前言

理工科大學生在學習大學物理課程時，首先需要學習和掌握物理學的基本概念、基本原理和基本方法，這是毫無疑義的。大學物理教材一般都會在每一章后面列出學生必須完成的習題和問題。其中，習題一般是給出一定的情景條件，要求學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，要求學生通過思考或討論以后完成。通過習題和問題的訓練有助于學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，這類知識被稱為學科知識（subject matter knowledge,SMK）。上述習題和問題統(tǒng)稱為物理學科知識的問題。

從知識層面上看，擔任大學物理課程教學的教師，首先應該系統(tǒng)、全面、深入地掌握大學物理的物理學科知識，必須在物理學科知識上比學生“站得更高，看得更遠”，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。

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

除了物理學科知識和一般教學知識以外，一個大學物理教師還必須具備物理學科教學知識。在20世紀80年代早期，曾任美國教育研究會主席的斯坦福大學教授舒爾曼（L.Shulman）就提出了學科教學知識（pedagogical content knowledge，PCK）這個概念。他指出，學科教學知識是“一種特殊形式的內(nèi)容知識，包括學科內(nèi)容如何達到最可教的水平……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�？偠�言之，學科教學知識就是把學科知識轉(zhuǎn)化為易于他人理解的知識。這種知識，在教學中至關重要，代表了對學科知識深層次的理解”SHULMAN L S.實踐智慧： 論教學、學習與學會教學［M］.王艷玲，王凱，毛齊明，等譯. 上海： 華東師范大學出版社，2014： 13.。他還指出,學科教學知識“是最能夠?qū)�學科專家對學科知識的理解同教師對學科內(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、學習與學會教學［M］.王艷玲，王凱，毛齊明，等譯.上海： 華東師范大學出版社，2014： 155.。

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

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

大學物理的內(nèi)容如何能夠既與中學物理知識相銜接，又在中學物理基礎上深化和提高，也是大學物理學科教學知識的一個重要課題。對于物理學科的具體知識而言，在大學物理教學中經(jīng)常遇到的問題是，在力學中，學生在中學已經(jīng)學習了牛頓定律，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，進了大學以后，對于牛頓定律而言，教師應該教什么？學生應該從牛頓定律中學什么？除了引導學生更深刻地理解牛頓定律的物理含義外，大學物理還應該從哪些方面加以提升？怎樣更好地引導學生理解牛頓給人們展示的自然界統(tǒng)一的圖像？怎樣使學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《自然哲學的數(shù)學原理》自1687年問世以來已有三百多年，如今牛頓力學除了依然成為中學生和大學生必修學習的基礎課程外，在科學思想和方法論上還為我們提供了哪些啟示？在熱學中，學生在中學初步接觸了氣體的溫度、壓強及氣體三個實驗定律，大學物理的熱學應該怎樣使學生理解溫度的定義及溫度、壓強的統(tǒng)計意義？怎樣使學生更好地理解熱力學定律的重要作用？為什么說熵在熱力學中具有比內(nèi)能更重要的地位和作用？熱力學定律特定的否定性表述為人們揭示了什么？在電磁學中，學生在中學期間已經(jīng)學習了點電荷的庫侖定律，大學物理的靜電學應該怎樣指引學生進一步認識靜電力和靜電場的特點？如何從中學物理計算點電荷產(chǎn)生電場的電場強度和電勢提升到計算連續(xù)帶電體產(chǎn)生電場的電場強度和電勢？這樣的計算體現(xiàn)了哪些物理學思想和方法？為什么愛因斯坦認為對電磁學的研究必須“從頭開始”？作為電磁學開頭的靜電學在哪些方面體現(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，應該從哪些方面指導學生了解它們的形成過程、基本思想、基本內(nèi)容、基本方法，以及在物理學發(fā)展史上的重要地位和作用？等等。

