美国人为什么能创作出那么多高质量的科幻小说、科幻电影？难道他们真的是外星人变的吗？其实这个问题基本上就是钱学森的天问：“中国的大学为什么培养不出杰出人才？”
最近一份由美国著名出版商兰登书屋（Random House）出版的《2015年科幻辅助科学教育》的教师参考手册以电子文档方式在国内科幻圈流传 —— 这份仅二十页的小册子足够为我们解开美国人脑洞谜底的一部分,也让我们明白，以这样的教育理念来指导国民，又岂止是对制造科幻产品有一点点益处而已呢？
手册的前言介绍说，社会科学的教育已经很早就开始使用故事，自然科学的教育也同样可以用故事来激发学生的兴趣和想象力。“这份指导手册目的就是为中学科学的教师提供一些具体的实例，帮助他们在课堂上使用具有科学依据的幻想小说。”“阅读科幻小说使学生有机会在创造性的语境里探索科学概念，并想象科学将把我们带向何方。比起仅仅诱使学生学习科学知识而言，激发他们的好奇心可以使他们具有更大的潜力，这是点燃他们探寻之旅的火花，是推进大发现所需要的燃料。”
有必要说明一下，美国的中学里，自然科学并不分列学科，教材是漂漂亮亮的厚厚一大本，物理、化学、生物、甚至天文学、地质学、基因技术等只是分列在“科学”名目下的不同单元，只有最后到十一、十二年级才根据学生的选择，学习进阶层度、甚至是大学预科的物理、化学、生物等。
在手册边栏的显著位置上，写着流传甚广的爱因斯坦的话，或许能为此手册作下绝佳的批注：“想象力比知识更为重要。因为知识只是局限于我们眼前已知的、能理解的世界，而想象力却能拥抱整个宇宙，包括将会存在的、将能被人类了解和理解的一切的一切。”
手册将推荐的科幻作品按讨论问题的复杂、难易程度分别归到不同年级，在简要介绍作品之后，设计了一系列与作品相关的科学问题，然后是一份简要书单，把涉及类似科学概念的其它科幻作品也列出，作为深化或分化学习之用。手册还注明了每个系列问题跟对应的美国国家教学标准、教学大纲之间的对应关系，从中可以看到，不但有对各类知识点、关键概念的要求，还有对结构与工艺流程的理解、知识综合、科学写作规范、调研与积累知识的能力、表达和传播知识的方式与途径、对科学术语的使用、合作与沟通技巧等等全面的知识能力对应。
手册在前言中还介绍了科幻小说的一些基本常识，比如作者所创造的世界必须具有内在一致性，也就是说，虽然不必是科学意义上可以实现的现实，但故事的世界必须符合其内在的一系列规则，这些规则通常是符合我们对已有的物理、化学、生物等学科的理解的，所以学生在阅读科幻作品时，应该能辨别其中的科学原理。手册举例说，美国公共电视台（PBS）有个叫 《聪明不是问题》 （It’s OK to Be Smart）的节目，把时下最流行的科幻剧集《权力的游戏》里面涉及的科学道理拿出来一一检验讨论，甚为妙趣横生。
手册列出了几个基本的科幻定义，把反乌托邦、蒸汽朋克、赛博朋克等概念都一一作了简要介绍。
小编有话说：
这本二十页的小册子看似很小，微不足道，却极大地拉近了我们与国外教育尤其是与国外自然科学教育的距离——原来科学可以这样解读，无限的想象潜力可以这样激发！有了在这样的科学理念指引下的科学思维，科幻离我们还会远吗？
唯一遗憾的是，在手册收录的作品中，只有三部作品被引进国内，在此小编为大家整理西夏老师译作中《基地》、《玩家一号》、《差分机》三部作品及其手册中的完整的相关内容和其他作品的部分内容，以飨读者。
《基地》
(The Foundation, 作者：艾萨克·阿西莫夫)
应用年级：9年级~ 10年级
阿西莫夫的《基地》系列被广泛认为是科幻类型的杰作。故事设定在遥远的未来，具有广阔的宇宙视野和恢弘的场面。在阿西莫夫的想象中，核能成为军事和政治控制的核心，而掌管核技术的科学家则成为影响整个星系稳定的关键因素。
讨论问题及课外活动
1. 《基地》最初出版于1951年，正是太空探索时代的黎明时期，远远早于很多在今天看来司空见惯的技术发明。那么，《基地》里面的预言，哪些方面是准确的？哪些是不准的呢？
2. 按照《银河系百科全书》的说法，哈里·谢顿的父亲是个“水耕农场烟草农夫”（第一页）。 请说明水耕技术是怎么回事。这种农业技术的优缺点各有哪些？如果请你预测，你认为烟草在未来还会是一种重要的作物吗？为什么？
3. 定义下文中的“公理”（axiom）一词的含义：“谢顿仅以少数模糊的公理创建了这门学科，流传后世却成为一门深奥的统计科学。”（第1页）
