基于“四层四翼”挖掘科幻电影的物理资源

梁文韬 郑卫峰

摘   要：基于高考评价体系中“四层和四翼”的理念，从科幻电影中挖掘物理教学资源，以“绿巨人弹跳所需力的大小”这一原始问题为例探讨挖掘方法：基于必备知识分析情境；通过构建其中的物理模型培养关键能力；应用综合知识和结合生活常识解决问题培养思维方法和体现学科素养；紧扣核心价值对所得结果进行分析。

关键词：“四层四翼”；原始问题；科幻电影

2020年教育部考试中心发布的《中国高考评价体系》是高考内容的改革和命题的纲领性文件，其核心内容可总结为“一核、四层、四翼”[ 1 ]。该评价体系指出“四层”和“四翼”均需要情境作为载体。“四层”作为考查内容，包括必备知识、关键能力、学科素养和核心价值；“四翼”作为考查要求，包括基础性、综合性、应用性和创新性。高考评价体系发布后，全国各省高考试卷中基于情境出发的物理问题出现的频率明显增多[ 2 ]。因此为了更好地体现高考的考查要求，教师在教学过程中需要结合具体情境传授物理理论知识，引导学生从“解题”到“解决问题”的转变。

近几年来，国内外有不少研究者探索将电影资源作为物理课程资源加以利用，其中科幻电影由于自身集艺术性、科学性和趣味性于一体一直是被挖掘的重要对象[ 3 ]。因此教师可以通过挖掘科幻电影中与物理学科相关的资源，筛选电影某些视频片段编制一个个实际的问题情境，引导学生发现、分析和解决情境问题。因电影动态的形式展现的情境比单纯的纸质资料更具有吸引力，能有效提高学生学习物理的兴趣和爱好，同时也培养学生对实际问题的观察、挖掘和解决的能力，更有利于学生积累解决情境问题的经验和能力，满足现阶段中国高考评价体系的要求。下文将基于高考评价体系的“四层和四翼”，以电影《复仇者联盟》为例，展现如何从科幻电影资源中发现和提出物理问题，再到引导学生解决问题的全过程。

1  科幻电影中挖掘物理情境问题的方法

《中国高考评价体系说明》中明确提出“情境正是实现价值引领、素质导向、能力为重、知识为基的综合考察的载体”[ 1 ]。漫威出品的科幻电影，有不少情境如：绿巨人“一跃百米”；雷神拿着锤子飞天；美国队长把盾牌甩出去等。虽然情节中有值得深究的科学原理，但是为了符合大众的观感体验，电影中出现了不少不符合现实情况的情境和内容[ 4 ]。在物理教学中若想利用科幻电影的素材挖掘情境问题，则要求所挖掘的情境问题既要符合学生的认知水平，又要体现正确的情感价值体验，以此来培养他们对实际问题的思考和理论联系实际的能力。

现以《复仇者联盟1》视频中1：48：33-1：48：46时间出现的场景（如图1所示），以“推算绿巨人跳起来所需力的大小”为例，展现教师从科幻电影中挖掘物理情境问题，并引导学生解决原始物理问题的方法[ 5 ]。

1.1  基于必备知识确定拟分析的场景

如图1展示的情境為：绿巨人轻松一跃而起，跳起的高度使其可以破坏在空中飞行的机甲。此时教师就可以引导学生观察在影片中机甲在空中所处的高度大约是30～40层楼之间，绿巨人的一跃竟然能达到这样的高度，对比现实生活，一般人用尽全力一跃才不过几十厘米，以此启发学生思考：绿巨人的弹跳力究竟有多大呢？如表1列出上述情境所体现的高中物理学生必备知识。

虽然常规作业中也存在不少让学生探究的情境化问题，但是有些问题一般比较固定与陈旧，缺乏灵活创新，不利于培养学生应变新情境的能力。相比之下，近年来的科幻电影有丰富新颖的素材且与中学物理知识点有较为紧密的联系，在其中选取适当的情境让学生分析其中的物理原理，不仅可以有效调动学生探究的兴趣，还能历练学生面对陌生情境时灵活迁移、准确运用所学的基本概念的能力，使学生的必备知识得到内化，同时体现四翼中“基础性”和“应用性”的要求。

