牌甩出去等。雖然情節中有值得深究的科學原理，但是為了符合大眾的觀感體驗，電影中出現了不少不符合現實情況的情境和內容[ 4 ]。在物理教學中若想利用科幻電影的素材挖掘情境問題，則要求所挖掘的情境問題既要符合學生的認知水平，又要體現正確的情感價值體驗，以此來培養他們對實際問題的思考和理論聯系實際的能力。

現以《復仇者聯盟1》視頻中1：48：33-1：48：46時間出現的場景（如圖1所示），以“推算綠巨人跳起來所需力的大小”為例，展現教師從科幻電影中挖掘物理情境問題，并引導學生解決原始物理問題的方法[ 5 ]。

1.1 ?基于必備知識確定擬分析的場景

如圖1展示的情境為：綠巨人輕松一躍而起，跳起的高度使其可以破壞在空中飛行的機甲。此時教師就可以引導學生觀察在影片中機甲在空中所處的高度大約是30～40層樓之間，綠巨人的一躍竟然能達到這樣的高度，對比現實生活，一般人用盡全力一躍才不過幾十厘米，以此啟發學生思考：綠巨人的彈跳力究竟有多大呢？如表1列出上述情境所體現的高中物理學生必備知識。

雖然常規作業中也存在不少讓學生探究的情境化問題，但是有些問題一般比較固定與陳舊，缺乏靈活創新，不利于培養學生應變新情境的能力。相比之下，近年來的科幻電影有豐富新穎的素材且與中學物理知識點有較為緊密的聯系，在其中選取適當的情境讓學生分析其中的物理原理，不僅可以有效調動學生探究的興趣，還能歷練學生面對陌生情境時靈活遷移、準確運用所學的基本概念的能力，使學生的必備知識得到內化，同時體現四翼中“基礎性”和“應用性”的要求。

1.2 ?基于物理原始問題構建物理模型培養關鍵能力

由于大部分影片所呈現的畫面信息多元、視頻過程較為復雜，實際分析時需要對問題的原始情境進行抽象與剝離，如在分析圖1的場景時，讓學生思考平常自己向上跳起來時候的動作步驟——下蹲→直立→跳起即對應圖1中①→②→③展示的動作的過程，由此給該情境建立綠巨人在原地起跳到最高點重心改變的物理模型，如圖2所示。要解決“綠巨人的彈跳力究竟有多大”的問題，還要對構建的模型進行受力分析：從狀態（1）到狀態（2）的過程，綠巨人仍在地面上，因此受到地面的支持力F與G重力；從狀態（2）到狀態（3）的過程，綠巨人跳在空中，因此僅受到重力G；綠巨人的受力分析如圖2所示。

在分析電影情境片段時，教師先要幫助學生提取有效信息，模擬日常熟悉的情境建立物理模型，再根據模擬的情境進一步分析推理所需解決的物理原始問題。可見，影片中的情境成為了培養關鍵能力理解和模型建構能力等關鍵能力的載體，圍繞原始情境所構建的物理模型，能更有層次性地培養學生關鍵能力。

1.3 ?應用綜合知識解決情境問題培養思維方法

根據情境構建物理模型后，接下來就要調動學生所擁有的各種物理知識來解決基于上述構建的情境所提出的問題。在學習功和機械能相關知識后，學生已掌握了動能定理，這是解決此題目的關鍵知識。

根據圖2分析：從狀態（1）到狀態（2）的過程，此時綠巨人在豎直方向上雙腿與地面的位移為零，但是由圖2可知綠巨人重心的位置在豎直方向上發生了變化，位移為s2-s1。此過程為綠巨人的彈跳力所做的功（地面的對其的支持力）轉化為動能以及克服重力所做的功。因此從（1）到（2）起跳過程可以用功能關系表示。

