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[關鍵詞]幼兒園 科學教育 科學教育活動化 唱兒歌學科學 搭積木學科學
科學教育對幼兒發(fā)展的價值,一直備受關注。
陶行知在《兒童科學教育》中指出,要“在小孩子身上,施以一種科學教育,培養(yǎng)他們對科學的興趣,發(fā)展他們科學上的天才”。[ 《幼兒園教育指導綱要(試行)》指出,幼兒的科學教育是科學啟蒙教育,目標是鼓勵幼兒好奇心和探索欲望,發(fā)展幼兒的認知能力。201 1年3月頒布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》提出,要“實施科教興國戰(zhàn)略和人才強國戰(zhàn)略”, “積極發(fā)展學前教育”,對學前科學教育的實施提出了更高的要求。針對當前部分幼兒園科學教育所存在的重結(jié)論性粗淺知識的學習、輕探索性活動操作的體驗等問題,結(jié)合我們在指導學前教育專業(yè)高師生的科學教育活動實踐。我們提出了“幼兒園科學教育活動化”教育方式,旨在啟發(fā)各幼兒園根據(jù)其自身條件與特點,在科學教育活動中突出趣味性、參與性、創(chuàng)新性,更好地促進幼兒的科學素養(yǎng)和良好探究習慣的形成。
一
、幼兒園科學教育活動化的原則幼兒科學教育活動化作為一種新型教育教學方式,是指教師為幼兒營造一個可活動的空間。讓幼兒在生動、有趣、適宜的活動中,形成對粗淺的科學知識的感悟并建構(gòu)起相關的新經(jīng)驗。實施這一教育教學方式,應在突出以幼兒為本、強調(diào)幼兒積極參與的前提下,遵循以下原則:(一)系統(tǒng)性原則幼兒科學教育活動應是一個嚴密的活動系統(tǒng).既要重視預成的科學教育計劃的執(zhí)行,也要注意根據(jù)園內(nèi)教學實際情況,從幼兒實際出發(fā)生成幼兒感興趣的科學教育活動.支持幼兒自發(fā)進行探索和發(fā)現(xiàn)活動。保護、培植幼兒可貴的好奇心和探究興趣。在實施幼兒科學教育時。既要注重挖掘、整合、利用其他領域潛在的科學教育資源。也要注意將幼兒科學學習靈活滲透在一日生活的進餐、飲水、散步、盥洗等環(huán)節(jié)中隨機進行,將顯性的與隱性的科學教育活動相結(jié)合形成一個教育系統(tǒng)。
(二) 開放性原則
首先是科學教育理念的開放性。幼兒園實施科學教育的觀念、手段、方法以及活動材料的投放不要拘泥于陳規(guī),而應廣開思路,提供一種讓幼兒思維飛躍、個性張揚的活動氛圍,鼓勵其探索與創(chuàng)新。其次是科學教育環(huán)境設計的開放性。教學活動化的過程應是一個全面開放的過程、一個讓幼兒能自由想象的活動空間、一個靈活而富有吸引力的學習環(huán)境,讓幼兒熱愛科學的種子在開放的活動環(huán)境中萌芽。再次,科學教育實施過程的開放性。幼兒科學啟蒙教育不僅僅是幼兒教師的責任,同時也應是家長、社會的共同義務,幼兒科學教育要注重整合幼兒園、社區(qū)、家庭的教育資源以提高實施成效。
(三) 多樣性原則
首先,科學活動內(nèi)容選擇要多元化。教師應根據(jù)不同的活動內(nèi)容,從幼兒實際出發(fā)精心設計出多樣化的活動。其次,科學活動場所應多元化。可以是活動室、圖書館、科學發(fā)現(xiàn)室、科技操作間,也可以拓展到社區(qū)、大自然之中。再次,幼兒科學活動體驗渠道應多樣化。教師應鼓勵幼兒大膽運用語言、身體動作、繪畫、建構(gòu)材料、剪貼、角色扮52演、小實驗等方式,進行科學探索成果的交流和評價。
(四)趣味性原則
興趣是學習的動力。幼兒科學啟蒙教育應當選擇幼兒感興趣的事物作為學習和探究的對象。 ( ]這就要求教師不斷開發(fā)出幼兒感興趣的教學資源,滿足幼兒探索的需要,激發(fā)他們內(nèi)在求知的動力。
