1572年，8岁的伽利略被父亲送到比萨的一所小学去读书。他开始进入了学生时代。
当时的小学教育，由于受欧洲文艺复兴的影响，学校在课程设置方面增加了自然科学基础知识和外国语等新兴学科。
小学的课堂，为伽利略呈现了一个耳目一新的天地。父亲在他幼年时所给予的多方面的早期启蒙教育发挥了作用，很快，伽利略在全班几十名学生中脱颖而出，成为佼佼者，每次考试，伽利略的学习成绩总是名列前茅。一时间，比萨小学的师生们都知道了这个眼睛大得惊人、红头发、矮胖的聪明男孩名叫伽利略。
伽利略的确聪明过人。在老师的眼里，伽利略对知识的理解程度不像其他学生那样肤浅，而且能以一种探索的方式深层次地咀嚼和消化知识，喜欢从知识的“源头”学起。课堂上的伽利略十分活跃，好想善思，反应能力非常强。一次上课时，他有个问题没有听懂，就围绕这个问题的内容，向老师提出了20余个小问题，直到彻底弄懂弄通为止，以至于那位给他耐心解答的老师不禁惊呼：伽利略在占有知识上是永无止境的。
有时候，伽利略喜欢超前学习，尤其是在自然科学的各门课程里，他经常预学，这要占用他课余的很大一部分时间，而且很费脑筋，甚至他在睡梦中也“思考”着问题。他的这种做法引起了一些同学和老师的注意，有的认为他这是自讨苦吃，身为学生，只要把老师课堂讲授的知识理解消化就足够，何必再花费那么多精力去提前硬“啃”老师还没有讲授的知识呢？有的则认为，伽利略在学习上是“尖子”，他这么做，无非是显示自己比别人聪明，至于预学的效果和收获他是不在意的。只有少数博学有远见的老师认为伽利略将来一定是个大有作为的人，他是个天才，必将大器早成。
面对周围师生们对自己议论纷纷，伽利略毫不介意，继续预学不止。在艰难的预学中，他深切地体味到“学山”攀登者的苦与甜和败与胜。他乐此不疲。预学，使他面对的知识视野永远是新鲜而多姿的，将他头脑中的“探求之剑”越磨越利，可以更加锋快地“斩”断很多学习的难题。他预学后的知识，老师在课堂讲授，他能够“心有灵犀一点通”，提高自己的学习效率。这样，他就可以抓住学习的主动性。在知识的海洋里，他像一条自由游戈的鱼儿，尽情探寻，拼命索取养分，以利自身的智力增长和提高。
对希腊语和拉丁语的学习，伽利略也十分着迷，情系神恋。他的发音非常准确，口语流利，他成为班级里公认的“语音规范器”。在外语学习上，伽利略是十分刻苦的，每天清早，他就悄悄起床，拿起外语书，来到离家不远的寂静树林里，轻声朗读，常常一读就是个把小时。每天如此，不管刮风下雨，还是自己身体不舒服，从未间断过。对这些不同于母语字体的神奇的字母，以及用它们构成的词语、句式，他表现了浓厚的兴趣。有一天晚上，伽利略做完了作业，又默读了一会儿外语课文，尔后，他放下了书，抬起头，看到因一天的劳累而正在椅子上打盹的父亲，他下意识地走过去，用希腊语问道：“爸爸，您很累吗？到床上去歇一会儿吧。”正半睡半醒的文森西奥听到伽利略能说希腊语，一激灵，清醒了，“你再说一遍。”伽利略按照父亲的要求做了。文森西奥很高兴：伽利略的希腊语说得这么好。于是通晓希腊语的文森西奥与儿子用外语交谈，虽只是些日常生活方面的简单对话，但伽利略在具体语言环境的用词等方面都表现得很出色。于是，晚饭后的外语对话成了伽利略和父亲共有的一大乐趣。父子的外语对话，逗得裘丽娅和伽利略两个小妹妹时常发笑，从中，也提高了伽利略的外语口语表达能力。
对知识的追求，伽利略是永不知足、永不倦怠的。他在课堂上向老师提出的问题越来越多，越来越难，致使有的教师难以圆满地给他解答。即使这样，许多老师从心里还是喜欢这个矮胖的红头发男孩，因为他们以前的学生中还没有出现过伽利略这样的勤学好问、求知欲极高的怪才。
