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[关键词]幼儿园 科学教育 科学教育活动化 唱儿歌学科学 搭积木学科学
科学教育对幼儿发展的价值,一直备受关注。
陶行知在《儿童科学教育》中指出,要“在小孩子身上,施以一种科学教育,培养他们对科学的兴趣,发展他们科学上的天才”。[ 《幼儿园教育指导纲要(试行)》指出,幼儿的科学教育是科学启蒙教育,目标是鼓励幼儿好奇心和探索欲望,发展幼儿的认知能力。201 1年3月颁布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》提出,要“实施科教兴国战略和人才强国战略”, “积极发展学前教育”,对学前科学教育的实施提出了更高的要求。针对当前部分幼儿园科学教育所存在的重结论性粗浅知识的学习、轻探索性活动操作的体验等问题,结合我们在指导学前教育专业高师生的科学教育活动实践。我们提出了“幼儿园科学教育活动化”教育方式,旨在启发各幼儿园根据其自身条件与特点,在科学教育活动中突出趣味性、参与性、创新性,更好地促进幼儿的科学素养和良好探究习惯的形成。
一
、幼儿园科学教育活动化的原则幼儿科学教育活动化作为一种新型教育教学方式,是指教师为幼儿营造一个可活动的空间。让幼儿在生动、有趣、适宜的活动中,形成对粗浅的科学知识的感悟并建构起相关的新经验。实施这一教育教学方式,应在突出以幼儿为本、强调幼儿积极参与的前提下,遵循以下原则:(一)系统性原则幼儿科学教育活动应是一个严密的活动系统.既要重视预成的科学教育计划的执行,也要注意根据园内教学实际情况,从幼儿实际出发生成幼儿感兴趣的科学教育活动.支持幼儿自发进行探索和发现活动。保护、培植幼儿可贵的好奇心和探究兴趣。在实施幼儿科学教育时。既要注重挖掘、整合、利用其他领域潜在的科学教育资源。也要注意将幼儿科学学习灵活渗透在一日生活的进餐、饮水、散步、盥洗等环节中随机进行,将显性的与隐性的科学教育活动相结合形成一个教育系统。
(二) 开放性原则
首先是科学教育理念的开放性。幼儿园实施科学教育的观念、手段、方法以及活动材料的投放不要拘泥于陈规,而应广开思路,提供一种让幼儿思维飞跃、个性张扬的活动氛围,鼓励其探索与创新。其次是科学教育环境设计的开放性。教学活动化的过程应是一个全面开放的过程、一个让幼儿能自由想象的活动空间、一个灵活而富有吸引力的学习环境,让幼儿热爱科学的种子在开放的活动环境中萌芽。再次,科学教育实施过程的开放性。幼儿科学启蒙教育不仅仅是幼儿教师的责任,同时也应是家长、社会的共同义务,幼儿科学教育要注重整合幼儿园、社区、家庭的教育资源以提高实施成效。
(三) 多样性原则
首先,科学活动内容选择要多元化。教师应根据不同的活动内容,从幼儿实际出发精心设计出多样化的活动。其次,科学活动场所应多元化。可以是活动室、图书馆、科学发现室、科技操作间,也可以拓展到社区、大自然之中。再次,幼儿科学活动体验渠道应多样化。教师应鼓励幼儿大胆运用语言、身体动作、绘画、建构材料、剪贴、角色扮52演、小实验等方式,进行科学探索成果的交流和评价。
(四)趣味性原则
兴趣是学习的动力。幼儿科学启蒙教育应当选择幼儿感兴趣的事物作为学习和探究的对象。 ( ]这就要求教师不断开发出幼儿感兴趣的教学资源,满足幼儿探索的需要,激发他们内在求知的动力。