這一過程綠巨人受到豎直向下的重力和豎直向上的支持力（如圖2的（1）），再結合動能定理和功的基本公式，可列出式①和式②：

WG+WF=E2-E1①

-mg（s2-s1）+F（s2-s1）=E2②

式子中：WG為狀態（1）到（2）重力做的功；WF為狀態（1）到（2）地面支持力做的功；m為綠巨人的質量；F為綠巨人的彈跳力（地面對綠巨人的支持力）；g為重力加速度；E2為綠巨人直立時的動能；E1為綠巨人蹲下時的動能（E1=0）；s2為綠巨人直立時重心的位置；s1為綠巨人下蹲時重心的位置；以豎直向上為正方向。

同理，從狀態（2）到狀態（3）的過程，綠巨人的重心離地面最高的高度為h，此過程中綠巨人在豎直方向上合力作用的位移為h-s2，且僅受到豎直向下的重力，綠巨人從直立到起跳到最高點的過程是動能全部轉換為重力勢能的過程，根據動能定理，可列出式③和式④：

W'G=E3-E2 =-E2 ③

-mg（h-s2）=-E2 ④

整理上述式子可以得綠巨人的彈跳力F為：

F= ⑤

式中W'G為狀態（2）到狀態（3）重力做的功，E2為綠巨人直立時的動能，E3為綠巨人到達最高點時動能（E3=0）， s2為綠巨人直立時重心的位置，h為綠巨人達到最高點時重心的位置；以豎直向上為正方向。

要解決基于情境所提出的原始物理問題，要在所構建的物理模型的基礎上，應用所掌握的物理知識和能力分析推理情境，獲得解決問題的思路。同時由于學生解決問題的思維和方法可能不盡相同，這一過程能夠展現學生協調多方面知識的能力與思維層次，可以很好地體現“四層”中必備知識、學科素養和關鍵能力與“四翼”中的綜合性、應用性和創新性的要求。

1.4 ?結合常識合理估算參數進行演算體現學科素養

由式⑤，若想得到具體的彈跳力的大小，應該如何處理呢？這時學生就能體會到要解決物理原始問題與平常解決物理習題完全不一樣，平時學生做的物理習題相關數據都是給定的，解題時只需要掌握公式和思路代入數據即可。但要解決物理原始問題，其中的數據還必須靠學生自己去挖掘，測量和估值。

以估測綠巨人身高為例，展示如何結合常識較為切合實際地估算出所需數據。為了方便估算，現在把雷神與綠巨人的體型簡化為圓柱體，如圖3所示。

一般來說標準身材人的身高L和他的肩寬R之間是存在一個比例關系，現在假設人的半徑與身高之間有一個關系k=，其中r=R/2。由于雷神（圖3的右側）是正常成年男子的體型，可假設他的體重為m1=75 kg，身高為1.8 m；結合圖3的比例關系估測出綠巨人身高約為2.5 m。

根據密度公式可以得出：V1=πr12L1；m1=V1ρ

整理得：m1=πr12L1ρ=75 kg

由比例關系得，綠巨人的半徑與雷神半徑關系為==，因此r2=r1

同理得：m=πr22L2ρ=（）πr12L1ρ

其中k==，r1為雷神的半徑，L1為雷神的身高，r2為綠巨人半徑，L2為綠巨人的身高，ρ為雷神與綠巨人的密度。代入數據可以得出綠巨人的質量為m=205.8 kg

根據式子（5），解出題目答案要知道綠巨人的質量m，綠巨人起跳發力時重心高度s1，直立時的重心高度s2，跳躍的高度為h。筆者根據電影中的片段與生活經驗估算得出了其他數據：h=120 m；s1=0.56 m；s2=1.4 m。代入數據即可演算出綠巨人彈跳所需要的力F=2.46×105 N。