所以,教師應與孩子進行深入的心靈溝通,關注孩子的喜怒哀樂,傾聽孩子的內(nèi)心呼喚,設計符合孩子心理特質(zhì)的和興趣點的科學活動,讓孩子在興趣的天空中以快樂的方式吮吸科學的營養(yǎng)。
二、幼兒園科學教育活動化的實施路徑在幼兒科學教育活動化的實施過程中,我們強調(diào)突出“四性”,即教師的啟發(fā)性、幼兒的參與性、活動的趣味性、教學的系統(tǒng)性,使幼兒園科學教育活動成為一個充滿快樂、充滿活力、生活化的系統(tǒng)活動,讓孩子從中增長科學知識、提高科學素養(yǎng)。
主要實施路徑為:
(一)唱兒歌,學科學兒歌具有瑯瑯上口、節(jié)奏明快、夸張形象、童趣盎然的特點,對幼兒有強烈的吸引力。在幼兒園教育實踐中.我們將科學教育與語言活動有機結(jié)合,通過教師自創(chuàng)、引導幼兒共同創(chuàng)編等形式,編制了一些幼兒喜歡的富有科學教育內(nèi)涵的兒歌.滲透在教育活動中引導幼兒學唱、傳唱,使科學教育達到潛移默化的效果。例如:《太陽和地球》 (適用于中班、大班)太陽像媽媽.地球像丫丫:媽媽拉丫丫. 丫丫繞媽媽:跑了一大圈.新年來到啦。
《小彈簧》(適用于中班、大班)
小彈簧,鋼絲繞,變個魔術(shù)你瞧瞧;用手壓,它變小,手一松,它變高;打它一下不生氣.搖頭擺尾哈哈笑。
這兩首兒歌生動形象地介紹了“地球繞日公轉(zhuǎn)” 的天文知識和“彈性與彈力” 的物理知識,雖然所涉及到的知識對于幼兒來說要上中學才學到,但是以兒歌的形式對他們進行科學啟蒙教育,使他們對相關概念有一個初步的、整體的認識,調(diào)動他們強烈的好奇心和探究欲.那么科學教育活動化的實施目標就達到了。
(二)做游戲,學科學
幼兒科學教育活動化離不開幼兒的積極參與。
教師只顧教。幼兒不參與、不體驗,只能產(chǎn)生“一頭熱、一頭冷”的尷尬場面。游戲是幼兒教育中最常用的手段,我們應有意識設計一些有趣的游戲,讓幼兒積極參與、親身體驗,主動地投人到科學活動中去,在“玩中學、學中樂”。例如學習日食與月食的形成.由于它們是太陽、地球、月亮三者位置的關系變化所致,其知識內(nèi)涵非常抽象,因此,我們設計了游戲“日、地、月,捉迷藏”并配上同名兒歌,激發(fā)幼兒主動參與“唱游”并從中學習相關知識,起到了良好的效果。游戲中,由三位幼兒分別扮演太陽、地球、月亮,在教師的具體指導下邊念兒歌邊做游戲(太陽不動,地球繞太陽跑,月亮繞地球跑)。以下是該游戲中的兒歌:《日、地、月,捉迷藏》 (適用于大班)地球繞著太陽跑。月亮繞著地球跑,跑呀跑,跑呀跑,月亮來把太陽擋(月亮在中間,三人成一直線),太陽忽然沒處找地球繞著太陽跑,月亮繞著地球跑,跑呀跑,跑呀跑,地球來把太陽擋(地球在中間,三人成一直線),月亮忽然沒處找。
跑呀跑,找呀找,找呀找,跑呀跑,太陽、地球和月亮,捉呀捉迷藏。
游戲使科學道理不再枯燥,使知識的內(nèi)涵更加形象,使科學活動深受幼兒歡迎。幼兒在其中不但對抽象的科學知識有所感悟,而且陶醉在有趣的游戲過程中。
(三)搭積木,學科學幼兒科學教育活動要為幼兒選擇可見、可聞、可摸、可操作的自然物或科學現(xiàn)象,以使幼兒從中獲取直接經(jīng)驗或生動具體的知識。 [37搭積木是幼兒喜聞樂見的結(jié)構(gòu)游戲活動。積木也可作為科學教育的材料。福祿貝爾認為,積木不僅是有趣的游戲材料,也是發(fā)展幼兒想象力、創(chuàng)造力和形象思維能力的重要工具。在他看來。個體對大小、形狀、色彩等的知覺最初萌芽在幼兒期,這時候的孩子通過感官感知讓朦朧的物質(zhì)世界變得清晰起來,為此他還設計了特殊的幼兒教玩具—— “恩物”。
