《物理教学设计与实施》和《物理学习与教学论》两本书一同构成了基于学习心理学的物理教学设计理论的体系。《物理学习与教学论》侧重阐述学习心理学视角下物理教学设计理论的构建，《物理教学设计与实施》则侧重于教学设计理论的具体应用。
《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》提出培养学习者的学科核心素养的目标。物理观念、科学思维、科学探究等学科核心素养的实质是什么？如何在课堂教学中有效地培养学习者的学科核心素养？这些是物理教学研究领域应该给予回答的问题。《物理教学设计与实施》依据学习心理学关于内部表征、解决问题的内部过程等研究成果，揭示出学习者表现出的物理学科核心素养所对应的内部机制。只有符合学习者内部机制的教学才是有效教学。《物理教学设计与实施》提出建立在学习者内部机制基础上的教学设计方案，并通过丰富的物理课例来展示方案的具体实施，尝试为学习者物理学科核心素养的培养提供一种可行的解决路径。
丛书总序
课堂教学的科学
《学与教的心理学》在学科教学中的运用
1987年，我在苏州铁道师范学院（今苏州科技大学）从事公共课心理学的教学工作。当时，我国高等师范院校一般只开设一门心理学课程（一个学期，每周23课时）。教材内容主要是从苏联引进的普通心理学，包括认知过程： 注意、感知觉、记忆、思维、想象；个性心理特征： 能力、性格、意志等；另外还增加了有关儿童发展心理学和教育心理学等的内容。学生对心理学这门概念多、实际运用难的课程普遍不感兴趣，认为学了用不上。教育行政部门对这门课程也普遍不够重视。在一次江苏省教委的会议上，我提出心理学课程只开一学期，每周只有两课时，课时太少。一位教委负责人回答：给两课时基层学校还嫌浪费，给三课时就更嫌浪费了。
值得庆幸的是，国际心理学在20世纪七八十年代发起了认知心理学革命。认知心理学恰好回答了钱学森先生提出的教育科学的基础理论问题。他说：教育科学中难的问题，也是核心的问题是教育学科的基础理论，即人的知识和应用知识的智力是怎样获得的，有什么规律。解决了这个核心问题，教育科学的其他学问和教育工作的其他部门就有了基础，有了依据。没有这个基础理论，其他也就难说准。所以，首先应该集中研究教育科学的基础理论。例如，加涅在20世纪70年代将学生的学习结果分成言语信息、智慧技能、认知策略、动作技能和态度等五个类别。他在《学习的条件》一书中解释了每类学习的过程和条件。除态度之外，其他四类学习结果都来源于知识。加涅系统地阐明了知识是怎么转化为学生的技能和智慧能力（即钱先生所说的应用知识的智力）的一般规律。这样心理学就从孤立地研究认知过程走上将认知过程与知识学习相结合的道路。
20世纪八九十年代，在认知学习理论基础上又产生了一门新学科，即基于学习心理学的系统化教学设计。它通过四个关键环节，使教师教学行为建立在科学的学习心理学基础上：
（1） 通过一套技术使教学目标行为化，变得可以观察和测量；
（2） 对教育目标中的学习结果类型及其学习的条件进行分析，据此决定学习的过程和条件；
（3） 依据上述分析选择适当的教学过程和方法，为有效学习创造合适的条件；
（4） 对照目标设计测量与评价教学效果的工具（包括测验题、练习题）以及评价标准。
传统上，教师的教学主要基于经验。新教师上岗主要模仿老教师的做法。因此一般师范院校的学生认为不用学心理学，照样可以当教师。在系统化教学设计产生并被移植到学校课堂教学之后，教师不学心理学，寸步难行。因为不懂心理学，在备课时教师不会写教学目标；在上课时，教师不知道学习的性质是什么，往往会将技能教成知识，或用教知识的方法来教学生态度和行为，也不知道如何用外显行为来检测学生内在的能力和倾向的变化。
