巧用地理学史开展“探究之探究”活动**

浙江师范大学地理与环境科学学院（321004） 张建珍

一、“探究之探究”活动概述

探究之探究是指教师为学生提供科学史或者当代科学家对某些科学问题的探究资料，学生针对科学家研究的细节展开讨论：研究的问题、搜集的数据、技术在研究中所起的作用、对数据的解释以及科学家所作的结论。[1]如果可能，学生还应阅读其它解释、不同或相矛盾的实验、对研究假设与应用证据以及其它科学探究问题的争论。通过这种方式让学生理解什么是科学知识，科学知识是怎样获得的。[2]“探究之探究”的教学方式最早由美国的施瓦布提出，经过半个世纪的发展，现在已经成为培养学生科学探究能力的重要途径和方式。根据其资料的来源，可以分为基于科学史的探究和基于当代科学问题的探究。当前世界各国科学教育界对科学史的教育价值高度关注，而在我国地理科学教育尤其是地理科学探究学习中，地理学史的价值未被充分挖掘，因此，接下来笔者将着重论述如何基于地理学史设计地理科学探究主题活动。

二、基于地理学史的科学探究主题活动的设计原理

从地理学史出发设计探究主题活动时，要注意我们不能只将史实作为一种静态的材料呈现，作为一种“最终形式”来设计地理科学探究主题，而要特别强调展现科学家如何寻找证据，如何在前人的基础上推进科学进步的过程，并且引发学生思考诸如“科学证据如何为科学结论服务”、“科学推论基于什么基础”等问题，以提升学生对科学本质的理解。

笔者以为，在从地理学史出发进行地理科学探究主题的开发时，可以采取几种有代表性的方式：（1）围绕某个科学问题如“地球的形状是怎样的？”将地理学史上的有代表性贡献的科学家的主要观点、贡献、科学研究的方法进行整理，形成一个序列，辅以生动的语言，让学生在如同读故事的过程中了解地理学史，并在文末提出旨在引发学生对地理科学探究方法、地理科学本质思考的问题。（2）采用角色扮演的方式。首先创设一定的类似于地理学史上某个地理学家所遇到的问题情境，让学生扮演这个科学家，去解决科学问题，之后再呈现地理学史的内容，让学生进行比较分析，以加深对地理科学探究的理解。（3）采用“历史穿越对话”的方式，将不同时期的地理学家围绕某一个地理科学问题组合到同一个主题中，让他们围绕问题展开对话，重点揭示这些科学家对这一地理问题的不同看法或采用的不同方法，引导学生思考地理科学是如何在不断地质疑与对话、探究中前进的。

三、设计方案及评析

【案例】“探究之探究”主题案例：从地“方”到地“圆”

（1）地“方”的观点（即认为地球为平面）

米利都的泰勒斯（前624～前547年）、阿那克西曼德（前610～前546年）把地球想象成一个漂在水上的圆盘。“历史学之父”希罗多德（推测为前484～前426）认为：地球是一个椭圆的平面，拱形的苍穹倚寄其上。在夏季，太阳每天在其上运行时，正好通过苍穹的中央；而在冬季，它在寒冷的影响下，就偏离这条轨道而偏南行走。

