培養(yǎng)提問技能發(fā)展問題探究能力
——以探究輕桿上的彈力方向為例

陳 艷

(陜西省西安市西光中學(xué) 710001)

美國教育家杜威曾指出:問題存在于人們遇到困難時.心理學(xué)家紐厄爾與西蒙提出:問題是個體想做某件事,但不能即刻知道做這件事所需要采取的一系列行動.對于學(xué)生來說，問題是始終存在的.在教學(xué)活動中，學(xué)生常常會提出一些經(jīng)過思考而得出的具有一定難度的問題，這些問題足以讓學(xué)生進行一番苦苦思考，甚至無法自主得出結(jié)論.相比于直接回答學(xué)生的問題，教師更應(yīng)對學(xué)生進行必要的訓(xùn)練，使學(xué)生通過可以實施的步驟將自主發(fā)現(xiàn)的問題聚焦為核心問題，并且能夠持續(xù)的探究和自我追問，逐漸深度建構(gòu)自己的問題體系，最終自主解決問題.下面以學(xué)生對輕桿模型彈力方向提出的問題為例，分享筆者在教學(xué)中嘗試教會學(xué)生提問技能，促進學(xué)生自主解決問題的教學(xué)策略.

一、問題的提出

高中物理教學(xué)中，共點力的平衡是重點內(nèi)容，常以輕繩、輕桿來建構(gòu)題目情境，典型題目如下：

例1 如圖1，輕桿OD的OC段長為L，CD段嵌入墻壁固定，O端固定一個光滑的定滑輪，輕繩AB一端固定在墻壁上的A點，另一端跨過定滑輪在B處懸掛質(zhì)量為M的重物，系統(tǒng)保持靜止，則OD桿對繩的作用力的大小和方向如何？

例2 如圖2，長為L的輕桿OC，C端用光滑鉸鏈與墻壁固定，輕繩AO一端固定在墻壁上的A點，另一端與桿的O端相連，輕繩BO一端與桿的O點相連，另一端在B處懸掛質(zhì)量為M的重物，系統(tǒng)保持靜止，則AO繩上的彈力大小如何？這兩類典型題目強調(diào)了輕桿模型的特征：桿上的力不一定沿桿向.但學(xué)生也因此產(chǎn)生了極大地困惑：例一情境中可以由共點力平衡條件計算出桿上的力不沿桿向；但例二情境中，由共點力平衡條件計算繩AO上的彈力大小時，怎么能確定CO桿上的力沿著桿向呢？什么情況下桿上的彈力方向一定沿桿向？

二、 對問題進行分析，確定教會學(xué)生提問技能，促進學(xué)生自主解決問題的教學(xué)策略

高中物理不涉及剛體平衡的知識，教師通常會直接告訴學(xué)生“若輕桿的一端是以光滑鉸鏈固定的，則桿上的彈力沿桿向”.事實上，平衡狀態(tài)桿上的彈力具體沿什么方向是由平衡條件和受力環(huán)境決定的，是遵循物理規(guī)律的.學(xué)生真正的困惑在于輕桿上彈力方向怎樣確定.解決這個問題，學(xué)生需要具備初步的剛體平衡的知識；需要有解決平衡問題的一般策略性方法；要應(yīng)用受力分析、力的分解與合成等具體物理方法；要進行較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算等，是個比較復(fù)雜的思維過程.因此，在教學(xué)中要注重教會學(xué)生提問技能，使學(xué)生通過可以實施的步驟將自主發(fā)現(xiàn)的問題聚焦為核心問題，并且能夠持續(xù)的探究和自我追問，逐漸深度建構(gòu)自己的問題體系，最終自主解決問題.結(jié)合學(xué)生的實際情況確定教學(xué)策略如下：

1.要求學(xué)生書面描述問題，明確問題實質(zhì)

學(xué)生提問通常是拿著題目直接來問，問的過程中會將另一種情境的問題提出來進行對比，但因為是口頭表述，所以對細(xì)節(jié)的描述常常含糊不清，甚至錯誤，這會直接影響學(xué)生的自主思維，因此，訓(xùn)練學(xué)生的提問技能的第一步應(yīng)該是要求學(xué)生明確描述問題，而讓學(xué)生書面描述問題可以有效的達到這個目的.

2.要求學(xué)生確定解決問題的方案，明確追問策略

策略性知識是程序性知識的一種，能夠提高人的認(rèn)知效率，“到了初中和高中時期，策略發(fā)展處于后期階段，某些青少年在他們熟悉的知識領(lǐng)域，可以在無成人指導(dǎo)的條件下，自覺運用適當(dāng)?shù)牟呗愿倪M學(xué)習(xí)，而且能根據(jù)任務(wù)的需要來調(diào)整策略” .高中生掌握追問策略有利于學(xué)生進行自我追問，實現(xiàn)對問題解決的過程的自我監(jiān)控和及時調(diào)整.

