基于科学史培养学生科学思维方法阿——以浙教版初中科学“地球的形状”为例

陈苍鹏

【摘要】科学思维与方法看似抽象复杂，实则有迹可循，地理学中有概念、实验、规律、应用等内容，都有一定的思维过程与方法。今天的课堂，对于“地球是什么形状的”这样一个问题，通过历史上不同阶段对地球的认识，就必然用到不同的思维方法，学生循着科学家思考的路径去探究本质、发现真理。

【关键词】思维方法；科学史；地球形状

地球是一个巨大的球体，人们对地球的认识经历了漫长而艰难的探索过程，从古人基于自己生活环境的观察、抽象、神化等手段提出“天圆地方”说等，到埃拉托色尼采用天文、数学、地学等科学方法测量地球周长，到麦哲伦环球航行的实证法，以及现代多种探测技术的运用，人们最终发现地球是个两极稍扁、赤道略鼓的不规则球体，等等。自古至今，无不充分利用科学思维方法来建立自己心目中的地球的概念。

一、基于生活环境想象地球形状

这个阶段主要是古人类的认识，由于古时候，限于科技、交通、科学水平等因素，古人类对于地球的认识主要体现“身边生活环境的特点”来认识地球，比如，古中国的“天圆地方”和古印度的地球观，都深深地烙上“环境”的印。实际上，这也是一种重要的方法，现在仍然可以借鉴。因此，在教学过程中，通过提供材料，让学生认识到古人类认识地球的方法和思维特点。

【教学片段1】古人对地球形状的认识

1．古中国人对地球形状的认识

请各位同学阅读以下民歌：“敕勒川，阴山下。天似穹庐，笼盖四野。天苍苍，野茫茫。风吹草低见牛羊。”其意思是什么？

生1：意思就是“敕勒川的天空啊，它的四面与大地相连，看起来好像牧民们居住的毡帐一般……”

师：这就是我国古人的地球观。

生2：如果是这样的话，无法解释日月星辰怎么升降起落。

生3：这是由于古人的视野仅仅局限于地球微小的一角，由于当时科技落后，人们的活动范围狭窄。

通过以上教学，培养学生批评思维的能力，能从古人对于地球的认识，分析出当时人们的局限性与文明进步所在。

2．古印度人对地球形状的认识

材料展示：印度人崇拜蛇，视蛇为“神”的化身，而眼镜蛇尤受崇敬，被称为“努拉盘布”，即“善蛇”。印度人的生活等都跟大象息息相关。

小组讨论：请你说说古代印度人的地球观。

生1：因为古印度的地形象一个盾牌。印度国土形状犹如一个倒置的三角形，北部（喜马拉雅 ）山地，中部（中央平原 ）平原，南部（德干 ）高原。

生2：也像古中国一样，从自己的生存环境出发构建地球观，并神化。

生3：古人不敢想象地球是一个球体，因为如果是球体的话，球体的“下方”的人“会摔下去的”。因为还不知道万有引力存在……

师：实际上，不同的地方，都有自己独特的认识，并在此基础上，形成自己的民族文化，比如中国的古钱币“孔方兄”，北京的天坛与地坛等等无不受“天圆地方”的观念所影响。

人类文明进程与科学发展密切相关，科学的不断进步与发展极大地促进了人类文明进程。通过大量的材料，了解古人类对于地球的认识方法，并引发思考，古人为什么这样思考？为什么这样建立模型？通过学生合作与教师引导，总结出人类认识地球是一个漫长的过程，同时科学发展水平也会限制人们对事物的认识，比如，学生居然提出古人不敢想象地球是一个球体，因为如果是球体的话，球体“下方”的人“会摔下去的”。

二、基于观察构建地球形状

在很多情况下，观察会受环境与心理等各种因素的影响，单凭我们的感官进行观察还不能对事物做出可靠的判断，尤其是在浩瀚的自然界，仅靠我们感官观察会有很多局限¹。因此，在朦胧阶段，人们主要通过感官观察所得出的结论和所建立的模型往往是不可靠，往往是片面的。观察是重要的科学研究方法，许多事物需要经过仔细、准确的观察和实验，并通过认真、严密的思考后，得出的结论就比较可信。

