前言

理工科大学生在学习大学物理课程时，首先需要学习和掌握物理学的基本概念、基本原理和基本方法，这是毫无疑义的。大学物理教材一般都会在每一章后面列出学生必须完成的习题和问题。其中，习题一般是给出一定的情景条件，要求学生利用物理定律和公式通过分析计算来完成的，而问题往往是从“是什么”或“为什么”两个方面提出，要求学生通过思考或讨论以后完成。通过习题和问题的训练有助于学生自己检验和加深对物理基本概念、基本定理和基本定律等的理解，从而提高运用物理知识分析问题和解决问题的能力，这类知识被称为学科知识（subject matter knowledge,SMK）。上述习题和问题统称为物理学科知识的问题。

从知识层面上看，担任大学物理课程教学的教师，首先应该系统、全面、深入地掌握大学物理的物理学科知识，必须在物理学科知识上比学生“站得更高，看得更远”，从而能够在课堂上熟练地把握并讲解每一个物理基本概念、基本定理或基本定律的基本含义及其来龙去脉。

除了掌握大学物理的物理学科知识外，作为一名大学物理教师，既然从事的是教学工作，就必须具备一定教学知识，这是教师从事教学活动的基本功。一般教学知识是关于教学本质、教学过程、教学方法等基本问题的知识，如关于究竟什么是教，什么是学，什么是启发式教学，什么是知识建构，什么是有效教学，什么是深度学习，怎样开展课堂讨论等。这些问题都是包括大学物理教师在内的从事所有学科教学的教师在教学过程中面临的基本问题，而回答这些问题就需要从事所有学科教学的教师具备一般的教学知识。

除了物理学科知识和一般教学知识以外，一个大学物理教师还必须具备物理学科教学知识。在20世纪80年代早期，曾任美国教育研究会主席的斯坦福大学教授舒尔曼（L.Shulman）就提出了学科教学知识（pedagogical content knowledge，PCK）这个概念。他指出，学科教学知识是“一种特殊形式的内容知识，包括学科内容如何达到最可教的水平……和使用最有效的表征方式……如何使用最有力的类比、说明、解释和示例。总而言之，学科教学知识就是把学科知识转化为易于他人理解的知识。这种知识，在教学中至关重要，代表了对学科知识深层次的理解”SHULMAN L S.实践智慧： 论教学、学习与学会教学［M］.王艳玲，王凯，毛齐明，等译. 上海： 华东师范大学出版社，2014： 13.。他还指出,学科教学知识“是最能够将学科专家对学科知识的理解同教师对学科内容的理解区分开来的一类知识”SHULMAN L S.实践智慧： 论教学、学习与学会教学［M］.王艳玲，王凯，毛齐明，等译.上海： 华东师范大学出版社，2014： 155.。

对于大学物理教学而言，物理学科教学知识是指教师在把物理学科知识和一般教学知识努力相结合的基础上，深刻理解大学物理课程作为基础课程的作用和地位，以及大学物理学科知识的特点和物理学科的知识体系，努力把握物理学史、物理学思想和物理学方法，能把物理特定主题内容的教学和物理学科的思想方法融合在一起呈现给学生的教学策略和教学方法等多方面的知识。

在物理学科教学知识领域中，首先涉及的是如何看待大学物理作为基础课程的作用和地位的问题。在大学物理教学中经常会听到下列说法： 一种说法认为，大学物理无非就是比中学物理有更多的公式、定理和定律，因此“记住概念和定律，会应用公式多解题”，这就是学习大学物理的有效方法。学习大学物理就是比中学学习更多的物理定理和公式吗？大学物理除了学习许多知识和公式外，究竟还应该学习什么？还有一种说法认为，有些理工科专业课程中并不需要大学物理知识作为基础，学习大学物理课程对这些专业的学习是没有什么用的，因此，这些专业的学生不必学习大学物理。学习大学物理仅仅是为以后专业学习打下基础吗？除了理工科专业外，现在有些大学在文科专业也已经开设了文科大学物理，物理知识看起来似乎与文科专业更加“风马牛不相及”，那么，应该如何看待开设文科物理的必要性呢？作为一门基础课，大学物理的基础地位和作用究竟是什么？