在科學教育活動化中.我們通過引導幼兒用積木搭橋梁、高樓、城門等,使他們從中了解一些簡單的力學原理;我們還按照中國地圖中各省、市、自治區(qū)的形狀做成相應形狀的積木.讓孩子們在搭積木中熟悉相關知識。同時。幼兒在擺弄積木、嘗試多種玩法的過程中,認識了物體的形狀、色彩.懂得不同的積木材料的異同及其獨特的建構(gòu)方法,發(fā)展了認知、觀察、分析等能力,為將來的學習打下良好基礎。
(四)猜謎語,學科學
謎語中往往蘊含著豐富的科學知識,比如自然現(xiàn)象、氣候特征、地名特產(chǎn)、植物動物特性等。猜謎語是幼兒所喜愛的活動之一.它特有的懸念能夠使幼兒很快進入猜測、聯(lián)想、探索的狀態(tài)中,產(chǎn)生好奇、好問的心理和積極參與的欲望,是一種培養(yǎng)幼兒科學素養(yǎng)的有益方式之一。例如,我們編寫的下面幾組謎語就受到了幼兒歡迎:1.它來了,旗兒飄; 它走了,樹不搖; 它怒了,河里波浪高又高—— 打一自然現(xiàn)象。 (謎底:風,適用于中班、大班)。
2.像面不能吃,像糖它不甜,像鹽它無味,冬季滿天飛——打一自然現(xiàn)象。 (謎底:雪,適用于中班、大班)。
3.一條大河寬又寬,沒有河水沒有波,銀光閃閃白茫茫, 不見魚兒不見船— — 打一天體 f謎底:銀河系, 適用于大班)。
教師創(chuàng)編的謎語應貼近幼兒的理解能力,注意謎面的深淺度,所包含的科學知識必須在幼兒可理解的知識范圍內(nèi),還應根據(jù)幼兒實際情況對其進行合理引導、適當啟發(fā)。猜謎語可以在正式的科學教育活動中開展,也可以在日常生活游戲中進行。
三、實施幼兒園科學教育活動化應注意的問題近年來的科學教育活動化實踐證明,它使幼兒的學習空間得以很大拓展,豐富了幼兒的知識經(jīng)驗和對周圍世界的了解。同時也讓幼兒獲得了一些探究性學習的簡單有效的方法并增強了成功感和自信心。在實施幼兒園科學教育活動化過程中.教師還應做好以下工作:(一)重視活動的設計教師應十分重視科學教育活動的設計.這是激勵幼兒探索的興趣和主動性的前提?;顒釉O計應充分考慮如何將科學知識滲透于充滿趣味的活動之中?;顒有问綉嫌變旱男睦硇枨?,活動內(nèi)容應考慮到孩子的特點,活動過程應具有一定的啟發(fā)性,對幼兒科學素養(yǎng)的培養(yǎng)具有積極意義。總之,要在教案的編寫、兒歌的創(chuàng)作、教具的制作等方面精心準備,使活動能夠達到最佳效果。
(二)重視環(huán)境的創(chuàng)設
環(huán)境創(chuàng)設在幼兒科學教育活動中有著特殊的意義。 [43教師應盡可能地創(chuàng)設良好的活動環(huán)境,如設置“小自然角”、“小問號室”、“謎語小世界”、“科學兒歌墻” 等等,營造一種生動活潑的科學教育氛圍;也可以帶領孩子走到戶外,讓他們在與大自然的親密接觸中,認識、了解自然界的各種事物,培養(yǎng)其熱愛科學、熱愛自然的情感。
(三)重視活動的引導
教師應重視在活動中引導幼兒“動手”、“動腦”以及“創(chuàng)造”:要注重對幼兒群體和幼兒個體的引導,還要重視對特殊幼兒(如心理、生理有缺陷的幼兒)進行有針對性的引導,使每個幼兒都能在活動中有所收獲。同時,教師應注意把握活動節(jié)奏,使整個活動有序、健康發(fā)展,讓幼兒在豐富多采的活動中玩起來、樂起來,在玩中益智,樂中增知,提高科學素養(yǎng)。
聽母親說,小時候我很瘦很瘦。幾年工夫,我竟像吹氣球似的瘋長,一米四幾的個子,體重就達到了四十八公斤,整個兒一個“小胖墩兒”。走起路來一搖一擺,慢吞吞的,像只小企鵝,稍微用點勁兒就累得氣喘吁吁。因此,我很苦惱。
父母的同事來家串門兒時,總會打著哈哈對爸爸說:“老張,瞧你兒子又白又胖,一定在吃上花了不少功夫吧?”接著還語重心長地勸道:“得多注意注意才是啊?!闭f罷,便轉(zhuǎn)過頭來拍拍我的肚皮,笑瞇瞇地說:“長大了準是當官兒的料?!焙?,你們敢拿我開涮,這時我多半會憤然轉(zhuǎn)身離去。