1.2  基于物理原始问题构建物理模型培养关键能力

由于大部分影片所呈现的画面信息多元、视频过程较为复杂，实际分析时需要对问题的原始情境进行抽象与剥离，如在分析图1的场景时，让学生思考平常自己向上跳起来时候的动作步骤——下蹲→直立→跳起即对应图1中①→②→③展示的动作的过程，由此给该情境建立绿巨人在原地起跳到最高点重心改变的物理模型，如图2所示。要解决“绿巨人的弹跳力究竟有多大”的问题，还要对构建的模型进行受力分析：从状态（1）到状态（2）的过程，绿巨人仍在地面上，因此受到地面的支持力F与G重力；从状态（2）到状态（3）的过程，绿巨人跳在空中，因此仅受到重力G；绿巨人的受力分析如图2所示。

在分析电影情境片段时，教师先要帮助学生提取有效信息，模拟日常熟悉的情境建立物理模型，再根据模拟的情境进一步分析推理所需解决的物理原始问题。可见，影片中的情境成为了培养关键能力理解和模型建构能力等关键能力的载体，围绕原始情境所构建的物理模型，能更有层次性地培养学生关键能力。

1.3  应用综合知识解决情境问题培养思维方法

根据情境构建物理模型后，接下来就要调动学生所拥有的各种物理知识来解决基于上述构建的情境所提出的问题。在学习功和机械能相关知识后，学生已掌握了动能定理，这是解决此题目的关键知识。

根据图2分析：从状态（1）到状态（2）的过程，此时绿巨人在竖直方向上双腿与地面的位移为零，但是由图2可知绿巨人重心的位置在竖直方向上发生了变化，位移为s2-s1。此过程为绿巨人的弹跳力所做的功（地面的对其的支持力）转化为动能以及克服重力所做的功。因此从（1）到（2）起跳过程可以用功能关系表示。

这一过程绿巨人受到竖直向下的重力和竖直向上的支持力（如图2的（1）），再结合动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为状态（1）到（2）重力做的功；WF为状态（1）到（2）地面支持力做的功；m为绿巨人的质量；F为绿巨人的弹跳力（地面对绿巨人的支持力）；g为重力加速度；E2为绿巨人直立时的动能；E1为绿巨人蹲下时的动能（E1=0）；s2为绿巨人直立时重心的位置；s1为绿巨人下蹲时重心的位置；以竖直向上为正方向。

同理，从状态（2）到状态（3）的过程，绿巨人的重心离地面最高的高度为h，此过程中绿巨人在竖直方向上合力作用的位移为h-s2，且仅受到竖直向下的重力，绿巨人从直立到起跳到最高点的过程是动能全部转换为重力势能的过程，根据动能定理，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绿巨人的弹跳力F为：

F= ⑤

式中W'G为状态（2）到状态（3）重力做的功，E2为绿巨人直立时的动能，E3为绿巨人到达最高点时动能（E3=0）， s2为绿巨人直立时重心的位置，h为绿巨人达到最高点时重心的位置；以竖直向上为正方向。

要解决基于情境所提出的原始物理问题，要在所构建的物理模型的基础上，应用所掌握的物理知识和能力分析推理情境，获得解决问题的思路。同时由于学生解决问题的思维和方法可能不尽相同，这一过程能够展现学生协调多方面知识的能力与思维层次，可以很好地体现“四层”中必备知识、学科素养和关键能力与“四翼”中的综合性、应用性和创新性的要求。

1.4  结合常识合理估算参数进行演算体现学科素养

由式⑤，若想得到具体的弹跳力的大小，应该如何处理呢？这时学生就能体会到要解决物理原始问题与平常解决物理习题完全不一样，平时学生做的物理习题相关数据都是给定的，解题时只需要掌握公式和思路代入数据即可。但要解决物理原始问题，其中的数据还必须靠学生自己去挖掘，测量和估值。

以估测绿巨人身高为例，展示如何结合常识较为切合实际地估算出所需数据。为了方便估算，现在把雷神与绿巨人的体型简化为圆柱体，如图3所示。

一般来说标准身材人的身高L和他的肩宽R之间是存在一个比例关系，现在假设人的半径与身高之间有一个关系k=，其中r=R/2。由于雷神（图3的右侧）是正常成年男子的体型，可假设他的体重为m1=75 kg，身高为1.8 m；结合图3的比例关系估测出绿巨人身高约为2.5 m。