大学物理的内容如何能够既与中学物理知识相衔接，又在中学物理基础上深化和提高，也是大学物理学科教学知识的一个重要课题。对于物理学科的具体知识而言，在大学物理教学中经常遇到的问题是，在力学中，学生在中学已经学习了牛顿定律，对牛顿定律的理解主要停留在理解具体知识点和提高解题技巧上。那么，进了大学以后，对于牛顿定律而言，教师应该教什么？学生应该从牛顿定律中学什么？除了引导学生更深刻地理解牛顿定律的物理含义外，大学物理还应该从哪些方面加以提升？怎样更好地引导学生理解牛顿给人们展示的自然界统一的图像？怎样使学生初步建立这样的物理图像？为什么说牛顿定律不是通过观察和实验归纳得出的结论，而是一个完整的公理体系？牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》自1687年问世以来已有三百多年，如今牛顿力学除了依然成为中学生和大学生必修学习的基础课程外，在科学思想和方法论上还为我们提供了哪些启示？在热学中，学生在中学初步接触了气体的温度、压强及气体三个实验定律，大学物理的热学应该怎样使学生理解温度的定义及温度、压强的统计意义？怎样使学生更好地理解热力学定律的重要作用？为什么说熵在热力学中具有比内能更重要的地位和作用？热力学定律特定的否定性表述为人们揭示了什么？在电磁学中，学生在中学期间已经学习了点电荷的库仑定律，大学物理的静电学应该怎样指引学生进一步认识静电力和静电场的特点？如何从中学物理计算点电荷产生电场的电场强度和电势提升到计算连续带电体产生电场的电场强度和电势？这样的计算体现了哪些物理学思想和方法？为什么爱因斯坦认为对电磁学的研究必须“从头开始”？作为电磁学开头的静电学在哪些方面体现了“从头开始”的思想？与经典物理相比，近代物理中相对论和量子理论显得比较抽象，应该从哪些方面指导学生了解它们的形成过程、基本思想、基本内容、基本方法，以及在物理学发展史上的重要地位和作用？等等。

如何在大学物理教学中引导学生在掌握具体物理知识的基础上把握物理学科知识的结构体系，也是关于大学物理学科教学知识的一个重要课题。物理学科知识不仅包括物理学科“事实性的知识”（“是什么”）和“原理性的知识”（“为什么”），如具体的物理概念、定理和定律等，还包括物理学科结构体系的知识，这是物理学科教学知识的重要组成部分。如果把物理学科知识中的每一个概念、定理和定律比喻为“树木”，物理学科知识结构体系就如同“森林”。学生在中学期间初步学习了力、热、电、光等物理知识，留下的最深印象大概就是一大堆物理定律、定理和公式。在大学物理教学中，教师不仅需要引导学生深入认识“树木”，在掌握物理知识的广度和深度上有所提高，还需要引导学生理解和把握“森林”，引导学生从学科知识结构体系的整体上，从学科知识的相互联系的“森林”上，更深入地认识“树木”的物理意义及其在“森林”中的地位和作用，更好地认识理解和掌握渗透在物理学科知识体系中的物理学史和物理学的思想方法。对于“树木”和“森林”的地位和作用而言，对后者的学习要求比对前者更重要。那么，什么是物理学科的知识结构体系？它对于学生提高科学核心素养有什么重要意义？

如何在大学物理教学中渗透物理学思想和物理学方法教育也是关于大学物理学科教学知识的一个重要课题。大学物理教师都会同意这样的说法，即教物理，不仅要教物理知识，还要教物理学思想方法。但也有些说法认为，大学物理课程主要是传授知识，至于物理学的思想方法，有时间就讲，没有时间可以不提。物理学思想方法是独立于物理知识之外的附加品吗？怎样在大学物理的教学过程中渗透对学生的物理学思想方法的教育？

与上述这类问题相关的知识都可以归结为物理学科教学知识，以上这类问题统称为物理学科教学知识的问题，这些问题是大学物理教师在教学过程中面临的基本问题，而回答这些问题就需要从事大学物理教学的教师必须具备物理学科教学知识。

在教师专业发展的前进道路上，一个大学物理教师除了努力掌握物理学科知识和一般教学知识以外，还必须掌握物理学科教学知识，把自己的教学过程植根于物理学科知识（SMK）、一般教学知识和物理学科教学知识(PCK)三者有机融合的基础上，这是大学物理教师专业发展的必由之路。