所以,教师应与孩子进行深入的心灵沟通,关注孩子的喜怒哀乐,倾听孩子的内心呼唤,设计符合孩子心理特质的和兴趣点的科学活动,让孩子在兴趣的天空中以快乐的方式吮吸科学的营养。
二、幼儿园科学教育活动化的实施路径在幼儿科学教育活动化的实施过程中,我们强调突出“四性”,即教师的启发性、幼儿的参与性、活动的趣味性、教学的系统性,使幼儿园科学教育活动成为一个充满快乐、充满活力、生活化的系统活动,让孩子从中增长科学知识、提高科学素养。
主要实施路径为:
(一)唱儿歌,学科学儿歌具有琅琅上口、节奏明快、夸张形象、童趣盎然的特点,对幼儿有强烈的吸引力。在幼儿园教育实践中.我们将科学教育与语言活动有机结合,通过教师自创、引导幼儿共同创编等形式,编制了一些幼儿喜欢的富有科学教育内涵的儿歌.渗透在教育活动中引导幼儿学唱、传唱,使科学教育达到潜移默化的效果。例如:《太阳和地球》 (适用于中班、大班)太阳像妈妈.地球像丫丫:妈妈拉丫丫. 丫丫绕妈妈:跑了一大圈.新年来到啦。
《小弹簧》(适用于中班、大班)
小弹簧,钢丝绕,变个魔术你瞧瞧;用手压,它变小,手一松,它变高;打它一下不生气.摇头摆尾哈哈笑。
这两首儿歌生动形象地介绍了“地球绕日公转” 的天文知识和“弹性与弹力” 的物理知识,虽然所涉及到的知识对于幼儿来说要上中学才学到,但是以儿歌的形式对他们进行科学启蒙教育,使他们对相关概念有一个初步的、整体的认识,调动他们强烈的好奇心和探究欲.那么科学教育活动化的实施目标就达到了。
(二)做游戏,学科学
幼儿科学教育活动化离不开幼儿的积极参与。
教师只顾教。幼儿不参与、不体验,只能产生“一头热、一头冷”的尴尬场面。游戏是幼儿教育中最常用的手段,我们应有意识设计一些有趣的游戏,让幼儿积极参与、亲身体验,主动地投人到科学活动中去,在“玩中学、学中乐”。例如学习日食与月食的形成.由于它们是太阳、地球、月亮三者位置的关系变化所致,其知识内涵非常抽象,因此,我们设计了游戏“日、地、月,捉迷藏”并配上同名儿歌,激发幼儿主动参与“唱游”并从中学习相关知识,起到了良好的效果。游戏中,由三位幼儿分别扮演太阳、地球、月亮,在教师的具体指导下边念儿歌边做游戏(太阳不动,地球绕太阳跑,月亮绕地球跑)。以下是该游戏中的儿歌:《日、地、月,捉迷藏》 (适用于大班)地球绕着太阳跑。月亮绕着地球跑,跑呀跑,跑呀跑,月亮来把太阳挡(月亮在中间,三人成一直线),太阳忽然没处找地球绕着太阳跑,月亮绕着地球跑,跑呀跑,跑呀跑,地球来把太阳挡(地球在中间,三人成一直线),月亮忽然没处找。
跑呀跑,找呀找,找呀找,跑呀跑,太阳、地球和月亮,捉呀捉迷藏。
游戏使科学道理不再枯燥,使知识的内涵更加形象,使科学活动深受幼儿欢迎。幼儿在其中不但对抽象的科学知识有所感悟,而且陶醉在有趣的游戏过程中。
(三)搭积木,学科学幼儿科学教育活动要为幼儿选择可见、可闻、可摸、可操作的自然物或科学现象,以使幼儿从中获取直接经验或生动具体的知识。 [37搭积木是幼儿喜闻乐见的结构游戏活动。积木也可作为科学教育的材料。福禄贝尔认为,积木不仅是有趣的游戏材料,也是发展幼儿想象力、创造力和形象思维能力的重要工具。在他看来。个体对大小、形状、色彩等的知觉最初萌芽在幼儿期,这时候的孩子通过感官感知让朦胧的物质世界变得清晰起来,为此他还设计了特殊的幼儿教玩具—— “恩物”。
