前言

理工科大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程時(shí)，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(wú)疑義的。大學(xué)物理教材一般都會(huì)在每一章后面列出學(xué)生必須完成的習(xí)題和問(wèn)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(guò)分析計(jì)算來(lái)完成的，而問(wèn)題往往是從“是什么”或“為什么”兩個(gè)方面提出，要求學(xué)生通過(guò)思考或討論以后完成。通過(guò)習(xí)題和問(wèn)題的訓(xùn)練有助于學(xué)生自己檢驗(yàn)和加深對(duì)物理基本概念、基本定理和基本定律等的理解，從而提高運(yùn)用物理知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，這類(lèi)知識(shí)被稱(chēng)為學(xué)科知識(shí)（subject matter knowledge,SMK）。上述習(xí)題和問(wèn)題統(tǒng)稱(chēng)為物理學(xué)科知識(shí)的問(wèn)題。

從知識(shí)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(shí)，必須在物理學(xué)科知識(shí)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(gè)物理基本概念、基本定理或基本定律的基本含義及其來(lái)龍去脈。

除了掌握大學(xué)物理的物理學(xué)科知識(shí)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(shí)，這是教師從事教學(xué)活動(dòng)的基本功。一般教學(xué)知識(shí)是關(guān)于教學(xué)本質(zhì)、教學(xué)過(guò)程、教學(xué)方法等基本問(wèn)題的知識(shí)，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(shí)建構(gòu)，什么是有效教學(xué)，什么是深度學(xué)習(xí)，怎樣開(kāi)展課堂討論等。這些問(wèn)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(guò)程中面臨的基本問(wèn)題，而回答這些問(wèn)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(shí)。

除了物理學(xué)科知識(shí)和一般教學(xué)知識(shí)以外，一個(gè)大學(xué)物理教師還必須具備物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)。在20世紀(jì)80年代早期，曾任美國(guó)教育研究會(huì)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(shí)（pedagogical content knowledge，PCK）這個(gè)概念。他指出，學(xué)科教學(xué)知識(shí)是“一種特殊形式的內(nèi)容知識(shí)，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(lèi)比、說(shuō)明、解釋和示例�？偠�言之，學(xué)科教學(xué)知識(shí)就是把學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)化為易于他人理解的知識(shí)。這種知識(shí)，在教學(xué)中至關(guān)重要，代表了對(duì)學(xué)科知識(shí)深層次的理解”SHULMAN L S.實(shí)踐智慧： 論教學(xué)、學(xué)習(xí)與學(xué)會(huì)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(shí)“是最能夠?qū)�學(xué)科專(zhuān)家對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解同教師對(duì)學(xué)科內(nèi)容的理解區(qū)分開(kāi)來(lái)的一類(lèi)知識(shí)”SHULMAN L S.實(shí)踐智慧： 論教學(xué)、學(xué)習(xí)與學(xué)會(huì)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(duì)于大學(xué)物理教學(xué)而言，物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)是指教師在把物理學(xué)科知識(shí)和一般教學(xué)知識(shí)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(shí)的特點(diǎn)和物理學(xué)科的知識(shí)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(shí)。

