《中国古代科技》教学设计与实施

参考资料，少熬夜！《中国古代科技》教学设计与实施要想赢，就要精通。要想赢，就要精通。——《中国古代科技》教学设计与实施徐永琴—、设计思路笔者在2016年津苏皖粵“科技史教学”同课异构暨《史学阅读与微课设计》项目总结活动中承担了“中国古代科技”的公开教学任务。关于本课的教学内容，课标只是笼统地提出“概述古代中国的科技成就”而人教版必修三教材中选择了四大发明、数学、天文学、农学、医学五个方面，虽然篇幅较长，但内容浅显，学生易于接受。笔者初步设想，以一位历史人物为切入口，通过生动有趣的历史细节，以点带面，梳理中国古代科技的一些发展情况，并向学生传递一种正确对待我国古代科技乃至文化的态度。朱维铮在《走出中世纪》中介绍的“西学东渐”背景下的徐光启，便是这样一个人物。徐光启是上海人，离笔者上课的学校很近，会给学生一定的亲近感;他又是一个全能的科学家，其成就涵盖中国古代科技的多个方面;他提出的“欲求超胜，必须会通”思想，是从实际出发，兼取中西文化之长，创造中国新文化的典范，这对今天仍有现实意义。为此，我进一步查阅了有关徐光启的一系列学术论文，还阅读了张传玺的《中华文明史》、吴国盛的《科学的历程》、胡化凯的《中国古代科学思想二十讲》、张岂之的《中国历史十五讲》、江晓原的《科学史十五讲》、杜昇云等的《中国古代天文学的转轨与近代天文学》、张培瑜等的《中国古代历法》等一系列专著,最后确定以徐光启与《几何原本》、徐光启与《崇祯历法》、徐光启与“红夷大炮”三个方面作为本课的教学内容。二、教学设计与实施【导入】根据国际数学教育委员会网站2015年6月16日公布的信息，上海市获得了2020年第14届国际数学教育大会的举办权。国际数学教育委员会称，此次大会选择在上海召开，还与上海的一位古人有关，他就是明朝末年的徐光启。【设计意图】以现代之事引出古代之人，既增强了古今之间的时空沟通,又直接导入本课核心人物一徐光启的数学成就:翻译《几何原本》。【教师讲述】1607年,徐光启与意大利传教士利玛窦合作翻译了《几何原本》前六卷，也就是平面几何部分。我们现在一直在使用也习以为常参考资料，少熬夜！的几何、点、线、面、直角、钝角、锐角、内切圆、平行线等术语,都是徐光启在400多年前翻译时首创的。全书的主导思想是通过逻辑推理把整个内容贯穿起来,基本上形成一个今天看来不很严谨的逻辑演绎系统。就是说《几何原本》中的每一题都要通过逻辑论证，用以肯定题断的正确性。——李迪:《〈九章算术〉与〈几何原本〉〉【教师讲述】从材料我们可以看到，《几何原本》的主要特点是通过逻辑推理、逻辑论证，形成公理化的逻辑演绎体系。我们知道，我国的传统数学是以《九章算术》为代表的。《九章算术》例题：甲渠侯鄣：大黄力十石弩一，右深强一分，负一筭，八石具弩一，右弭失，负一筭，六石具弩一，空上蜚，负一筭，六石具弩一,衣不上，负一筭，坞上望火头，三不见所望，负三筭，坞上望火头，二不见所望，负二筭，口泚字不清扣弦一脱，负二筭；凡负十一筭。【教师讲述】一位驻守边防的指挥官，参加业务考核时，因成绩不良而被处罚。《九章算术》据此设计了这样一道题。变为现代形式就相当于：（-1+(-1)+(-1+(-1+(-3+(-2+(-2=-11【设问】与《几何原本》相比，中国传统数学有何特点？（参考答案:实用性；以计算为主，不讲逻辑论证。他批评传统数学“仅仅具有其法，而不能言其立法之意”。如中国人很早发明了三角形的勾股求法，但“言大小勾股能相求者..不言何以必等能相求也。”“言理不言故”这正是经验型科学的根本缺陷。——于化民:《徐光启科学思想的基本特征》【设问】材料揭示了我国传统数学的什么问题？（参考答案:属于经验性科学,缺少分析和理论概括。）【教师讲述】比如，中国人很早就知道三角形的勾股求法，但从来没有深究这种求法的因。后来,徐光启专门写了一本《勾股义》，用西方逻辑演绎的方法来论证我们的传统数学。这本《勾股义》为明清兴修水利提供了理论基础。