在科学教育活动化中.我们通过引导幼儿用积木搭桥梁、高楼、城门等,使他们从中了解一些简单的力学原理;我们还按照中国地图中各省、市、自治区的形状做成相应形状的积木.让孩子们在搭积木中熟悉相关知识。同时。幼儿在摆弄积木、尝试多种玩法的过程中,认识了物体的形状、色彩.懂得不同的积木材料的异同及其独特的建构方法,发展了认知、观察、分析等能力,为将来的学习打下良好基础。
(四)猜谜语,学科学
谜语中往往蕴含着丰富的科学知识,比如自然现象、气候特征、地名特产、植物动物特性等。猜谜语是幼儿所喜爱的活动之一.它特有的悬念能够使幼儿很快进入猜测、联想、探索的状态中,产生好奇、好问的心理和积极参与的欲望,是一种培养幼儿科学素养的有益方式之一。例如,我们编写的下面几组谜语就受到了幼儿欢迎:1.它来了,旗儿飘; 它走了,树不摇; 它怒了,河里波浪高又高—— 打一自然现象。 (谜底:风,适用于中班、大班)。
2.像面不能吃,像糖它不甜,像盐它无味,冬季满天飞——打一自然现象。 (谜底:雪,适用于中班、大班)。
3.一条大河宽又宽,没有河水没有波,银光闪闪白茫茫, 不见鱼儿不见船— — 打一天体 f谜底:银河系, 适用于大班)。
教师创编的谜语应贴近幼儿的理解能力,注意谜面的深浅度,所包含的科学知识必须在幼儿可理解的知识范围内,还应根据幼儿实际情况对其进行合理引导、适当启发。猜谜语可以在正式的科学教育活动中开展,也可以在日常生活游戏中进行。
三、实施幼儿园科学教育活动化应注意的问题近年来的科学教育活动化实践证明,它使幼儿的学习空间得以很大拓展,丰富了幼儿的知识经验和对周围世界的了解。同时也让幼儿获得了一些探究性学习的简单有效的方法并增强了成功感和自信心。在实施幼儿园科学教育活动化过程中.教师还应做好以下工作:(一)重视活动的设计教师应十分重视科学教育活动的设计.这是激励幼儿探索的兴趣和主动性的前提。活动设计应充分考虑如何将科学知识渗透于充满趣味的活动之中。活动形式应符合幼儿的心理需求,活动内容应考虑到孩子的特点,活动过程应具有一定的启发性,对幼儿科学素养的培养具有积极意义。总之,要在教案的编写、儿歌的创作、教具的制作等方面精心准备,使活动能够达到最佳效果。
(二)重视环境的创设
环境创设在幼儿科学教育活动中有着特殊的意义。 [43教师应尽可能地创设良好的活动环境,如设置“小自然角”、“小问号室”、“谜语小世界”、“科学儿歌墙” 等等,营造一种生动活泼的科学教育氛围;也可以带领孩子走到户外,让他们在与大自然的亲密接触中,认识、了解自然界的各种事物,培养其热爱科学、热爱自然的情感。
(三)重视活动的引导
教师应重视在活动中引导幼儿“动手”、“动脑”以及“创造”:要注重对幼儿群体和幼儿个体的引导,还要重视对特殊幼儿(如心理、生理有缺陷的幼儿)进行有针对性的引导,使每个幼儿都能在活动中有所收获。同时,教师应注意把握活动节奏,使整个活动有序、健康发展,让幼儿在丰富多采的活动中玩起来、乐起来,在玩中益智,乐中增知,提高科学素养。
听母亲说,小时候我很瘦很瘦。几年工夫,我竟像吹气球似的疯长,一米四几的个子,体重就达到了四十八公斤,整个儿一个“小胖墩儿”。走起路来一摇一摆,慢吞吞的,像只小企鹅,稍微用点劲儿就累得气喘吁吁。因此,我很苦恼。
父母的同事来家串门儿时,总会打着哈哈对爸爸说:“老张,瞧你儿子又白又胖,一定在吃上花了不少功夫吧?”接着还语重心长地劝道:“得多注意注意才是啊。”说罢,便转过头来拍拍我的肚皮,笑眯眯地说:“长大了准是当官儿的料。”哼,你们敢拿我开涮,这时我多半会愤然转身离去。