如何在大學物理教學中引導學生在掌握具體物理知識的基礎上把握物理學科知識的結(jié)構(gòu)體系，也是關于大學物理學科教學知識的一個重要課題。物理學科知識不僅包括物理學科“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，還包括物理學科結(jié)構(gòu)體系的知識，這是物理學科教學知識的重要組成部分。如果把物理學科知識中的每一個概念、定理和定律比喻為“樹木”，物理學科知識結(jié)構(gòu)體系就如同“森林”。學生在中學期間初步學習了力、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。在大學物理教學中，教師不僅需要引導學生深入認識“樹木”，在掌握物理知識的廣度和深度上有所提高，還需要引導學生理解和把握“森林”，引導學生從學科知識結(jié)構(gòu)體系的整體上，從學科知識的相互聯(lián)系的“森林”上，更深入地認識“樹木”的物理意義及其在“森林”中的地位和作用，更好地認識理解和掌握滲透在物理學科知識體系中的物理學史和物理學的思想方法。對于“樹木”和“森林”的地位和作用而言，對后者的學習要求比對前者更重要。那么，什么是物理學科的知識結(jié)構(gòu)體系？它對于學生提高科學核心素養(yǎng)有什么重要意義？

如何在大學物理教學中滲透物理學思想和物理學方法教育也是關于大學物理學科教學知識的一個重要課題。大學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，還要教物理學思想方法。但也有些說法認為，大學物理課程主要是傳授知識，至于物理學的思想方法，有時間就講，沒有時間可以不提。物理學思想方法是獨立于物理知識之外的附加品嗎？怎樣在大學物理的教學過程中滲透對學生的物理學思想方法的教育？

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

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

設置和討論物理學科教學知識的問題，除了涉及對大學物理學科具體內(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概念的來龍去脈、物理學的思想方法、物理學的學科知識體系及大學物理與中學物理銜接有關的知識等的理解。設置和討論物理學科教學知識的問題有助于教師在教學過程中遵循學生認知規(guī)律，指導學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的知識點及物理學科知識的結(jié)構(gòu)體系； 有助于教師從不斷改進教學方法、注重傳授知識以提高教學水平的認識上升到在傳授物理知識的同時，注重掌握物理學思想方法，進一步提高物理教育水平的高度，更好地體現(xiàn)大學物理作為基礎課程對課程育人的意義。

物理學科教學知識的問題所包含的內(nèi)涵和外延遠大于物理學科知識問題的內(nèi)涵和外延。對物理學科教學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史和物理學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，還來自對學生學習現(xiàn)狀和認知規(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，對物理學科教學問題可以得出不同的解答。

為了方便討論問題，我們將涉及物理學科知識的問題稱為物理教學的“小問題”，將涉及物理學科教學知識的問題稱為物理教學的“大問題”。在大學物理教學過程中，我們需要“小問題”，通過思考和回答“小問題”，有助于引導學生加深對物理學科知識的理解； 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科教學知識的理解，把握大學物理知識結(jié)構(gòu)體系，感悟物理學的思想方法； 通過探究和回答“大問題”，在教學過程中有助于指導學生在學習掌握大學物理知識的同時提升基本的科學核心素養(yǎng)，增強學生敢于提問和善于提問的批判性思維能力，激發(fā)學生創(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。

多年來，我們在大學物理教學中積累了一些物理學科教學知識的問題，我們在編寫出版《大學物理概念簡明教程》教材（已于2019年1月由清華大學出版社出版）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參考資料。

教學的實踐表明，教師對學科教學的“問題意識”達到什么程度，在教學中對學生的“問題意識”的激勵和影響也就達到什么程度。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，也嘗試在課堂教學中啟發(fā)學生進行討論或作為課外作業(yè)，引起了教師和學生的很大興趣。我們期望，這本教學參考書能為理工科類院校相關專業(yè)大學物理課程教師的教研活動以及在課堂教學中開展“討論式”“啟發(fā)式”教學提供一些更深入的、可供思考和討論的問題。

本書分為總論（5問）、力學（25問）、熱學（23問）、電磁學（14問）、振動和波（9問）、光學（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中的歸納和積累，問題的提出都有著教學的背景。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入說明。在這些大問題中，有些與學生的學習狀況有關，有些與物理學史和物理學思想方法有關，有些與物理學科知識體系有關，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，隨著大學物理教學研究的開展，擔任大學物理教學的教師一定還能提出更多的“大問題”。我們也期望通過教學研究實踐，逐年有所積累，能夠建立起關于“大學物理學科教學知識”問題的有特色的教學題庫（不同于通常的思考題庫），豐富大學物理的教學資源，并在教學中得到有效的使用，把我們的大學物理教育教學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出版社領導的關心和支持，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，對大學物理學科教學知識問題的收集、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識，對大學物理學科教學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