（2）地圆论（即认为地球为球体）

亚里士多德第一个为地球是球形找出证据：①月蚀时地球的影子移过月亮时，影子的边是圆周形。②当一个人向北方旅行时，各种星辰高出地平面的高度就增加。

（3）地球有多大：地球周长的测算

埃拉托色尼（约公元前273—前192年）是第一个提出利用大地测量方法计算地球圆周长度并较为准确地测得地球圆周长度的人。埃拉托色尼观察到夏至那天太阳的影子正好倒映在西埃尼的井水中（图1中的W点），他得出当日太阳光线垂直于W点；他以亚历山大博物馆外高耸的方尖石塔（图1中的O点）作为日晷，在夏至这一天测量了太阳影子的长度。同时，他也能测量垂直的石塔与太阳光线之间的角度。埃拉托色尼利用著名的泰利斯定理，计算出OCS角的大小；他计算出这段弧线长度占地球周长的五十分之一。这样一来，只需要知道西埃尼与亚历山大之间的距离，埃及人提供的数据是500英里，这样只要将这个数字乘以五十。因此，埃拉托色尼测量出整个地球的周长是大约25000英里（实际上通过南北两极的周长是24860英里）。那个时代的测量很不精确。埃拉托色尼假设亚历山大正好位于西埃尼的正北，然而事实上应该位于西埃尼以西约3度。而西埃尼和亚历山大之间道路的长度，埃及人认为大约是500英里，而事实上是453英里。此外西埃尼实际的纬度是北纬24°5’（24度5分），位于北回归线稍北。但是巧合的是，这些误差相互之间抵消，因此其结果十分接近正确的数字。

图1 埃拉托色尼计算地球周长示意图

（4）地理大发现：发现地球

地理大发现指15-17世纪，欧洲航海者开辟新航路和“发现”新大陆的通称。包括1492年哥伦布（Cristoforo Colombo，约1451—1506年）横越大西洋，到达中美洲巴哈马群岛的所谓发现新大陆；1498年达●加马（Vasco da Gama，约1460—1524年）绕非洲渡印度洋抵印度南端的所谓发现新航道等等。

地理大发现是人类未知世界向已知世界变更的飞跃，也可以说是把人类呈点状分布的已知世界彼此衔接起来，形成了面状分布的已知世界。阿尔夫雷德●赫特纳说，地理大发现以前，地球上约有3/4是未知地，地理大发现却一下子使全球都变成了已知世界。普雷斯顿●詹姆斯则认为：地理大发现划出了地球上大陆的轮廓，改正了世界地图上的错误，表现了多种多样的世界。地理大发现对人类古代的地理学理论进行了验证和清理。古代学者埃拉托色尼提出，后来又为托勒密所阐释的地球球形体的理论，通过地理大发现得到证实，成为颠扑不破的真理。

（5）“鸭梨”还是“西瓜”：地球形状的精确测量

①1669～1671年，法国科学院指定由巴黎天文台台长皮卡尔（J. Picard，1620—1682）领导进行了一次最早的精密大地测量，根据用天文方法测量的结果，推算出子午圈半径为6372公里。

②1671年，法国天文学家里希尔（J.Richer，1630-1696）受巴黎科学院派遣，去南美法属圭亚那首府卡曼（5°N）作天文观测，他随身带有摆钟，摆长在巴黎校准为994毫米。到卡曼后，他发现摆钟每天慢2.5分钟。起初，他认为是自己的疏忽，在巴黎没有校准。于是他根据卡曼恒星经过子午线时刻，重新校正摆长，把摆长缩短为990毫米。摆钟走准后，他就不再注意这个问题了。工作结束回到巴黎后，发现摆钟又不准了，每天快2.5分钟。他再次校正摆长，恢复到原来的994毫米后，又定准了。

里希尔在这个偶然发现中思索：地球并非正圆体，巴黎与卡曼的重力值不同。这是个大胆的推断，因为自古以来，认为物体的重量在各地是恒定不变的。现在里希尔把物体重力与地球形状联系起来考察，推翻原来的既成观念，这一胆大妄为的行为被巴黎科学院的顽固分子攻击为背叛科学，他因此被开除出科学院。

③1687年，牛顿第一个提出地球椭球体概念，地球是一个旋转体，由于旋转而具有离心力（斥力）。旋转中，赤道的离心力最大，两极处为零。牛顿认为，地球是个两极扁缩、赤道凸出的椭球体。牛顿建立地球椭球概念，不只是运用了如上的演绎推理，而且还引用法国天文学家老卡西尼（D.Cassini）观察到木星两极扁平的资料，作了类比推理。

④法国人最早精确测定子午线一度之长但未能利用这个数据作出科学推论。法国天文台前后四任台长对法国境内子午线长度进行多次实测。他们比较南北两段子午线长度发现，南段子午线一度之长长于北段。据此他们认为地球形状是两极拉长的“西瓜”形椭球体。