徐光启认为，《几何原本》不同于中国传统数学：能令学理者祛其浮气，练其精心;学事者资其定法，发其巧思，故举世无人不当学……欲其心思细密而已。参考资料，少熬夜！——徐光启:《几何原本杂议》【设问】徐光启为什么说举世无人不当学《几何原本》？（参考答案:它能改造人的思维。）【设计意图】通过中西比较及徐光启对传统数学的反思，强调《几何原本》的引进，不但开辟了一个新的科学领域，也开辟了一种与中国传统大不相同的思维方式，这就是学习中的创新。“象数之学，大者为历法，为律吕；至其他有形有质之物，有度有数之事，无不赖以为用，用之无不尽巧极妙者。”……他由此得出结论说:“凡物有形有质，莫不质于度数故耳。”——于化民:《徐光启科学思想的基本特征》师生共同理解、分析“凡物有形有质，莫不质于度数故耳”的意思。（参考答案:世界万事万物，无不表现为一定的数量关系。）【教师讲述】世间万物都可表现为某种数学函数关系——徐光启的这一深刻思想的精义是以数学方法分析认识物质世界。通过客观事物的具象，依赖抽象的逻辑思维去发现自然界的内部联系和客观规律。这就与以牛顿为代表的欧洲近代科学家，努力探索以数学语言表达自然哲学的可能，有异曲同工之妙。徐光启……在长期系统的观察和实验的基础上，能把数学化置之于首要地位，从而独立地在中国摸索到了近代科学的边缘。——何兆武:《明清之际中国人的科学观——以徐光启为例》【设计意图】把徐光启的贯穿一切科学普遍性的数学原理的思想，与半个多世纪后牛顿的《自然哲学之数学原理》相比较，引导学生认识徐光启为中国古代数学的创新发展做出的贡献。昔人云“鸳鸯绣出从君看，不把金针度与人”吾辈言几何之学，正与此异。因反其语曰：“金针度去从君用，未把鸳鸯绣与人，……其要欲使人人真能自绣鸳鸯而已。——徐光启：《几何原本杂议》【过渡】徐光启把《几何原本》比作“金针”，有了这根“金针”就能绣出科学的“鸳鸯”，他就借用西方《几何原本》这根“金针”创造性地绣出了《崇祯历书》这一科学“鸳鸯”的。【设计意图】不仅自然过渡到徐光启在天文学方面的成就;而且明确《崇祯历书》是在《几何原本》思想指导下制定的，真正体现数学“不用为用，众用所基”的功能。【教师讲述】崇祯是明朝最后一位皇帝，他统治时期正值明朝内外交困之际，内有农民起义风起云涌，关参考资料，少熬夜！外有满洲八旗铁蹄的入侵，为什么要在这时修改历法呢？崇祯二年五月钦天监所报日蚀再一次失验，而徐光启用西洋方法预测曰蚀却相当准确。崇祯皇帝看到了这一现实。同年九月一日，崇祯皇帝下诏开设西洋历局，决定引进西洋历法，修改《大统历》。——王燕军:《崇祯与自然科学》【教师讲述】改历的原因是“钦天监所报日蚀再一次失验”这就涉及古代天文历法的两大用途，一是“敬授民时”指导农业生产；二是为帝王探知“天意”古人认为，天文异象如日月蚀、彗星的出现，是各种灾难如政变、篡权等的先兆。自古以来，各朝各代常设钦天监,其负责人需就天文异象的出现向皇帝作秘密报告，对此采取相关措施。如果这“通天”秘事把握不了，皇帝“天子”的身份就会受怀疑。【教师讲述】明代自开国后，一直使用《大统历》，《大统历》实即元代郭守敬制订的《授时历》。学生阅读谋本，了解《授时历》的相关知识。【教师讲述】元代天文学达到了一个高度，郭守敬之后的中国古代天文发展出现了停滞局面，一方面《授时历》满足了当时社会的需要，另一方面当时天文观测所能达到的精度，基本上是裸眼观测的极限。由保存下来的明代复制的郭守敬的简仪看，百刻环上每一刻又细分为36等份，整个圆周划分达到3600份，意味着刻度精度达到10分，对于青铜仪器来说，很难再继续提高观测精度。如果没有新的天文学要求，没有革命性的新天文仪器，明代天文学的停滞局面就可以理解了。【设计意图】让学生了解中国古代天文学的发展情况及其发达的原因。【教师讲述】但是，随着时间的推移，《大统历》的误差渐渐加大，对于历法出现误差问题，徐光启是这么看的'：守敬之法,今日之所谓差，当时之所谓密也。——徐光启：《月食先后各法不同缘由及测验二法疏》历自汉迄元一干二百五十年，凡六十八改谓古法良是，后来失传误改者，皆谬论也。