晚饭后散步时,老爷爷、老奶奶若碰见妈妈,总会唠叨两句:“给你儿子少吃点回锅肉,多吃些青菜萝卜,瞧这个胖哟。”一位快嘴阿姨竟冒出一句:“不过长胖了也好,去日本学相扑,没准儿还会为国争光哩!”我和妈妈一脸的尴尬。后来我拒绝出去散步,我真想把自己关在屋里,永远不出门了,可我还得上学呀。
到了学校却更糟,同学们给我取绰号,什么“小肥猪”“北极熊”,弄得你一点儿尊严都没有。女生简直坏透了,还会不怀好意地给我传授一些莫名其妙的“减肥秘方”。有的说:“我看啊,你去商店买‘康尔瘦’减肥茶,包你一个月像我一样苗条,‘亭亭玉立’。”说罢,还故意摆了个POSS。有人还搭上一句:“这事可不能过头了哟,若是绕着地球跑上一圈儿的话,大伙都该叫你瘦猴子啦!”引来一阵哄笑。我的脸火辣辣的,耳根子都在发
我当时那叛逆的情景,现在一幕幕的,仍旧是那么地清晰,当初,我比任何人都要早叛逆,你开始后悔当初带我来到这个世界,多少个夜里,你因为我的叛逆而痛哭流泪,然而,那个时候如此不懂事的我,却还不近人情地冲你大声嚷嚷!对不起,对不起!我当时的不懂事,请你千万千万要原谅我,我想,当初我对你的种种伤害,是我一辈子都偿还不了的吧!
我的不懂事,让你穷尽了财产上的资金链。
我当时每个星期往大型医院跑的情景,那么小的年龄,但是,我却能够一眼认出患有我这样的问题的人可以吃的药,我却可以一眼认出究竟哪一辆车,才是坐往那医院的路,我却可以和医院里面的护士成为无比好的朋友,我却可以清楚地记得在病房里面层楼的护士姐姐的名称。当时的我竟然也没有意识到,我每一进医院,你们都得节省出很大的支出,竟然还跟着当时的小屁孩吃外面的垃圾食品,即便很多次,当天吃了,当天晚上就发病,但是,自己却仍旧没有让自己禁得住诱惑!对不起,我一直都清楚地记得,你曾经对我说过,给我看病的钱,可以结成一条绳,绕着地球一周转了!是的,对不起,是我给你带来了这么大的损失。
我的不懂事,让坚强的你变得无比脆弱。
到了小升初,学校的老师都建议你说不要让我去有很大压力的学校读书,怕我的身体支撑不了,但是,我的任性不懂事,硬是不听老师和你及亲戚的劝,还是走进了私立学校这样的一个住宿生活!还记得当时你哭了吗?当时你在电话里头,哭着跟爸爸讲话,那种场面我还是记得的!还记得当时你再三劝我说,你不要失去我,要我平平安安健健康康就好,不要我去那么大的压力的学校。但是,我却也是不肯!终于,我还是迈进了这样的学校,迈进了随时可能离你而去的生活!
我的不懂事,让原本脆弱的你变得无比坚强伟大。
进入了初中生活,我离开了你两天半就出事了,我晕倒了,当时已经不省人事的我,把放在我嘴里怕我不清晰咬到舌头的班主任的手指咬受伤了,事后,校长说当时我是没了呼吸的。校长在跟你说的时候,还是惊魂未定的,但是,你却无比地淡定,病房里面的那些病人说你怎么可以让这么小的我接受军训呢。你笑着没有说话,他们说你根本就没有体会到我当初刚到医院的情况。你仍旧是没有说话,只是,不断地抚摸着我的头发,强笑,却也快落泪!
你已经不是一次两次被别人这样指着骂没有好好地爱护我了,但是,唯有我懂。
可怜天下父母心!
第一次走进健身房
促使我走进健身房的,源于9年前的那次同学会。
年轻的时候,我是著名的“骨感美人”,不知道从什么时候开始,我一年比一年胖。多年不见的老同学见了我,先是惊奇的眼光:“你从前那么瘦,现在……”为了不伤我的自尊心,下面的话他们没有说下去。
回到家里,在镜子前我仔细打量自己;体型松懈,手臂松垮,小腹隆起,腰部的赘肉一圈圈垂下来,整个人就像一只发泡的大馒头,从前的“玉树临风”哪里去了?