4. 请阅读以下对深空旅行的描述：“在开始超空间跃迁的时候他有些紧张，这是没有经历普通星际旅行的人常发生的现象，“跃迁”，仍然是──可能永远是──星际交通唯一可行的方法。平常的太空旅行绝不可能快过一般光速（这点科学知识起源于早被遗忘的人类历史初期），意味着即使最接近的住人星系之间，往返也要花费数年时间，但是经由超空间这个非时非空，质能混同，虚实交错的不可想象地带，可以在转瞬间跨越整个银河。”（第4页）
这段描述涉及到爱因斯坦的狭义相对论(http://tinyurl.com/86cs5j8)。以超光速飞行仍然是科幻领域的事，但它究竟能否在实现呢？研究有关星际旅行可能性的科学基础，比如阿西莫夫所说的超空间旅行方式。
5. 《基地》中的星船拥有模拟重力（第7页、12页），这种技术在流行的科幻电视剧中广泛使用，比如《星际迷航》（Star Trek）和《萤火虫》（Firefly）。请解释重力在我们星球上的作用机制。我们的技术水平离制造出重力场来有多接近？为什么这点很重要？理论上说，这是可能的吗？
6. 能源是《基地》情节的核心，很多变幻的政治风云都跟掌控核能有关。请找出小说中涉及的各种能源形式（第14页有一个例子）。文中提到的能源在当今有多少是已经实现或者存在的？你认为哪一种能源是人类几千年后还会继续使用的？有没有什么当时即将出现的能源技术是阿西莫夫没有提到的？你认为未来最好的能源是什么？
7. 解释阿西莫夫的“心理史学”。有没有任何类似“心理史学”的学科存在？你认为可能存在吗？思考：数据挖掘在谢顿的体系发展上会有何意义？
8. 在谢顿的审问过程中，他说“科学真理超越了忠诚与否”（第26页）。你是否同意这个说法？请解释为什么。
9. 在第38页，阿西莫夫描写谢顿的办公室的保密性。根据这一段的描写，请说明建造一个这样的办公室所需要的技术的物理学原理。目前我们达到这些技术水平了吗？在被使用吗？
10.在端点星上缺乏金属。为什么这会造成问题（53-55页）。为什么核能会被看作是解决之道？
11.阅读第65页上道尔文大人描述的（在他看来的）科学方法。他是在描述实际的科学方法吗？请说明。
12.说明核能在小说中的地位。核能使得什么技术成为可能？它们在工业和军事上有何应用？为什么对核能的利用受到局限？这些局限导致的结果是什么？
13.小说中，科学家演变为宗教人物，而科学页变成了一种基本的宗教。请讨论科学与宗教的交叉部分。你认为科学有可能最终代替宗教信仰吗，抑或二者可以共存？
实验室活动
能源；引力
其它相关书籍：
《基地前传》（Prelude to Foundation, 阿西莫夫著）
《基地与帝国》（Foudation and the Empire, 阿西莫夫著）
《第二基地》（The Second Foudation, 阿西莫夫著）
《基地边缘》（Foudation’s Edge, 阿西莫夫著）
《基地与地球》（Foudation and Earth, 阿西莫夫著）
《迈向基地》（Forward the Foudation, 阿西莫夫著）
相关电影：
《星际迷航》（Star Trek, 2009年，导演：J.J.Abrams）
《玩家一号》（一级玩家）
(Ready Player One, 作者：Ernest Cline)
应用年级：11年级~ 12年级
这是另一部设定在近未来的小说。故事发生在2044年。它令人神往地描绘了高级虚拟现实的巨大潜力。作者欧内斯特·克莱因不久前对《福布斯》杂志谈到当前技术的突破和它们可能把我们带往何处（阅读：http://tinyurl.com/ForbesRP1）。本故事讲述一个少年为了在虚拟现实中赢得“复活节彩蛋”而走上的求索之路，小说情节紧凑，颇具阅读快感，是本教学指南中唯一涉及计算机科学的小说，这个领域对当今的高中学生而言可谓独具吸引力。
讨论问题及课外活动
1. 请说明小说中描写的全球气候变化带来的冲击及其影响范围。什么导致了全球能源危机？它如何冲击了社会？你认为到2044年人类可能会真的遇到如此深重的能源危机吗？请以数据支持你的观点。
2. 在第25页，韦德·瓦茨解释他发明了一种机关可以给他的设备充电，“用一排废旧的汽车电池和一架改装的自行车”。请用物理学原理解释此种装置如何运行。
