培養提問技能發展問題探究能力
——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 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.對于學生來說，問題是始終存在的.在教學活動中，學生常常會提出一些經過思考而得出的具有一定難度的問題，這些問題足以讓學生進行一番苦苦思考，甚至無法自主得出結論.相比于直接回答學生的問題，教師更應對學生進行必要的訓練，使學生通過可以實施的步驟將自主發現的問題聚焦為核心問題，并且能夠持續的探究和自我追問，逐漸深度建構自己的問題體系，最終自主解決問題.下面以學生對輕桿模型彈力方向提出的問題為例，分享筆者在教學中嘗試教會學生提問技能，促進學生自主解決問題的教學策略.

一、問題的提出

高中物理教學中，共點力的平衡是重點內容，常以輕繩、輕桿來建構題目情境，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處懸掛質量為M的重物，系統保持靜止，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處懸掛質量為M的重物，系統保持靜止，則AO繩上的彈力大小如何？這兩類典型題目強調了輕桿模型的特征：桿上的力不一定沿桿向.但學生也因此產生了極大地困惑：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，確定教會學生提問技能，促進學生自主解決問題的教學策略

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，平衡狀態桿上的彈力具體沿什么方向是由平衡條件和受力環境決定的，是遵循物理規律的.學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；要應用受力分析、力的分解與合成等具體物理方法；要進行較復雜的數學運算等，是個比較復雜的思維過程.因此，在教學中要注重教會學生提問技能，使學生通過可以實施的步驟將自主發現的問題聚焦為核心問題，并且能夠持續的探究和自我追問，逐漸深度建構自己的問題體系，最終自主解決問題.結合學生的實際情況確定教學策略如下：

1.要求學生書面描述問題，明確問題實質

學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，所以對細節的描述常常含糊不清，甚至錯誤，這會直接影響學生的自主思維，因此，訓練學生的提問技能的第一步應該是要求學生明確描述問題，而讓學生書面描述問題可以有效的達到這個目的.

2.要求學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，能夠提高人的認知效率，“到了初中和高中時期，策略發展處于后期階段，某些青少年在他們熟悉的知識領域，可以在無成人指導的條件下，自覺運用適當的策略改進學習，而且能根據任務的需要來調整策略” .高中生掌握追問策略有利于學生進行自我追問，實現對問題解決的過程的自我監控和及時調整.

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，對學生的自我追問能夠起到支撐作用，便于將復雜問題分解為更具體的子問題，便于學生明確探究困難到底是什么，利于學生尋求有效的幫助，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.要求學生將思維可視化，支撐自我追問過程

“教師應當有意識地將自己的思維過程明明白白地展示給學生.”是一種有利于教會學生思維的方法.將思維環節明確出來，能夠支撐學生的自我追問活動，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，更利于學生深度建構問題體系.要求學生按照前面確定的解決問題的一般策略完成子任務，以此來支撐自我追問.

4.要求學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，學生通過查找資料，結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.教師通過引導學生比較，去發現選擇力的不同運算法則只影響數學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和實際操作的演示.

三、進行提問技能的訓練，促進深度建構問題系統，實現自主學習

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？”

環節一、研究對象：O處與滑輪接觸的一小段繩

環節二、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

環節三、平衡條件：共點力平衡，可用正交分解

環節四、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

環節五、判斷能否解決問題：問題已經解決，就題目來說已經可以結束了，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.

繼續提出問題：為什么桿上的力可以不沿桿向？

環節一、研究對象：輕桿

環節二、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

環節三、平衡條件：共點力平衡、力矩平衡

環節四、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.

環節五、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，且該力可以不過轉軸C，產生逆時針力矩M，故，桿上的力可以不沿桿向.問題得到解決.

總結：因固定端可以提供不經過轉軸的力，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？

環節一、研究對象：結點O

環節二、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等效替代桿對結點O的力如圖6

環節三、平衡條件：共點力平衡，可用正交分解

環節四、列方程并明確限制條：

Fx=FAcosθ(1)

Fy+FAsinθ=FB(2)

無特殊限制條件.

環節五、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再添加研究對象，也就是對桿進行進一步分析

繼續提出問題，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個月無復發評價為顯效；患者眩暈癥狀有顯著改善，頭疼現象有明顯減輕，隨訪2個月發作頻率較之前有明顯減少評價為有效；達不到上述標準者評價為無效。臨床總有效率=顯效率+有效率。

環節一、研究對象：輕桿

環節二、受力分析：如圖7

環節三、平衡條件：共點力平衡；力矩平衡

環節四、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過轉軸C，即FN對轉軸產生力矩M為零

環節五、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：因固定端只能提供經過轉軸的力，故桿上的力沿著桿向

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

環節一、研究對象：結點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

環節二、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等效替代桿對結點O的力，如圖9.

環節三、平衡條件：共點力平衡，可用正交分解

環節四、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

環節五、判斷能否解決問題：不能判斷各桿桿對O點的力是否為零，還應再添加研究對象進一步分析，繼續按流程處理：

環節一、研究對象：輕桿OC

環節二、受力分析：如圖10

環節三、平衡條件：共點力平衡、力矩平衡

環節四、列方程：

FNAx+FA2sinθ=FA1cosθ(3)

FNAy+FA1sinθ+FA2cosθFB(4)

FA1LCsinθ+FA2LCcosθ+M=FBLC(5)

環節五、判斷能否解決問題：FNC過轉軸C，即FNC對轉軸產生力矩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，還應再添加研究對象進一步分析.

總結：因OC桿的固定端只能提供經過轉軸的力，故桿上的力沿著桿向.

同理，對輕桿OA進行分析：

環節一、研究對象：輕桿OA

環節二、受力分析：如圖11

環節三、平衡條件：共點力平衡力矩平衡

環節四、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過轉軸A，即FNC對轉軸產生力矩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

環節五、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：因OA桿的固定端只能提供經過轉軸的力，故桿上的力沿著桿向.

最后學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過轉軸的力，應用輕桿的平衡條件，通過計算確定出桿上的力沿著桿向.嚴格意義上，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，學生在一般的策略性知識的支撐下，區分各子任務，分項解決問題，最終完成探究任務并將問題進行了拓展探究，取得了很好的成果.這種做法充分體現了學生的主體性，營造了開放的教學空間，有利與真正實現學生學習的可持續發展.

參考文獻：

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