试论物理课堂教学结构的优化设计

段玉文

（上海市嘉定区第二中学，上海 201802）

所谓“结构”是事物内部各要素的组合和结合方式，其核心是各要素间的逻辑关系.瑞士著名教育心理学家皮亚杰在《结构主义》一书中深刻地指出：“结构是一个整体、一个系统、一个几何、一个心理整体.”课堂教学结构应是知识的逻辑结构、学生的认知结构、教学的时空结构等的集合，是一个综合体.课堂教学结构不仅是规定时空中的教学活动的各个环节或步骤的具体排列，而且是教学目标、教学原则、教学内容、教学方法等在课堂中的直接体现.物理教学应当重视教学结构的设计，帮助学生从多个视角、多个维度、多个层次理解物理知识，不断丰盈学生的知识表象，让学生建构起知识内外的多重关联，从而促进学生知识结构、认识结构和认知结构的不断完善和发展.

1 教学内容呈现符合知识内在的逻辑结构

教学内容呈现符合知识内在的逻辑结构，实质就是在头脑中明确知识间的逻辑关系（上位关系、下位关系、并列关系、结合关系），将知识按其逻辑关系组合起来，构筑成一定的知识体系.知识内在的逻辑结构反映了各知识点之间的关系，客观上为我们的教学顺序安排提供了依据.明确清晰的知识内在的逻辑结构不仅可使知识体系完整、系统，使知识点之间的层次关系更为直观，而且也能较容易地鉴别出重难点的内容，为确定教学策略、安排教学活动打下良好的基础.

物理知识是结构性的，物理知识在教材中的存在样态也是结构性的.当然，物理知识的结构性与物理知识在教材中的结构性存在样态不是完全匹配的.由于物理教材是教师进行物理教学的直接载体，因而对物理知识的结构性解读就落实在对物理教材的结构性解读上.解读教材结构，要基于学生立场，读懂教材的编写意图、内涵、旨趣，读懂教材中的知识的形成过程、知识的产生方式，读懂教材中知识彼此之间的关联.

解读教材结构一般分为3个层面，首先是教材中最为直观的物理知识结构，其次是教材中的物理方法结构，再次是教材中的物理思想结构.对物理教材中的知识结构解读分为两个维度：其一是纵向的知识结构解读维度，主要解读知识的内在发展脉络、知识的前世今生；其二是横向的知识结构解读维度，主要解读物理知识之间的内在关联.

以“2019年人教版《物理》必修一第3章相互作用——力”为例.

教材编排顺序是：1.重力与弹力，2.摩擦力，3.牛顿第三定律，4.力的合成和分解，5.共点力的平衡.

基于单元视角的结构是：“力的概念”“几种常见的性质的力”“关系”“特性”“应用”.

其纵向结构特征是：“观念中认识力”——“实例中认识力”——“关系中认识力”——“规律中认识力”——“操作中认识力”.

其横向结构特征是：力的认识是力的平衡综合应用的教学基础，同时也是学生后续学习牛顿运动定律、功和功率等的基础.牛顿第三定律在人教版新教材被提前放在“相互作用——力”这一章里，有利于学生系统全面地认识力，形成完整的知识内在逻辑结构.

解读教材中的知识结构，可以立足于学生视角这样思考：知识是怎样产生的？本知识点与之前、之后的知识点有怎样的关联，发挥着怎样的作用？怎样去设计有结构的教学？……

2 教学情境创设契合学生已有的认知结构

教科书上的知识内容是对现实生活的抽象和提炼，设计教学情境则是要还原知识的背景，恢复其原来的生动性、丰富性，为学习者提供完整真实的问题背景.这样的背景有助于学习者产生学习的需要，有助于促进学习共同体中成员间的合作学习，有助于驱动学习者进行自主学习，从而达到主动建构知识意义的目的.

教学情境创设契合学生已有的认知结构，一是构建学习任务与学生经验产生有意义的联系，二是促进知识、技能和经验之间产生连接，从而促进学生有效地寻求、识别、评价和使用信息.情境是主题的“背景”事件，通过这种“背景”事件，学生能更好地理解活动主题的含义，引发学生的认知冲突，激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性.设计教学情境，使相关的内容显示出不同寻常或令人惊奇的现象，情境要与所要学习的科学概念或原理紧密相联，形成激发学生思考的问题，为学生开展进一步的探究作好铺垫.

例如，在“力的合成”课堂教学中设计如下情境.

黑板上有一个物体用一只弹簧秤竖直悬挂，另一个物体（与前一物体等重）用两只弹簧秤互成角度悬挂（两物体已用不透明硬纸板遮住）.根据弹簧秤的示数，你能猜测这两个物体谁重吗？另一个物体的重等于两只弹簧秤示数之和吗？

这节课教学关键之一是：力的合成“代数和”的运算在部分学生头脑中已成定势，如何突破？等效思想怎样建立？等效替代怎样表现？

教学中突破这一个关键的方法是：从“猜测物体谁重”情境入手，形成思维冲突，突破学生力的合成“代数和”运算的思维定势.结合“曹冲称象”的故事等，激起兴趣，感悟等效思想；通过提水桶等实例，观看flash动画，提出“共点力”、“合力和分力”、“力的合成”的概念.从而明确了教学任务，化解了教学疑难.