第二天是周末,我来到位于武汉广场七楼的女子健身俱乐部,花了三千多元办了一张健身年卡。在体能测评室,教练先检查了我的身体状况,除了体重超标,我的身体还出现了“亚健康”症状:肩周炎,肩部宽厚,因为长期在电脑前工作,肩胛骨有点变形。根据我的体能状况,教练为我安排了一套训练计划每周2小时,分3次练,包括有氧操、器械、形体训练,分别针对腹部,臀部、背部、肩膀和手臂、大腿的塑型。
刚开始健身,一切都是新奇的。第一次跳健美操,我还有点不好意思,可看了看身旁全情投入的伙伴们,我不由自主地投入其中,没有人嘲笑我动作的不规范。
跳完健美操,我已是大汗淋漓了,可教练又把我带到跑步机上,不一会儿,我双脚哆嗦,气喘吁吁,可威严的教练一直在旁边监督着,简直是度日如年!时间终于到了,我像被判了死刑的犯人突然获得赦免喜讯,连滚带爬从跑步机上跌下来。
第一天练完,我全身无力,洗完澡回家倒头便睡。奇怪,总是整夜失眠的我,这一夜睡得格外香甜。只是肢体仿佛不属于自己,浑身酸痛不能动弹。朦胧中想起了教练说过,这叫短时训练反应,我的身体因为长时间缺乏运动,才会出现酸痛感。
在运动中寻找乐趣
刚开始的新鲜劲过去后,接下来是要持之以恒的坚持。说实在的,别看一个星期只3次,但每次的运动量都不小,且单调乏味。一个月后,我开始逃避:下雨刮风,开会加班……都成为我逃避的理由。
的确,运动本身是枯燥的,要想让它变得生动,关键是在运动中寻找乐趣。为了让跑步变得生趣盎然,我设计了一个游戏:绕着地球跑。
我找来一张世界地图,贴在跑步机的正前方,我和会员们一起,选定每个人跑步的方向。喜欢三毛的会员以撒哈拉沙漠为终点,热爱足球的会员选择曼联总部――英国的曼彻斯特。我的目的地是洛杉矶的比华利山庄,我的偶像、银幕硬汉斯瓦辛格就在那里。我先把直线距离算出来,再把每次跑步的距离累积,我朝着心中的目标跑啊跑啊跑……4个月以后的一个清晨,我终于“见到了”心中偶像。
有了乐趣,运动就变得生动多了。以前看到那些将街舞跳得热烈奔放的年轻人,我心中有说不出的羡慕,教练得知后,专门为中年女性编排了一套自由随意的街舞,随着激越的乐曲,大家一起扭腰、送胯、旋转、摇摆……酣畅淋漓!
渐渐地我习惯了运动,也喜欢了运动。在教练指导下,我的运动量每隔两星期还会增加一点儿。6个月之后,我往磅秤上一站,好家伙!整整减掉了7千克,那是一只沉甸甸的猪后腿啊!