【教学片段2】“帆船远去”现象解释

一方面人们长期被“地是方的”等等观点作用着，但是，人们也早就知道“帆船远去，船身先消失。船帆后消失”现象，这个现象能说明什么？

学生通过铅笔盒篮球来模拟实验来解释这个假设。

生：地球的形状可能是不平的，可能是圆弧形的……

师：当我们观察的时候，应该多向观察还是朝着一个方向观察？为什么？

生：应该多向观察，这样观察的结果更令人相信。

【教学片段3】月食现象

思考：哪些事情的发生令人信服证明了地球是球体的？

生：……

师：我们来看看月食现象，能说明什么？

生：月食现象能说明地球是一个球体，因为那些黑影就是地球的影子，呈圆弧形的。

师：汉代张衡发现月食的阴影边缘总是圆弧形，认为地球是圆的。张衡在当时观察月食，一次观察可以吗？月相可以证明吗？

生1：一次观察当然不可以，需要多次观察排除偶然性。

生2：月相只能说明月球是圆的，月食是地球的影子，可证明地球形状。

通过对“天涯海角”的质疑，呈现“帆船远去”现象，引导学生学会全面观察，尤其是“多次观察”、“多角度观察”等方法，同时，引入数学“任意选择”的方法，即任何一个角度观察帆船远去时的现象，都是船身先消失船帆后消失的现象。学生也从张衡的多次观察月食现象中概括出一般性概念、原则或结论——大地是圆的，让学生体验到任何一个科学规律或者结论必须具有“可检验性”，“可重复性”等基本科学方法。

三、基于数学逻辑论证地球

推理是从已知判断推出未知判断的思维形式，判断推理能力是思维能力的核心部分。在认识事物性质和关系的过程中，经常运用一些逻辑推理的方法，形成明确的概念，作出恰当的判断和进行合乎逻辑的推理。善于运用逻辑思维与方法的古希腊人率先提出了大地是一个圆球的想法。这里先有毕达哥拉斯，再到亚里士多德，到后来著名的地理学家埃拉托色尼，从数学哲学角度论证地球是一个圆球。

【教学片断4】从古希腊科学家的论证到麦哲伦环海航行

教师介绍，公元前 6世纪，古希腊数学家毕达哥拉斯根据“帆船远航”等现象结合数学原理，最先提出大地是球形的设想，他坚信所有立体图形中，球形是最美好的。

生：哦，这仅仅是毕达哥拉斯的一种“信念”，没有足够的证据来支持自己的观点。

师：在科学界，这种“信念”不是盲目的，是一种科学精神的折射，在一定条件下，可以转化为科学成果，比如，开普勒对自己的第谷老师留下的大量“无序的”行星数据进行研究，也是基于坚定的“信念”，加上艰辛的努力，发现了“行星运行规律:R³=kT²”.

教师继续介绍，前384----前322，亚里士多德根据月食时大地投射到月亮上的影子是弧形的现象，给出了地球是球形的第一个科学证据，支持了毕达哥拉斯的观点，第一次论证了大地是个球体，这是人类对地球形状认识的第一次飞跃。能得到这样的一个权威科学家的支持，人们逐渐相信地球是一个球体的说法。

公 元前3世纪末叶，古希腊地理学家埃拉托斯特尼天才地将天文学与测地学结合起来，根据正午射向地球的太阳光和两观测地的距离，第一次算出地球的周长。他选择同一子午线上的希恩和亚历山大，夏至日，希恩的一口深井可以让太阳光可直射到底，但亚历山大阳光是斜射的，他在亚历山大选择了一个很高的方尖塔，测量了高塔的阴影长度，测得太阳光射线与直立的方尖塔的夹角为7.2°如图1。

图1 埃拉托色尼测量地球周长

请同学们根据图中数据计算一下这两地所在的经线圈的周长，并与现在测得的赤道周长40075.7km比较一下，并说说为什么埃拉托色尼认为大地是一个球面，而不是一个平面？

生1：算得为39500km，与赤道相差不大。

生2：亚历山大阳光是斜射的，同时，“帆船远航”现象也是一个有力的证据。如果大地是一个平面，那么，亚历山大的阳光应该是直射大地的。

师：2 000多年前的埃拉托色尼利用简单的工具能比较准确地测量出地球周长，轰动了科学界，被评为“十大经典物理实验”之一。

师：麦哲伦是地圆说的信奉者，1519年9月，麦哲伦率领13艘远洋海船从西班牙出发，于1522年9月只剩1艘回到了西班牙。麦哲伦环海航行第一个证明了地球是圆球形的，并发现了各大海洋是连成一体的。至此，人们才真正确立地球是一个球体的概念。

学生通过“体验活动”，分析麦哲伦所经过的路径，得出地球是一个圆球的结论，并感叹于这位伟大航海家的勇气与毅力，领悟到强大的科学精神与意志力。

师：1687年，牛顿提出，由于地球自转产生的惯性离心力，致使赤道略鼓两极稍扁。^[1]