渐渐地，课堂上所讲授的知识，已难于满足伽利略的求知需求了。他开始看课外书。家境的贫寒，使他家藏书很少，根本满足不了他的要求。他就央求父亲去朋友那借书给他看。比萨小学的一位老师藏书很多，伽利略得知这个情况后，立即登门拜访，借书看。那位老师思想很开明，虽没有教过伽利略，但对他的印象很深，也非常赞赏他的求知热情，慨然允许借阅。他从那位老师手中借阅了许多有关人文主义思想方面的文学、哲学书籍，思想境界和知识视野都有进一步的提高和拓展。在借阅和还书的过程中，伽利略与那位老师成了密友，几年后，伽利略的这位密友为他能够进入比萨大学学习出了不少的力。
伽利略生来好奇，随着年龄的增长，他掌握了一些知识，而使他好奇的事情似乎也越来越多。
他喜欢在晴朗的夜空里望月观星。他常常坐在自家院中的一块草坪上，遥望着深邃的夜空中的繁星和月亮，头脑里思考着一些问题：为什么晚间地上一片漆黑时，天上的星星和月亮却发出光亮，这光是它们发的光呢，还是太阳照的？月亮有没有人居住呢？为什么星星和月亮只有在夜晚时才能看到呢？晚上太阳到哪里去了呢……千奇百怪的问题在他的脑海涌现着，困扰着他。他的想象力和联想力太丰富了。
他想从书中找出这些问题的答案，于是拼命读书。然而令他失望的是，小学教科书里找不到答案，借阅的众多课外书里也没有。他就向学校的老师询问，有的老师好心地劝导他不要有那么多奇思妙想，先把现在的基础知识学好，长大后再研究这些奇怪现象。而个别保守的老师则对他的问题嗤之以鼻，冷冷地对他说，这种事情是上帝安排的，鬼才知道是怎么回事。
伽利略并没有气馁，他想，自己认真观察一段时间，或许能够找到解决问题的答案。
他开始了望月观星的行动。当时正值隆冬时节，比萨虽坐落在地中海式气候带内，但冬天的夜晚仍是很冷的。伽利略迎着寒风，仰望夜空中的星星和月亮，仔细观测，用心琢磨。他一站就是两三个小时，浑身被风吹得冰凉，却浑然不觉。后来冻得实在挺不住了，就跑回自己的房间，往身上披了一块毛毯，又偷偷地跑了出来，继续观察。
也不知道他观察了多少个夜晚，他最终没有得到当初欲要得到的答案。这时，他才认识到，自己心中想要解决的那些问题，仅靠肉眼的观察是不行的。
当然他在观察中发现了一些自然规律：月亮的圆缺运动及星星的次序规则等。他为自己的发现感到欣喜。
父亲终于在一天晚上发现伽利略“失踪”了，他感到纳闷儿，就披衣走出了屋外，四下寻找，他终于发现自己的宝贝儿子正蜷曲成一团瑟瑟发抖地仰望着星空。
“伽利略，你蹲在那儿看什么呢？”父亲感到奇怪，不禁问伽利略。
伽利略听到父亲的问话，吃了一惊，随后镇定下来，把自己的一些想象之谜告诉了父亲。“你简直是疯了，思考这些问题能有什么意义呢？毫无必要！你现在最关键的是学好基础知识，为将来进入比萨大学学医做好准备。你必须把你头脑中的胡思乱想全部丢弃，安心学习。”父亲怒气冲冲地对伽利略发起火来。
伽利略却冷静下来，等父亲的火气消了许多后，他缓缓地说：“爸爸，我觉得我观察月亮和星星的行为不是胡闹，教科书上的知识太陈旧了，它对一些现象，尤其是对大自然方面的许多现象缺乏合理的解释和正确的判断。而自然中这些现象本身就是存在的，可至今无人能真正解释清楚。我是想通过自己的悉心观察，从中寻找出解释这些自然现象的正确答案。”
父亲听了伽利略的话，不禁叹了一口气，说道：“孩子，你太幼稚了。你这样做是与上帝作对啊！你是要走哥白尼的路啊！”
“这与上帝有什么关系呢？哥白尼是谁？”
“唉，说来话长，几十年前，在离我们意大利很远的一个名叫波兰的国家，出现了一位科学家哥白尼。他运用亲身的观察实验，打破了神学家一贯推崇的宇宙观念——地球中心说，提出了太阳中心说，向上帝提出了挑战。他的这种学说被宗教裁判视为异端邪说，哥白尼的学说虽然很有科学的根据，但他触犯了上帝的意志，所以屡遭教会的迫害，终生不得志，最后郁郁寡欢而终。伽利略，你要把他的遭遇引以为鉴，不要再沉迷于胡思乱想之中不能自拔。从而耽误了自己的前途。我从心里赞赏哥白尼的学说，但回天无力啊！”
