从“地心说”到“日心说”教学探讨

林 灏 余建刚

（佛山市南海区石门中学 广东 佛山 528248）

对大多数学生而言，高中阶段学习物理的收获，不是日后研究前沿理论物理所需的扎实基础，而是收获作为现代人的一种素养：对现代文明重要组成部分的科学有所认识、在生活中能够用科学的眼光看待问题、分析问题等等.在这样的背景下，科学史是高中物理教学不可或缺的一部分.

科学史取得最丰硕成果的研究对象有二：其一是大约发生在16～17世纪，从根本上改变了科学历程的“科学革命”；其二是古希腊萌芽时期的科学.2019粤教版物理必修二教材（后文简称为“教材”），正是用第三章前两节的篇幅，初步介绍科学史研究的核心对象［1］.

“科学革命”始于哥白尼的工作，教材第一节前半部分“从地心说到日心说”正是介绍这部分内容.本文主要目的，将尝试从科学史的视角，分析学生容易出现的谬误及疑问，为高中物理教师备课提供参考.

1 教材中几处值得商榷之处

（1）“提出”可以理解为“首创”吗？

教材第52页有这样的描述：“波兰天文学家哥白尼主张以简单的几何图形来描述宇宙运行的规律.……于是他提出了‘日心说’”.这很容易被理解为哥白尼“首创”或“首先提出”“日心说”.

但事实上“日心说”不是哥白尼首创的.最早提出“日心说”的，是古希腊时期的数学家、天文学家阿利斯塔克（Aristarchus，公元前315年—公元前230年）：他通过计算得出太阳比地球大的结论，由此认为小的东西围绕大的东西转更为合理.哥白尼本人也清楚，“日心说”的“专利优先权”不属于自己.他在写作《天球运行论》前，“重读了我所能得到的所有哲学家的著作”，并声明自己在这些资料中得知古人曾提出过地球围绕火（太阳）运动的观点［2］.

同样，“地心说”也不是托勒密提出的.一般认为最早提出“地心说”的是欧多克斯.托勒密的成就是集前人之大成，撰写《天文学大成》.

（2）“天体”等同于“天球”吗？

在人教版高中物理必修二教材中有如下内容：

“哥白尼：拦住了太阳，推动了地球公元1543年，波兰的一位长者哥白尼临终前在病榻上为其毕生致力的著作《天体运行论》签上了自己的姓名.这部书预示了地心宇宙论的终结.”

作为教师需要注意，“这个书名在今天的中国学界普遍被译成《天体运行论》，但这个译名是不确切的”［3］，使用《天球运行论》译法或许更为恰当.

名称的翻译关系到我们对于哥白尼体系的理解：哥白尼认为，所有的行星并不是在虚空当中或者说在自由空间中环绕太阳运动，它们其实是镶埋在传统天文学所说的一些水晶球里.哥白尼著作中的“Heavenly Spheres”，指的并不是地球、火星、金星等行星，而是指携带着这些行星运动的那些水晶球［4］.

“天球”概念对古代天文学影响深远，正是在这个意义上我们可以说，哥白尼是最后一个古代天文学家，而不是第一个近代天文学家.哥白尼将地球移出中心的工作，无形中使“天球”的概念开始松动，并最终让人们的宇宙观，从封闭世界走向无限宇宙［5］.

（3）“宗教总是迫害科学”这一说法对吗？

学生在小学和初中阶段，基本都听过伽利略特别是布鲁诺被教会迫害的故事.基于这些故事，学生往往还被动或主动接受了“宗教总是迫害科学”这样的结论.但这里无论是对事实的描述，还是得出的结论，都存在问题.

一方面，在初中和小学阶段的常见资料中，对布鲁诺的事迹一般描述为：布鲁诺因为捍卫“日心说”而被教会迫害致死.这句话具有误导性.

布鲁诺确实支持“日心说”，也确实被教会迫害致死.但前者不是后者的根本原因.教会迫害布鲁诺的根本原因，是因为布鲁诺对教会根本教条的攻击，而不是他对“日心说”的辩护.

布鲁诺生活的年代，正是马丁·路德、约翰·加尔文等人对教廷展开猛烈攻击，宗教改革如火如荼的时期.不难想象，作为中世纪封建统治支柱的教会，面对这些攻击时会殊死反扑.丹皮尔在《科学史及其与哲学和宗教的关系》写道：“布鲁诺是热忱的泛神论者，公开地攻击一切正统的信仰.他受到教会法庭的审判，不是为了他的科学，而是由于他的哲学，由于他热衷于宗教改革；他于1600年被教廷烧死.”［6］

诚然，教会于1616年将《天球运行论》列为禁书.但在更早的时候，教会高层对“日心说”不仅不反对，甚至表示支持.《天球运行论》出版于1543年，哥白尼在序言中写道，促成自己出版这本书的“头一位是卡普亚的红衣主教尼古拉·舍恩贝格”，还提到自己的工作，是在主持修订历法的主教保罗建议之下进行的［7］.因此，根据这样的前后关系，我们能觉察：与其说“日心说”连累了布鲁诺；不如说布鲁诺连累了“日心说”.

