問題教學法在剛體定軸轉動教學中的應用

董長纓　陳修芳

摘 要：介紹了問題教學法的發(fā)展背景，并結合大學生的心理特點，闡述了問題教學法在剛體定軸轉動中的應用。這種教學法有助于培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新能力，從而激發(fā)學生學習物理的興趣。

關鍵詞：大學生心理特點；問題教學法；剛體定軸轉動；學習興趣

中圖分類號：G642.42 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.111

20世紀60年代中期，前蘇聯(lián)教學論專家馬赫穆托夫、列爾耐爾、馬丘什金等人倡導問題教學，即“學生由教師經(jīng)常引入尋求有根據(jù)地解決對他們來說是新問題的辦法和過程，由此他們就會獨立地獲取知識、運用原先學過的東西和掌握從事創(chuàng)造性活動的經(jīng)驗”。

馬赫穆托夫從理論和實踐2個維度入手研究了問題教學理論，其總結性著作《問題教學》在蘇聯(lián)享有“問題教學的理論與實踐的百科全書”的美譽。二戰(zhàn)后，體現(xiàn)現(xiàn)代科技和現(xiàn)代生產(chǎn)的“第三次浪潮”興起，隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，急需具有獨立探索精神的創(chuàng)造型人才。而當時的傳統(tǒng)教學單純強調知識的傳授和記憶，忽視了學生能力的培養(yǎng)（思維的發(fā)展、智情意的發(fā)展、創(chuàng)造能力的發(fā)展、個性的發(fā)展），所以，培養(yǎng)出來的人才已經(jīng)不能適應經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要。于是，改革傳統(tǒng)教學，進行創(chuàng)造性教學，培養(yǎng)具有積極性、獨立性和創(chuàng)造性的人才，已經(jīng)成為了當時教育教學改革的焦點。在此背景下，馬赫穆托夫在辯證地批判傳統(tǒng)教學的基礎上，以馬列主義認識論作為哲學——方法論基礎，以創(chuàng)新性思維理論作為邏輯——心理學基礎，經(jīng)過近20年在蘇聯(lián)韃靼共和國地區(qū)的實驗研究和理論總結，建構了現(xiàn)代意義上的問題教學理論。

1 問題教學法

問題教學法就是以問題為載體貫穿教學過程，使學生在設問和釋問的過程中萌生自主學習的動機和欲望，進而逐漸養(yǎng)成自主學習的習慣，并在實踐中不斷優(yōu)化學習方法，提高自主學習能力的一種教學方法。問題教學法充分體現(xiàn)了學生的主體地位，能有效地激發(fā)學生自主學習的主動性和積極性。

古人說：“學貴有疑，小疑則小進，大疑則大進”（陳憲章），“學者要會疑”（程頤），“在可疑而不疑者，不曾學；學則須疑”（張載）。這些都說明了學習過程中“會疑”“須疑”的重要性。

2 大學生學習的心理特點

就學習的實質而言，它是一種社會活動，是人與人交往的社會活動。通過對這種活動的學習，在掌握社會歷史經(jīng)驗的過程中，形成了人類智能，它是人學習的根本目的。而人類智能的形成，使人逐漸成為了既能獨立認識世界，又能獨立改造世界，并能創(chuàng)造性地建設世界，還能不斷自我完善，這也是人學習的根本意義。

大學學習階段是人才由“求學期”進入“創(chuàng)造期”的過渡階段。這個時期，隨著大學生主體意識的萌芽，其自我意識基本成熟，學習意識也基本成熟，具體表現(xiàn)在學習態(tài)度的獨立性、學習選擇的自主性、學習活動的自控性和學習評價標準的規(guī)范性等方面。當學習動機發(fā)展到核心層時，則表現(xiàn)出了學習的高度自覺性、競爭性和緊迫性。學習的社會責任感使學生主導的學習動機逐步加強，學習智力、能力發(fā)展到了最佳時期。

大學生學習心理活動的運行程序有6個階段，即動員學習階段、提取信息階段、融合信息階段、使用信息階段、擴充信息階段和開拓創(chuàng)新階段。第一階段和第二階段與問題教學法的提出問題階段相對應，第三階段和第四階段與問題教學法的分析問題階段相對應，第五階段和第六階段與問題教學法的解決問題階段相對應。

