科幻电影在我国高中物理教学中的应用

董啸

　　一

　　（一）　国外科幻作品教育现状在国外，将科幻作品融入教学并不是一个时髦的概念。早在 1971 年，Dave Samuelson 就在第六十一届国家英语教师理事会上提出了“在通识课程上利用科幻小说教学”的观点，科幻小说的跨学科的特点使得其认为这种教学应用可以推广到多个学科中 [1]。此后很多老师都成功的利用科幻资源对初中生和高中生进行课堂教学实践 [2]。2007 年 8 月份，美国科学教育部部长提议把《神秘博士》里面的一些情节运用到科学教学中用来取代部分内容枯燥的教材 [3]。Chandler Dennis 指出了如何在教学中运用科幻电影，考虑到学生注意力的广度，他建议播放时长不要超过 10 分钟 [4]。

　　（二）　国内科幻作品教育现状在国内，直到 1980 年，吴定栢在上海外国语大学英语系开设了科幻文学课程。2015 年，北师大开始招收科幻类文学博士，上海交通大学等高校也开始了科幻辅助教学的相关课程这标志着我国开始对科幻文学研究开始重视起来。近年来，自从刘念慈的作品获得“雨果奖”以来，国内很多文学家开始研究科幻小说，但由于起步晚，且科学技术不是很发达，好的科幻电影作品就很少见了，电影制片厂更倾向于拍一些言情、武侠类等具有商业价值的电影。将科幻电影融入到科学教育实践的研究就更是几乎空白。

　　（三）　研究意义研究科幻作品在教学中的作用具有重要的意义：首先优秀的外国科幻电影很多，教师很容易就可以在网上下载并加工成教学资源，这可以解决老师疲于找好的教学资源的难题。其次，科幻电影可以演示一些我们现在还不能看到的情形，比如说星际宇宙飞船，在太空的水中游泳等。再次，科幻电影生动直观，使得那些不喜欢阅读的学生也可以感受到科学的直观魅力，从而引起他们对科学的兴趣，所以其研究可以弥补我国对科幻教学研究的空白，给老师提供参考。

　　（四）　具体研究内容本文主要研究了几部科幻电影在高中物理教学中如何应用，具体设计了设计到不同类型物理课上科幻电影的使用方法。

　　二　我国高中物理教学中融入科幻资源的探索（一）　如何将科幻作品融入高中物理教学新课程改革的教学目的是关注学生的学习过程，以科学探究为主线，突出创新精神和实践能力，注重知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等三维目标，在高中的物理教学中主要培养学生分析解决问题的能力。[5] 而情景认知法对于实现培养学生分析解决问题能力具有很大的帮助作用，情景认知是建立在建构主义理论的基础之上的。建构主义认为 [6]：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相互作用的过程中逐渐建构的结果。除了情景认知，习题教学也是高中物理教学的重要组成部分，是学好物理的重要途径。物理高考命题委员会认为：“做题是非常重要的。我们主张做题，但不赞成搞题海战术。因为题海战术盲目追求解题的数量，不重视解题的质量，使学生根本来不及对习题以及与习题有关的问题进行思考”。[7] 本文试探将科幻电影作为桥梁将情景认知与习题练习联合起来的教学模式。具体的模式流程是：⑴新课开始时让学生去观赏教师挑选的科幻电影片段并提出问题，在这一过程中科幻电影为学生创设了一个问题情景，学生带着好奇和疑惑看教师提供的教学视频，并边看边思考老师提出的问题。

　　⑵开始正常的概念与规律教学。

　　⑶回到开始时的电影情景中讨论老师提出的问题并将此情景进一步转换成一道常见的练习题，巩固同学们的当堂所学。

　　（二）　科幻电影融入课堂实例探究（1）科幻电影在动量守恒中的运用1. 首先播放经过剪辑的《太空旅客》电影片段，大概内容是人公吉姆被迫去给核电站排热的过程中不幸被热浪冲离船舱附近，在即将飘向离子引擎，如果吉姆啥都不做，他将飘向离子引擎。