为了反映国际学习心理学和教学设计方面的新进展，改革高等师范院校公共心理学课程，我在1987年承担高等师范院校公共心理学课程的教学工作之后，就着手改革高等师范院校公共心理学的教材内容。经过三年的努力，在华东师范大学心理学系邵瑞珍教授的指导下，苏州铁道师范学院联合上海教育学院、浙江省教育学院、南京师范大学和宁波师范学院（今宁波大学）部分心理学教师编写了一本以学习心理学和教学心理学为主要内容的高等师范院校公共心理学教材，取名《学与教的心理学》（1990年由华东师范大学出版社出版）。实际上，它是我国本基于科学心理学的教学论，简称科学取向的教学论。
该教材一经使用就受到试用学校的普遍欢迎。苏州铁道师范学院的公共心理学教学教材获院内优秀教材一等奖，并获江苏省普通高校优秀教学质量三等奖（1991年）；宁波师范学院的公共心理学教学改革获院内特等奖，省内二等奖（1993年）；《学与教的心理学》曾获上海市哲学社会科学优秀著作三等奖（1994年），优秀教材一等奖（1999年），2006年入选教育部普通高校教育十一五规划教材。
《学与教的心理学》被作为高等师范院校公共心理学教材之后，受到了普遍欢迎，每年发行一万多册，近三十多年来经久不衰。但试教学校的教师和学生普遍感到该书的特点是新和难。难在什么地方？不在文字，而在于如何运用。因为学习公共心理学的师范院校的学生来自语文、数学、英语、历史、地理等不同系科。公共心理学教材只讲一般学习与教学的心理学原理，举例也大多数是小学的例子。学科知识越简单，越容易被来自不同系科的学生接受。但各学科的学生如何在本学科的实践中运用学与教的一般心理学原理呢？对于这个问题，不仅学生感到难，任课教师也感到难，而且作为教材的编者，也犯难，因为这是一个有待研究和开发的全新领域。同时，这一任务不是心理学家、教学设计专家能独立完成的，他们必须与中小学学科教师合作，只有经过多年努力，才可能在理论研究和案例开发上获得较大突破。自20世纪90年代以来，我和我的硕士、博士研究生先后在华东师范大学附属小学进行多年语文教学研究，之后又连续三年在上海市宝山区十所中小学校的多个学科课堂中进行应用研究。在硕士、博士论文研究的基础上，我们出版了学科教学论新体系丛书共七种： 语文、数学各两册，自然科学、社会科学和英语各一册（2004年和2005年先后在上海教育出版社出版）。
此后，我和王小明、庞维国及他们的研究生的参与下，将修订的布卢姆认知目标分类学《学习、教学和评估的分类学： 布卢姆教育目标分类学修订版》（2001年）、加涅等的《教学设计原理》（2005年）、史密斯等的《系统化教学设计》（2005年）、迪克等的《教学设计》（2005年）和M·P·德里斯科尔的《学习心理学： 面向教学的取向》（2005年）翻译出来，于2008至2009年在华东师范大学出版社先后出版，为深入进行学与教的理论与应用研究提供了资料。
从学科应用研究来看，语文学科是难运用学与教的心理学原理的学科。经过长期积累和近十年的集中研究，语文学科的应用研究取得了重大突破。由我和合作者所著的《小学语文学习与教学论》和《小学语文教学设计与实施》已经完稿。由安徽师范大学文学院何更生教授（心理学博士）及其合作者所著的《中学语文学习与教学论》和《中学语文教学设计与实施》、由华东师范大学教师教育学院陈刚副教授（心理学博士）及其合作者所著的《物理学习与教学论》和《物理教学设计与实施》近期内可以完稿。由北京师范大学张春莉教授（数学硕士、心理学博士）及其合作者所著的《数学学习与教学论》和《数学教学设计与实施》实践卷争取在年内完稿。因研究人员更换，由苏州科技大学教育与公共管理学院吴红耘教授及其合作者所承担的《历史学习与教学论》和《历史教学设计与实施》，由徐州市教研室副主任、英语特级教师李秋颖及其合作者所承担的《英语学习与教学论》和《英语教学设计与实施》争取明年完成。
