问题教学法在刚体定轴转动教学中的应用

董长缨　陈修芳

摘 要：介绍了问题教学法的发展背景，并结合大学生的心理特点，阐述了问题教学法在刚体定轴转动中的应用。这种教学法有助于培养学生分析问题、解决问题的能力和创新能力，从而激发学生学习物理的兴趣。

关键词：大学生心理特点；问题教学法；刚体定轴转动；学习兴趣

中图分类号：G642.42 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.111

20世纪60年代中期，前苏联教学论专家马赫穆托夫、列尔耐尔、马丘什金等人倡导问题教学，即“学生由教师经常引入寻求有根据地解决对他们来说是新问题的办法和过程，由此他们就会独立地获取知识、运用原先学过的东西和掌握从事创造性活动的经验”。

马赫穆托夫从理论和实践2个维度入手研究了问题教学理论，其总结性著作《问题教学》在苏联享有“问题教学的理论与实践的百科全书”的美誉。二战后，体现现代科技和现代生产的“第三次浪潮”兴起，随着社会和经济的发展，急需具有独立探索精神的创造型人才。而当时的传统教学单纯强调知识的传授和记忆，忽视了学生能力的培养（思维的发展、智情意的发展、创造能力的发展、个性的发展），所以，培养出来的人才已经不能适应经济和社会发展的需要。于是，改革传统教学，进行创造性教学，培养具有积极性、独立性和创造性的人才，已经成为了当时教育教学改革的焦点。在此背景下，马赫穆托夫在辩证地批判传统教学的基础上，以马列主义认识论作为哲学——方法论基础，以创新性思维理论作为逻辑——心理学基础，经过近20年在苏联鞑靼共和国地区的实验研究和理论总结，建构了现代意义上的问题教学理论。

1 问题教学法

问题教学法就是以问题为载体贯穿教学过程，使学生在设问和释问的过程中萌生自主学习的动机和欲望，进而逐渐养成自主学习的习惯，并在实践中不断优化学习方法，提高自主学习能力的一种教学方法。问题教学法充分体现了学生的主体地位，能有效地激发学生自主学习的主动性和积极性。

古人说：“学贵有疑，小疑则小进，大疑则大进”（陈宪章），“学者要会疑”（程颐），“在可疑而不疑者，不曾学；学则须疑”（张载）。这些都说明了学习过程中“会疑”“须疑”的重要性。

2 大学生学习的心理特点

就学习的实质而言，它是一种社会活动，是人与人交往的社会活动。通过对这种活动的学习，在掌握社会历史经验的过程中，形成了人类智能，它是人学习的根本目的。而人类智能的形成，使人逐渐成为了既能独立认识世界，又能独立改造世界，并能创造性地建设世界，还能不断自我完善，这也是人学习的根本意义。

大学学习阶段是人才由“求学期”进入“创造期”的过渡阶段。这个时期，随着大学生主体意识的萌芽，其自我意识基本成熟，学习意识也基本成熟，具体表现在学习态度的独立性、学习选择的自主性、学习活动的自控性和学习评价标准的规范性等方面。当学习动机发展到核心层时，则表现出了学习的高度自觉性、竞争性和紧迫性。学习的社会责任感使学生主导的学习动机逐步加强，学习智力、能力发展到了最佳时期。

大学生学习心理活动的运行程序有6个阶段，即动员学习阶段、提取信息阶段、融合信息阶段、使用信息阶段、扩充信息阶段和开拓创新阶段。第一阶段和第二阶段与问题教学法的提出问题阶段相对应，第三阶段和第四阶段与问题教学法的分析问题阶段相对应，第五阶段和第六阶段与问题教学法的解决问题阶段相对应。

3 在大学物理教学中的应用

根据大学生心理运行程序的6个阶段，结合问题教学法，具体阐述了问题教学法在刚体定轴转动教学中的应用。

3.1 创设问题情境

创设问题情境是指在教学活动中，根据教学内容、学生的生活观察和已有经验的具体情况，营造一种富有吸引力的学习氛围，从而激发学生的学习兴趣。

3.1.1 从生活观察创设问题情境

问题一：刚体转动状态改变的原因

刚体的运动形式有2种，即平动和转动。比如在水平面拖动一个木箱就属于刚体的平动，而人们进出教室时需开门或关门，就属于刚体的定轴转动。刚体的平动可以用一个点的运动来描述，如果要改变物体的运动状态，就必须要有力作用在物体（木箱）上。根据牛顿第二定律，有力就会有加速度，这样，物体（木箱）的运动状态就会改变，那么，刚体定轴转动（开或关门）状态发生改变的原因是什么呢？

3.1.2 根据已有的物理定律创设问题情境

问题二：刚体定轴转动满足的定律

在中学，我们学习过物体（或质点）的运动规律，可以用牛顿运动定律来解释。如果想把物体（或质点）的运动状态描述清楚，就要告知物体在什么位置？速度和加速度是多少？而要解决这个问题，只需知道物体的受力情况和初始条件，就可以根据牛顿运动定律得到物体的加速度、速度和空间位置。那么，对于刚体定轴转动的问题，有没有类似的定律存在呢？这个定律应该能将刚体的定轴转动情况描绘清楚。

3.1.3 从实验中创设问题情境

问题三：刚体转动过程中的守恒定律

让一个学生手持哑铃坐在茹科夫斯基椅上，使之旋转起来，同时，要求学生伸缩手臂，从而观察实验现象。班上所有的学生都能发现转椅转速随学生手臂的伸缩而发生变化。那么，在这样一个实验中，又蕴含着什么样的物理规律呢？