快乐健身4法则
假如你对健身还心存疑虑,请参考由本人总结出的4条快乐健身法则,或许会把你的疑虑消除:
快乐1 好身材靠运动不靠节食。节食出来的苗条缺乏线条美和活力,一脱衣服就原形毕露了;而运动出来的好身材可以经受露脐装和吊带裙的考验。两者的区别在于运动带来健美,节食带来消瘦。
快乐2 激情洋溢全身,美丽表里如一。化妆品可以遮盖脸上的瑕疵,但遮不住身心的疲惫,运动美人工作的时候风风火火,发白于内心的激情写在脸上,即使不化妆也光彩照人。
快乐3 运动是放松自己的好办法。面带菜色、两只黑眼圈是无能的表现;痛痛快快地流一场汗,用充沛的精力证明自己是一个办事有效率的典范。
快乐4 在音乐中微笑、抬头,是运动提醒我们生命中充满快乐,让我们对生命和健康满怀感恩之情。
健身运动友情提醒:
时间:健身是一项持之以恒的运动,时间必须保证。我每周健身3次。每次两个小时。才能将教练制定的训练计划保质保量地完成。
调整饮食结构。减少食物中淀粉和脂肪的含量,少油少甜食。多吃青菜和高质量的蛋白质。
选择《从哥白尼的日心说谈起》这个报告题目的原因有两个:首先,我的研究方向叫哈米利系统,假如你在高三学过微积分的话,就是微分方程,按导数定义的方程组,实际上是刻画天体运动的轨迹的理论系统,是牛顿时期建立起来的。所以我们研究的数学,实际上相当于是天体运动的数学基础,我们研究过程中和太阳系的天体运动有很大关系。其次,这个问题非常有趣,可能这里的很多问题在中学领域只是粗粗地讲了一下,但是并没有真正把这个问题的本质揭示出来,所以其中有很多事我想在这里介绍一下,以期引起大家的兴趣,也希望将来有更多的同学为祖国的科学事业作出更多的贡献。
要讲哥白尼的日心说,先要讲讲地心说。“天圆地方”的说法比地心说还要早,国外追溯到了15世纪,地心说理论才比较严密地建立起来。它实际上是要拿这个理论来解释看到的天象。为什么有这个兴趣?我想有两个原因,一个原因是农业,那时候社会的大部分经济活动都是农业活动,农业生产需要计算时间,按中国的说法叫“节气”,必须算准什么时候播种,什么时候收获;再一个原因,从当时的科学水平看还有占卜的意图,希望从天象上预告未来,这从某种意义上说是对的,按照天象来预测来年的农业影响,只是当时他们做出了一个完整的理论系统来做这个事。
1559年,根据托勒密的理论画出的三维图,还是地球在中间。往外分布的,当时已经发现的包括水星、金星、太阳、火星、木星、土星。因为他觉得地心说有的问题已经不能解释了,星球之间转动的时候,不是在一个平面上这么简单,光是一个平面的运动已经刻画不了了,所以用三维来刻画,但还是想象地球在中间,太阳等其他星球绕着地球转。其实这个很容易理解,符合当时的科学发展水平。即使咱们现在小的时候你去感觉的话,直观地感觉成这样还是对的。在当时看来这是天经地义的事情。这是在古希腊发现的一个图,是在天主教会发现的,是当时对世界看法的正统观念。
这是国外的情况。国内的情况是,我们国家古代的天文观测非常发达,在当时是第一流的。我国是最早记载哈雷彗星的,在公元前613年,这是国际上最早的。你们到大学二年级就会学到拉普拉斯方程,拉普拉斯是法国18到19世纪的数学家。那个时候数学家和物理学家是不分的,拉普拉斯写了一本书叫做《宇宙体系论》,第一部分就讲最早的有意义的天文观测记录,实际上就是那个我国春秋时期提到的哈雷彗星的出现。这是最早的,可以算出来那个时间观测到的就是哈雷彗星。我想这能反映当时我国古代的天文观测非常发达,这个观测的目的当然主要就是包括颁布历法。秦汉以来我国颁布了100多部历法,包括祖冲之这些人,实际上很大的工作都是算历法。
