巧用地理學史開展“探究之探究”活動**

浙江師范大學地理與環境科學學院（321004） 張建珍

一、“探究之探究”活動概述

探究之探究是指教師為學生提供科學史或者當代科學家對某些科學問題的探究資料，學生針對科學家研究的細節展開討論：研究的問題、搜集的數據、技術在研究中所起的作用、對數據的解釋以及科學家所作的結論。[1]如果可能，學生還應閱讀其它解釋、不同或相矛盾的實驗、對研究假設與應用證據以及其它科學探究問題的爭論。通過這種方式讓學生理解什么是科學知識，科學知識是怎樣獲得的。[2]“探究之探究”的教學方式最早由美國的施瓦布提出，經過半個世紀的發展，現在已經成為培養學生科學探究能力的重要途徑和方式。根據其資料的來源，可以分為基于科學史的探究和基于當代科學問題的探究。當前世界各國科學教育界對科學史的教育價值高度關注，而在我國地理科學教育尤其是地理科學探究學習中，地理學史的價值未被充分挖掘，因此，接下來筆者將著重論述如何基于地理學史設計地理科學探究主題活動。

二、基于地理學史的科學探究主題活動的設計原理

從地理學史出發設計探究主題活動時，要注意我們不能只將史實作為一種靜態的材料呈現，作為一種“最終形式”來設計地理科學探究主題，而要特別強調展現科學家如何尋找證據，如何在前人的基礎上推進科學進步的過程，并且引發學生思考諸如“科學證據如何為科學結論服務”、“科學推論基于什么基礎”等問題，以提升學生對科學本質的理解。

筆者以為，在從地理學史出發進行地理科學探究主題的開發時，可以采取幾種有代表性的方式：（1）圍繞某個科學問題如“地球的形狀是怎樣的？”將地理學史上的有代表性貢獻的科學家的主要觀點、貢獻、科學研究的方法進行整理，形成一個序列，輔以生動的語言，讓學生在如同讀故事的過程中了解地理學史，并在文末提出旨在引發學生對地理科學探究方法、地理科學本質思考的問題。（2）采用角色扮演的方式。首先創設一定的類似于地理學史上某個地理學家所遇到的問題情境，讓學生扮演這個科學家，去解決科學問題，之后再呈現地理學史的內容，讓學生進行比較分析，以加深對地理科學探究的理解。（3）采用“歷史穿越對話”的方式，將不同時期的地理學家圍繞某一個地理科學問題組合到同一個主題中，讓他們圍繞問題展開對話，重點揭示這些科學家對這一地理問題的不同看法或采用的不同方法，引導學生思考地理科學是如何在不斷地質疑與對話、探究中前進的。

三、設計方案及評析

【案例】“探究之探究”主題案例：從地“方”到地“圓”

（1）地“方”的觀點（即認為地球為平面）

米利都的泰勒斯（前624～前547年）、阿那克西曼德（前610～前546年）把地球想象成一個漂在水上的圓盤。“歷史學之父”希羅多德（推測為前484～前426）認為：地球是一個橢圓的平面，拱形的蒼穹倚寄其上。在夏季，太陽每天在其上運行時，正好通過蒼穹的中央；而在冬季，它在寒冷的影響下，就偏離這條軌道而偏南行走。