3. 瓦茨描述他是如何准备玩OASIS的（第26页），并在58页给出了系统的细节。请解释该系统涉及的技术是如何发生作用的（比如，触觉技术，视网膜扫描）。当前有多少此类技术存在？
4. OASIS缩写代表的是“实质人类中心感官浸入式仿真”（Ontologically Anthropocentric Sensory Immersive Simulation)。请辨析这个系统全名中每个词的词源。关于这个系统的功能，这次词告诉你了些什么？分析其它科学领域里面的名称由来。科学术语是如何产生的？科学名称的词源学研究能揭示有机体或者物体的哪些特点？
5. 请说明制造代理化身的编码原理。是什么使它们可以互动？
6. 由于OASIS可以自由接入，小说中的虚拟世界是如何获利的？你认为这种模式可行吗？请说明理由。Rebecca Skloot在其小说《拉克丝的不朽生命》（The Immortal Life of Henrietta Lacks）中，提出了生物材料的所有权问题。对于虚拟商品，是否可以提出同样的问题来？请就这些问题作课堂辩论。
7. 在计算机编程中，“复活节彩蛋”是什么意思？要在游戏，应用，程序或者网站编入“复活节彩蛋”需要涉及些什么问题？
8. 韦德在线上彩蛋狩猎中获得进展之后，他也获得了更高级的装备，可以在OASIS里面使用。阅读小说第191-193页的描写内容，这种技术在目前以这样那样的形式存在多少？请说明它们的生效机制。
9. 要制造OASIS那样广泛的浸入式系统，最大的困难是什么？你认为这种系统究竟能否会制造出来？人们会拿真实经历来置换虚拟经历吗？阐述你的见解。
10. OASIS除了提供娱乐，也提供教育机会。虚拟现实技术或其它类似的技术将可能对课堂体验带来什么样的革命？在推行“虚拟课堂”或者远程教学方面，我们已经走出了哪些步骤？你认为这种学习模式将最终替代传统的课堂吗？
实验室活动
计算机编程；工程学
其它相关书籍：
《神经漫游者》（Neuromancer，William Gibson著）
《坏天气》（Heavy Weather，Bruce Sterling著）
《钻石年代》（The Diamond Age，Neal Stephenson著）
《异域系列：金色阴影之城》（Otherland: City of Golden Shadow，Tad Williams著）
相关电影：
《黑客帝国》（The Matrix, 1999年，导演：Wachowski兄弟）
《电子世界争霸战》（Tron, 1982，导演：Steven Lisberger）
《差分机》
(The Difference Engine, 作者：William Gibson与Bruce Sterling合著)
应用年级：11年级~ 12年级
这篇小说常被看作极具流行性的蒸汽朋克类科幻小说的奠基性作品之一，它描绘了一种另类的历史：如果当年查尔斯·巴贝奇成功建造出一台实用的分析机原型，在19世纪就把英格兰带入计算机时代，整个世界将会是如何面貌？故事在维多利亚风格悬疑惊悚之中，混进了丰富的科学发现历史细节，饱含着对工程学的科学性和艺术性的推崇备至。在科里·达科特罗（Cory Doctorow）的前言中他写道，“蒸汽朋克在其根上是对手艺的尊敬，它歌颂了技术的丰富多彩，并至今还在诅咒大工业的工厂，它们毁了手艺工匠的生活，而正是他们创造了工业文明。”（第九页）。对于创造了工业文明和计算机革命的机器，这部小说既充满了赞美，也无不质疑其为社会带来的剧烈激荡。
讨论问题及课外活动
1. 请研究查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）的生平。为什么他被称为计算技术之父？解释他的差分机和分析机的设计和功能。他发明的机器在构造上与当代计算机的基本构造有何类似？请说明早期计算机编程的原理机制。这项技术是怎样发展进化的？
2. 小说中描写了好些蒸汽驱动的机器。请详查热力作为能源的相关问题。（教师注意：有很多的实验室可以为学生提供帮助，探索热动力和它的能源潜力，包括美国能源部发表的一份导论，见http://tinyurl.com/DOE-Thermo )
3. 蒸汽朋克最让人兴奋的地方是，它鼓励学生以玩乐心态进入机械工程技术细节，并使用自己的知识来制造各种既有实际功能、又有形式美感的物件。在科里·达科特罗（Cory Doctorow）的前言中他还写道，3-D打印机和因特网络提供的合作机会可以让志趣相投的工程师伙伴们“创造出种种奇迹，既体现日新月异的技术变化，也代表着永续不灭的工艺初心。”（第X页）请设计你自己的发明杰作，将技术和手工艺融合在一起。
