浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院（321004） 張建珍

一、“探究之探究”活動(dòng)概述

探究之探究是指教師為學(xué)生提供科學(xué)史或者當(dāng)代科學(xué)家對(duì)某些科學(xué)問(wèn)題的探究資料，學(xué)生針對(duì)科學(xué)家研究的細(xì)節(jié)展開(kāi)討論：研究的問(wèn)題、搜集的數(shù)據(jù)、技術(shù)在研究中所起的作用、對(duì)數(shù)據(jù)的解釋以及科學(xué)家所作的結(jié)論。[1]如果可能，學(xué)生還應(yīng)閱讀其它解釋、不同或相矛盾的實(shí)驗(yàn)、對(duì)研究假設(shè)與應(yīng)用證據(jù)以及其它科學(xué)探究問(wèn)題的爭(zhēng)論。通過(guò)這種方式讓學(xué)生理解什么是科學(xué)知識(shí)，科學(xué)知識(shí)是怎樣獲得的。[2]“探究之探究”的教學(xué)方式最早由美國(guó)的施瓦布提出，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要途徑和方式。根據(jù)其資料的來(lái)源，可以分為基于科學(xué)史的探究和基于當(dāng)代科學(xué)問(wèn)題的探究。當(dāng)前世界各國(guó)科學(xué)教育界對(duì)科學(xué)史的教育價(jià)值高度關(guān)注，而在我國(guó)地理科學(xué)教育尤其是地理科學(xué)探究學(xué)習(xí)中，地理學(xué)史的價(jià)值未被充分挖掘，因此，接下來(lái)筆者將著重論述如何基于地理學(xué)史設(shè)計(jì)地理科學(xué)探究主題活動(dòng)。

二、基于地理學(xué)史的科學(xué)探究主題活動(dòng)的設(shè)計(jì)原理

從地理學(xué)史出發(fā)設(shè)計(jì)探究主題活動(dòng)時(shí)，要注意我們不能只將史實(shí)作為一種靜態(tài)的材料呈現(xiàn)，作為一種“最終形式”來(lái)設(shè)計(jì)地理科學(xué)探究主題，而要特別強(qiáng)調(diào)展現(xiàn)科學(xué)家如何尋找證據(jù)，如何在前人的基礎(chǔ)上推進(jìn)科學(xué)進(jìn)步的過(guò)程，并且引發(fā)學(xué)生思考諸如“科學(xué)證據(jù)如何為科學(xué)結(jié)論服務(wù)”、“科學(xué)推論基于什么基礎(chǔ)”等問(wèn)題，以提升學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。

筆者以為，在從地理學(xué)史出發(fā)進(jìn)行地理科學(xué)探究主題的開(kāi)發(fā)時(shí)，可以采取幾種有代表性的方式：（1）圍繞某個(gè)科學(xué)問(wèn)題如“地球的形狀是怎樣的？”將地理學(xué)史上的有代表性貢獻(xiàn)的科學(xué)家的主要觀點(diǎn)、貢獻(xiàn)、科學(xué)研究的方法進(jìn)行整理，形成一個(gè)序列，輔以生動(dòng)的語(yǔ)言，讓學(xué)生在如同讀故事的過(guò)程中了解地理學(xué)史，并在文末提出旨在引發(fā)學(xué)生對(duì)地理科學(xué)探究方法、地理科學(xué)本質(zhì)思考的問(wèn)題。（2）采用角色扮演的方式。首先創(chuàng)設(shè)一定的類似于地理學(xué)史上某個(gè)地理學(xué)家所遇到的問(wèn)題情境，讓學(xué)生扮演這個(gè)科學(xué)家，去解決科學(xué)問(wèn)題，之后再呈現(xiàn)地理學(xué)史的內(nèi)容，讓學(xué)生進(jìn)行比較分析，以加深對(duì)地理科學(xué)探究的理解。（3）采用“歷史穿越對(duì)話”的方式，將不同時(shí)期的地理學(xué)家圍繞某一個(gè)地理科學(xué)問(wèn)題組合到同一個(gè)主題中，讓他們圍繞問(wèn)題展開(kāi)對(duì)話，重點(diǎn)揭示這些科學(xué)家對(duì)這一地理問(wèn)題的不同看法或采用的不同方法，引導(dǎo)學(xué)生思考地理科學(xué)是如何在不斷地質(zhì)疑與對(duì)話、探究中前進(jìn)的。

三、設(shè)計(jì)方案及評(píng)析

【案例】“探究之探究”主題案例：從地“方”到地“圓”