3 在大學物理教學中的應用

根據(jù)大學生心理運行程序的6個階段，結合問題教學法，具體闡述了問題教學法在剛體定軸轉動教學中的應用。

3.1 創(chuàng)設問題情境

創(chuàng)設問題情境是指在教學活動中，根據(jù)教學內容、學生的生活觀察和已有經(jīng)驗的具體情況，營造一種富有吸引力的學習氛圍，從而激發(fā)學生的學習興趣。

3.1.1 從生活觀察創(chuàng)設問題情境

問題一：剛體轉動狀態(tài)改變的原因

剛體的運動形式有2種，即平動和轉動。比如在水平面拖動一個木箱就屬于剛體的平動，而人們進出教室時需開門或關門，就屬于剛體的定軸轉動。剛體的平動可以用一個點的運動來描述，如果要改變物體的運動狀態(tài)，就必須要有力作用在物體（木箱）上。根據(jù)牛頓第二定律，有力就會有加速度，這樣，物體（木箱）的運動狀態(tài)就會改變，那么，剛體定軸轉動（開或關門）狀態(tài)發(fā)生改變的原因是什么呢？

3.1.2 根據(jù)已有的物理定律創(chuàng)設問題情境

問題二：剛體定軸轉動滿足的定律

在中學，我們學習過物體（或質點）的運動規(guī)律，可以用牛頓運動定律來解釋。如果想把物體（或質點）的運動狀態(tài)描述清楚，就要告知物體在什么位置？速度和加速度是多少？而要解決這個問題，只需知道物體的受力情況和初始條件，就可以根據(jù)牛頓運動定律得到物體的加速度、速度和空間位置。那么，對于剛體定軸轉動的問題，有沒有類似的定律存在呢？這個定律應該能將剛體的定軸轉動情況描繪清楚。

3.1.3 從實驗中創(chuàng)設問題情境

問題三：剛體轉動過程中的守恒定律

讓一個學生手持啞鈴坐在茹科夫斯基椅上，使之旋轉起來，同時，要求學生伸縮手臂，從而觀察實驗現(xiàn)象。班上所有的學生都能發(fā)現(xiàn)轉椅轉速隨學生手臂的伸縮而發(fā)生變化。那么，在這樣一個實驗中，又蘊含著什么樣的物理規(guī)律呢？

3.2 分析問題

分析就是將研究對象的整體分為不同的部分、方面、因素和層次，并分別加以考察的認識活動。下面主要分析3.1中的3個問題。

問題一：改變剛體定軸轉動（開門或關門）狀態(tài)的原因是什么？大部分同學都會回答是因為門受力。對于學生的回答，教師可讓學生親自實驗，要求學生向門施加一個與門轉軸平行或與轉軸相交的力，并作用在門上，實驗結果是門根本就不會轉動。由此可知，力不是改變剛體（比如門）定軸轉動狀態(tài)的原因。讓學生繼續(xù)做實驗，只不過現(xiàn)在要求學生對門施加的力的作用線不能與門轉軸平行或相交。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，門的轉動狀態(tài)發(fā)生了改變。由前面2種情況可知，其實都有力施加在門上，只不過第一種情況的力沒有產(chǎn)生力矩，而第二種情況的力產(chǎn)生了力矩。上述實驗為力矩概念的引入埋下了伏筆。

問題二：在學習剛體定軸轉動的過程中，已經(jīng)知道了一些對應關系。比如坐標 →角坐標θ、速度 →角速ω度、加速度 →角加速度α、力 →力矩M. 關于物體（或質點）的運動規(guī)律，可用牛頓第二定律 =m 來解釋。那么，剛體定軸轉動規(guī)律能不能用類似的定律解釋呢？如果按照物理量的對應關系解釋，應該有M=？α這樣一個定律存在。其中，力對應力矩，加速度對應角加速度，質量也應該對應一個物理量。質量是物體慣性大小的量度，所以，問號處也可能是與慣性有關的物理量。對應關系為剛體轉動定律的引入埋下了伏筆。