　　师：吉姆能否拯救自己？如果你是此时的吉姆你会怎么做呢？学了这一节动量守恒我们就可以利用所学为吉姆想想办法。

　　2. 教授动量守恒知识3. 讨论：回忆课堂开始的《太空旅客》电影片段中，你想到解救吉姆的办法了吗？

　　学生经讨论后回答：将盾扔出去获得反向动量。

　　师：同学们回答的非常好，让我们看看吉姆想到的办法是否和你一样。

　　播放吉姆扔盾牌拯救自己的画面。

　　师：接下来让帮吉姆算下扔盾的最小速度，已知吉姆的质量是 75KG，防热盾的质量是 10KG，以飞船为参考系吉姆飘向离子引擎的速度是 0.5m/s，他至少需要以多大的速度仍出防热盾才能解救自己？

　　解：设吉姆的质量为 ，防热盾的质量false，吉姆的初速度为 ，他需要以 的速度扔出盾牌，由动量守恒可得：将题中有关质量的数据带入⑴式子中可解得：（2）科幻电影在反冲运动中的运用1. 首先播放《火星救援》里面赫尔莫斯号前去火星营救马克时的情形，大致是由于赫尔莫斯号和马克升空后的距离还是太远，赫尔墨斯号需要稍微减速变下轨道，但用燃料减速会导致能源所剩不足以返回地球，该怎么办呢？那么学了这一节大家就可以和指挥官一起商讨怎么办了。

　　2. 教授反冲运动知识3. 讨论：大家为队长想到减速的办法了吗？

　　学生：向前碰燃料。

　　老师：说的很好，但这样做会使得燃料不足无法返回地球，让我们看看队长想到了啥好办法播放队长利用炸弹炸掉船舱释放空气获得反冲的画面。

　　老师：让我们来为队长计算下释放空气后飞船的速度吧。

　　当堂一练：在教完反冲运动后，可以问大家，大家现在想好如何营救马克了吗？然后让学生回答。

　　最后老师对学生的回答做点评后继续放《火星救援》中指挥官是如何利用空气的反冲运动来使飞船减速从而接近马克的？在这里可以顺便复习下前面的向心力和匀速圆周运动，最后给出爆炸的一号舱的体积是 200 m3，假设空气的密度是 1.29kg/ m3，飞船的质量是 12 吨，当外舱门爆炸后里面的气体以相当于飞船 10m/s 速度迅速流向真空，假设减速前飞船的速度是 4000m/s 求气体飞出后飞船的速度。

　　解：设飞船的质量为 ，空气的总质量为，空气的总体积为 ，空气的密度为飞船减速前的速度为 ，空气的初速度为飞船减速后的体积是 ，空气加速后的速度为 ，我们以火星作为参考系。

　　为由题意可得：⑴⑵ ⑶由于飞船绕火星运动时引力垂直于飞船的移动方向，飞船在水平方向总体的动量守恒所以可得：⑷联立⑴⑵⑶⑷和题中所给的数据可得：（3）科幻电影在向心力中的运用1. 首先播放《火星救援》中赫尔墨斯号上约翰森在重力健身房跑步的一个画面，放完后提出问题，太空不是没有重力吗为何这位女航天员还能像在地球上跑步而飘起来？学了这一节向心力大家就会明白。