高中物理解決平衡類問題的方案是由一些相對固定的步驟和方法組成的，確定這些步驟和方法，對學(xué)生的自我追問能夠起到支撐作用，便于將復(fù)雜問題分解為更具體的子問題，便于學(xué)生明確探究困難到底是什么，利于學(xué)生尋求有效的幫助，不會因無法解決具體問題而懷疑解決問題的一般策略.具體流程如圖3所示.

3.要求學(xué)生將思維可視化，支撐自我追問過程

“教師應(yīng)當(dāng)有意識地將自己的思維過程明明白白地展示給學(xué)生.”是一種有利于教會學(xué)生思維的方法.將思維環(huán)節(jié)明確出來，能夠支撐學(xué)生的自我追問活動，同時將解決子問題的過程嵌入到解決平衡類問題的一般思維體系中，更利于學(xué)生深度建構(gòu)問題體系.要求學(xué)生按照前面確定的解決問題的一般策略完成子任務(wù)，以此來支撐自我追問.

4.要求學(xué)生通過各種途徑解決追問過程中的具體子問題，并進一步自我追問，尋求幫助，突破難點.

輕桿的平衡條件并不是難點，學(xué)生通過查找資料，結(jié)合初中的杠桿原理以及個別提問很快了解了輕桿的平衡條件；難點表現(xiàn)為選擇力的運算法則：用力的平行四邊形定則，還是選用正交分解對力進行運算；不能順利的求解方程組.教師通過引導(dǎo)學(xué)生比較，去發(fā)現(xiàn)選擇力的不同運算法則只影響數(shù)學(xué)計算式的形式及運算的簡繁程度，物理作用是相同的，促使學(xué)生進一步理解這些零散的知識并將其納入知識體系.至于解方程組，也是一個物理教學(xué)實際中面臨的難點，必須正視這個問題，要進行解方程組的策略引導(dǎo)和實際操作的演示.

三、進行提問技能的訓(xùn)練，促進深度建構(gòu)問題系統(tǒng)，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)

1.對例一(如圖1)的探究

提出問題并按策略流程解決問題：“例一(如圖1)中OD桿對繩的作用力的方向是否沿桿向？”

環(huán)節(jié)一、研究對象：O處與滑輪接觸的一小段繩

環(huán)節(jié)二、受力分析：以等效的觀點，用沿桿向的分力FX和垂直與桿向的分力Fy等效替代桿對繩的力如圖4

環(huán)節(jié)三、平衡條件：共點力平衡，可用正交分解

環(huán)節(jié)四、列方程并明確限制條件：

FNx=FAcosθFNy+FAsinθ=FBFALsinQ+M=FBL

限制條件：FA=FB=Mg，解方程可知兩分力均不為零，故不沿桿向

環(huán)節(jié)五、判斷能否解決問題：問題已經(jīng)解決，就題目來說已經(jīng)可以結(jié)束了，但還可以對桿進行進一步分析，看看為什么桿上的力不沿桿向.

繼續(xù)提出問題：為什么桿上的力可以不沿桿向？

環(huán)節(jié)一、研究對象：輕桿

環(huán)節(jié)二、受力分析：因桿嵌入墻壁，故墻壁可以對桿提供所需方向的力如圖5

環(huán)節(jié)三、平衡條件：共點力平衡、力矩平衡

環(huán)節(jié)四、列方程并明確限制條：

FNx=FAcosθ(3)

FNy+FAsinθ=FB(4)

FALsinθ+M=FBL(5)

限制條件：FA=FB=Mg.解方程可知墻壁對桿兩分力均不為零.

環(huán)節(jié)五、判斷能否解決問題：因為桿是嵌入墻壁的，故墻壁對桿能夠提供不為零的力，且該力可以不過轉(zhuǎn)軸C，產(chǎn)生逆時針力矩M，故，桿上的力可以不沿桿向.問題得到解決.

總結(jié)：因固定端可以提供不經(jīng)過轉(zhuǎn)軸的力，故嵌入墻壁固定的輕桿上的力可以不沿著桿向

2.對例二(如圖2)的探究

提出問題并按流程解決問題：OD桿對繩的作用力的方向是否沿桿向？

環(huán)節(jié)一、研究對象：結(jié)點O

環(huán)節(jié)二、受力分析：以等效的觀點，用沿桿向的分力Fx和垂直與桿向的分力Fy等效替代桿對結(jié)點O的力如圖6

環(huán)節(jié)三、平衡條件：共點力平衡，可用正交分解

環(huán)節(jié)四、列方程并明確限制條：

Fx=FAcosθ(1)

Fy+FAsinθ=FB(2)

無特殊限制條件.