在物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)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(wèn)題。在大學(xué)物理教學(xué)中經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到下列說(shuō)法： 一種說(shuō)法認(rèn)為，大學(xué)物理無(wú)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(huì)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(shí)和公式外，究竟還應(yīng)該學(xué)習(xí)什么？還有一種說(shuō)法認(rèn)為，有些理工科專(zhuān)業(yè)課程中并不需要大學(xué)物理知識(shí)作為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程對(duì)這些專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)是沒(méi)有什么用的，因此，這些專(zhuān)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(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)嗎？除了理工科專(zhuān)業(yè)外，現(xiàn)在有些大學(xué)在文科專(zhuān)業(yè)也已經(jīng)開(kāi)設(shè)了文科大學(xué)物理，物理知識(shí)看起來(lái)似乎與文科專(zhuān)業(yè)更加“風(fēng)馬牛不相及”，那么，應(yīng)該如何看待開(kāi)設(shè)文科物理的必要性呢？作為一門(mén)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(shí)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(shí)的一個(gè)重要課題。對(duì)于物理學(xué)科的具體知識(shí)而言，在大學(xué)物理教學(xué)中經(jīng)常遇到的問(wèn)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(duì)牛頓定律的理解主要停留在理解具體知識(shí)點(diǎn)和提高解題技巧上。那么，進(jìn)了大學(xué)以后，對(duì)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(shuō)牛頓定律不是通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)歸納得出的結(jié)論，而是一個(gè)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(wèn)世以來(lái)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shuō)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(diǎn)電荷的庫(kù)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(shí)靜電力和靜電場(chǎng)的特點(diǎn)？如何從中學(xué)物理計(jì)算點(diǎn)電荷產(chǎn)生電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)提升到計(jì)算連續(xù)帶電體產(chǎn)生電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)？這樣的計(jì)算體現(xiàn)了哪些物理學(xué)思想和方法？為什么愛(ài)因斯坦認(rèn)為對(duì)電磁學(xué)的研究必須“從頭開(kāi)始”？作為電磁學(xué)開(kāi)頭的靜電學(xué)在哪些方面體現(xiàn)了“從頭開(kāi)始”的思想？與經(jīng)典物理相比，近代物理中相對(duì)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(guò)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(shí)的基礎(chǔ)上把握物理學(xué)科知識(shí)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(shí)的一個(gè)重要課題。物理學(xué)科知識(shí)不僅包括物理學(xué)科“事實(shí)性的知識(shí)”（“是什么”）和“原理性的知識(shí)”（“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(shí)，這是物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)的重要組成部分。如果把物理學(xué)科知識(shí)中的每一個(gè)概念、定理和定律比喻為“樹(shù)木”，物理學(xué)科知識(shí)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(shí)，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(shí)“樹(shù)木”，在掌握物理知識(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)體系的整體上，從學(xué)科知識(shí)的相互聯(lián)系的“森林”上，更深入地認(rèn)識(shí)“樹(shù)木”的物理意義及其在“森林”中的地位和作用，更好地認(rèn)識(shí)理解和掌握滲透在物理學(xué)科知識(shí)體系中的物理學(xué)史和物理學(xué)的思想方法。對(duì)于“樹(shù)木”和“森林”的地位和作用而言，對(duì)后者的學(xué)習(xí)要求比對(duì)前者更重要。那么，什么是物理學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系？它對(duì)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(shí)的一個(gè)重要課題。大學(xué)物理教師都會(huì)同意這樣的說(shuō)法，即教物理，不僅要教物理知識(shí)，還要教物理學(xué)思想方法。但也有些說(shuō)法認(rèn)為，大學(xué)物理課程主要是傳授知識(shí)，至于物理學(xué)的思想方法，有時(shí)間就講，沒(méi)有時(shí)間可以不提。物理學(xué)思想方法是獨(dú)立于物理知識(shí)之外的附加品嗎？怎樣在大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程中滲透對(duì)學(xué)生的物理學(xué)思想方法的教育？

與上述這類(lèi)問(wèn)題相關(guān)的知識(shí)都可以歸結(jié)為物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)，以上這類(lèi)問(wèn)題統(tǒng)稱(chēng)為物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)的問(wèn)題，這些問(wèn)題是大學(xué)物理教師在教學(xué)過(guò)程中面臨的基本問(wèn)題，而回答這些問(wèn)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(shí)。

在教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展的前進(jìn)道路上，一個(gè)大學(xué)物理教師除了努力掌握物理學(xué)科知識(shí)和一般教學(xué)知識(shí)以外，還必須掌握物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)，把自己的教學(xué)過(guò)程植根于物理學(xué)科知識(shí)（SMK）、一般教學(xué)知識(shí)和物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)(PCK)三者有機(jī)融合的基礎(chǔ)上，這是大學(xué)物理教師專(zhuān)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(shí)的問(wèn)題，除了涉及對(duì)大學(xué)物理學(xué)科具體內(nèi)容和知識(shí)的深入理解外，透過(guò)內(nèi)容和知識(shí)還能更多地涉及對(duì)物理學(xué)概念的來(lái)龍去脈、物理學(xué)的思想方法、物理學(xué)的學(xué)科知識(shí)體系及大學(xué)物理與中學(xué)物理銜接有關(guān)的知識(shí)等的理解。設(shè)置和討論物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)的問(wèn)題有助于教師在教學(xué)過(guò)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(shí)點(diǎn)及物理學(xué)科知識(shí)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(shí)以提高教學(xué)水平的認(rèn)識(shí)上升到在傳授物理知識(shí)的同時(shí)，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(duì)課程育人的意義。

