前言

理工科大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程時，首先需要學(xué)習(xí)和掌握物理學(xué)的基本概念、基本原理和基本方法，這是毫無疑義的。大學(xué)物理教材一般都會在每一章后面列出學(xué)生必須完成的習(xí)題和問題。其中，習(xí)題一般是給出一定的情景條件，要求學(xué)生利用物理定律和公式通過分析計算來完成的，而問題往往是從“是什么”或“為什么”兩個方面提出，要求學(xué)生通過思考或討論以后完成。通過習(xí)題和問題的訓(xùn)練有助于學(xué)生自己檢驗和加深對物理基本概念、基本定理和基本定律等的理解，從而提高運用物理知識分析問題和解決問題的能力，這類知識被稱為學(xué)科知識（subject matter knowledge,SMK）。上述習(xí)題和問題統(tǒng)稱為物理學(xué)科知識的問題。

從知識層面上看，擔(dān)任大學(xué)物理課程教學(xué)的教師，首先應(yīng)該系統(tǒng)、全面、深入地掌握大學(xué)物理的物理學(xué)科知識，必須在物理學(xué)科知識上比學(xué)生“站得更高，看得更遠(yuǎn)”，從而能夠在課堂上熟練地把握并講解每一個物理基本概念、基本定理或基本定律的基本含義及其來龍去脈。

除了掌握大學(xué)物理的物理學(xué)科知識外，作為一名大學(xué)物理教師，既然從事的是教學(xué)工作，就必須具備一定教學(xué)知識，這是教師從事教學(xué)活動的基本功。一般教學(xué)知識是關(guān)于教學(xué)本質(zhì)、教學(xué)過程、教學(xué)方法等基本問題的知識，如關(guān)于究竟什么是教，什么是學(xué)，什么是啟發(fā)式教學(xué)，什么是知識建構(gòu)，什么是有效教學(xué)，什么是深度學(xué)習(xí)，怎樣開展課堂討論等。這些問題都是包括大學(xué)物理教師在內(nèi)的從事所有學(xué)科教學(xué)的教師在教學(xué)過程中面臨的基本問題，而回答這些問題就需要從事所有學(xué)科教學(xué)的教師具備一般的教學(xué)知識。

除了物理學(xué)科知識和一般教學(xué)知識以外，一個大學(xué)物理教師還必須具備物理學(xué)科教學(xué)知識。在20世紀(jì)80年代早期，曾任美國教育研究會主席的斯坦福大學(xué)教授舒爾曼（L.Shulman）就提出了學(xué)科教學(xué)知識（pedagogical content knowledge，PCK）這個概念。他指出，學(xué)科教學(xué)知識是“一種特殊形式的內(nèi)容知識，包括學(xué)科內(nèi)容如何達(dá)到最可教的水平……和使用最有效的表征方式……如何使用最有力的類比、說明、解釋和示例。總而言之，學(xué)科教學(xué)知識就是把學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為易于他人理解的知識。這種知識，在教學(xué)中至關(guān)重要，代表了對學(xué)科知識深層次的理解”SHULMAN L S.實踐智慧： 論教學(xué)、學(xué)習(xí)與學(xué)會教學(xué)［M］.王艷玲，王凱，毛齊明，等譯. 上海： 華東師范大學(xué)出版社，2014： 13.。他還指出,學(xué)科教學(xué)知識“是最能夠?qū)�學(xué)科專家對學(xué)科知識的理解同教師對學(xué)科內(nèi)容的理解區(qū)分開來的一類知識”SHULMAN L S.實踐智慧： 論教學(xué)、學(xué)習(xí)與學(xué)會教學(xué)［M］.王艷玲，王凱，毛齊明，等譯.上海： 華東師范大學(xué)出版社，2014： 155.。

對于大學(xué)物理教學(xué)而言，物理學(xué)科教學(xué)知識是指教師在把物理學(xué)科知識和一般教學(xué)知識努力相結(jié)合的基礎(chǔ)上，深刻理解大學(xué)物理課程作為基礎(chǔ)課程的作用和地位，以及大學(xué)物理學(xué)科知識的特點和物理學(xué)科的知識體系，努力把握物理學(xué)史、物理學(xué)思想和物理學(xué)方法，能把物理特定主題內(nèi)容的教學(xué)和物理學(xué)科的思想方法融合在一起呈現(xiàn)給學(xué)生的教學(xué)策略和教學(xué)方法等多方面的知識。

