追寻先贤足迹，培养科学素养——以天体运动为例

余嘉伟

(广东省惠州市惠阳区第五中学 广东 惠州 516000)

1.高中物理教学中应重视科学史，培养学生探究精神

学生学习科学知识和基本技能的同时，也应重视对科学本质的理解。让学生了解先贤足迹，让学生知道人类对自然规律的认识和探索是逐步深入的，让学生明白通过思辨性的论战无法正确认识自然规律，而有限事实的归纳和单纯的逻辑推理也不会有新的发现。科学规律的发现，更加需要猜想、假设与检验。本文通过问、答、反思等方式，在讲解天体运动的教学过程中，渗透物理学史。

2.“地心说”的建立

教师：夜幕降临，仰望星空，星星大小不一、形态各异，展开想象，天体是如何运动的了？今天我们穿越时空隧道，去聆听古人探索行星运动的复杂且漫长的故事。

古希腊学者亚里士多德(Aristole，公元前384-322年)在研究自然规律时，主要依据经验和理性，建立“地心说”。他认为宇宙是一个有限的球体，人类所居住的地球位于宇宙的中心，太阳、月球等天体都在上帝的推动下绕地球做匀速圆周运动。

学生：但太阳、行星等天体若绕地球匀速圆周转动，那么为什么一年会有四季？为什么冬夏季中午太阳的大小不一样？为什么会出现行星逆行现象了？

3.“地心说”的发展与束缚

为进一步完善“地心说”，公元2世纪，古罗马天文学家托勒密(C.Ptole-maeus，90-168年)设计了本轮均轮模型，行星在小圆(即“本轮”)中做圆周运动；同时本轮的圆心又以地球为圆心做大圆(即“均轮”)的圆周运动。该理论较好地解释行星逆行现象，且预测行星的位置，能广泛用于航海和星占领域。但该理论非常繁杂，为了与观察结果相符，行星运动不仅只有一个本轮，而是有总数达80多个的“轮上轮”，且引入偏心点和均衡点等复杂概念。

学生：“地心说”理论复杂繁琐，为什么误导人类对天体运动认识长达一千多年？

教师：托勒密从观察行星运动现象出发，运用数学证明和逻辑运算构造完整的“地心说”宇宙论。由于“地心说”在现实生活中航海上具有实用性，且符合上帝选择地球为宇宙中心的说法，被基督教用来维护《圣经》，成为“天经地义”且“毋庸置疑”的理论。

反思：古希腊科学过多地集中在思辨层面，重视经验事实依据，轻视实验观测和数学逻辑推演。由于宗教神学的束缚，扭曲了人类对宇宙的认识，经过漫长的黑夜后，欧洲时期受文艺复兴影响，令探究科学的思想观念发生革命性改变，物理学由天上力学统一为地上力学，极大地促进物理学的发展。

4.哥白尼“日心说”，革命的开始

波兰天文学家哥白尼(Nikolaj Kopernik，1473-1543)坚持天体运动应该符合亚里士多德所描述的“常规运动”即匀速圆周运动，坚信天体运动可以通过简单的图式展示出来，提出了地球自转和地球及其他行星绕太阳公转的假设。经过在波兰长时间的天体运动观测和研究，在临终前在挚友奥西安德尔的帮助下发表了《天体运行论》，主要利用简单的数学图式展示天体运动。

教师：哥白尼提出了行星在各自的轨道上围绕太阳做匀速圆周运动——公转，行星自身也自转。行星逆行是因为公转轨道低的地球圆周运动的角速度比轨道大的天体快而形成的，太阳东升西落则是地球自转引起的。哥白尼给人们提供了一种简洁的全新宇宙图景：“太阳在这庄严的殿堂的中央，把它的光辉撒向宇宙的每一个角落”。

学生：伽利略“日心说”简洁且实用，为什么不广泛传播且应用了？

教师：通过伽利略、布鲁诺支持和广泛的传播，才被人们认识和接受，启发后人对权威宗教经典的质疑，对真理的不懈探索追求，结束了1000多年来“地心说”的束缚，沉重地打击了封建宗教神权的统治。

5.“日心说”的完善

受到哥白尼“日心说”的启发，开普勒(Johannes Kepler，1571-1630)继承导师第谷多年来天文观测资料及数据，在观察火星运动时发现理论预测与实际情况存在误差，开普勒坚信导师第谷天体运行数据是精准的。在1609年发表《新天文学》，首先提出行星运动第一定律和第二定律。又在1619年发表《宇宙的和谐》，提出行星运动第三定律。开普勒的研究补充和完善了哥白尼的“日心说”，并且具有极准确的航海实用性，极大的推动了“日心说”的普及。

教师：开普勒首先以太阳和火星作为参考系，在研究地球运动轨迹时，通过多个火星年的观测，得到在相邻时间间隔为提个火星年的数据观测，确定了地球公转轨道轨迹为一个椭圆，而太阳在椭圆的一个焦点上。

学生：历史上科学家对天体运动的研究原来是如此艰辛的！不仅需要渊博的知识，还需要复杂的数学演算，更重要的需要坚韧不拔的探究精神。这都是只等我们学习的！

6.结语

通过展现历史上先贤探索物理规律的艰辛历程，让学生了解先贤的生平事迹，从而对物理学习产生浓厚的学习兴趣，极大调动学生学习积极性。在天体运动的教学过程中，让学生了解知识的来龙去脉，有助于学生对自然规律的全面正确的深入理解，从而培养学生事实求是的科学素养，让学生掌握假设(包括逻辑推理和数学演算)和实验检验猜想的近代科学研究方式，最终帮助学生形成正确的人生观和价值观。