晚飯后散步時,老爺爺、老奶奶若碰見媽媽,總會嘮叨兩句:“給你兒子少吃點回鍋肉,多吃些青菜蘿卜,瞧這個胖喲。”一位快嘴阿姨竟冒出一句:“不過長胖了也好,去日本學相撲,沒準兒還會為國爭光哩!”我和媽媽一臉的尷尬。后來我拒絕出去散步,我真想把自己關在屋里,永遠不出門了,可我還得上學呀。
到了學校卻更糟,同學們給我取綽號,什么“小肥豬”“北極熊”,弄得你一點兒尊嚴都沒有。女生簡直壞透了,還會不懷好意地給我傳授一些莫名其妙的“減肥秘方”。有的說:“我看啊,你去商店買‘康爾瘦’減肥茶,包你一個月像我一樣苗條,‘亭亭玉立’?!闭f罷,還故意擺了個POSS。有人還搭上一句:“這事可不能過頭了喲,若是繞著地球跑上一圈兒的話,大伙都該叫你瘦猴子啦!”引來一陣哄笑。我的臉火辣辣的,耳根子都在發(fā)
我當時那叛逆的情景,現(xiàn)在一幕幕的,仍舊是那么地清晰,當初,我比任何人都要早叛逆,你開始后悔當初帶我來到這個世界,多少個夜里,你因為我的叛逆而痛哭流淚,然而,那個時候如此不懂事的我,卻還不近人情地沖你大聲嚷嚷!對不起,對不起!我當時的不懂事,請你千萬千萬要原諒我,我想,當初我對你的種種傷害,是我一輩子都償還不了的吧!
我的不懂事,讓你窮盡了財產(chǎn)上的資金鏈。
我當時每個星期往大型醫(yī)院跑的情景,那么小的年齡,但是,我卻能夠一眼認出患有我這樣的問題的人可以吃的藥,我卻可以一眼認出究竟哪一輛車,才是坐往那醫(yī)院的路,我卻可以和醫(yī)院里面的護士成為無比好的朋友,我卻可以清楚地記得在病房里面層樓的護士姐姐的名稱。當時的我竟然也沒有意識到,我每一進醫(yī)院,你們都得節(jié)省出很大的支出,竟然還跟著當時的小屁孩吃外面的垃圾食品,即便很多次,當天吃了,當天晚上就發(fā)病,但是,自己卻仍舊沒有讓自己禁得住誘惑!對不起,我一直都清楚地記得,你曾經(jīng)對我說過,給我看病的錢,可以結(jié)成一條繩,繞著地球一周轉(zhuǎn)了!是的,對不起,是我給你帶來了這么大的損失。
我的不懂事,讓堅強的你變得無比脆弱。
到了小升初,學校的老師都建議你說不要讓我去有很大壓力的學校讀書,怕我的身體支撐不了,但是,我的任性不懂事,硬是不聽老師和你及親戚的勸,還是走進了私立學校這樣的一個住宿生活!還記得當時你哭了嗎?當時你在電話里頭,哭著跟爸爸講話,那種場面我還是記得的!還記得當時你再三勸我說,你不要失去我,要我平平安安健健康康就好,不要我去那么大的壓力的學校。但是,我卻也是不肯!終于,我還是邁進了這樣的學校,邁進了隨時可能離你而去的生活!
我的不懂事,讓原本脆弱的你變得無比堅強偉大。
進入了初中生活,我離開了你兩天半就出事了,我暈倒了,當時已經(jīng)不省人事的我,把放在我嘴里怕我不清晰咬到舌頭的班主任的手指咬受傷了,事后,校長說當時我是沒了呼吸的。校長在跟你說的時候,還是驚魂未定的,但是,你卻無比地淡定,病房里面的那些病人說你怎么可以讓這么小的我接受軍訓呢。你笑著沒有說話,他們說你根本就沒有體會到我當初剛到醫(yī)院的情況。你仍舊是沒有說話,只是,不斷地撫摸著我的頭發(fā),強笑,卻也快落淚!
你已經(jīng)不是一次兩次被別人這樣指著罵沒有好好地愛護我了,但是,唯有我懂。
可憐天下父母心!
第一次走進健身房
促使我走進健身房的,源于9年前的那次同學會。
年輕的時候,我是著名的“骨感美人”,不知道從什么時候開始,我一年比一年胖。多年不見的老同學見了我,先是驚奇的眼光:“你從前那么瘦,現(xiàn)在……”為了不傷我的自尊心,下面的話他們沒有說下去。
回到家里,在鏡子前我仔細打量自己;體型松懈,手臂松垮,小腹隆起,腰部的贅肉一圈圈垂下來,整個人就像一只發(fā)泡的大饅頭,從前的“玉樹臨風”哪里去了?