教学情境创设的功效在于情境的转化，立足于学生已有的认知结构可以这样思考，是否能把情境中的一段经历转化为一个物理探究过程？是否能把情境的故事情节转化为某种物理现象？是否能把描述情境的文字转化为物理表述？是否能把情境中需要完成的工作转化为相应的物理问题？能不能把问题中的实际情境转化为解决问题的物理情境，建立相应的物理模型，这是应用物理观念思考问题、应用物理知识分析解决问题的关键.在物理教学中，要让学生获得在实际情境中解决物理问题的大量经验，形成把情境与知识相关联的意识.

3 教学事件设计贴合教学系统的时空结构

物理教学过程是由一系列按时间顺序发生的教学活动构成的.教学艺术的一个重要表现，在于把一项复杂的教学任务转化为一些分立的、并按某种顺序排列的教学阶段，其中的每一个阶段都有具体的教学任务，它们有不同的类型，属于不同的层次，要求不同的教学方式或条件.完成每一项教学任务的教学活动是教学过程中的一个阶段，每一个教学阶段都包含一些相互链接的程序或步骤.把完成一项具体的教学任务的教学活动作为一个教学阶段，每个教学阶段有其开端和结尾，运用合适的教学方法，经历一定的时间，达到预期的教学效果，这就构成了一个教学事件.教学事件包含一些教学活动，教学步骤的组织和安排是为了达成预期的教学效果.

加涅在《教学设计原理》中称教学可以看成是经过有意识安排的、旨在支持内部学习过程的一套外部事件.我们把支持内部学习过程的一套外部事件称之为教学事件.物理教学事件就是在物理教学中，经过物理教师有意识安排的，旨在支持学生内部学习过程，促进学习任务完成的每一个教学步骤.教学事件是教学过程中承载教学内容，实现教学目标，落实教学思想的具体单元.对教学事件而言，教学环节是教学事件的过程性要素，教学资源是教学事件的内容要素，教学行为就是教学事件的外在表现.

教学事件设计贴合教学系统的时空结构，是能够吸引学生参与，调动学生积极性的任务，是符合课程标准的要求，能够合理地融入其中的知识与技能的任务.通过它，可以发展学生的高阶思维，使每个学生都能感受到自己的成就.构建活动任务时，应充分考虑如下几个方面.

（1）在教学目标分析的基础之上提出一系列的问题，这些问题可分为主问题和多层次的子问题.

（2）学习任务要涵盖教学目标所定义的知识，尽量复杂一些，不能过于简单.

（3）设计学习任务要符合学习者的特征，不能超越学习者的知识能力太多.

（4）问题的设计适当开放一些.不要期望学生一定就能给出完美的答案，而重在鼓励学生参与.

例如“万有引力定律”，从教学系统的时空结构视角设计的教学事件，体现以下特点.

（1）以情境激发情感，教学“温度”好.从“万户飞天”“翟志刚太空出舱”到“站在巨人的肩上”，借着万有引力定律探寻之路，给学生面前打开一扇窗口，借此引发学生探索宇宙奥秘的兴趣，吸引学生的注意力，激发学生学习的兴趣，引导学生发现问题，提出问题.紧接着让学生根据自己的体验展开猜想，互相交流，并与科学家的猜想作对比，增强他们的信心.再对牛顿的猜想进行分析，并将此猜想进一步大胆推广，认为宇宙间任何两个物体之间都存在引力，发挥学生的想象力，注重对学生进行情感教育.

（2）以问题启发思维，教学“密度”高.从“第谷天文观测资料”“开普勒三大定律”到“牛顿的理论推导及月地检验”，以物理学史为主线，让学生以科学家的角度分析、思考问题.让学生的思维经历万有引力“发现”的过程，认识到科学规律的得出需要大胆的设想和推广，体味了科学的本质.

（3）在讨论中提升认识，教学“深度”大.从“宇宙观”“微小量放大思想”“物理模型”到“猜想、推理、验证”，介绍海王星的发现过程，应用万有引力定律分析解决有关问题，让学生在体验中领悟科学的真谛，培养学生科学研究方法和科学探究意识.

教学事件设计的重点应放在引导学生参与学习过程上，对学生在获取知识、方法的过程中可能出现的问题、困难要有充分的估计和对策.课堂教学要保证学生有充分的活动时间和空间，设计哪些学生活动？哪些地方由学生动手体验？哪些地方让学生讨论？用怎样的方式能吸引学生更主动地参与和思考？这些都要给予充分的考虑并落实.

综上所述，在教学结构整体设计上，教学内容、教学情境和教学事件三者是彼此关联、相互融合、相互促进的.教学内容的分析是为了将结构化的内容融入活动情境中，使得结构化的内容犹如“钢架”支撑起房屋一样，支撑起学习活动.同时，学习内容结构的分析也是为了安排适合学生学习的活动任务，创设有趣的活动情境.而脱离学习情境的内容结构犹如失去营养的种子，很难发芽、开花和结果.教学事件是教学设计的基本单元，是在分析教学内容，创设教学情境的前提下，把课程所提供的知识内容和结构，转化为另一种按时间顺序排列的学习过程结构，以使学生成功地从一个阶段进入下一个阶段，最后完成预期的教学任务.如果把每一个阶段作为一个教学事件，依据知识的逻辑结构、学生的认知结构、教学的时空结构，精心设计，形成教学方案，就可以达到物理课堂教学设计最优化的目的.