在物理學(xué)科教學(xué)知識領(lǐng)域中，首先涉及的是如何看待大學(xué)物理作為基礎(chǔ)課程的作用和地位的問題。在大學(xué)物理教學(xué)中經(jīng)常會聽到下列說法： 一種說法認(rèn)為，大學(xué)物理無非就是比中學(xué)物理有更多的公式、定理和定律，因此“記住概念和定律，會應(yīng)用公式多解題”，這就是學(xué)習(xí)大學(xué)物理的有效方法。學(xué)習(xí)大學(xué)物理就是比中學(xué)學(xué)習(xí)更多的物理定理和公式嗎？大學(xué)物理除了學(xué)習(xí)許多知識和公式外，究竟還應(yīng)該學(xué)習(xí)什么？還有一種說法認(rèn)為，有些理工科專業(yè)課程中并不需要大學(xué)物理知識作為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程對這些專業(yè)的學(xué)習(xí)是沒有什么用的，因此，這些專業(yè)的學(xué)生不必學(xué)習(xí)大學(xué)物理。學(xué)習(xí)大學(xué)物理僅僅是為以后專業(yè)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)嗎？除了理工科專業(yè)外，現(xiàn)在有些大學(xué)在文科專業(yè)也已經(jīng)開設(shè)了文科大學(xué)物理，物理知識看起來似乎與文科專業(yè)更加“風(fēng)馬牛不相及”，那么，應(yīng)該如何看待開設(shè)文科物理的必要性呢？作為一門基礎(chǔ)課，大學(xué)物理的基礎(chǔ)地位和作用究竟是什么？

大學(xué)物理的內(nèi)容如何能夠既與中學(xué)物理知識相銜接，又在中學(xué)物理基礎(chǔ)上深化和提高，也是大學(xué)物理學(xué)科教學(xué)知識的一個重要課題。對于物理學(xué)科的具體知識而言，在大學(xué)物理教學(xué)中經(jīng)常遇到的問題是，在力學(xué)中，學(xué)生在中學(xué)已經(jīng)學(xué)習(xí)了牛頓定律，對牛頓定律的理解主要停留在理解具體知識點和提高解題技巧上。那么，進(jìn)了大學(xué)以后，對于牛頓定律而言，教師應(yīng)該教什么？學(xué)生應(yīng)該從牛頓定律中學(xué)什么？除了引導(dǎo)學(xué)生更深刻地理解牛頓定律的物理含義外，大學(xué)物理還應(yīng)該從哪些方面加以提升？怎樣更好地引導(dǎo)學(xué)生理解牛頓給人們展示的自然界統(tǒng)一的圖像？怎樣使學(xué)生初步建立這樣的物理圖像？為什么說牛頓定律不是通過觀察和實驗歸納得出的結(jié)論，而是一個完整的公理體系？牛頓的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》自1687年問世以來已有三百多年，如今牛頓力學(xué)除了依然成為中學(xué)生和大學(xué)生必修學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程外，在科學(xué)思想和方法論上還為我們提供了哪些啟示？在熱學(xué)中，學(xué)生在中學(xué)初步接觸了氣體的溫度、壓強(qiáng)及氣體三個實驗定律，大學(xué)物理的熱學(xué)應(yīng)該怎樣使學(xué)生理解溫度的定義及溫度、壓強(qiáng)的統(tǒng)計意義？怎樣使學(xué)生更好地理解熱力學(xué)定律的重要作用？為什么說熵在熱力學(xué)中具有比內(nèi)能更重要的地位和作用？熱力學(xué)定律特定的否定性表述為人們揭示了什么？在電磁學(xué)中，學(xué)生在中學(xué)期間已經(jīng)學(xué)習(xí)了點電荷的庫侖定律，大學(xué)物理的靜電學(xué)應(yīng)該怎樣指引學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識靜電力和靜電場的特點？如何從中學(xué)物理計算點電荷產(chǎn)生電場的電場強(qiáng)度和電勢提升到計算連續(xù)帶電體產(chǎn)生電場的電場強(qiáng)度和電勢？這樣的計算體現(xiàn)了哪些物理學(xué)思想和方法？為什么愛因斯坦認(rèn)為對電磁學(xué)的研究必須“從頭開始”？作為電磁學(xué)開頭的靜電學(xué)在哪些方面體現(xiàn)了“從頭開始”的思想？與經(jīng)典物理相比，近代物理中相對論和量子理論顯得比較抽象，應(yīng)該從哪些方面指導(dǎo)學(xué)生了解它們的形成過程、基本思想、基本內(nèi)容、基本方法，以及在物理學(xué)發(fā)展史上的重要地位和作用？等等。