阐明“日心说”、教会、布鲁诺以及伽利略之间的关系，可以参照笔者向学生说明时用的比喻：一名武士不满大名的残酷统治，于是举刀杀害了大名的家臣.大名处决了这名武士后，宣布自己治下的地方全面禁刀.过了不久，一名制刀匠人在大名的地盘开了家店，并四处宣扬武士刀的工艺之美.大名把这个刀匠抓了起来，迫使他关掉店铺并保证不再向公众介绍刀具.在真实的事件里，武士是布鲁诺，大名是教会，刀匠是伽利略，而武士刀正是‘日心说’.”

2 教学中几处常见问题释疑

（1）为什么“地心说”模型除了均轮还需要本轮？

教材52页图3-1-1“地心说”模型示意图中，标出了均轮和本轮.喜欢思考的学生很容易能想到，“均轮”是用于解释昼夜交替现象的.但“本轮”的作用，教材没解释，学生也几乎不可能想到.

“本轮”的提出，是为了解释行星逆行的现象.虽然几乎每个学生都听过“水逆”这个说法，但几乎没有人知道“水星逆行”是一种自然现象.观测过行星逆行的学生更是少之又少.因此，教师在讲解逆行的现象，以及如何用物理模型解释逆行时，只能在概念上辅以图片，最好是通过视频进行展示.

2019人教版必修二的46页“科学漫步”部分介绍了行星逆行，“大多数时间它（行星）相对于恒星由西向东移动，但有时却要停下来，然后向西移动一段时间，随后又向东移动，这个现象叫做行星的逆行.”接着介绍了科学理论的提出“为了解释行星的逆行，古希腊人提出一个理论……”［8］

对于教师理解这部分内容，值得再补充一点：“本轮”“均轮”的提出，是对柏拉图“拯救现象”这一呼吁的回应.“拯救现象”可以简单理解为，在观测到相对于理论而言的反常时，对理论本身进行修改或补充，进而让“反常”的现象重新变为“正常”，从而“拯救”这些现象.自柏拉图以降，对于逆行的“拯救现象”，一直是天文学的中心课题.

这之后经过千年，天文观测越来越细，新的发现越来越多，人们不断增加新的轮子对模型进行修正，结果“轮上轮”的总数达到了80多个，此外还要引入“偏心点”“偏心等距点”一系列复杂的概念，使得整个“地心说”模型过于刻意、牵强和臃肿.这成为哥白尼反对“地心说”的原因.

哥白尼用“日心说”回应了柏拉图“拯救现象”.“若要真正理解哥白尼和他的工作，我们必须明白，他是最后一位古代天文学家，而不是第一位近代天文学家.……具体来说，哥白尼认真领受了将近2 000年前发出的‘拯救这些现象’的命令，设法要严格按照匀速圆周运动去说明天体的运动”［9］.“在哥白尼的体系中，行星的这种运动（逆行）只是一种视觉现象，是地球和所观测的行星在恒星背景上作相对运动的结果”［10］.哥白尼更好地“拯救”了现象.

（2）古希腊已经有人提出了“日心说”，为什么当时没得到普遍认可？

要回答这个问题，首先得明确“地心说”和“日心说”的提出背景.人们解释太阳的东升西落，有两种方法：一是地球静止，太阳围绕地球转；二是太阳静止，地球自转（这里学生很容易回答成地球绕着太阳转）.前者是“地心说”的雏形，而后者正是“日心说”的基础.

人们选择什么和放弃什么，无非是优缺点比重的权衡.对科学理论而言，缺点主要是理论遇到的反常.“地心说”遇到的反常是前文所述行星的逆行.古希腊人用“本轮”“均轮”的模型“拯救”了逆行的现象.

而“日心说”遇到的反常比“地心说”更为严重：若地球在围绕太阳转，会产生“恒星视差”问题.向学生解释什么是视差很简单：将右手食指放到鼻子前，闭上左眼只用右眼看，再闭上右眼只用左眼看.我们看到手指的位置发生了变化，这就是视差.若地球确实在绕着太阳转，转到不同位置，我们应该能观测到恒星存在视差；若地球在自转，会产生“高塔落物”问题：在高处释放一个物体，由于地球的自转，物体落到地面的位置，应该在释放点正下方的西边.或者也可以这样描述：同样的大炮发射炮弹，由于地球的自转，大炮向西发射时，射程应该比向东发射时远.这两个问题，在很长的时间里都无法很好地回答.这正是古希腊人否认“日心说”的理由.

3 结束语

不管是粤教版还是人教版新教材在演绎万有引力定律诞生前夜，都是重视科学史的讲述，都通过对物理学革命历史的阐述，使学生经历和感受到物理世界图景更迭变革的思想洗礼，领会物理思考的本质与真谛，受到心灵的震撼和思想的启迪.这些对培养学生学科素养无疑有着重大的意义，但或许由于篇幅所限，学习者在学习这一章节时，容易产生理解上的谬误和困惑.作为师者，我们务必清楚明晰这段曲折而又灿烂多彩的科学历程，以达到更加准确无误地传授科学历程，传承科学思想，培育科学素养.