第二天是周末,我來到位于武漢廣場七樓的女子健身俱樂部,花了三千多元辦了一張健身年卡。在體能測評室,教練先檢查了我的身體狀況,除了體重超標,我的身體還出現(xiàn)了“亞健康”癥狀:肩周炎,肩部寬厚,因為長期在電腦前工作,肩胛骨有點變形。根據(jù)我的體能狀況,教練為我安排了一套訓練計劃每周2小時,分3次練,包括有氧操、器械、形體訓練,分別針對腹部,臀部、背部、肩膀和手臂、大腿的塑型。
剛開始健身,一切都是新奇的。第一次跳健美操,我還有點不好意思,可看了看身旁全情投入的伙伴們,我不由自主地投入其中,沒有人嘲笑我動作的不規(guī)范。
跳完健美操,我已是大汗淋漓了,可教練又把我?guī)У脚懿綑C上,不一會兒,我雙腳哆嗦,氣喘吁吁,可威嚴的教練一直在旁邊監(jiān)督著,簡直是度日如年!時間終于到了,我像被判了死刑的犯人突然獲得赦免喜訊,連滾帶爬從跑步機上跌下來。
第一天練完,我全身無力,洗完澡回家倒頭便睡。奇怪,總是整夜失眠的我,這一夜睡得格外香甜。只是肢體仿佛不屬于自己,渾身酸痛不能動彈。朦朧中想起了教練說過,這叫短時訓練反應,我的身體因為長時間缺乏運動,才會出現(xiàn)酸痛感。
在運動中尋找樂趣
剛開始的新鮮勁過去后,接下來是要持之以恒的堅持。說實在的,別看一個星期只3次,但每次的運動量都不小,且單調(diào)乏味。一個月后,我開始逃避:下雨刮風,開會加班……都成為我逃避的理由。
的確,運動本身是枯燥的,要想讓它變得生動,關鍵是在運動中尋找樂趣。為了讓跑步變得生趣盎然,我設計了一個游戲:繞著地球跑。
我找來一張世界地圖,貼在跑步機的正前方,我和會員們一起,選定每個人跑步的方向。喜歡三毛的會員以撒哈拉沙漠為終點,熱愛足球的會員選擇曼聯(lián)總部――英國的曼徹斯特。我的目的地是洛杉磯的比華利山莊,我的偶像、銀幕硬漢斯瓦辛格就在那里。我先把直線距離算出來,再把每次跑步的距離累積,我朝著心中的目標跑啊跑啊跑……4個月以后的一個清晨,我終于“見到了”心中偶像。
有了樂趣,運動就變得生動多了。以前看到那些將街舞跳得熱烈奔放的年輕人,我心中有說不出的羨慕,教練得知后,專門為中年女性編排了一套自由隨意的街舞,隨著激越的樂曲,大家一起扭腰、送胯、旋轉(zhuǎn)、搖擺……酣暢淋漓!
漸漸地我習慣了運動,也喜歡了運動。在教練指導下,我的運動量每隔兩星期還會增加一點兒。6個月之后,我往磅秤上一站,好家伙!整整減掉了7千克,那是一只沉甸甸的豬后腿啊!
快樂健身4法則
假如你對健身還心存疑慮,請參考由本人總結(jié)出的4條快樂健身法則,或許會把你的疑慮消除:
快樂1 好身材靠運動不靠節(jié)食。節(jié)食出來的苗條缺乏線條美和活力,一脫衣服就原形畢露了;而運動出來的好身材可以經(jīng)受露臍裝和吊帶裙的考驗。兩者的區(qū)別在于運動帶來健美,節(jié)食帶來消瘦。
快樂2 激情洋溢全身,美麗表里如一?;瘖y品可以遮蓋臉上的瑕疵,但遮不住身心的疲憊,運動美人工作的時候風風火火,發(fā)白于內(nèi)心的激情寫在臉上,即使不化妝也光彩照人。
快樂3 運動是放松自己的好辦法。面帶菜色、兩只黑眼圈是無能的表現(xiàn);痛痛快快地流一場汗,用充沛的精力證明自己是一個辦事有效率的典范。
快樂4 在音樂中微笑、抬頭,是運動提醒我們生命中充滿快樂,讓我們對生命和健康滿懷感恩之情。
健身運動友情提醒:
時間:健身是一項持之以恒的運動,時間必須保證。我每周健身3次。每次兩個小時。才能將教練制定的訓練計劃保質(zhì)保量地完成。
調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)。減少食物中淀粉和脂肪的含量,少油少甜食。多吃青菜和高質(zhì)量的蛋白質(zhì)。
選擇《從哥白尼的日心說談起》這個報告題目的原因有兩個:首先,我的研究方向叫哈米利系統(tǒng),假如你在高三學過微積分的話,就是微分方程,按導數(shù)定義的方程組,實際上是刻畫天體運動的軌跡的理論系統(tǒng),是牛頓時期建立起來的。所以我們研究的數(shù)學,實際上相當于是天體運動的數(shù)學基礎,我們研究過程中和太陽系的天體運動有很大關系。其次,這個問題非常有趣,可能這里的很多問題在中學領域只是粗粗地講了一下,但是并沒有真正把這個問題的本質(zhì)揭示出來,所以其中有很多事我想在這里介紹一下,以期引起大家的興趣,也希望將來有更多的同學為祖國的科學事業(yè)作出更多的貢獻。