問題三：學生手持啞鈴坐在茹科夫斯基椅上旋轉起來，伸縮手臂，轉椅轉速隨之發(fā)生了改變。這個問題很像冰面上面對面站著2個人，剛開始2人靜止，然后彼此一推，2人都向后退去。由此可以發(fā)現(xiàn)，以2人作為研究系統(tǒng)，系統(tǒng)不受外力的作用，只有內力作用，雖然2人的速度都發(fā)生了變化，但是，系統(tǒng)前后的總動量是守恒的。而坐在轉椅上伸縮手臂旋轉的學生，雖然他的轉速可快可慢，但是，將轉椅和學生選作系統(tǒng)，則該系統(tǒng)不會受到其他外力的作用。因此，在學生伸縮手臂改變轉速的過程中，也一定蘊含了一種守恒。通過相關的對比和分析，為角動量守恒定律的引入埋下了伏筆。

3.3 解決問題和深化應用

分析問題的意義在于找出解決問題的方法，并解決問題。下面主要描述了3個問題的解決方法和聯(lián)想應用。

問題一：剛體轉動狀態(tài)改變的原因——力矩

在開關門時發(fā)現(xiàn)，當力的作用線與門的轉軸既不平行也不相交時，門才會轉動。也就是說，要想改變門的轉動狀態(tài)，就必須要有力矩作用在門上，所以，力矩是改變剛體（比如門）轉動狀態(tài)的原因。

除了開關門要用到力矩知識外，生活中，小孩玩的陀螺也是這個原理。為了維持它的旋轉，要用繩子不停地抽它，其實也就是給它力矩，這樣才使陀螺旋轉。另外，天平、桿稱等都用到了力矩的原理。

問題二：剛體定軸轉動滿足的定律——轉動定律

在動力學中，質點的運動規(guī)律可以用牛頓運動定律分析。

式（2）為剛體定軸轉動的轉動定律。其中，J為轉動慣量，是描述剛體定軸轉動轉動慣性大小的物理量；α為角加速度。所以，通過對應關系，用類比的方法推出了描述剛體定軸轉動的一個非常重要的定律——轉動定律。

根據(jù)對應關系和類比方法發(fā)現(xiàn)，質點動力學與剛體定軸轉動有很多相似之處，比如動量定理與角動量定理對應，動量守恒與角動量守恒對應，動能定理與剛體定軸轉動的動能定理對應等。

問題三：剛體轉動過程中的守恒定律——角動量守恒定律

學生手持啞鈴坐在轉椅上旋轉時，將轉椅和學生選作系統(tǒng)，系統(tǒng)不受外力矩作用，整個系統(tǒng)角動量守恒，滿足J1ω1=J2ω2.當學生伸縮手臂時，實際上就是在改變系統(tǒng)的轉動慣量，所以，轉椅轉速也會隨之發(fā)生改變。比如縮回手臂時，J1>J2，則ω1<ω2，因此，就會看到學生越轉越快。當伸開手臂時，J1ω2，所以，看到學生越轉越慢。

角動量守恒在生活中的應用很多，比如行星繞日的運動、衛(wèi)星繞地球的運動、被中香爐、陀螺儀、花樣滑冰和跳水運動員的旋轉運動等。

4 結束語

綜上所述，教學方法其實是為完成一定的教學任務，師生在活動中所采用的途徑、手段和工具。它的作用主要表現(xiàn)在2個方面：①直接影響教學目標的實現(xiàn)；②直接影響教學目標實現(xiàn)的程度和效率?，F(xiàn)代心理學強調“思維以問題始”，沒有問題或矛盾就沒有積極的思維活動，也就沒有解決問題的動機和興趣。教師要根據(jù)所講知識本身的矛盾和學生對知識理解的矛盾，合理地設疑和釋疑，遵循學生心理的發(fā)展規(guī)律，使學生處于提出問題、分析問題和解決問題的過程中，進而激發(fā)學生的學習興趣，提高學習效率。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕

Abstract： The problem of teaching development background， combined with the psychological characteristics of college students， explained the problem Approach in rigid body fixed axis of rotation. This teaching will help students analyze problems and innovative ability to solve problems， to stimulate student interest in learning physics.

Key words： psychological characteristics； problem pedagogy； rigid body fixed axis of rotation； interest in learning