（2）地圓論（即認為地球為球體）

亞里士多德第一個為地球是球形找出證據：①月蝕時地球的影子移過月亮時，影子的邊是圓周形。②當一個人向北方旅行時，各種星辰高出地平面的高度就增加。

（3）地球有多大：地球周長的測算

埃拉托色尼（約公元前273—前192年）是第一個提出利用大地測量方法計算地球圓周長度并較為準確地測得地球圓周長度的人。埃拉托色尼觀察到夏至那天太陽的影子正好倒映在西埃尼的井水中（圖1中的W點），他得出當日太陽光線垂直于W點；他以亞歷山大博物館外高聳的方尖石塔（圖1中的O點）作為日晷，在夏至這一天測量了太陽影子的長度。同時，他也能測量垂直的石塔與太陽光線之間的角度。埃拉托色尼利用著名的泰利斯定理，計算出OCS角的大小；他計算出這段弧線長度占地球周長的五十分之一。這樣一來，只需要知道西埃尼與亞歷山大之間的距離，埃及人提供的數據是500英里，這樣只要將這個數字乘以五十。因此，埃拉托色尼測量出整個地球的周長是大約25000英里（實際上通過南北兩極的周長是24860英里）。那個時代的測量很不精確。埃拉托色尼假設亞歷山大正好位于西埃尼的正北，然而事實上應該位于西埃尼以西約3度。而西埃尼和亞歷山大之間道路的長度，埃及人認為大約是500英里，而事實上是453英里。此外西埃尼實際的緯度是北緯24°5’（24度5分），位于北回歸線稍北。但是巧合的是，這些誤差相互之間抵消，因此其結果十分接近正確的數字。

圖1 埃拉托色尼計算地球周長示意圖

（4）地理大發現：發現地球

地理大發現指15-17世紀，歐洲航海者開辟新航路和“發現”新大陸的通稱。包括1492年哥倫布（Cristoforo Colombo，約1451—1506年）橫越大西洋，到達中美洲巴哈馬群島的所謂發現新大陸；1498年達●加馬（Vasco da Gama，約1460—1524年）繞非洲渡印度洋抵印度南端的所謂發現新航道等等。

地理大發現是人類未知世界向已知世界變更的飛躍，也可以說是把人類呈點狀分布的已知世界彼此銜接起來，形成了面狀分布的已知世界。阿爾夫雷德●赫特納說，地理大發現以前，地球上約有3/4是未知地，地理大發現卻一下子使全球都變成了已知世界。普雷斯頓●詹姆斯則認為：地理大發現劃出了地球上大陸的輪廓，改正了世界地圖上的錯誤，表現了多種多樣的世界。地理大發現對人類古代的地理學理論進行了驗證和清理。古代學者埃拉托色尼提出，后來又為托勒密所闡釋的地球球形體的理論，通過地理大發現得到證實，成為顛撲不破的真理。

（5）“鴨梨”還是“西瓜”：地球形狀的精確測量

①1669～1671年，法國科學院指定由巴黎天文臺臺長皮卡爾（J. Picard，1620—1682）領導進行了一次最早的精密大地測量，根據用天文方法測量的結果，推算出子午圈半徑為6372公里。

②1671年，法國天文學家里希爾（J.Richer，1630-1696）受巴黎科學院派遣，去南美法屬圭亞那首府卡曼（5°N）作天文觀測，他隨身帶有擺鐘，擺長在巴黎校準為994毫米。到卡曼后，他發現擺鐘每天慢2.5分鐘。起初，他認為是自己的疏忽，在巴黎沒有校準。于是他根據卡曼恒星經過子午線時刻，重新校正擺長，把擺長縮短為990毫米。擺鐘走準后，他就不再注意這個問題了。工作結束回到巴黎后，發現擺鐘又不準了，每天快2.5分鐘。他再次校正擺長，恢復到原來的994毫米后，又定準了。

里希爾在這個偶然發現中思索：地球并非正圓體，巴黎與卡曼的重力值不同。這是個大膽的推斷，因為自古以來，認為物體的重量在各地是恒定不變的。現在里希爾把物體重力與地球形狀聯系起來考察，推翻原來的既成觀念，這一膽大妄為的行為被巴黎科學院的頑固分子攻擊為背叛科學，他因此被開除出科學院。

③1687年，牛頓第一個提出地球橢球體概念，地球是一個旋轉體，由于旋轉而具有離心力（斥力）。旋轉中，赤道的離心力最大，兩極處為零。牛頓認為，地球是個兩極扁縮、赤道凸出的橢球體。牛頓建立地球橢球概念，不只是運用了如上的演繹推理，而且還引用法國天文學家老卡西尼（D.Cassini）觀察到木星兩極扁平的資料，作了類比推理。

④法國人最早精確測定子午線一度之長但未能利用這個數據作出科學推論。法國天文臺前后四任臺長對法國境內子午線長度進行多次實測。他們比較南北兩段子午線長度發現，南段子午線一度之長長于北段。據此他們認為地球形狀是兩極拉長的“西瓜”形橢球體。