⑤18世纪30年代，扁平椭球与拉长椭球之争：

巴黎科学院派出两支测量队，分别在北极圈附近拉普兰地区（66°N）与南美秘鲁地区（2°N）实测子午线长度，以便与巴黎子午线长度作比较，以解决纷争。拉普兰测量队于1735年出发，由大地测量学家、天文学家莫泊丢（Mauperuis，1698-1759）领导，著名数学家克莱劳（C1airault，1713-1765）参加了这个队。该队使用三角测量法，实测子午线一度之长为111918米，与卡西尼父子实测巴黎子午线一度之长（111212米）相比，显然要大。但是队内坚持卡西尼“西瓜”球型概念的成员怀疑测量精度，于是又利用两个月时间把全部数据复查一遍，同时也进行了秒摆试验，试验结果也肯定牛顿的观点，巴黎校准的摆长，在北极圈变快。北极队于1737年结束工作。

秘鲁测量队于1734年出发，1744年才回到巴黎。该队实测的子午线一度之长为110602米，显然比巴黎子午线要短些。这两个测量队用确凿数据解决了长达57年的地球形状争论。

（6）“大鸭梨”的精确形状：基于卫星的测量结果

1957年人造地球卫星的出现，为精确测量地球形状带来了巨大变革，并发展了卫星大地测量学（satellite geodesy）。1958年，仅根据苏联“人造地球卫星”2号几个星期目视观测资料，就推得较准确的地球扁平率为1：298.24。1959年又按“先锋”1号卫星的观测数据，进一步推知地球的南、北半球不对称，大地水准面在北极处隆起约10米，南极处下陷约20多米（见图2）。

图2 对地球形状的卫星测量

思考与讨论：

1. 里希尔何以得出地球并非正圆体的结论，其依据是什么？我们可以从里希尔身上学到什么？

2. 解决18世纪30年代关于地球形状是扁平椭球还是拉长椭球之争的方法是什么？这给了我们什么启示？

3. 请说出上述科学家在探索地球形状的过程中都运用了哪些科学方法？

设计与论证：

1. 假如你是亚里士多德，请你设计一个方案证明地球是“圆”的。

2. 在现今条件下，你还有哪些方案观测地球的形状？与亚里士多德时期比较有何差异？这说明了什么？

3. 你是否赞成埃拉托色尼对地球圆周的计算方法？你还有其他的方法吗？

【评析】

上述探究主题活动方案是笔者根据地理学史中对地球形状的探究过程，截取其中关键性的人物和事件组织形成的。而在当前的地理教科书中，仅仅向学生呈现：地球是一个赤道略鼓两极稍扁的椭球体。笔者首先梳理地理学史中关于“人类是如何证明地球形状的？”的相关史实，然后对这些史实进行分析，截取其中关键性的人物和事件，对其进行加工，凸显其科学探究的过程、方法、对科学问题思考和解决方式的差异等方面。最后通过设计引导性的提问，引发学生思考：从地方到地圆人类经历了哪些阶段，对地球半径的计算人类经历了哪些阶段？科学家们都采用了什么方法来证明地球的形状，并对科学史上每一次人类对地球形状认识的重大突破所采用的方法、得出什么结论、结论是否可靠、存在什么问题等展开思考和讨论。教师也可以让学生针对材料或者报告中所展示的研究细节——问题、数据、解释和结论等自主提出问题。最重要的一点是，教师需要给学生提供多元的视角——关于某一现象、问题的多种解释或者争论，让学生思考科学知识是如何被建构的，提高他们对科学本质的认识，发展他们的逻辑思维能力和批判性思维能力。采用这种方式，既能通过科学家的探究精神来鼓舞学生，也可以让学生对科学知识建构过程有“惊羡之感”，同时让学生了解地理学史上的一些地理科学问题的研究方法，这些将有助于培养学生的创新思维。

[1][2] 徐学福. 模拟视角下的探究教学研究[D]. 西南师范大学博士论文, 2004.