——徐光启:《测候月食奉旨回奏疏》汉以前差以日计，唐以前差以时计,宋元以来差以刻计，今则差以分计;必求分数不差，宜待后之作者。——徐光启：《月食回奏疏》欲求超胜，必须会通。——徐光启：《历书总书目》【设问】从上述言论中能看出徐光启怎样的参考资料，少熬夜！历史进步观？（参考答案:文明是不断进步的，今胜于昔、后胜于今是历史发展的必然;充分吸收和利用前人的成果,这是文明进步的伟大原则；欲求超胜，必须会通。）【设计意图】通过材料，明确徐光启既反对复古与崇古的传统思想，认为科学是不断进步的;也不盲目崇洋,认为西洋历法也不能做到分数不差。他认为近几十年所定的西洋历法应比350多年前的《授时历》进步，要修成一部比前代更好的历法，在当时的情况下，必须做好会通中西的工作，也就是必须汲取古今中外的一切成果，既有继承，又有创新。因此他积极引进西法,与在华传教士汤若望等一起制定《崇祯历书》。采用了丹麦天文学家第谷(1546—1601年)的宇宙体系。这是介于哥白尼的日心系和托勒密的地心体系之间的一种调和性体系……这就使《崇祯历书》必然要用几何学的计算系统，于是也就与……代数学计算系统的中国传统历法区别开来。——刘鸿亮:《徐光启对〈崇祯历书〉的编译与其实际成效的问题研究》【设问】《崇祯历书》有哪些创新之处？（参考答案：宇宙体系上采用折中托勒密地心说与哥白尼日心体系的第谷学说；改变传统数学研究方法,采用几何学计算方法，将几何学、三角学，包括平面三角和球面三角，用于天文学预测与研究中。）【教师讲述】古希腊天文学托勒密的地心说在欧洲统治天文学达1400多年的。1543年，哥白尼在犹豫踌躇30余年后，临终前出版了其不朽的巨著《天体运行论》，向世人宣布日心说。从曰心说逻辑上说，如果地球绕日旋转，在地球上必定能观测到恒星的周年视差。哥白尼生前曾做了较长时间的观测，均未成功，其他人的努力也都以失败告终，现在我们知道主要是当时望远镜的精度不够。丹麦天文学家第谷坚持观测20年,试图寻找恒星的周年视差，以判断“日心说”和“地心说”谁是谁非，最终未能发现。不过通过观测，第谷发现了行星绕太阳运转。他崇敬哥白尼，但没有确凿的直接证据，因此没有接受日心说。于是他于1582年提出了介于托勒密和哥白尼体系之间的一个折中的宇宙模型，称之为第谷宇宙模型一认为地球静止不动居于宇宙中心，月亮、太阳绕地球转动，形成月亮和太阳以地球为圆心的圆运动；水星、金星、火星、木星、土星绕太阳旋转，同时随太阳一起绕地球转动,从而形成五大行星以太阳为圆心的圆运动。【设问】“日心说”最终取代了“地心说”，那么参考资料，少熬夜！“地心说”是属于科学的范畴吗？（参考答案：属于。）【设计意图】在我们平时的语境里“科学”是绝对正确的。其实，科学是一个不断进步的过程，今天“正确”的结论，随时都可能成为“不正确”。我们判断一种学说是不是科学，不是依据它的结论在今天正确与否，而是依据它所用的方法、它所遵循的程序。通过师生、生生间的探讨，让学生认识：科学也有它自身的发展历史，尽管中国古代天文历法在内的古代科学存在诸多的问题，但是，它所呈现出一条科学进步的轨迹不容忽视。【教师讲述】我们从徐光启的研究方法上，就能看出中国古代天文学的科学内涵：历局在中国第一次使用了人类历史上新发明的望远镜；从伽利略在西方使用望远镜观测天象到徐光启在中国使用，其间不过30年左右。这一创举不但是中国科学史上值得大书特书的一件事，同时也表明了徐光启本人对于科学观察与实验手段的极端重视。——何兆武:《明清之际中国人的科学观——以徐光启为例》【教师讲述】徐光启不但引进并应用望远镜，还利用主管钦天监工作的便利，领导制造了中国最早的一批望远镜。用传统方法解决不了的问题在运用望远镜后，都轻松地得到了答案。在1629年防御后金军队进攻时,徐光启还曾用望远镜窥敌。徐光启对待科学不唯上，不唯书，不拘守前人的定论，不满足于听别人的现成报告，提倡亲自动手，一切从实际观测的结