⑤18世紀30年代，扁平橢球與拉長橢球之爭：

巴黎科學院派出兩支測量隊，分別在北極圈附近拉普蘭地區（66°N）與南美秘魯地區（2°N）實測子午線長度，以便與巴黎子午線長度作比較，以解決紛爭。拉普蘭測量隊于1735年出發，由大地測量學家、天文學家莫泊丟（Mauperuis，1698-1759）領導，著名數學家克萊勞（C1airault，1713-1765）參加了這個隊。該隊使用三角測量法，實測子午線一度之長為111918米，與卡西尼父子實測巴黎子午線一度之長（111212米）相比，顯然要大。但是隊內堅持卡西尼“西瓜”球型概念的成員懷疑測量精度，于是又利用兩個月時間把全部數據復查一遍，同時也進行了秒擺試驗，試驗結果也肯定牛頓的觀點，巴黎校準的擺長，在北極圈變快。北極隊于1737年結束工作。

秘魯測量隊于1734年出發，1744年才回到巴黎。該隊實測的子午線一度之長為110602米，顯然比巴黎子午線要短些。這兩個測量隊用確鑿數據解決了長達57年的地球形狀爭論。

（6）“大鴨梨”的精確形狀：基于衛星的測量結果

1957年人造地球衛星的出現，為精確測量地球形狀帶來了巨大變革，并發展了衛星大地測量學（satellite geodesy）。1958年，僅根據蘇聯“人造地球衛星”2號幾個星期目視觀測資料，就推得較準確的地球扁平率為1：298.24。1959年又按“先鋒”1號衛星的觀測數據，進一步推知地球的南、北半球不對稱，大地水準面在北極處隆起約10米，南極處下陷約20多米（見圖2）。

圖2 對地球形狀的衛星測量

思考與討論：

1. 里希爾何以得出地球并非正圓體的結論，其依據是什么？我們可以從里希爾身上學到什么？

2. 解決18世紀30年代關于地球形狀是扁平橢球還是拉長橢球之爭的方法是什么？這給了我們什么啟示？

3. 請說出上述科學家在探索地球形狀的過程中都運用了哪些科學方法？

設計與論證：

1. 假如你是亞里士多德，請你設計一個方案證明地球是“圓”的。

2. 在現今條件下，你還有哪些方案觀測地球的形狀？與亞里士多德時期比較有何差異？這說明了什么？

3. 你是否贊成埃拉托色尼對地球圓周的計算方法？你還有其他的方法嗎？

【評析】

上述探究主題活動方案是筆者根據地理學史中對地球形狀的探究過程，截取其中關鍵性的人物和事件組織形成的。而在當前的地理教科書中，僅僅向學生呈現：地球是一個赤道略鼓兩極稍扁的橢球體。筆者首先梳理地理學史中關于“人類是如何證明地球形狀的？”的相關史實，然后對這些史實進行分析，截取其中關鍵性的人物和事件，對其進行加工，凸顯其科學探究的過程、方法、對科學問題思考和解決方式的差異等方面。最后通過設計引導性的提問，引發學生思考：從地方到地圓人類經歷了哪些階段，對地球半徑的計算人類經歷了哪些階段？科學家們都采用了什么方法來證明地球的形狀，并對科學史上每一次人類對地球形狀認識的重大突破所采用的方法、得出什么結論、結論是否可靠、存在什么問題等展開思考和討論。教師也可以讓學生針對材料或者報告中所展示的研究細節——問題、數據、解釋和結論等自主提出問題。最重要的一點是，教師需要給學生提供多元的視角——關于某一現象、問題的多種解釋或者爭論，讓學生思考科學知識是如何被建構的，提高他們對科學本質的認識，發展他們的邏輯思維能力和批判性思維能力。采用這種方式，既能通過科學家的探究精神來鼓舞學生，也可以讓學生對科學知識建構過程有“驚羨之感”，同時讓學生了解地理學史上的一些地理科學問題的研究方法，這些將有助于培養學生的創新思維。

[1][2] 徐學福. 模擬視角下的探究教學研究[D]. 西南師范大學博士論文, 2004.