追尋先賢足跡，培養(yǎng)科學素養(yǎng)
——以天體運動為例

余嘉偉

(廣東省惠州市惠陽區(qū)第五中學 廣東 惠州 516000)

1.高中物理教學中應重視科學史，培養(yǎng)學生探究精神

學生學習科學知識和基本技能的同時，也應重視對科學本質(zhì)的理解。讓學生了解先賢足跡，讓學生知道人類對自然規(guī)律的認識和探索是逐步深入的，讓學生明白通過思辨性的論戰(zhàn)無法正確認識自然規(guī)律，而有限事實的歸納和單純的邏輯推理也不會有新的發(fā)現(xiàn)。科學規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，更加需要猜想、假設與檢驗。本文通過問、答、反思等方式，在講解天體運動的教學過程中，滲透物理學史。

2.“地心說”的建立

教師：夜幕降臨，仰望星空，星星大小不一、形態(tài)各異，展開想象，天體是如何運動的了？今天我們穿越時空隧道，去聆聽古人探索行星運動的復雜且漫長的故事。

古希臘學者亞里士多德(Aristole，公元前384-322年)在研究自然規(guī)律時，主要依據(jù)經(jīng)驗和理性，建立“地心說”。他認為宇宙是一個有限的球體，人類所居住的地球位于宇宙的中心，太陽、月球等天體都在上帝的推動下繞地球做勻速圓周運動。

學生：但太陽、行星等天體若繞地球勻速圓周轉(zhuǎn)動，那么為什么一年會有四季？為什么冬夏季中午太陽的大小不一樣？為什么會出現(xiàn)行星逆行現(xiàn)象了？

3.“地心說”的發(fā)展與束縛

為進一步完善“地心說”，公元2世紀，古羅馬天文學家托勒密(C.Ptole-maeus，90-168年)設計了本輪均輪模型，行星在小圓(即“本輪”)中做圓周運動；同時本輪的圓心又以地球為圓心做大圓(即“均輪”)的圓周運動。該理論較好地解釋行星逆行現(xiàn)象，且預測行星的位置，能廣泛用于航海和星占領(lǐng)域。但該理論非常繁雜，為了與觀察結(jié)果相符，行星運動不僅只有一個本輪，而是有總數(shù)達80多個的“輪上輪”，且引入偏心點和均衡點等復雜概念。

學生：“地心說”理論復雜繁瑣，為什么誤導人類對天體運動認識長達一千多年？

教師：托勒密從觀察行星運動現(xiàn)象出發(fā)，運用數(shù)學證明和邏輯運算構(gòu)造完整的“地心說”宇宙論。由于“地心說”在現(xiàn)實生活中航海上具有實用性，且符合上帝選擇地球為宇宙中心的說法，被基督教用來維護《圣經(jīng)》，成為“天經(jīng)地義”且“毋庸置疑”的理論。

反思：古希臘科學過多地集中在思辨層面，重視經(jīng)驗事實依據(jù)，輕視實驗觀測和數(shù)學邏輯推演。由于宗教神學的束縛，扭曲了人類對宇宙的認識，經(jīng)過漫長的黑夜后，歐洲時期受文藝復興影響，令探究科學的思想觀念發(fā)生革命性改變，物理學由天上力學統(tǒng)一為地上力學，極大地促進物理學的發(fā)展。

4.哥白尼“日心說”，革命的開始

波蘭天文學家哥白尼(Nikolaj Kopernik，1473-1543)堅持天體運動應該符合亞里士多德所描述的“常規(guī)運動”即勻速圓周運動，堅信天體運動可以通過簡單的圖式展示出來，提出了地球自轉(zhuǎn)和地球及其他行星繞太陽公轉(zhuǎn)的假設。經(jīng)過在波蘭長時間的天體運動觀測和研究，在臨終前在摯友奧西安德爾的幫助下發(fā)表了《天體運行論》，主要利用簡單的數(shù)學圖式展示天體運動。

教師：哥白尼提出了行星在各自的軌道上圍繞太陽做勻速圓周運動——公轉(zhuǎn)，行星自身也自轉(zhuǎn)。行星逆行是因為公轉(zhuǎn)軌道低的地球圓周運動的角速度比軌道大的天體快而形成的，太陽東升西落則是地球自轉(zhuǎn)引起的。哥白尼給人們提供了一種簡潔的全新宇宙圖景：“太陽在這莊嚴的殿堂的中央，把它的光輝撒向宇宙的每一個角落”。

學生：伽利略“日心說”簡潔且實用，為什么不廣泛傳播且應用了？

教師：通過伽利略、布魯諾支持和廣泛的傳播，才被人們認識和接受，啟發(fā)后人對權(quán)威宗教經(jīng)典的質(zhì)疑，對真理的不懈探索追求，結(jié)束了1000多年來“地心說”的束縛，沉重地打擊了封建宗教神權(quán)的統(tǒng)治。

5.“日心說”的完善

受到哥白尼“日心說”的啟發(fā)，開普勒(Johannes Kepler，1571-1630)繼承導師第谷多年來天文觀測資料及數(shù)據(jù)，在觀察火星運動時發(fā)現(xiàn)理論預測與實際情況存在誤差，開普勒堅信導師第谷天體運行數(shù)據(jù)是精準的。在1609年發(fā)表《新天文學》，首先提出行星運動第一定律和第二定律。又在1619年發(fā)表《宇宙的和諧》，提出行星運動第三定律。開普勒的研究補充和完善了哥白尼的“日心說”，并且具有極準確的航海實用性，極大的推動了“日心說”的普及。

教師：開普勒首先以太陽和火星作為參考系，在研究地球運動軌跡時，通過多個火星年的觀測，得到在相鄰時間間隔為提個火星年的數(shù)據(jù)觀測，確定了地球公轉(zhuǎn)軌道軌跡為一個橢圓，而太陽在橢圓的一個焦點上。

學生：歷史上科學家對天體運動的研究原來是如此艱辛的！不僅需要淵博的知識，還需要復雜的數(shù)學演算，更重要的需要堅韌不拔的探究精神。這都是只等我們學習的！

6.結(jié)語

通過展現(xiàn)歷史上先賢探索物理規(guī)律的艱辛歷程，讓學生了解先賢的生平事跡，從而對物理學習產(chǎn)生濃厚的學習興趣，極大調(diào)動學生學習積極性。在天體運動的教學過程中，讓學生了解知識的來龍去脈，有助于學生對自然規(guī)律的全面正確的深入理解，從而培養(yǎng)學生事實求是的科學素養(yǎng)，讓學生掌握假設(包括邏輯推理和數(shù)學演算)和實驗檢驗猜想的近代科學研究方式，最終幫助學生形成正確的人生觀和價值觀。