追尋先賢足跡，培養科學素養
——以天體運動為例

余嘉偉

(廣東省惠州市惠陽區第五中學 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的理解。讓學生了解先賢足跡，讓學生知道人類對自然規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無法正確認識自然規律，而有限事實的歸納和單純的邏輯推理也不會有新的發現。科學規律的發現，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)在研究自然規律時，主要依據經驗和理性，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？為什么會出現行星逆行現象了？

3.“地心說”的發展與束縛

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象，且預測行星的位置，能廣泛用于航海和星占領域。但該理論非常繁雜，為了與觀察結果相符，行星運動不僅只有一個本輪，而是有總數達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象出發，運用數學證明和邏輯運算構造完整的“地心說”宇宙論。由于“地心說”在現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》，成為“天經地義”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，重視經驗事實依據，輕視實驗觀測和數學邏輯推演。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生革命性改變，物理學由天上力學統一為地上力學，極大地促進物理學的發展。

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，提出了地球自轉和地球及其他行星繞太陽公轉的假設。經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表了《天體運行論》，主要利用簡單的數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，行星自身也自轉。行星逆行是因為公轉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，啟發后人對權威宗教經典的質疑，對真理的不懈探索追求，結束了1000多年來“地心說”的束縛，沉重地打擊了封建宗教神權的統治。

5.“日心說”的完善

受到哥白尼“日心說”的啟發，開普勒(Johannes Kepler，1571-1630)繼承導師第谷多年來天文觀測資料及數據，在觀察火星運動時發現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據是精準的。在1609年發表《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據觀測，確定了地球公轉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.結語

通過展現歷史上先賢探索物理規律的艱辛歷程，讓學生了解先賢的生平事跡，從而對物理學習產生濃厚的學習興趣，極大調動學生學習積極性。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律的全面正確的深入理解，從而培養學生事實求是的科學素養，讓學生掌握假設(包括邏輯推理和數學演算)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。