如何在大學(xué)物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生在掌握具體物理知識的基礎(chǔ)上把握物理學(xué)科知識的結(jié)構(gòu)體系，也是關(guān)于大學(xué)物理學(xué)科教學(xué)知識的一個重要課題。物理學(xué)科知識不僅包括物理學(xué)科“事實性的知識”（“是什么”）和“原理性的知識”（“為什么”），如具體的物理概念、定理和定律等，還包括物理學(xué)科結(jié)構(gòu)體系的知識，這是物理學(xué)科教學(xué)知識的重要組成部分。如果把物理學(xué)科知識中的每一個概念、定理和定律比喻為“樹木”，物理學(xué)科知識結(jié)構(gòu)體系就如同“森林”。學(xué)生在中學(xué)期間初步學(xué)習(xí)了力、熱、電、光等物理知識，留下的最深印象大概就是一大堆物理定律、定理和公式。在大學(xué)物理教學(xué)中，教師不僅需要引導(dǎo)學(xué)生深入認(rèn)識“樹木”，在掌握物理知識的廣度和深度上有所提高，還需要引導(dǎo)學(xué)生理解和把握“森林”，引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)科知識結(jié)構(gòu)體系的整體上，從學(xué)科知識的相互聯(lián)系的“森林”上，更深入地認(rèn)識“樹木”的物理意義及其在“森林”中的地位和作用，更好地認(rèn)識理解和掌握滲透在物理學(xué)科知識體系中的物理學(xué)史和物理學(xué)的思想方法。對于“樹木”和“森林”的地位和作用而言，對后者的學(xué)習(xí)要求比對前者更重要。那么，什么是物理學(xué)科的知識結(jié)構(gòu)體系？它對于學(xué)生提高科學(xué)核心素養(yǎng)有什么重要意義？

如何在大學(xué)物理教學(xué)中滲透物理學(xué)思想和物理學(xué)方法教育也是關(guān)于大學(xué)物理學(xué)科教學(xué)知識的一個重要課題。大學(xué)物理教師都會同意這樣的說法，即教物理，不僅要教物理知識，還要教物理學(xué)思想方法。但也有些說法認(rèn)為，大學(xué)物理課程主要是傳授知識，至于物理學(xué)的思想方法，有時間就講，沒有時間可以不提。物理學(xué)思想方法是獨立于物理知識之外的附加品嗎？怎樣在大學(xué)物理的教學(xué)過程中滲透對學(xué)生的物理學(xué)思想方法的教育？

與上述這類問題相關(guān)的知識都可以歸結(jié)為物理學(xué)科教學(xué)知識，以上這類問題統(tǒng)稱為物理學(xué)科教學(xué)知識的問題，這些問題是大學(xué)物理教師在教學(xué)過程中面臨的基本問題，而回答這些問題就需要從事大學(xué)物理教學(xué)的教師必須具備物理學(xué)科教學(xué)知識。

在教師專業(yè)發(fā)展的前進(jìn)道路上，一個大學(xué)物理教師除了努力掌握物理學(xué)科知識和一般教學(xué)知識以外，還必須掌握物理學(xué)科教學(xué)知識，把自己的教學(xué)過程植根于物理學(xué)科知識（SMK）、一般教學(xué)知識和物理學(xué)科教學(xué)知識(PCK)三者有機(jī)融合的基礎(chǔ)上，這是大學(xué)物理教師專業(yè)發(fā)展的必由之路。

設(shè)置和討論物理學(xué)科教學(xué)知識的問題，除了涉及對大學(xué)物理學(xué)科具體內(nèi)容和知識的深入理解外，透過內(nèi)容和知識還能更多地涉及對物理學(xué)概念的來龍去脈、物理學(xué)的思想方法、物理學(xué)的學(xué)科知識體系及大學(xué)物理與中學(xué)物理銜接有關(guān)的知識等的理解。設(shè)置和討論物理學(xué)科教學(xué)知識的問題有助于教師在教學(xué)過程中遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，指導(dǎo)學(xué)生更好地理解和掌握與物理概念、物理定律和物理定理相關(guān)的知識點及物理學(xué)科知識的結(jié)構(gòu)體系； 有助于教師從不斷改進(jìn)教學(xué)方法、注重傳授知識以提高教學(xué)水平的認(rèn)識上升到在傳授物理知識的同時，注重掌握物理學(xué)思想方法，進(jìn)一步提高物理教育水平的高度，更好地體現(xiàn)大學(xué)物理作為基礎(chǔ)課程對課程育人的意義。