在2005年前，我们的教学案例开发是单科进行的。自2005年起，广州市花都区教育局提出了构建科学课堂的任务。构建科学课堂实质上就是用科学取向的教学理论武装教师，并通过在专家指导下的教学设计与实施的反复练习，使该理论支配教师备课、上课和评课的行为。全区设立了七所实验学校（小学三所，初中、高中各两所），同时聘请我的学术团队中的五名教授、一名副教授和一名特级教师进行理论指导。经过两年不分学科与分学科系统培训与操练，实验学校的教学骨干才开始比较系统地领会了科学取向的教学论。一旦他们系统地领会了科学取向的教学论，他们的教学设计就能表现出创造性。现在广州市花都区的科学课堂建设已经进入第三年，正是到了出人才和出成果的时候。
在此我要十分感谢广州市花都区教育局和教研室领导为我们提供了心理学专家、学科教学论专家、教研员和优秀的一线教师四结合开发教学案例的机会。没有你们的高瞻远瞩和强有力的领导，要完成这样的大型工程是不可想象的。经过三十年努力，供教师学习与运用的心理学不仅有《学与教的心理学》的一般原理，不久又会有语文、数学、英语、物理、历史等学科版的学与教的心理学教材出版。尽管不同学科的研究深度会有不同，可能还会留下遗憾，但我们已尽力了。
皮连生
编 物理新授课的教学设计
编 导读
章 物理概念和规律学习理论概述
节 认知策略的实质与教学
一、 认知策略的界定
二、 认知策略的特征
三、 方法教学样例
第二节 物理概念和规律意义的建立
一、 定性关系建立的逻辑方法
二、 定量关系建立的逻辑方法
三、 排除物理量间因果关系的逻辑方法
四、 物理观念习得的实质
第三节 物理概念和规律意义习得之理论分析学习途径
一、 理论分析途径解决科学问题中的策略
二、 理论分析途径学习过程分析样例
三、 科学思维素养的实质与实现
第四节 物理概念和规律意义习得之实验探究学习途径
一、 实验探究途径解决科学问题中的策略
二、 实验探究途径学习样例分析
三、 科学探究素养的实质与实现
四、 拓展讨论科学方法的层次
第二章 物理概念和规律意义学习的教学设计
节 教学设计理论概述
一、 教学设计概述
二、 教学任务分析
三、 教学方法选择与教学样例
第二节 教学设计说明及样例
一、 教学设计说明
二、 牛顿第二定律教学设计样例
第三章 物理概念和规律意义学习的教学设计样例
样例一：自由落体运动教学设计
样例二：牛顿第三定律教学设计
样例三：太阳与行星间的引力教学设计
样例四：电势能与电势教学设计
样例五：静电现象的应用教学设计
样例六：安培力教学设计
样例七：楞次定律教学设计
样例八：光电效应教学设计
样例九：平面镜成像教学设计
样例十：凸透镜成像规律教学设计
样例十一：浮力教学设计
样例十二：比热容教学设计
第二编 物理习题课的教学设计
第二编导读
第四章 物理习题教学理论概述
节 物理习题解决的学习机制
一、 物理习题解决领域的策略
二、 解决一类物理习题的学习结果问题图式
第二节 复杂物理习题解决的教学目标
一、 问题解决的研究对习题教学的启示
二、 习题教学的目标
第三节 复杂习题解决策略的提炼技术
一、 物理复杂习题策略提炼技术
二、 提炼技术应用案例
三、 拓展讨论
第五章 复杂物理习题的教学样例
样例一：一道运动、力、功能关系综合题的新题教学
样例二：一道传送带问题的新题教学
样例三：一道导体棒在磁场中运动的新题教学
样例四：浮沉状态不同，液面升降类习题的教学
样例五：物体受共点三力静平衡类习题的教学
样例六：存在相互运动叠加体类习题的教学
样例七：温度变化引起的液柱（活塞）移动问题的教学
样例八：共点力的动态平衡问题的教学
样例九：电磁感应中的图像问题的教学
第三编 物理复习课的教学设计
第三编导读
第六章 物理系统化知识的教学设计
节 系统化知识的学习
一、 组织知识是人类学习的一种机制
二、 物理学习中组织知识的策略
三、 系统化知识的基本要求
第二节 物理学科系统化知识的教学
一、 系统化知识学习的学习结果
二、 系统化知识教学目标
三、 系统化知识学习的教学方法
第七章 物理系统化知识教学样例
样例一：万有引力定律一章知识系统化的教学
样例二：静电场一章知识系统化的教学
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