　　2. 教授向心力知识。

　　3. 讨论：大家请以小组的形式讨论下开始特问题。

　　学生经过讨论后回答：因为转的时候需要向心力，所以会产生支持力提供给人作为向心力。

　　老师：很好，那么接下来让我们做一道相关的练习吧。

　　当堂一练：已知《火星救援》中的这个旋转重力舱的半径是 20 米，问该旋转轮需要以多大的角速度旋转才能在该轮末端的重力舱产生和地球同样的感觉？ （ 地球加速度 g 值取 10m/s）解：设重力健内人的质量为 M，速度为 V，半径为 R，根据题意可得，要产生和地球同样的感觉即人对地面的压力为人的重力即：⑴又根据牛顿第三定律，地面对人的作用力充当向心力：⑵ 由⑵则可得 ： ⑶ （4）科幻电影在原子核衰变中的运用1. 首先播放《火星救援》里面马克为了解决热能找到了放射射性同位素发生器这个片段，然后问大家这个放射性同位素发生器的工作原理是如何的呢？学了这一节原子核衰变大家就会明白。

　　2. 教授原子核衰变知识3. 讨论：马克为啥可以利用放射性同位素发生器来取暖呢？

　　学生：因为里面的放射性元素在衰变的过程中会释放热量。

　　老师：回答的很好，让我们来做一道对应的计算题吧。

　　当堂一练：放射性同位素发生器里面是 在不断的进行 α 衰变产生热量为马克供暖的，请你写出它的衰变方程。

　　解：⑴ （5）科幻电影在气体状态参量中的运用1. 首先播放《太空旅客》男主人工吉姆最后发现宇宙飞船的核聚变能源控制计算机被陨石击中而运行不正常，在更换计算机芯片后又发现飞船的散热装置无法打开，同时飞船的强化玻璃在出现裂纹，放完后问学生，散热装置失灵和飞船出现裂纹两者有何关系呢？学了这一节大家就明白了。

　　2. 教授气体状态参量知识3. 讨论：为啥散热装置失灵会导致强化玻璃出现裂纹？

　　学生：因为里面的散热装置失灵，温度越来越高，体积又不变，压强就会增大。

　　老师：回答的很好，让我们来为主人公算下他需要多长时间内为核聚变舱排热才能避免它爆炸吧。

　　当堂一练：已知飞船核裂变发生室的体积为500 m3，核聚变使得反应舱内每秒中上升 1 万开尔文度，主人公到达核聚变观察室更换好毁损的计算机后反应室时此时刻反应室内气体的温度是 1500 万开尔文度，其内部气体的压强为 1.5×1012 帕斯卡，由于排热装置故障，反应舱内的温度在不断的上升，已知观察室透明强化玻璃的极限压强是 2.0×1012 帕斯卡，问主人公必须在多长时间内完成手动排热才能避免核聚变反应舱爆炸？

　　解：设开始时的压强为 ，极限压强为 ，开始时反应舱的温度为 ，每秒中舱内上升的温度为 主人公需要在 n 秒内进行排热，由于反应舱内体积不变，所以排热前的变化为等体积变化，由此可得：⑴将题中的数据带入可解：n=500s参考文献[1] Albert ESegall associate professor of engineering Science and Mechanics Science fiction in the engineering classroom to help teach basic concepts and promote the profession[J]. Journal of engineering education， 2002， 91（4）：419–423[2] Smith V F， Others A. Teaching the science in science fiction[J].Middle schools， 1990:37[3] Surmeli H. Examination the effect of science fiction films on science education students\' attitudes towards STS course[J].Procedia-social and behavioral sciences， 2012， 47（14）：1012-1016[4] Marsh E J， Meade M. Learning facts from fiction[J]. Journal of Memory & Language， 2003， 49（4）：519-536[5] 廖伯琴，张大昌 . 物理课程标准解读 [M]. 湖北：湖北教育出版社， 2004.[6] 王文静 . 情境认知与学习 [M]. 重庆：重庆西南师范人学出版社，2005.[7] 教育部考试中心 . 高考物理能力考试与题型设计 [M]. 北京：北京高等教育出版社，1997.[8] 李丛，周少松 . MOOC、游戏化思维结合的大学物理教学改革探究——以普通高校非物理专业为例 [J]. 教育现代化，2016，（11）： 57-59.


试阅到此结束，如需查看全部内容请购买正版文献。如因学习需要阅览全文，请联系站长。