要講哥白尼的日心說,先要講講地心說?!疤靾A地方”的說法比地心說還要早,國外追溯到了15世紀,地心說理論才比較嚴密地建立起來。它實際上是要拿這個理論來解釋看到的天象。為什么有這個興趣?我想有兩個原因,一個原因是農(nóng)業(yè),那時候社會的大部分經(jīng)濟活動都是農(nóng)業(yè)活動,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要計算時間,按中國的說法叫“節(jié)氣”,必須算準什么時候播種,什么時候收獲;再一個原因,從當時的科學水平看還有占卜的意圖,希望從天象上預告未來,這從某種意義上說是對的,按照天象來預測來年的農(nóng)業(yè)影響,只是當時他們做出了一個完整的理論系統(tǒng)來做這個事。
1559年,根據(jù)托勒密的理論畫出的三維圖,還是地球在中間。往外分布的,當時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的包括水星、金星、太陽、火星、木星、土星。因為他覺得地心說有的問題已經(jīng)不能解釋了,星球之間轉(zhuǎn)動的時候,不是在一個平面上這么簡單,光是一個平面的運動已經(jīng)刻畫不了了,所以用三維來刻畫,但還是想象地球在中間,太陽等其他星球繞著地球轉(zhuǎn)。其實這個很容易理解,符合當時的科學發(fā)展水平。即使咱們現(xiàn)在小的時候你去感覺的話,直觀地感覺成這樣還是對的。在當時看來這是天經(jīng)地義的事情。這是在古希臘發(fā)現(xiàn)的一個圖,是在天主教會發(fā)現(xiàn)的,是當時對世界看法的正統(tǒng)觀念。
這是國外的情況。國內(nèi)的情況是,我們國家古代的天文觀測非常發(fā)達,在當時是第一流的。我國是最早記載哈雷彗星的,在公元前613年,這是國際上最早的。你們到大學二年級就會學到拉普拉斯方程,拉普拉斯是法國18到19世紀的數(shù)學家。那個時候數(shù)學家和物理學家是不分的,拉普拉斯寫了一本書叫做《宇宙體系論》,第一部分就講最早的有意義的天文觀測記錄,實際上就是那個我國春秋時期提到的哈雷彗星的出現(xiàn)。這是最早的,可以算出來那個時間觀測到的就是哈雷彗星。我想這能反映當時我國古代的天文觀測非常發(fā)達,這個觀測的目的當然主要就是包括頒布歷法。秦漢以來我國頒布了100多部歷法,包括祖沖之這些人,實際上很大的工作都是算歷法。
我們前面提到的“天圓地方”實際上不是地心說的概念。地心說的概念比這要晚,一般有兩個說法,一個是蓋天說,一個是渾天說。這是古代地心說的概念。《晉書》中提到,天是一個穹形,地也是一個穹形,地在中心,天在外面,相當于是兩個同心球。渾天說的提出者是張衡,“渾天如雞子,天體圓如彈丸,地如雞子中黃”,相當于把地看成是一個蛋黃。這個想法基本上和地心說是一致的,當時包括測量天體運行的周期之類的很多做法,都是從這個基本理論出發(fā)來做的。比如祖沖之他們都計算得非常精確,和現(xiàn)在算的也就是一兩分鐘的誤差了。
哥白尼是教士,當然現(xiàn)在我們說他是天文學家,他是第一個提出日心說的。實際上也不是第一個,曾經(jīng)有人提出過但沒有他這么大的影響。他是嚴格地建立了日心說的理論,在此之前他已經(jīng)在各處講他的理論了。1543年,他大約70歲左右去世,去世的那一天才拿到給他寄來的這本書。但實際上40歲以后他已經(jīng)在歐洲的天文學界有相當?shù)穆曂?,他去羅馬教廷講課其中已經(jīng)涉及日心說的理論,并不是我們想象的那樣,一提日心說馬上教廷就要把你關起來,情況不完全如此,有各種原因??串敃r的歷史就會知道,哥白尼在那個時候已經(jīng)得到了天文學界和教廷比較廣泛的尊重,被認為是一流的了。他的書一共是七卷,第一卷主要是理論,后面幾卷主要是計算各種天體的位置,談日心說對還是地心說對。哥白尼當時計算得非常準,他算出的地球公轉(zhuǎn)周期是365天6小時9分40秒,比現(xiàn)在精確值多了30秒,這是500年前的結(jié)果。他得到的月亮到地球的平均距離,是地球半徑的60.3倍,和現(xiàn)在的60.27倍相比,誤差也非常小。由于他的杰出成就,已經(jīng)在歐洲受到了非常廣泛的尊重。