物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)的問(wèn)題所包含的內(nèi)涵和外延遠(yuǎn)大于物理學(xué)科知識(shí)問(wèn)題的內(nèi)涵和外延。對(duì)物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)問(wèn)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(lái)自對(duì)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(lái)自對(duì)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(duì)物理學(xué)科教學(xué)問(wèn)題可以得出不同的解答。

為了方便討論問(wèn)題，我們將涉及物理學(xué)科知識(shí)的問(wèn)題稱(chēng)為物理教學(xué)的“小問(wèn)題”，將涉及物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)的問(wèn)題稱(chēng)為物理教學(xué)的“大問(wèn)題”。在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中，我們需要“小問(wèn)題”，通過(guò)思考和回答“小問(wèn)題”，有助于引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)物理學(xué)科知識(shí)的理解； 但我們更需要“大問(wèn)題”，通過(guò)探究和回答“大問(wèn)題”，有助于教師加深對(duì)物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)的理解，把握大學(xué)物理知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，感悟物理學(xué)的思想方法； 通過(guò)探究和回答“大問(wèn)題”，在教學(xué)過(guò)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(shí)的同時(shí)提升基本的科學(xué)核心素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生敢于提問(wèn)和善于提問(wèn)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(gè)良好的基礎(chǔ)。

多年來(lái)，我們?cè)诖髮W(xué)物理教學(xué)中積累了一些物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)的問(wèn)題，我們?cè)诰帉?xiě)出版《大學(xué)物理概念簡(jiǎn)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(shí)匯總和整理這些問(wèn)題，并著手編寫(xiě)本書(shū)以作為該教材的配套教學(xué)參考資料。

教學(xué)的實(shí)踐表明，教師對(duì)學(xué)科教學(xué)的“問(wèn)題意識(shí)”達(dá)到什么程度，在教學(xué)中對(duì)學(xué)生的“問(wèn)題意識(shí)”的激勵(lì)和影響也就達(dá)到什么程度。我們?cè)�把以上提到的有些�?wèn)題作為教研活動(dòng)的內(nèi)容開(kāi)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(shū)能為理工科類(lèi)院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)大學(xué)物理課程教師的教研活動(dòng)以及在課堂教學(xué)中開(kāi)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(wèn)題。

本書(shū)分為總論（5問(wèn)）、力學(xué)（25問(wèn)）、熱學(xué)（23問(wèn)）、電磁學(xué)（14問(wèn)）、振動(dòng)和波（9問(wèn)）、光學(xué)（6問(wèn)）、相對(duì)論（14問(wèn)）和量子論（12問(wèn)）共八大部分（108問(wèn)）。由于每一個(gè)問(wèn)題都來(lái)自教學(xué)中的歸納和積累，問(wèn)題的提出都有著教學(xué)的背景。為了更好地把握大問(wèn)題的來(lái)龍去脈，我們對(duì)每一個(gè)問(wèn)題的提出都有一段導(dǎo)入說(shuō)明。在這些大問(wèn)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(shí)體系有關(guān)，對(duì)這些問(wèn)題我們都給出了參考解答。

雖然本書(shū)只列了108個(gè)“大問(wèn)題”，但是我們相信，隨著大學(xué)物理教學(xué)研究的開(kāi)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(wèn)題”。我們也期望通過(guò)教學(xué)研究實(shí)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(shí)”問(wèn)題的有特色的教學(xué)題庫(kù)（不同于通常的思考題庫(kù)），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(gè)新的更高的水平。

本書(shū)由朱鋐雄、王向暉、朱廣天、尹亞玲分工編寫(xiě)，最后由朱鋐雄整理統(tǒng)稿。在本書(shū)編寫(xiě)和出版過(guò)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(duì)書(shū)稿從內(nèi)容到文字、符號(hào)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(shū)的編著提供了來(lái)自課堂教學(xué)和教研活動(dòng)的很有價(jià)值的問(wèn)題和意見(jiàn)，對(duì)他們的支持在此表示誠(chéng)摯的感謝。

由于編寫(xiě)者水平有限，對(duì)大學(xué)物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)問(wèn)題的收集、歸納還不夠廣泛，本書(shū)中提出的108個(gè)“大問(wèn)題”及其“參考解答”僅僅是我們自己的初步認(rèn)識(shí)，對(duì)大學(xué)物理學(xué)科教學(xué)知識(shí)的理解上還存在很多不足之處，敬請(qǐng)專(zhuān)家、同行和讀者批評(píng)指正。

作者2019年7月于華東師范大學(xué)