4. 小说中出现了一些真实的科学家人物，包括达尔文，法拉第，查尔斯·莱尔（Charles Lyell），吉迪恩·曼特尔（Gideon Mantell）， 伊萨姆巴德·布鲁内尔（Isambard Brunel），托马斯·赫胥黎，George and Frédéric Cuvier, William Buckland, Bishop Berkeley等等。请研究小说中提到的一位科学家的生平。他对科学做出了些什么贡献？他的思想或发现怎样影响了后来人们的探索？请以你选定的这位科学家的某些工作为基础 设计一套实验。
5. 小说中提到的虚构机器，有一种叫“动视机”（kinotrope，见第41-46，55，77及127页），它可以让操作者用机械方块体而不是像素来生成图形。这种机器怎样才能运行呢？请阐述制作这类视觉输出系统在工程上和编程上的要求。
6. 在讨论如何建造飞行机器的机械装置时，古德温说“我们现在明白了，某些问题跟流动着的空气的特性有关，跟空气阻力的原理有关。这是些新的原理，我们尚知之不多。”（92页）。请阐述人类实现航空可能性的科学原理和科学发现。
7. 第139-142页有一段争论，涉及恐龙化石，以及那些化石所揭示的有关恐龙的体型和行为特征。这些争论至今还在进行。在古生物学领域，自从第一次发现化石以来，有了哪些发展？我们对恐龙的认识有了哪些变化？
8. 在乘坐“大都会”号（世界第一条地铁）时，西比尔沉思，“这是个奇怪的行业，在地下，你想想看，以如此的速度这么摇摇晃晃地在伦敦地底下的黑暗中前行，在这里海军曾发现罗马时代的铅制水管，硬币，马赛克，拱门，还有千年的象牙”（第57页）。请思考为了建设一个地下交通系统而需要涉及的巨大工程量。解释在建造“大都会”和后来的Underground时所需的技术和物理学。
9. 小说中一直存在着灾变论与均变论的争论。双方各有什么观点？你支持那一边？请解释你认为最强有力的证据。
10.术语“路德份子”（luddite）已经演变为指任何反对新技术的人。（详情请访问：visit: http://tinyurl.com/mcuako4 ）。历史上路德份子是指哪些人？请考察，在反对和恐惧技术的人们，与献身科学探索和技术创新的人们之间，存在着什么样的冲突矛盾？这种冲突矛盾能调和吗？
实验室活动
物理学；工程学；热动力学
其它相关书籍：
《空中霸主》（The Warlord of the Air，Michael Moorcock著）
《阿努比斯之门》（The Anubis Gates， Tim Powers著）
《时间机器》（The Time Machine， H. G. Wells著）
《穿越时空救简爱》（The Eyre Affair，Jasper Fforde著）
相关电影：
《造物弄人》（Creation ，2009， 导演:John Amiel)
其他作品：
《移动迷宫》
(The Maze Runner, 作者：James Dashner)
应用年级：6年级~ 8年级
故事设定在未来，世界遭受太阳耀斑的毁损，之后大面积爆发了疾病。一个叫托马斯的少年和一群年龄相仿的孩子们被困于一个迷宫中，他们之中只有一个女孩，所有孩子都只记得自己的名字，其它记忆全都丧失。他们在艰难求生的过程中，发现自己其实是某个大型实验的实验品，而整个星球的存亡，可能取决于他们能否恢复记忆，破解迷宫密码，并逃出迷宫。
讨论问题及课外活动（节选）
1. 请阅读第65页和124页上对“甲壳虫刀片”的描写。这种机器如何能发挥作用？请分组设计、制作一件此类机器的模型。
相关电影：
《移动迷宫》(The Maze Runner, 2014, 导演：Wes Ball )
《帕拉丁预言2：联盟》
(Alliance: The Paladin Prophecy, 作者Mark Frost)
应用年级：6年级~ 8年级
由于本书涉及到基因工程的最具争议部分—— 人类基因工程，所以它是引导学生学习基因生物学的绝佳补充材料。
讨论问题及课外活动（节选）
1. 基因修改在本故事中占有很大的分量。你认为修改人类基因是好事还是坏事？当前，对人类实施基因修改的技术是否已经存在了？