現(xiàn)在我要提的就是,為什么他要提出日心說?當時地心說也蠻好的,可以很好地解決這些事,那么他為什么要做這件事?為什么要考慮日心說呢?(學生:因為地心說已經(jīng)解決不了一些問題了,所以需要哥白尼創(chuàng)立日心說去解釋一些地心說不能解釋的問題。)回答得很好,肯定是前頭的理論不能解決一些問題。實際上,建立日心說不是為了單純的創(chuàng)新,也不是為了理論的漂亮,也不是為了謀得更高的利益和名譽,而是因為當時有兩個不能解決的最大的問題。第一個問題是水星和金星的出現(xiàn)。金星是早晨和傍晚出現(xiàn),白天、晚上看不見,火星、木星和土星是整個夜間都能看到。如果地球是中心,所有星辰繞著地球轉(zhuǎn),應該是要看見都能看見,看不見的時候都看不見,不會發(fā)生一部分看得見,一部分看不見的情況。第二個問題是火星的逆行。實際上這些行星是從西向東運動,我們看到太陽從東往西運動是因為地球自轉(zhuǎn)的參照。如果你把太陽的位置每天標記下來,可以發(fā)現(xiàn)實際上太陽在從西往東走。而如果你去標注火星的位置,你會發(fā)現(xiàn)有一段時間它會往回走。走了一兩個月它又返回去,這是地心說不能解釋的。實際上,哥白尼還發(fā)現(xiàn)一些其他不能解釋的問題,他希望有一個新理論解決這些問題。
火星逆行的意思就是從西往東運動,如果每天標記的話,會發(fā)現(xiàn)有段時間它倒著走,走了一段時間又回來往前走。這是以恒星作為參考系來看火星的運動。所以按照托勒密的理論,這些現(xiàn)象都沒法解釋,用哥白尼的理論就可以把這個問題解釋清楚。為什么?行星本身是不發(fā)光的,我們看到它是反射的光。比如咱們站在地球上,你要是在白天的話肯定什么都看不見,因為太陽太亮,不會給你反射過來。你在夜間看到火星的原因是你背著太陽,太陽光照著火星,火星再反射過來。金星在白天太陽光照到它,反射無效,太陽自己太亮,你只能看到太陽的亮光,所以也看不到它。要是早上和傍晚,太陽光斜著照它時才能把光反射回來。這是金星和火星能看見不能看見的最大差別,用日心說就能解釋這件事。
火星逆行問題要復雜得多,主要是兩個原因,一是因為地球和火星繞日旋轉(zhuǎn)的周期不同,地球的公轉(zhuǎn)周期是365天,火星的公轉(zhuǎn)周期是687天,火星的公轉(zhuǎn)周期長。二是它對太陽的公轉(zhuǎn)半徑比地球?qū)μ柕陌霃揭?,在地球的外?cè)。根據(jù)現(xiàn)代測量的結(jié)果,太陽的半徑是696000公里,火星很小,半徑3000多公里,到地球最小距離約5500萬公里。當時哥白尼所看到的這些,就能解釋為什么火星會往回轉(zhuǎn)了。原因就是其一周期不同,其二距日半徑不同。這是哥白尼要提出日心說最重要的原因,他發(fā)現(xiàn)原有理論的不足才會考慮修正或者原來的理論。
當時關于天體運動的研究有了重大的發(fā)展,其中一個重要人物是開普勒。他最重要的發(fā)現(xiàn)就是行星運動的橢圓軌道,橢圓曲線有兩個焦點,在橢圓軌道上有一點到兩點的距離的和是定長,這是橢圓的定義。他發(fā)現(xiàn)行星的運動是橢圓,而且是把太陽放在它的焦點上,后面涉及的物理、數(shù)學的東西多了,這里不詳細介紹。這些都是開普勒當時做了大量的計算發(fā)現(xiàn)的定律。在這之后一個重要的科學家是牛頓,他建立了微積分學,實際上是把開普勒發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象用理論解釋,同時再用這個理論預測下一步發(fā)生什么現(xiàn)象。他在1687年發(fā)表的《自然哲學》,對開普勒的發(fā)現(xiàn)進行了嚴格的證明。用牛頓的三大定律解釋,第一是慣性定律,第二是作用在物體上的力等于質(zhì)量乘以加速度,第三是兩個物體之間的作用力和反作用力,在同一直線上,大小相等,方向相反。從這三個定律出發(fā),就可以證明從數(shù)學角度嚴格地說開普勒是正確的,他用方程測算了行星的運動。