3.2 分析问题

分析就是将研究对象的整体分为不同的部分、方面、因素和层次，并分别加以考察的认识活动。下面主要分析3.1中的3个问题。

问题一：改变刚体定轴转动（开门或关门）状态的原因是什么？大部分同学都会回答是因为门受力。对于学生的回答，教师可让学生亲自实验，要求学生向门施加一个与门转轴平行或与转轴相交的力，并作用在门上，实验结果是门根本就不会转动。由此可知，力不是改变刚体（比如门）定轴转动状态的原因。让学生继续做实验，只不过现在要求学生对门施加的力的作用线不能与门转轴平行或相交。经过实验发现，门的转动状态发生了改变。由前面2种情况可知，其实都有力施加在门上，只不过第一种情况的力没有产生力矩，而第二种情况的力产生了力矩。上述实验为力矩概念的引入埋下了伏笔。

问题二：在学习刚体定轴转动的过程中，已经知道了一些对应关系。比如坐标 →角坐标θ、速度 →角速ω度、加速度 →角加速度α、力 →力矩M. 关于物体（或质点）的运动规律，可用牛顿第二定律 =m 来解释。那么，刚体定轴转动规律能不能用类似的定律解释呢？如果按照物理量的对应关系解释，应该有M=？α这样一个定律存在。其中，力对应力矩，加速度对应角加速度，质量也应该对应一个物理量。质量是物体惯性大小的量度，所以，问号处也可能是与惯性有关的物理量。对应关系为刚体转动定律的引入埋下了伏笔。

问题三：学生手持哑铃坐在茹科夫斯基椅上旋转起来，伸缩手臂，转椅转速随之发生了改变。这个问题很像冰面上面对面站着2个人，刚开始2人静止，然后彼此一推，2人都向后退去。由此可以发现，以2人作为研究系统，系统不受外力的作用，只有内力作用，虽然2人的速度都发生了变化，但是，系统前后的总动量是守恒的。而坐在转椅上伸缩手臂旋转的学生，虽然他的转速可快可慢，但是，将转椅和学生选作系统，则该系统不会受到其他外力的作用。因此，在学生伸缩手臂改变转速的过程中，也一定蕴含了一种守恒。通过相关的对比和分析，为角动量守恒定律的引入埋下了伏笔。

3.3 解决问题和深化应用

分析问题的意义在于找出解决问题的方法，并解决问题。下面主要描述了3个问题的解决方法和联想应用。

问题一：刚体转动状态改变的原因——力矩

在开关门时发现，当力的作用线与门的转轴既不平行也不相交时，门才会转动。也就是说，要想改变门的转动状态，就必须要有力矩作用在门上，所以，力矩是改变刚体（比如门）转动状态的原因。

除了开关门要用到力矩知识外，生活中，小孩玩的陀螺也是这个原理。为了维持它的旋转，要用绳子不停地抽它，其实也就是给它力矩，这样才使陀螺旋转。另外，天平、杆称等都用到了力矩的原理。

问题二：刚体定轴转动满足的定律——转动定律

在动力学中，质点的运动规律可以用牛顿运动定律分析。

式（2）为刚体定轴转动的转动定律。其中，J为转动惯量，是描述刚体定轴转动转动惯性大小的物理量；α为角加速度。所以，通过对应关系，用类比的方法推出了描述刚体定轴转动的一个非常重要的定律——转动定律。

根据对应关系和类比方法发现，质点动力学与刚体定轴转动有很多相似之处，比如动量定理与角动量定理对应，动量守恒与角动量守恒对应，动能定理与刚体定轴转动的动能定理对应等。

问题三：刚体转动过程中的守恒定律——角动量守恒定律

学生手持哑铃坐在转椅上旋转时，将转椅和学生选作系统，系统不受外力矩作用，整个系统角动量守恒，满足J1ω1=J2ω2.当学生伸缩手臂时，实际上就是在改变系统的转动惯量，所以，转椅转速也会随之发生改变。比如缩回手臂时，J1>J2，则ω1<ω2，因此，就会看到学生越转越快。当伸开手臂时，J1ω2，所以，看到学生越转越慢。

角动量守恒在生活中的应用很多，比如行星绕日的运动、卫星绕地球的运动、被中香炉、陀螺仪、花样滑冰和跳水运动员的旋转运动等。

4 结束语

综上所述，教学方法其实是为完成一定的教学任务，师生在活动中所采用的途径、手段和工具。它的作用主要表现在2个方面：①直接影响教学目标的实现；②直接影响教学目标实现的程度和效率。现代心理学强调“思维以问题始”，没有问题或矛盾就没有积极的思维活动，也就没有解决问题的动机和兴趣。教师要根据所讲知识本身的矛盾和学生对知识理解的矛盾，合理地设疑和释疑，遵循学生心理的发展规律，使学生处于提出问题、分析问题和解决问题的过程中，进而激发学生的学习兴趣，提高学习效率。

参考文献

[1]杜殿坤.原苏联教学论流派研究[M].西安：陕西人民出版社，1993.

[2]顾淑霞.马赫穆托夫问题教学理论初探[D].北京：北京师范大学，2002.

[3]刘兆吉.高等学校教育心理学[M].北京：北京师范大学出版社，1995.

[4]冷余生，解飞厚.高等教育学[M].武汉：湖北人民出版社，2006.

〔编辑：白洁〕

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