我们前面提到的“天圆地方”实际上不是地心说的概念。地心说的概念比这要晚,一般有两个说法,一个是盖天说,一个是浑天说。这是古代地心说的概念。《晋书》中提到,天是一个穹形,地也是一个穹形,地在中心,天在外面,相当于是两个同心球。浑天说的提出者是张衡,“浑天如鸡子,天体圆如弹丸,地如鸡子中黄”,相当于把地看成是一个蛋黄。这个想法基本上和地心说是一致的,当时包括测量天体运行的周期之类的很多做法,都是从这个基本理论出发来做的。比如祖冲之他们都计算得非常精确,和现在算的也就是一两分钟的误差了。
哥白尼是教士,当然现在我们说他是天文学家,他是第一个提出日心说的。实际上也不是第一个,曾经有人提出过但没有他这么大的影响。他是严格地建立了日心说的理论,在此之前他已经在各处讲他的理论了。1543年,他大约70岁左右去世,去世的那一天才拿到给他寄来的这本书。但实际上40岁以后他已经在欧洲的天文学界有相当的声望,他去罗马教廷讲课其中已经涉及日心说的理论,并不是我们想象的那样,一提日心说马上教廷就要把你关起来,情况不完全如此,有各种原因。看当时的历史就会知道,哥白尼在那个时候已经得到了天文学界和教廷比较广泛的尊重,被认为是一流的了。他的书一共是七卷,第一卷主要是理论,后面几卷主要是计算各种天体的位置,谈日心说对还是地心说对。哥白尼当时计算得非常准,他算出的地球公转周期是365天6小时9分40秒,比现在精确值多了30秒,这是500年前的结果。他得到的月亮到地球的平均距离,是地球半径的60.3倍,和现在的60.27倍相比,误差也非常小。由于他的杰出成就,已经在欧洲受到了非常广泛的尊重。
现在我要提的就是,为什么他要提出日心说?当时地心说也蛮好的,可以很好地解决这些事,那么他为什么要做这件事?为什么要考虑日心说呢?(学生:因为地心说已经解决不了一些问题了,所以需要哥白尼创立日心说去解释一些地心说不能解释的问题。)回答得很好,肯定是前头的理论不能解决一些问题。实际上,建立日心说不是为了单纯的创新,也不是为了理论的漂亮,也不是为了谋得更高的利益和名誉,而是因为当时有两个不能解决的最大的问题。第一个问题是水星和金星的出现。金星是早晨和傍晚出现,白天、晚上看不见,火星、木星和土星是整个夜间都能看到。如果地球是中心,所有星辰绕着地球转,应该是要看见都能看见,看不见的时候都看不见,不会发生一部分看得见,一部分看不见的情况。第二个问题是火星的逆行。实际上这些行星是从西向东运动,我们看到太阳从东往西运动是因为地球自转的参照。如果你把太阳的位置每天标记下来,可以发现实际上太阳在从西往东走。而如果你去标注火星的位置,你会发现有一段时间它会往回走。走了一两个月它又返回去,这是地心说不能解释的。实际上,哥白尼还发现一些其他不能解释的问题,他希望有一个新理论解决这些问题。
火星逆行的意思就是从西往东运动,如果每天标记的话,会发现有段时间它倒着走,走了一段时间又回来往前走。这是以恒星作为参考系来看火星的运动。所以按照托勒密的理论,这些现象都没法解释,用哥白尼的理论就可以把这个问题解释清楚。为什么?行星本身是不发光的,我们看到它是反射的光。比如咱们站在地球上,你要是在白天的话肯定什么都看不见,因为太阳太亮,不会给你反射过来。你在夜间看到火星的原因是你背着太阳,太阳光照着火星,火星再反射过来。金星在白天太阳光照到它,反射无效,太阳自己太亮,你只能看到太阳的亮光,所以也看不到它。要是早上和傍晚,太阳光斜着照它时才能把光反射回来。这是金星和火星能看见不能看见的最大差别,用日心说就能解释这件事。
火星逆行问题要复杂得多,主要是两个原因,一是因为地球和火星绕日旋转的周期不同,地球的公转周期是365天,火星的公转周期是687天,火星的公转周期长。二是它对太阳的公转半径比地球对太阳的半径要大,在地球的外侧。根据现代测量的结果,太阳的半径是696000公里,火星很小,半径3000多公里,到地球最小距离约5500万公里。当时哥白尼所看到的这些,就能解释为什么火星会往回转了。原因就是其一周期不同,其二距日半径不同。这是哥白尼要提出日心说最重要的原因,他发现原有理论的不足才会考虑修正或者原来的理论。