根据密度公式可以得出：V1=πr12L1；m1=V1ρ

整理得：m1=πr12L1ρ=75 kg

由比例关系得，绿巨人的半径与雷神半径关系为==，因此r2=r1

同理得：m=πr22L2ρ=（）πr12L1ρ

其中k==，r1为雷神的半径，L1为雷神的身高，r2为绿巨人半径，L2为绿巨人的身高，ρ为雷神与绿巨人的密度。代入数据可以得出绿巨人的质量为m=205.8 kg

根据式子（5），解出题目答案要知道绿巨人的质量m，绿巨人起跳发力时重心高度s1，直立时的重心高度s2，跳跃的高度为h。笔者根据电影中的片段与生活经验估算得出了其他数据：h=120 m；s1=0.56 m；s2=1.4 m。代入数据即可演算出绿巨人弹跳所需要的力F=2.46×105 N。

情境问题中没有设定好的物理量以及相关的参数。因此需要学生结合实际的生活经验与掌握的知识，对原始问题进行分析推理并估算出所需的数据，最后通过数学演算从而得出问题的结果。这是学生运用科学的思维方法分析情境中的物理过程與原理，整合物理学科相关知识，并且能调动这些方法与问题合理推算出相关参数的过程，同时这是“四层”中学科素养——学习掌握、思维方法和实践探索的体现，也满足 “四翼”中的综合性、应用性与创新性的要求。

1.5  分析所得结果的科学性与合理性紧扣核心价值

根据计算可得绿巨人起跳所需要的力约为：F=2.46×105 N，如果正常情况下想要达到绿巨人这样的弹跳力，就相当于约3510个重70 kg的成年人同时站在某个特定区域内才能匹敌得上绿巨人起跳时对地面的压力。由此就可以展现出电影中绿巨人起跳这个内容是太过夸张的，明显是违背了我们的现实生活。

得到情境问题的结果后，可引导学生理论联系实际，分析所得的结果的是否科学与符合生活实际，此过程主要是培养学生的批判性思维，且学生分析的思路可较为发散，因此更能潜移默化地培养学生的探索精神和创新意识，这正是“四层”中核心价值的体现，同时也包含了“四翼”中的基础性、综合性、应用性与创新性。

《复仇者联盟》系列的影片中还有不少可挖掘的资源，表2中列出3个电影情节，也适合按照上述步骤引导学生解决其中的物理情境问题。

二、从科幻电影中挖掘物理资源需要注意的问题

2.1 选择适当的电影进行挖掘

挖掘与知识点相关的电影资源时要尽量选择大制作的电影作为素材，这样的素材在保证较高质量的同时，更能引发学生的共鸣，激发学生对其中现象观察，分析和探究的兴趣，培养学生批判性思维，发挥电影资源引入课堂的最佳效果。

2.2  对所挖掘的电影情境适当进行加工

由于电影资源的教学指向性比较弱，这就需要教师根据课程内容与目标对电影中的情境进行二次加工，适当删减、调整影片的内容，突出教学的主旨。如果学生的注意力没有停留在有价值的片段，这样既浪费宝贵的课堂时间，还容易导致学生只关注电影内容而忽略了对其中物理原理和现象的思考。

2.3 所挖掘的物理资源要与教学活动紧密相联

虽然从科幻电影中挖掘的物理资源可以抓住学生的眼球，激发学生的学习兴趣，但是教师在挖掘素材时要注意与教学活动紧密相连，应当根据教学目标，选择适当的电影情境，应用相关的物理知识解释其中现象。不能一味追求与电影素材互动而遗漏了教学目标的达成和教学重、难点的讲授。

3  总结

物理情境化问题对于学生而言，可内化学生必备知识，培养学生关键能力，体现学生学科素养，是承载学生核心价值的重要载体，是促进学生形成物理观念，完善思维方法，理论应用实际，激发探究精神的良好“催化剂”，是学生适应人才选拔要求的重要途径。对于教师而言，物理情境化问题是促使教师的教育观念从“解题”到“解决问题”转变的动力，教师要在教学中重视情境化教学，培养学生运用物理概念、规律解决实际问题的能力，从而使学生更能适应如今新高考的考查要求。

参考文献：

［1］ 教育部考试中心.中国高考评价体系说明[M].北京：人民教育出版社，2019.

［2］ 钱楼哲，戴亮，曹海霞.“四层四翼”视角下的高考试题分析——以2021年湖南卷为例[J].湖南中学物理，2022，37（1）：79-82，98.

［3］ 肖明煦. 科幻影视资源融入高中物理教学研究[D].长沙：湖南师范大学，2019.

［4］ 糜雪.电影资源在中学物理教学中的应用探索——以电影中的不科学情节为例[J].湖南中学物理，2019，34（7）：11-14.

［5］ 邢红军.原始物理问题教学的研究及教学实践[J].物理通报，2016（9）：8-10.