“哥白尼真伟大！”伽利略在心里赞叹。为了安慰好心的父亲，伽利略非常诚恳地说：“爸爸，您放心，我知道自己应该去做什么，怎样做。我不会让您失望的。”
父亲的脸上这才露出了满意的笑容。
此后的伽利略，在学习上更加用功，一有问题就缠着老师寻根问底，并开始与老师争辩某些问题，使老师对他既喜爱又畏惧。
伽利略仍旧观察天象，并开始尝试着做观察记录。
从父亲那里简单了解了哥白尼的“日心说”理论学说后，伽利略忽然对太阳产生了浓厚的兴趣。他用心观察，发现太阳在每天的日出日落时又大又红，在白天则光芒刺人，这是为什么呢？带着这个疑问，他找来了一块很厚的玻璃片，极目观日。灿烂夺目的阳光即使有厚玻璃的阻隔，仍然刺眼得很。观测的时间一长，刺激得伽利略眼睛发花，酸痛无比。数天过后，他的眼睛已肿得睁不开了。对此他禁不住惊讶地喊道：阳光有毒！
他也为自己的好奇付出了代价。
伽利略看到大大小小的鸟儿在空中自由飞翔，不禁在心里生起疑问：鸟为什么能在天上飞呢？
经过一段时间的观察，伽利略发现：鸟在飞行时凭借着一双翅膀上下摇动。啊，原来如此，那么人若插上一双翅膀，不也就像鸟儿一样在天空自如飞翔吗？
伽利略决定自己试一试。
他找来一些长木条、旧油布、铁钉和绳子，模仿鸟的翅膀形状，制作了两个“翅膀”。两个妹妹看见她们的哥哥做了两个怪“玩具”，就跑过来问伽利略这“玩具”是什么。伽利略骄傲地对妹妹们说：“这不是玩具，而是一双翅膀，我戴上它们，就能飞到天上去。”
“哥哥，那你也带上我们一起飞上天好不好？”他的妹妹似乎也天性好奇，恳切地央求着他。
“这……”伽利略感到很为难，因为凭借自己做的这双翅膀，能否飞上天去，他自己也没有把握，这只是第一次试验。他沉吟了片刻，就安慰着妹妹们说：“一次带三个人飞上天，恐怕不行。这样吧，我先一个人试试，如果行，再带上你们好吗？”
两个妹妹小嘴儿噘得很高，很不情愿地退到一旁，不吭声了。
伽利略把“翅膀”用绳子拴套在自己的两条胳膊上，尔后向左右平举起胳膊，振臂上下摆动，嘴里呼喊着：“我要飞了！飞呀！”可是他并没有飞起来。“这大概是某个动作不到位。”他心里琢磨着。于是又变换姿式，一边嘴里呼喊着，一边振动“翅膀”向前疾跑。此时，伽利略觉得耳边风声呼啸，他不由得兴奋起来，环绕着自己家的庭院围墙，不停地振“翅”，奔跑，嘴里也不住地喊：“起飞了，我要起飞了！”他运动了半天，还是飞不起来。
他的怪样逗得两个小妹妹捧腹大笑，她们用手指点着哥哥，也不停地凑趣呼喊：“怪鸟要飞了，飞呀，怎么飞不起来呀！”
伽利略却没有泄气，仍继续来回跑跳着。此刻，他的母亲裘丽娅饲养的小鸡、小鹅被惊咋得四处乱飞乱跑，庭院里尘土飞扬，夹杂着人的呼喊、鸡叫、鹅鸣，喧闹极了。
折腾了半天，伽利略还是上不了“天”，累得汗流浃背，两个小妹妹走到他的身边，对他挤眉弄眼地说：“你的这种飞法，我们也会呀！”说完，她们也模仿着伽利略的动作，大呼大叫起来。
伽利略一见，真是哭笑不得。他休息一会儿后，体力又恢复了。他觉得自己还是没找到合适的那种起飞方法。他忽然看见一只白鸽从自家的阳台上飞了起来。咦，他的眼前一亮，如果从阳台上起飞，不就行了。想到这，他急忙跑上了阳台，往地上一望，呀，阳台距地面有三米高，这次要是不成功，摔下去可不得了，但是万一成功了呢。经过一番心理上的斗争，伽利略下定决心试一次。
他振动“翅膀”，向前一跃，啊，还真有些腾云驾雾的感觉呢。哎呀，自己的身体怎么往下堕？“扑通”一声，伽利略只觉眼前一黑，就什么也不知道了。
不知过了多长时间，伽利略在一阵疼痛中苏醒过来了。他有些艰难地睁开了双眼，伸出手一摸，头已经缠上一层软布。“你终于醒过来了。”裘丽娅长吁了一口气，用手拭去了自己眼角上的泪，“伽利略，你真是太痴了，脑子怎么会有那种可笑的想法。人是不能在天上飞的，绑上‘翅膀’也不能。你差点毁了自己，你的头、腿都磕破了好几处，这样下去怎么能行呢？”裘丽娅心疼地数落着伽利略。