相关电影：
《变种异煞/千钧一发》( Gattaca 1997, 导演：Andrew Niccol)
《公平硬币》
(Fair coin, 作者E.C.Myers)
应用年级：9年级~ 10年级
这篇小说深入到理论物理和量子论，其中的主题通常是高中学生非常着迷的。虽然故事中涉及的概念很复杂，但它提供了一个恰到好处的语境，可以讨论这些理论及其应用潜力，这对学生们是非常具有吸引力的。
讨论问题及课外活动
1.“薛定谔的猫”是在说明物理学的什么理论？为什么这个理论难以证实、也难以证伪？它与处在小说情节核心位置的理论物理是什么关系？
相关电影：
《时间简史》(A Brief History of Time, 1991导演：Errol Morris)
《黑色伊甸园》
(Dark Eden, 作者Chris Beckett)
应用年级：9年级~ 10年级
一男一女两个宇航员被困外星球，几代人之后，他们存活下来的后代及其所创建的社会，即“大家庭”，他们的生活如何呢？《黑色伊甸园》就讲述了他们的故事。小说的年轻主人公约翰试图跨越高山，寻找新的土地，而“大家庭”的领袖们依然等待着来自地球的救援，不敢离开最初的着陆点，他们的冲突导致了小说的高潮。本书适合探讨一些跟生物学和化学有关的问题。
讨论问题及课外活动
1. 请考虑地球上的一个没有阳光的生态系统。其中的生物体具有什么适应性才能在此生存？这个生态系统跟伊甸园上有何类似？有何不同？你会愿意去伊甸园那样的星球生存吗？为什么？
相关电影：
《阿凡达》(Avatar,2009导演：James Cameron)
《火星任务》
(The Martians, 作者Andy Weir)
应用年级：9年级~ 10年级
故事发生在近未来。宇航员马克在任务失败后被困火星，机组成员和NASA认为他已无生还可能性。但马克用自己的植物学和工程学知识背景找到了生存的途径，并设法使NASA意识到他还活着，于是一场搭救马克的冲刺开始了……
讨论问题及课外活动
1. 你可能看过奥斯卡奖获奖影片《地心引力》，它也是一个关于宇航员在计划失败后挣扎求生并最后返回地球的故事。请阅读关于本片中的科学的相关文章。选择《火星任务》中你认为最有趣、最令人激动的时刻，研究其涉及的科学成分。据你研究，你认为故事中的这一片段是否具有发生的真实可能？
相关电影：
《阿波罗13号》（Apollo 13，1995年，导演：Ron Howard）
《地心引力》（Gravity，2013，导演：Alfonso Cuarón）
《末世儿女》
(Oryx and Crake, 作者：Margaret Atwood)
应用年级：11年级~ 12年级
这篇小说是阿特伍德著名的《疯狂亚当》三部曲的第一部。虽然故事设定在后末日世界，但大部分情节都是在背景故事里发生的，描写了吉米和克雷克两个少年之间的友谊，以及克雷克如何一步步走向制造基因病毒毁灭人类，并重新在地球用他改良的新人种来殖民的过程。这种新人类在基因上不具有实施暴力、自私、毁坏环境等的能力。克雷克给了吉米面对病毒的免疫力，使他成为唯一幸存的人类面对新世界，充当新人类的照看着，但吉米本人对此并不知情，于是他所承担的责任既是一种天赐，也成了一种诅咒。作家阿特伍德的未来观令人不寒而栗地真实，而本书也成了警告读者环境破坏的危险，和无限制的基因实验可能带来的灾难。
讨论问题及课外活动
1. 试说明瘟疫在小说中的作用。什么因素使疾病和病毒变成无法控制的瘟疫？什么因素使克雷克制作的基因改造病毒变成了传播瘟疫的绝佳载体？
相关电影：
《传染病》(Contagion, 2011， 导演:Steven Soderbergh)
编者简介：
Amy Jurskis 为教师编写了不少参考手册，其中包括为Rebecca Skloot所著《拉克丝的不朽生命》（The Immortal Life of Henrietta Lacks）以及为Erik Larson 所著的《野兽花园》（In the Garden of Beasts）编写的阅读指南。她从乔治亚大学获得英语文学学士学位，从 Agnes Scott College获得了教育硕士学位。现在她在Palm Beaches的Oxbridge 学院任英语教师兼教材编制主席。
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