（1）地“方”的觀點(diǎn)（即認(rèn)為地球?yàn)槠矫妫?/h3>

米利都的泰勒斯（前624～前547年）、阿那克西曼德（前610～前546年）把地球想象成一個(gè)漂在水上的圓盤?！皻v史學(xué)之父”希羅多德（推測(cè)為前484～前426）認(rèn)為：地球是一個(gè)橢圓的平面，拱形的蒼穹倚寄其上。在夏季，太陽(yáng)每天在其上運(yùn)行時(shí)，正好通過(guò)蒼穹的中央；而在冬季，它在寒冷的影響下，就偏離這條軌道而偏南行走。

（2）地圓論（即認(rèn)為地球?yàn)榍蝮w）

亞里士多德第一個(gè)為地球是球形找出證據(jù)：①月蝕時(shí)地球的影子移過(guò)月亮?xí)r，影子的邊是圓周形。②當(dāng)一個(gè)人向北方旅行時(shí)，各種星辰高出地平面的高度就增加。

（3）地球有多大：地球周長(zhǎng)的測(cè)算

埃拉托色尼（約公元前273—前192年）是第一個(gè)提出利用大地測(cè)量方法計(jì)算地球圓周長(zhǎng)度并較為準(zhǔn)確地測(cè)得地球圓周長(zhǎng)度的人。埃拉托色尼觀察到夏至那天太陽(yáng)的影子正好倒映在西埃尼的井水中（圖1中的W點(diǎn)），他得出當(dāng)日太陽(yáng)光線垂直于W點(diǎn)；他以亞歷山大博物館外高聳的方尖石塔（圖1中的O點(diǎn)）作為日晷，在夏至這一天測(cè)量了太陽(yáng)影子的長(zhǎng)度。同時(shí)，他也能測(cè)量垂直的石塔與太陽(yáng)光線之間的角度。埃拉托色尼利用著名的泰利斯定理，計(jì)算出OCS角的大??；他計(jì)算出這段弧線長(zhǎng)度占地球周長(zhǎng)的五十分之一。這樣一來(lái)，只需要知道西埃尼與亞歷山大之間的距離，埃及人提供的數(shù)據(jù)是500英里，這樣只要將這個(gè)數(shù)字乘以五十。因此，埃拉托色尼測(cè)量出整個(gè)地球的周長(zhǎng)是大約25000英里（實(shí)際上通過(guò)南北兩極的周長(zhǎng)是24860英里）。那個(gè)時(shí)代的測(cè)量很不精確。埃拉托色尼假設(shè)亞歷山大正好位于西埃尼的正北，然而事實(shí)上應(yīng)該位于西埃尼以西約3度。而西埃尼和亞歷山大之間道路的長(zhǎng)度，埃及人認(rèn)為大約是500英里，而事實(shí)上是453英里。此外西埃尼實(shí)際的緯度是北緯24°5’（24度5分），位于北回歸線稍北。但是巧合的是，這些誤差相互之間抵消，因此其結(jié)果十分接近正確的數(shù)字。

圖1 埃拉托色尼計(jì)算地球周長(zhǎng)示意圖

（4）地理大發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)地球

地理大發(fā)現(xiàn)指15-17世紀(jì)，歐洲航海者開(kāi)辟新航路和“發(fā)現(xiàn)”新大陸的通稱。包括1492年哥倫布（Cristoforo Colombo，約1451—1506年）橫越大西洋，到達(dá)中美洲巴哈馬群島的所謂發(fā)現(xiàn)新大陸；1498年達(dá)●加馬（Vasco da Gama，約1460—1524年）繞非洲渡印度洋抵印度南端的所謂發(fā)現(xiàn)新航道等等。

地理大發(fā)現(xiàn)是人類未知世界向已知世界變更的飛躍，也可以說(shuō)是把人類呈點(diǎn)狀分布的已知世界彼此銜接起來(lái)，形成了面狀分布的已知世界。阿爾夫雷德●赫特納說(shuō)，地理大發(fā)現(xiàn)以前，地球上約有3/4是未知地，地理大發(fā)現(xiàn)卻一下子使全球都變成了已知世界。普雷斯頓●詹姆斯則認(rèn)為：地理大發(fā)現(xiàn)劃出了地球上大陸的輪廓，改正了世界地圖上的錯(cuò)誤，表現(xiàn)了多種多樣的世界。地理大發(fā)現(xiàn)對(duì)人類古代的地理學(xué)理論進(jìn)行了驗(yàn)證和清理。古代學(xué)者埃拉托色尼提出，后來(lái)又為托勒密所闡釋的地球球形體的理論，通過(guò)地理大發(fā)現(xiàn)得到證實(shí)，成為顛撲不破的真理。

