物理和教育是两个历史悠久、得到广泛关注的学科，而物理教育研究却是一个新兴的研究领域。在文章中，我们将介绍物理教育研究领域的概况和若干新进展。我们从三个角度来讨论物理教育研究的新成果，分别是唯象层次的调查研究、微观层次的神经科学研究和宏观层次的复杂性科学研究。这些新进展打开了物理教育研究的大门，展现给我们一个丰富多彩的未知世界。
这些物理教育研究的成果将广泛应用于教学中，为提高教学质量和培养优秀人才做出贡献。
物理教育是近百年来被诸多讨论的话题：教师如何传授知识，学生如何学习知识，这是伴随着物理教育从始至终的根本问题。而物理教育研究却是一个比较年轻的领域，在其发展历史上有几个标志性的事件。
(1)1999年，美国物理学会发布了《关于物理教育研究的声明》，正式宣布物理教育研究成为一个新兴的物理学领域，和传统的凝聚态物理、基本粒子物理等一样是物理学的一个分支。(2)为了支持物理教育研究的发展，享有很高学术声誉的Physical Review期刊于2005年创办了一本新期刊Physical Review Physics Education Research。
这本期刊和传统的Physical Review A(侧重于原子物理和量子物理)、Physical Review B(侧重于凝聚态物理)等期刊平行，这是物理教育研究领域获得广泛认可的标志。(3)C. Wieman教授是国际著名物理学家，曾因在世界上首次实现玻色—爱因斯坦凝聚而获得2001年度诺贝尔物理学奖。他已经完全转向物理教育研究，并在世界一流的斯坦福大学物理系创立了物理教育研究专业。
在该大学主页的介绍上，物理教育研究专业和传统的原子分子物理与光学、凝聚态物理、天体物理等专业并列，这也是物理教育研究的地位受到重视的体现。
物理教育研究，是利用科学的工具和方法来研究物理教育的结构、现象、机制与规律的领域。它包括三个主要的研究方向：一是从唯象的、认知科学的角度来研究；二是从微观的、神经科学的角度来研究；三是从宏观的、复杂系统的角度来研究(图1)。下面我们将从这三个方面来概述物理教育研究的主要内容和若干新进展。图1 物理教育研究领域的概况
唯象层次的研究：从认知科学的角度
物理教育研究作为物理学的一个分支，也可以利用理论与实验相结合的方法来研究。就像物理学家研究原子，需要通过各种实验去探测原子的能级、光谱、磁性质等，在实验的基础上建立起关于原子的模型和理论，这种科学的研究方法可以得到原子的内在规律。类似的，研究物理教育，也可以通过对物理教育过程的现象和数据进行调查，进行归纳和分析，得到物理教育内在的模式和机制[1—7]。
微观层次的研究：从神经学机制的角度
教育包括教与学两个主要方面，因此理解学生的学习过程非常重要。最早生物学提出各种本能的概念来解释人类的行为，包括学习行为。进一步，神经科学认为本能的概念是高度主观的，真正的关于学习行为的理论，应该建立在可以直接观察到的现象之上。因此，利用现代神经科学的方法，研究学习、思维和教学过程中的现象，将会有更好的见解。
科学家通过将教育还原到一个大脑神经活动的层面来研究它，这样可以得到关于教育的微观机制的深刻理解，还产生了一个新的研究方向：教育神经科学[11—14]。
宏观层次的研究：从复杂系统的角度20世纪80年代复杂系统的概念开始兴起。复杂系统可谓无处不在，涉及的范围从原子尺度到行星尺度，从微观的细胞系统、流体系统，到宏观的生态系统、气候系统，再到人类社会的组织、经济、文化、网络等系统。
复杂性科学试图研究复杂系统的内在结构、外在功能、相互作用和演化的机制与规律等，已经取得了许多令人瞩目的重要成果[15—18]。因此，2021年诺贝尔物理学奖授予了Parisi等三位科学家，表彰他们对于理解复杂系统所做的开创性贡献。
更广泛的研究：其他的角度物理教育研究是一个新兴的交叉学科。除了和物理学、教育学、神经科学、复杂性科学有深入的交叉，还和社会学、文化学、经济学等学科有交叉。
例如，不同专业、不同年级、不同类别的学生，在学习物理知识时有什么样的偏好、期望、困难和差异，这是一个相当有趣的话题。关于这方面的研究最近几年有较多成果，并和μ子的反常磁矩、时间晶体等成果一样并列入选美国物理学会的年度十大进展[21—24]。这也是物理教育研究重要性的体现。