物理學(xué)科教學(xué)知識的問題所包含的內(nèi)涵和外延遠(yuǎn)大于物理學(xué)科知識問題的內(nèi)涵和外延。對物理學(xué)科教學(xué)知識問題的解答有些是確定性的，而更多的是探究性的，這樣的探究性不僅來自對物理學(xué)史和物理學(xué)思想方法從不同層次上的解讀和理解及多方位和多角度的探究和分析，還來自對學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀和認(rèn)知規(guī)律的探究和分析，因此，在不同的條件下根據(jù)不同的探究，對物理學(xué)科教學(xué)問題可以得出不同的解答。

為了方便討論問題，我們將涉及物理學(xué)科知識的問題稱為物理教學(xué)的“小問題”，將涉及物理學(xué)科教學(xué)知識的問題稱為物理教學(xué)的“大問題”。在大學(xué)物理教學(xué)過程中，我們需要“小問題”，通過思考和回答“小問題”，有助于引導(dǎo)學(xué)生加深對物理學(xué)科知識的理解； 但我們更需要“大問題”，通過探究和回答“大問題”，有助于教師加深對物理學(xué)科教學(xué)知識的理解，把握大學(xué)物理知識結(jié)構(gòu)體系，感悟物理學(xué)的思想方法； 通過探究和回答“大問題”，在教學(xué)過程中有助于指導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)掌握大學(xué)物理知識的同時提升基本的科學(xué)核心素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生敢于提問和善于提問的批判性思維能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維的思想火花，為以后的發(fā)展奠定一個良好的基礎(chǔ)。

多年來，我們在大學(xué)物理教學(xué)中積累了一些物理學(xué)科教學(xué)知識的問題，我們在編寫出版《大學(xué)物理概念簡明教程》教材（已于2019年1月由清華大學(xué)出版社出版）的同時匯總和整理這些問題，并著手編寫本書以作為該教材的配套教學(xué)參考資料。

教學(xué)的實踐表明，教師對學(xué)科教學(xué)的“問題意識”達(dá)到什么程度，在教學(xué)中對學(xué)生的“問題意識”的激勵和影響也就達(dá)到什么程度。我們曾把以上提到的有些問題作為教研活動的內(nèi)容開展討論，也嘗試在課堂教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行討論或作為課外作業(yè)，引起了教師和學(xué)生的很大興趣。我們期望，這本教學(xué)參考書能為理工科類院校相關(guān)專業(yè)大學(xué)物理課程教師的教研活動以及在課堂教學(xué)中開展“討論式”“啟發(fā)式”教學(xué)提供一些更深入的、可供思考和討論的問題。

本書分為總論（5問）、力學(xué)（25問）、熱學(xué)（23問）、電磁學(xué)（14問）、振動和波（9問）、光學(xué)（6問）、相對論（14問）和量子論（12問）共八大部分（108問）。由于每一個問題都來自教學(xué)中的歸納和積累，問題的提出都有著教學(xué)的背景。為了更好地把握大問題的來龍去脈，我們對每一個問題的提出都有一段導(dǎo)入說明。在這些大問題中，有些與學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況有關(guān)，有些與物理學(xué)史和物理學(xué)思想方法有關(guān)，有些與物理學(xué)科知識體系有關(guān)，對這些問題我們都給出了參考解答。

雖然本書只列了108個“大問題”，但是我們相信，隨著大學(xué)物理教學(xué)研究的開展，擔(dān)任大學(xué)物理教學(xué)的教師一定還能提出更多的“大問題”。我們也期望通過教學(xué)研究實踐，逐年有所積累，能夠建立起關(guān)于“大學(xué)物理學(xué)科教學(xué)知識”問題的有特色的教學(xué)題庫（不同于通常的思考題庫），豐富大學(xué)物理的教學(xué)資源，并在教學(xué)中得到有效的使用，把我們的大學(xué)物理教育教學(xué)研究提高到一個新的更高的水平。

本書由朱鋐雄、王向暉、朱廣天、尹亞玲分工編寫，最后由朱鋐雄整理統(tǒng)稿。在本書編寫和出版過程中，我們得到了清華大學(xué)出版社領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和支持，特別是魯永芳編輯對書稿從內(nèi)容到文字、符號規(guī)范等方面投入了大量精力，并提出了很多有益的修改建議，在此表示由衷的感謝。李欣、周曉東等也為本書的編著提供了來自課堂教學(xué)和教研活動的很有價值的問題和意見，對他們的支持在此表示誠摯的感謝。

由于編寫者水平有限，對大學(xué)物理學(xué)科教學(xué)知識問題的收集、歸納還不夠廣泛，本書中提出的108個“大問題”及其“參考解答”僅僅是我們自己的初步認(rèn)識，對大學(xué)物理學(xué)科教學(xué)知識的理解上還存在很多不足之處，敬請專家、同行和讀者批評指正。

作者2019年7月于華東師范大學(xué)