“对不起，妈妈，我让你操心了。可是我无法控制自己的好奇，看到一种现象，自己就想通过试验来认识它、弄懂它。”伽利略很歉意地对母亲说。
“可你也不能拿生命开玩笑啊！”
“我保证今后不会了。妈妈，这次我摔得很重，飞行失败了，但我毕竟知道了用这种翅膀是不能把人带到空中去飞行的。这就是收获啊。”
裘丽娅见儿子仍振振有词，只得叹了一口气，没有再说什么，起身到厨房去准备饭菜了。文森西奥回到家听完妻子说儿子练飞行摔伤的经过之后，就急忙来到了儿子的床前，很心疼地注视着他，轻轻地拍了拍他的肩头，什么话也没有说。
伽利略的伤势不太重，几天后，他背着书包又来学校上课了。他的同学看到他头上缠着的布带，就围上来问他发生了什么事。知道真相后，许多同学哄笑起来，七嘴八舌地开始嘲讽他：“你真是大傻瓜，尽干傻事。”
“你是人，不是鸟！”
“也好，有了这次教训，你下次就不会再干类似的愚蠢事了。”
“有的老师不是说你是天才吗，还让我们向你学习，幸亏没有向你学，不然的话，我们也摔得鼻青脸肿的。”
……
冷言冷语，直扑伽利略的耳朵，他并没有反驳，显得很平静。
同窗们看见他的这副神态，渐渐地住了口，奇怪地看着他。
“你们说完了吗？好吧，我现在要开始学习了，请不要再来打扰我。”伽利略说完这句话，就坐到自己的座位上，聚精会神地看起书来。
同窗们也感到没趣，就各自走开了。
常借给伽利略书看的那位老师知道伽利略摔伤的缘由后，把他叫到自己的办公室，对他说：“伽利略，你年纪还小，对一些事物了解得也少。你的好奇和多思是可贵的，这点对你的将来大有益处。不过，你现在的主要任务是多读书，广泛吸吮知识，充实自己的头脑，知识储备的增多，会给你的想象插上翅膀，将来你可以在自己选择的知识研究领域里自由翱翔啊！”
“我懂了，尊敬的老师。我会把您的话牢记在心的。”
“伽利略，你要记住，想象要以知识为基础，否则就是脱离实际的幻想。”
伽利略连连点头。
他又开始埋头读书，沉浸在知识的海洋之中。各种奇妙的想法萦绕在他的脑海里。他经常走神，和他的同学们交谈时变得心不在焉。见此情景，同学们说：“我们班的小天才——伽利略又在做梦了。”
伽利略想得很远，他在尝试为自己解释各种事物。
后来，他在课堂上向老师提出了许多自己百思不得其解的问题，然而所提出的问题他的老师也是回答不了的。书本知识解释不了现实现象，伽利略感到很苦闷。他把自己的心事向博学的父亲倾吐了出来。
“等你再大一些，我可以送你到一所好的学校去读书。我听说在佛罗伦萨附近的瓦朗布罗萨有一所很著名的修道院学校，那里的老师很有学问，我想，你的这些想法和疑问，到那里会得到圆满回答的。我希望你将来成为一名医生，如果想当医生，就必须上大学深造。这些你懂吗？”
已10周岁的伽利略从心里不愿意将来从事医生职业。但他渴望多学习一些知识。
“那所修道院的校规很严，你将来到那里学习，一定要改掉你那种喜欢幻想的不良习惯，否则你会受到惩罚的。”伽利略硬着头皮答应了，他理解父亲的好意。
在比萨小学的三年学习时间里，伽利略从心里感到是充实的，难忘的。他对学习知识是认真而刻苦的。经过这段初级的学校教育，他已养成了勤学好问得好习惯。为他以后的发展打下了扎实的知识基础。
他倔强自信，才思敏捷，善于联想、观察，勇于实践和探索，寻求运用所学的知识去解释当时还没有被人们认识的自然现象，虽屡遭挫折和失败，但他仍痴情不改，坚持不懈。在追求科学真理的初期，他就显示了一种勇敢精神，这对伽利略后来在追求科学真理的奋斗中影响很大。
少年的伽利略，在思维和行动中开始塑造自我性格，并且在塑造的过程中激发了自己的思维活力。他的聪明展现在小学课堂上的只是一小部分，他把更多的才智和注意力投向“外面的世界”，对大自然生活空间的好奇和多思成为他最美好和最深刻的心理感知，这是一种醉人的神秘性的体验。从而更加激发了他对这些美妙无穷的领域渴望探知的兴趣。