设置和讨论物理学科教学知识的问题，除了涉及对大学物理学科具体内容和知识的深入理解外，透过内容和知识还能更多地涉及对物理学概念的来龙去脉、物理学的思想方法、物理学的学科知识体系及大学物理与中学物理衔接有关的知识等的理解。设置和讨论物理学科教学知识的问题有助于教师在教学过程中遵循学生认知规律，指导学生更好地理解和掌握与物理概念、物理定律和物理定理相关的知识点及物理学科知识的结构体系； 有助于教师从不断改进教学方法、注重传授知识以提高教学水平的认识上升到在传授物理知识的同时，注重掌握物理学思想方法，进一步提高物理教育水平的高度，更好地体现大学物理作为基础课程对课程育人的意义。

物理学科教学知识的问题所包含的内涵和外延远大于物理学科知识问题的内涵和外延。对物理学科教学知识问题的解答有些是确定性的，而更多的是探究性的，这样的探究性不仅来自对物理学史和物理学思想方法从不同层次上的解读和理解及多方位和多角度的探究和分析，还来自对学生学习现状和认知规律的探究和分析，因此，在不同的条件下根据不同的探究，对物理学科教学问题可以得出不同的解答。

为了方便讨论问题，我们将涉及物理学科知识的问题称为物理教学的“小问题”，将涉及物理学科教学知识的问题称为物理教学的“大问题”。在大学物理教学过程中，我们需要“小问题”，通过思考和回答“小问题”，有助于引导学生加深对物理学科知识的理解； 但我们更需要“大问题”，通过探究和回答“大问题”，有助于教师加深对物理学科教学知识的理解，把握大学物理知识结构体系，感悟物理学的思想方法； 通过探究和回答“大问题”，在教学过程中有助于指导学生在学习掌握大学物理知识的同时提升基本的科学核心素养，增强学生敢于提问和善于提问的批判性思维能力，激发学生创造性思维的思想火花，为以后的发展奠定一个良好的基础。

多年来，我们在大学物理教学中积累了一些物理学科教学知识的问题，我们在编写出版《大学物理概念简明教程》教材（已于2019年1月由清华大学出版社出版）的同时汇总和整理这些问题，并着手编写本书以作为该教材的配套教学参考资料。

教学的实践表明，教师对学科教学的“问题意识”达到什么程度，在教学中对学生的“问题意识”的激励和影响也就达到什么程度。我们曾把以上提到的有些问题作为教研活动的内容开展讨论，也尝试在课堂教学中启发学生进行讨论或作为课外作业，引起了教师和学生的很大兴趣。我们期望，这本教学参考书能为理工科类院校相关专业大学物理课程教师的教研活动以及在课堂教学中开展“讨论式”“启发式”教学提供一些更深入的、可供思考和讨论的问题。

本书分为总论（5问）、力学（25问）、热学（23问）、电磁学（14问）、振动和波（9问）、光学（6问）、相对论（14问）和量子论（12问）共八大部分（108问）。由于每一个问题都来自教学中的归纳和积累，问题的提出都有着教学的背景。为了更好地把握大问题的来龙去脉，我们对每一个问题的提出都有一段导入说明。在这些大问题中，有些与学生的学习状况有关，有些与物理学史和物理学思想方法有关，有些与物理学科知识体系有关，对这些问题我们都给出了参考解答。

虽然本书只列了108个“大问题”，但是我们相信，随着大学物理教学研究的开展，担任大学物理教学的教师一定还能提出更多的“大问题”。我们也期望通过教学研究实践，逐年有所积累，能够建立起关于“大学物理学科教学知识”问题的有特色的教学题库（不同于通常的思考题库），丰富大学物理的教学资源，并在教学中得到有效的使用，把我们的大学物理教育教学研究提高到一个新的更高的水平。

本书由朱鋐雄、王向晖、朱广天、尹亚玲分工编写，最后由朱鋐雄整理统稿。在本书编写和出版过程中，我们得到了清华大学出版社领导的关心和支持，特别是鲁永芳编辑对书稿从内容到文字、符号规范等方面投入了大量精力，并提出了很多有益的修改建议，在此表示由衷的感谢。李欣、周晓东等也为本书的编著提供了来自课堂教学和教研活动的很有价值的问题和意见，对他们的支持在此表示诚挚的感谢。

由于编写者水平有限，对大学物理学科教学知识问题的收集、归纳还不够广泛，本书中提出的108个“大问题”及其“参考解答”仅仅是我们自己的初步认识，对大学物理学科教学知识的理解上还存在很多不足之处，敬请专家、同行和读者批评指正。

作者2019年7月于华东师范大学