当时关于天体运动的研究有了重大的发展,其中一个重要人物是开普勒。他最重要的发现就是行星运动的椭圆轨道,椭圆曲线有两个焦点,在椭圆轨道上有一点到两点的距离的和是定长,这是椭圆的定义。他发现行星的运动是椭圆,而且是把太阳放在它的焦点上,后面涉及的物理、数学的东西多了,这里不详细介绍。这些都是开普勒当时做了大量的计算发现的定律。在这之后一个重要的科学家是牛顿,他建立了微积分学,实际上是把开普勒发现的现象用理论解释,同时再用这个理论预测下一步发生什么现象。他在1687年发表的《自然哲学》,对开普勒的发现进行了严格的证明。用牛顿的三大定律解释,第一是惯性定律,第二是作用在物体上的力等于质量乘以加速度,第三是两个物体之间的作用力和反作用力,在同一直线上,大小相等,方向相反。从这三个定律出发,就可以证明从数学角度严格地说开普勒是正确的,他用方程测算了行星的运动。
下面介绍海王星发现的过程,这里会更注重介绍它的数学背景。海王星现在被认为是最远的一颗行星。冥王星已经被认为不是行星了,只是一颗很小的小行星,不是真正的大行星。1781年发现了天王星,是通过观测发现的。发现之后在欧洲出了新的星图,每次都把观测到的新行星标出来,之后按照牛顿的方程计算这些行星在一段时间之后能走到什么地方,就可以精确地算出来,知道其对其他现象的影响。但计算完以后,天王星的算法和观测结果不同,说明外面还有个大的行星,引力影响到它了。后来发现了海王星。天王星为什么往外跑,因为外面有一个海王星。实际上要算一个天体的运动需要六个变量,现在已经忽略很多。当时发现算上海王星是行星,要算海王星,其他再忽略不计也应该是九个。要把这些都算出来,而且海王星也受到其他星体的吸引,需要精确的数据测得其他这些星体的运转规律和准确位置,然后反推海王星应该在什么地方。
你可以想象当时没有计算机,完全靠手算,这是相当不容易的事。1843年剑桥大学的一个毕业生叫亚当斯,他算出了天王星的位置,把结果交给了格林尼治,它是当时非常有名的天文台。当然他并没有详细地论证计算过程,没有引起科学家重视。几乎是同时,法国天文台的罗威业也研究了这个问题。法国有个科学院每年征集论文评奖,他的论文提交给了巴黎科学院。之后1946年又做了第二篇论文,做了精确的计算。这时格林尼治也注意到了罗威业的论文的重要性,这件事要去做。首先你要知道这些行星在天空的分布,要观测发现哪颗是新的,而且要判断是不是以前观测过的。实际上这时的格林尼治天文台做不了这个事,它没有最新的星图。柏林天文台刚刚做出最新的星图,罗威业说服了柏林天文台,他们拿到罗威业论文的当晚就找到了这颗行星,就在罗威业计算的位置角度误差不到1度,和亚当斯预测的大约差了10度。所以发现海王星以后,英国和法国两边都在争这件事,最后就说他们两个同时发现的。
从这些发现可以看出,首先你要掌握现有的理论,你要发现问题,发现不足,有相当的基础才可以做这个事。所以爱因斯坦在纪念牛顿诞辰300周年的文中写过这样的话,这段话写于1942年,即使今天看来也是非常重要的:“那些为天才继续发展所不可缺少的工具,主要来自于对星空的观察。像牛顿那样有创造能力的思想家,他们的思想如星空展翅高飞。”
所以对于科学研究的正确方法应该有一个提示:一是你有理论基础,二是要发现问题和不足。只有在了解已知的理论之上,你才会知道哪些是不能解决的和可能解决的。不能解决的可能要花费你很长时间的努力甚至一生的努力,也不见得能够解决。实际上涉及好几个因素,一个是过去的理论,你发现有问题以后,这些理论你是不是做一些修改,或者发展一些工具就够。也许你一个人的能力是够的,也许你的发展理论还不够,不能完全解决这些问题,但是你能把对这个问题的认识向前推进,也是很大的贡献。假如运气比较好,正好整个科学界也在研究类似问题,能够推进和解决这些问题的话,进展就会比较大。之后,再用这些理论去解决更多的问题。现在还有很多领域,比如数学在生物领域的运用。