下面介紹海王星發(fā)現(xiàn)的過程,這里會更注重介紹它的數(shù)學背景。海王星現(xiàn)在被認為是最遠的一顆行星。冥王星已經(jīng)被認為不是行星了,只是一顆很小的小行星,不是真正的大行星。1781年發(fā)現(xiàn)了天王星,是通過觀測發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)之后在歐洲出了新的星圖,每次都把觀測到的新行星標出來,之后按照牛頓的方程計算這些行星在一段時間之后能走到什么地方,就可以精確地算出來,知道其對其他現(xiàn)象的影響。但計算完以后,天王星的算法和觀測結(jié)果不同,說明外面還有個大的行星,引力影響到它了。后來發(fā)現(xiàn)了海王星。天王星為什么往外跑,因為外面有一個海王星。實際上要算一個天體的運動需要六個變量,現(xiàn)在已經(jīng)忽略很多。當時發(fā)現(xiàn)算上海王星是行星,要算海王星,其他再忽略不計也應該是九個。要把這些都算出來,而且海王星也受到其他星體的吸引,需要精確的數(shù)據(jù)測得其他這些星體的運轉(zhuǎn)規(guī)律和準確位置,然后反推海王星應該在什么地方。
你可以想象當時沒有計算機,完全靠手算,這是相當不容易的事。1843年劍橋大學的一個畢業(yè)生叫亞當斯,他算出了天王星的位置,把結(jié)果交給了格林尼治,它是當時非常有名的天文臺。當然他并沒有詳細地論證計算過程,沒有引起科學家重視。幾乎是同時,法國天文臺的羅威業(yè)也研究了這個問題。法國有個科學院每年征集論文評獎,他的論文提交給了巴黎科學院。之后1946年又做了第二篇論文,做了精確的計算。這時格林尼治也注意到了羅威業(yè)的論文的重要性,這件事要去做。首先你要知道這些行星在天空的分布,要觀測發(fā)現(xiàn)哪顆是新的,而且要判斷是不是以前觀測過的。實際上這時的格林尼治天文臺做不了這個事,它沒有最新的星圖。柏林天文臺剛剛做出最新的星圖,羅威業(yè)說服了柏林天文臺,他們拿到羅威業(yè)論文的當晚就找到了這顆行星,就在羅威業(yè)計算的位置角度誤差不到1度,和亞當斯預測的大約差了10度。所以發(fā)現(xiàn)海王星以后,英國和法國兩邊都在爭這件事,最后就說他們兩個同時發(fā)現(xiàn)的。
從這些發(fā)現(xiàn)可以看出,首先你要掌握現(xiàn)有的理論,你要發(fā)現(xiàn)問題,發(fā)現(xiàn)不足,有相當?shù)幕A才可以做這個事。所以愛因斯坦在紀念牛頓誕辰300周年的文中寫過這樣的話,這段話寫于1942年,即使今天看來也是非常重要的:“那些為天才繼續(xù)發(fā)展所不可缺少的工具,主要來自于對星空的觀察。像牛頓那樣有創(chuàng)造能力的思想家,他們的思想如星空展翅高飛。”
所以對于科學研究的正確方法應該有一個提示:一是你有理論基礎,二是要發(fā)現(xiàn)問題和不足。只有在了解已知的理論之上,你才會知道哪些是不能解決的和可能解決的。不能解決的可能要花費你很長時間的努力甚至一生的努力,也不見得能夠解決。實際上涉及好幾個因素,一個是過去的理論,你發(fā)現(xiàn)有問題以后,這些理論你是不是做一些修改,或者發(fā)展一些工具就夠。也許你一個人的能力是夠的,也許你的發(fā)展理論還不夠,不能完全解決這些問題,但是你能把對這個問題的認識向前推進,也是很大的貢獻。假如運氣比較好,正好整個科學界也在研究類似問題,能夠推進和解決這些問題的話,進展就會比較大。之后,再用這些理論去解決更多的問題。現(xiàn)在還有很多領域,比如數(shù)學在生物領域的運用。