（5）“鴨梨”還是“西瓜”：地球形狀的精確測(cè)量

①1669～1671年，法國(guó)科學(xué)院指定由巴黎天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)皮卡爾（J. Picard，1620—1682）領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行了一次最早的精密大地測(cè)量，根據(jù)用天文方法測(cè)量的結(jié)果，推算出子午圈半徑為6372公里。

②1671年，法國(guó)天文學(xué)家里希爾（J.Richer，1630-1696）受巴黎科學(xué)院派遣，去南美法屬圭亞那首府卡曼（5°N）作天文觀測(cè)，他隨身帶有擺鐘，擺長(zhǎng)在巴黎校準(zhǔn)為994毫米。到卡曼后，他發(fā)現(xiàn)擺鐘每天慢2.5分鐘。起初，他認(rèn)為是自己的疏忽，在巴黎沒(méi)有校準(zhǔn)。于是他根據(jù)卡曼恒星經(jīng)過(guò)子午線時(shí)刻，重新校正擺長(zhǎng)，把擺長(zhǎng)縮短為990毫米。擺鐘走準(zhǔn)后，他就不再注意這個(gè)問(wèn)題了。工作結(jié)束回到巴黎后，發(fā)現(xiàn)擺鐘又不準(zhǔn)了，每天快2.5分鐘。他再次校正擺長(zhǎng)，恢復(fù)到原來(lái)的994毫米后，又定準(zhǔn)了。

里希爾在這個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)中思索：地球并非正圓體，巴黎與卡曼的重力值不同。這是個(gè)大膽的推斷，因?yàn)樽怨乓詠?lái)，認(rèn)為物體的重量在各地是恒定不變的。現(xiàn)在里希爾把物體重力與地球形狀聯(lián)系起來(lái)考察，推翻原來(lái)的既成觀念，這一膽大妄為的行為被巴黎科學(xué)院的頑固分子攻擊為背叛科學(xué)，他因此被開(kāi)除出科學(xué)院。

③1687年，牛頓第一個(gè)提出地球橢球體概念，地球是一個(gè)旋轉(zhuǎn)體，由于旋轉(zhuǎn)而具有離心力（斥力）。旋轉(zhuǎn)中，赤道的離心力最大，兩極處為零。牛頓認(rèn)為，地球是個(gè)兩極扁縮、赤道凸出的橢球體。牛頓建立地球橢球概念，不只是運(yùn)用了如上的演繹推理，而且還引用法國(guó)天文學(xué)家老卡西尼（D.Cassini）觀察到木星兩極扁平的資料，作了類比推理。

④法國(guó)人最早精確測(cè)定子午線一度之長(zhǎng)但未能利用這個(gè)數(shù)據(jù)作出科學(xué)推論。法國(guó)天文臺(tái)前后四任臺(tái)長(zhǎng)對(duì)法國(guó)境內(nèi)子午線長(zhǎng)度進(jìn)行多次實(shí)測(cè)。他們比較南北兩段子午線長(zhǎng)度發(fā)現(xiàn)，南段子午線一度之長(zhǎng)長(zhǎng)于北段。據(jù)此他們認(rèn)為地球形狀是兩極拉長(zhǎng)的“西瓜”形橢球體。

⑤18世紀(jì)30年代，扁平橢球與拉長(zhǎng)橢球之爭(zhēng)：

巴黎科學(xué)院派出兩支測(cè)量隊(duì)，分別在北極圈附近拉普蘭地區(qū)（66°N）與南美秘魯?shù)貐^(qū)（2°N）實(shí)測(cè)子午線長(zhǎng)度，以便與巴黎子午線長(zhǎng)度作比較，以解決紛爭(zhēng)。拉普蘭測(cè)量隊(duì)于1735年出發(fā)，由大地測(cè)量學(xué)家、天文學(xué)家莫泊丟（Mauperuis，1698-1759）領(lǐng)導(dǎo)，著名數(shù)學(xué)家克萊勞（C1airault，1713-1765）參加了這個(gè)隊(duì)。該隊(duì)使用三角測(cè)量法，實(shí)測(cè)子午線一度之長(zhǎng)為111918米，與卡西尼父子實(shí)測(cè)巴黎子午線一度之長(zhǎng)（111212米）相比，顯然要大。但是隊(duì)內(nèi)堅(jiān)持卡西尼“西瓜”球型概念的成員懷疑測(cè)量精度，于是又利用兩個(gè)月時(shí)間把全部數(shù)據(jù)復(fù)查一遍，同時(shí)也進(jìn)行了秒擺試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果也肯定牛頓的觀點(diǎn)，巴黎校準(zhǔn)的擺長(zhǎng)，在北極圈變快。北極隊(duì)于1737年結(jié)束工作。