情境問題中沒有設定好的物理量以及相關的參數。因此需要學生結合實際的生活經驗與掌握的知識，對原始問題進行分析推理并估算出所需的數據，最后通過數學演算從而得出問題的結果。這是學生運用科學的思維方法分析情境中的物理過程與原理，整合物理學科相關知識，并且能調動這些方法與問題合理推算出相關參數的過程，同時這是“四層”中學科素養——學習掌握、思維方法和實踐探索的體現，也滿足 “四翼”中的綜合性、應用性與創新性的要求。

1.5 ?分析所得結果的科學性與合理性緊扣核心價值

根據計算可得綠巨人起跳所需要的力約為：F=2.46×105 N，如果正常情況下想要達到綠巨人這樣的彈跳力，就相當于約3510個重70 kg的成年人同時站在某個特定區域內才能匹敵得上綠巨人起跳時對地面的壓力。由此就可以展現出電影中綠巨人起跳這個內容是太過夸張的，明顯是違背了我們的現實生活。

得到情境問題的結果后，可引導學生理論聯系實際，分析所得的結果的是否科學與符合生活實際，此過程主要是培養學生的批判性思維，且學生分析的思路可較為發散，因此更能潛移默化地培養學生的探索精神和創新意識，這正是“四層”中核心價值的體現，同時也包含了“四翼”中的基礎性、綜合性、應用性與創新性。

《復仇者聯盟》系列的影片中還有不少可挖掘的資源，表2中列出3個電影情節，也適合按照上述步驟引導學生解決其中的物理情境問題。

二、從科幻電影中挖掘物理資源需要注意的問題

2.1 選擇適當的電影進行挖掘

挖掘與知識點相關的電影資源時要盡量選擇大制作的電影作為素材，這樣的素材在保證較高質量的同時，更能引發學生的共鳴，激發學生對其中現象觀察，分析和探究的興趣，培養學生批判性思維，發揮電影資源引入課堂的最佳效果。

2.2 ?對所挖掘的電影情境適當進行加工

由于電影資源的教學指向性比較弱，這就需要教師根據課程內容與目標對電影中的情境進行二次加工，適當刪減、調整影片的內容，突出教學的主旨。如果學生的注意力沒有停留在有價值的片段，這樣既浪費寶貴的課堂時間，還容易導致學生只關注電影內容而忽略了對其中物理原理和現象的思考。

2.3 所挖掘的物理資源要與教學活動緊密相聯

雖然從科幻電影中挖掘的物理資源可以抓住學生的眼球，激發學生的學習興趣，但是教師在挖掘素材時要注意與教學活動緊密相連，應當根據教學目標，選擇適當的電影情境，應用相關的物理知識解釋其中現象。不能一味追求與電影素材互動而遺漏了教學目標的達成和教學重、難點的講授。

3 ?總結

物理情境化問題對于學生而言，可內化學生必備知識，培養學生關鍵能力，體現學生學科素養，是承載學生核心價值的重要載體，是促進學生形成物理觀念，完善思維方法，理論應用實際，激發探究精神的良好“催化劑”，是學生適應人才選拔要求的重要途徑。對于教師而言，物理情境化問題是促使教師的教育觀念從“解題”到“解決問題”轉變的動力，教師要在教學中重視情境化教學，培養學生運用物理概念、規律解決實際問題的能力，從而使學生更能適應如今新高考的考查要求。

參考文獻：

［1］ 教育部考試中心.中國高考評價體系說明[M].北京：人民教育出版社，2019.

［2］ 錢樓哲，戴亮，曹海霞.“四層四翼”視角下的高考試題分析——以2021年湖南卷為例[J].湖南中學物理，2022，37（1）：79-82，98.

［3］ 肖明煦. 科幻影視資源融入高中物理教學研究[D].長沙：湖南師范大學，2019.

［4］ 糜雪.電影資源在中學物理教學中的應用探索——以電影中的不科學情節為例[J].湖南中學物理，2019，34（7）：11-14.

［5］ 邢紅軍.原始物理問題教學的研究及教學實踐[J].物理通報，2016（9）：8-10.