環(huán)節(jié)五、判斷能否解決問題：不能確定Fx、Fy是否為零，故問題還沒有解決，策略性知識可知還應(yīng)再添加研究對象，也就是對桿進行進一步分析

繼續(xù)提出問題，并按流程解決問題：

患者眩暈癥狀全部消失，不影響患者的正常工作及生活，隨訪2個月無復(fù)發(fā)評價為顯效；患者眩暈癥狀有顯著改善，頭疼現(xiàn)象有明顯減輕，隨訪2個月發(fā)作頻率較之前有明顯減少評價為有效；達不到上述標(biāo)準(zhǔn)者評價為無效。臨床總有效率=顯效率+有效率。

環(huán)節(jié)一、研究對象：輕桿

環(huán)節(jié)二、受力分析：如圖7

環(huán)節(jié)三、平衡條件：共點力平衡；力矩平衡

環(huán)節(jié)四、列方程并明確限制條：

FNx=FAcosθ(3)

FNy+FAsinθ=FB(4)

FALsinθ+M=FBL(5)

限制條件：FN過轉(zhuǎn)軸C，即FN對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生力矩M為零

環(huán)節(jié)五、判斷能否解決問題：比較第(2)式和第(5)式，可知Fy=0，即桿對結(jié)點的彈力沿桿向；比較第(4)式和第(5)式，可知FNy=0，即固定軸對桿的彈力也沿桿向；問題得到解決.

總結(jié)：因固定端只能提供經(jīng)過轉(zhuǎn)軸的力，故桿上的力沿著桿向

3.學(xué)生提出新問題，由輕桿構(gòu)成的三角形支架如圖8，為什么桿上的彈力方向也沿桿向？

環(huán)節(jié)一、研究對象：結(jié)點O；明確三角形支架的固定方式是點固定，也就是墻壁只能對A、C兩處固定點有力的作用

環(huán)節(jié)二、受力分析：這個情境中有兩根輕桿，桿上的力方向不能確定時，仍以等效的觀點，用沿桿向的分力F1和垂直與桿向的分力F2等效替代桿對結(jié)點O的力，如圖9.

環(huán)節(jié)三、平衡條件：共點力平衡，可用正交分解

環(huán)節(jié)四、列方程并明確限制條：沿OC桿和垂直與OC桿分解

FA1cosθ=FA2sinθ+FC1(1)

FA1sinθ+FA2sinθ+FC2=FB(2)

限制條件：無特殊限制條件，且由上式不能計算FA2和FC2的值

環(huán)節(jié)五、判斷能否解決問題：不能判斷各桿桿對O點的力是否為零，還應(yīng)再添加研究對象進一步分析，繼續(xù)按流程處理：

環(huán)節(jié)一、研究對象：輕桿OC

環(huán)節(jié)二、受力分析：如圖10

環(huán)節(jié)三、平衡條件：共點力平衡、力矩平衡

環(huán)節(jié)四、列方程：

FNAx+FA2sinθ=FA1cosθ(3)

FNAy+FA1sinθ+FA2cosθFB(4)

FA1LCsinθ+FA2LCcosθ+M=FBLC(5)

環(huán)節(jié)五、判斷能否解決問題：FNC過轉(zhuǎn)軸C，即FNC對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生力矩M為零比較第(2)式和第(5)式，可知FC2=0，比較第(4)式和第(5)式，可知FNcy=0，OC桿的彈力沿桿向.但不能判斷AO桿的彈力方向，還應(yīng)再添加研究對象進一步分析.

總結(jié)：因OC桿的固定端只能提供經(jīng)過轉(zhuǎn)軸的力，故桿上的力沿著桿向.

同理，對輕桿OA進行分析：

環(huán)節(jié)一、研究對象：輕桿OA

環(huán)節(jié)二、受力分析：如圖11

環(huán)節(jié)三、平衡條件：共點力平衡力矩平衡

環(huán)節(jié)四、列方程并明確限制條：

FNAx=-FC1(6)

FNAy+FC2=FB(7)

FC2LAsinθ+FC1LAsinθ+M=FBFAcosθ(8)

限制條件：FNA過轉(zhuǎn)軸A，即FNC對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生力矩M為零；FC2=0；

由第(8)式得：FC1sinθ=FBcosθ(9)

代入(1)(2)式得

FA1cosθsinθ-FA2sin2θ=FA1sinθcosθ+FA2cos2θ

即：FA2=0

環(huán)節(jié)五、判斷能否解決問題：OA桿的彈力沿桿向.可進一步分析出FNA也沿桿向.

總結(jié)：因OA桿的固定端只能提供經(jīng)過轉(zhuǎn)軸的力，故桿上的力沿著桿向.

最后學(xué)生按照這個流程又進一步對三角行支架的一般受力條件下的彈力方向進行探究.最后得到結(jié)論： “若輕桿的一端是以光滑鉸鏈固定的，則桿上的彈力沿桿向”是因為固定端只能提供經(jīng)過轉(zhuǎn)軸的力，應(yīng)用輕桿的平衡條件，通過計算確定出桿上的力沿著桿向.嚴(yán)格意義上，確定桿上的彈力方向必須通過計算，但上述情境有共同特點：(1)輕桿的一端是以光滑鉸鏈固定的;(2)輕桿只在兩個端點受力，故今后做題若遇到這類情境即可迅速判斷桿上的力沿著桿向.

這個探究過程困難重重，但事實表明，學(xué)生在一般的策略性知識的支撐下，區(qū)分各子任務(wù)，分項解決問題，最終完成探究任務(wù)并將問題進行了拓展探究，取得了很好的成果.這種做法充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體性，營造了開放的教學(xué)空間，有利與真正實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的可持續(xù)發(fā)展.

參考文獻：

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