秘魯測(cè)量隊(duì)于1734年出發(fā)，1744年才回到巴黎。該隊(duì)實(shí)測(cè)的子午線一度之長(zhǎng)為110602米，顯然比巴黎子午線要短些。這兩個(gè)測(cè)量隊(duì)用確鑿數(shù)據(jù)解決了長(zhǎng)達(dá)57年的地球形狀爭(zhēng)論。

（6）“大鴨梨”的精確形狀：基于衛(wèi)星的測(cè)量結(jié)果

1957年人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，為精確測(cè)量地球形狀帶來(lái)了巨大變革，并發(fā)展了衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)（satellite geodesy）。1958年，僅根據(jù)蘇聯(lián)“人造地球衛(wèi)星”2號(hào)幾個(gè)星期目視觀測(cè)資料，就推得較準(zhǔn)確的地球扁平率為1：298.24。1959年又按“先鋒”1號(hào)衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步推知地球的南、北半球不對(duì)稱，大地水準(zhǔn)面在北極處隆起約10米，南極處下陷約20多米（見(jiàn)圖2）。

圖2 對(duì)地球形狀的衛(wèi)星測(cè)量

思考與討論：

1. 里希爾何以得出地球并非正圓體的結(jié)論，其依據(jù)是什么？我們可以從里希爾身上學(xué)到什么？

2. 解決18世紀(jì)30年代關(guān)于地球形狀是扁平橢球還是拉長(zhǎng)橢球之爭(zhēng)的方法是什么？這給了我們什么啟示？

3. 請(qǐng)說(shuō)出上述科學(xué)家在探索地球形狀的過(guò)程中都運(yùn)用了哪些科學(xué)方法？

設(shè)計(jì)與論證：

1. 假如你是亞里士多德，請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)方案證明地球是“圓”的。

2. 在現(xiàn)今條件下，你還有哪些方案觀測(cè)地球的形狀？與亞里士多德時(shí)期比較有何差異？這說(shuō)明了什么？

3. 你是否贊成埃拉托色尼對(duì)地球圓周的計(jì)算方法？你還有其他的方法嗎？

【評(píng)析】

上述探究主題活動(dòng)方案是筆者根據(jù)地理學(xué)史中對(duì)地球形狀的探究過(guò)程，截取其中關(guān)鍵性的人物和事件組織形成的。而在當(dāng)前的地理教科書中，僅僅向?qū)W生呈現(xiàn)：地球是一個(gè)赤道略鼓兩極稍扁的橢球體。筆者首先梳理地理學(xué)史中關(guān)于“人類是如何證明地球形狀的？”的相關(guān)史實(shí)，然后對(duì)這些史實(shí)進(jìn)行分析，截取其中關(guān)鍵性的人物和事件，對(duì)其進(jìn)行加工，凸顯其科學(xué)探究的過(guò)程、方法、對(duì)科學(xué)問(wèn)題思考和解決方式的差異等方面。最后通過(guò)設(shè)計(jì)引導(dǎo)性的提問(wèn)，引發(fā)學(xué)生思考：從地方到地圓人類經(jīng)歷了哪些階段，對(duì)地球半徑的計(jì)算人類經(jīng)歷了哪些階段？科學(xué)家們都采用了什么方法來(lái)證明地球的形狀，并對(duì)科學(xué)史上每一次人類對(duì)地球形狀認(rèn)識(shí)的重大突破所采用的方法、得出什么結(jié)論、結(jié)論是否可靠、存在什么問(wèn)題等展開(kāi)思考和討論。教師也可以讓學(xué)生針對(duì)材料或者報(bào)告中所展示的研究細(xì)節(jié)——問(wèn)題、數(shù)據(jù)、解釋和結(jié)論等自主提出問(wèn)題。最重要的一點(diǎn)是，教師需要給學(xué)生提供多元的視角——關(guān)于某一現(xiàn)象、問(wèn)題的多種解釋或者爭(zhēng)論，讓學(xué)生思考科學(xué)知識(shí)是如何被建構(gòu)的，提高他們對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，發(fā)展他們的邏輯思維能力和批判性思維能力。采用這種方式，既能通過(guò)科學(xué)家的探究精神來(lái)鼓舞學(xué)生，也可以讓學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)建構(gòu)過(guò)程有“驚羨之感”，同時(shí)讓學(xué)生了解地理學(xué)史上的一些地理科學(xué)問(wèn)題的研究方法，這些將有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

[1][2] 徐學(xué)福. 模擬視角下的探究教學(xué)研究[D]. 西南師范大學(xué)博士論文, 2004.