生：模拟地球自转（按如图装置）。发现“两极”会向着中间靠拢。

伽利略说，一切推理都必须从观察与实验得来。毕达哥拉斯根据“帆船远航”等现象，结合数学原理，推出“地球是一个球体”，之后的亚里士多德根据月食现象助证了他的观点，尤其是天才的埃拉托色尼 运用天文现象与数学方法进一步论证“地球是一个球体”，并进行实地测量与运算，较为准确地获得地球周长。这三位伟大的科学家根据当时条件，用逻辑证明或数学方法，对于地球形状的推理与论证的过程与方法，充满着智慧与灵动，学生由衷地感叹！麦哲伦环坚信“地球是圆的”的信念，采取环球航行的实证方法，深表敬意，以及牛顿基于实验与惯性理论进一步推导出地球是一个“赤道略鼓两极稍扁”的论断。

四、跳出地球看地球

不识庐山真面目，只缘身在此山中。以上的论证的方法，人们都是在地球上的观察、猜想、测量、环海航行等，毕竟之前的科技还是落后的。但是，人们所采取的方法，都为地理科学发展作出重要的贡献。到了现代，随着航天技术的发展，人们可以“跳出地球看地球”这是人们最直接的证据。

【教学片断5】跳出地球看地球

教师：随着航天技术的发展，人们到太空去观看整个地球的全貌，了解地球到底是什么样子的。展示地球卫星图片，学生感受地球。

教师设疑：地球是一个正球体吗?它到底是什么样的球体呢?组织学生观看科技纪录片：《地球的形状和大小》，视频介绍了地球是一个两极稍扁、赤道略鼓的椭球体。

师（继续引导）：随着现代科技发展，地球动力学测量方法也得到了大力发展，人们可以综合多种方法，获得精确的数据：赤道半径6378.137 km，极半径6356.752 km，平均半径6371. 012 km，扁率1/298. 257，赤道周长40075.7 km，子午线周长40008.08 km。

地球不是一个正球体，但为什么我们看到的地球照片，地球还是很圆呢？请同学们根据数据按比例缩小，画一个地球的平面图，然后用圆规再以极半径或者赤道半径在同一个圆心画一个圆，比较一下。

生 （汇报）：地球的整体形状十分接近于一个扁率非常小的旋转椭球体，即扁球体，其赤道半径略长、两极半径略短，但是，这么小的扁率，对地球整体来说都是很小的。极半径比赤道半径短21km，但对于地球平均半径6371km来说，这21km是很小很小的。

师：肯定了学生的说法后，补充：其南半球略粗、短一些，南极向内凹进30m，北半球略细、长一些，北极约向上凸出10m，因此，有人说，地球形状略呈梨形²。如图2.但是，如果从宇宙

图2 地球形状示意图

（据D.G.King-Hele et al.1969）

太空看地球，看到的一个相当圆的正球体。也就是说把地球看作正球体，近似程度已经很高。因此，我们日常教学中，采用的地

球仪是一个正球体，绝对没有失误。^[3]

科学需要密切联系实际，并要与时俱进，充分运用已有的条件来认识事物，比如当代就采用卫星技术观测地球并获得更为精密的数据，进一步探究地球的形状。引导学生根据已知事实，进行比较与探究，通过画图探究事物的本质，学生既要遵照客观现实，又要跳出生活实际进行合理的思考。这里，需要教师设置不同层次的问题激发学生的思维，引导更多的学生参与思考，同时，也培养学生敢于对权威质疑，提出自己的见解。通过学生的合作学习，进一步加深认识事物，也有利于培养学生学会倾听与思辨，而不是“只见树木不见森林”。

科学方法是人们认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的思维方式与思维方法，如果把科学比喻为一串项链，那么科学知识就是一个个珠子，而科学的思维方法是一根线。³可见，科学方法之地位。从某种意义上说，方法就是一种能力。科学史中对于某一概念、规律的形成，其过程中，蕴含大量的科学思维方法，通过对科学史的教学与挖掘，有助于培养学生的方法与技能。

参考文献：

1

2

3[1]汪新文.地球科学概论【M】.北京：地质出版社，2013:29

[2]陶世龙，万天丰.地球科学概论【M】.北京：地质出版社，2010:1-2

刘南.地球概论【M】.北京：高等教育出版社，1987：175-181

[3]应发宝，田玮.管窥物理科学（思维）方法的教育【J】.物理教学，2017.2.2-6,45.中学物理教与学，2017（4）：3