“一帶一路”背景下中俄“大學(xué)物理”課程共建模式探索*
——以“熱力學(xué)第一定律”為起點(diǎn)推進(jìn)

李 均 劉璐璐 袁承勛 孟慶鑫 王曉鷗 張 宇 霍 雷

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引言

經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，各國之間教育的交流與合作日益頻繁，教育國際化已經(jīng)成為一種必然趨勢，合作辦學(xué)成為高等教育國際化的一個(gè)重要途徑.一帶一路的深入推進(jìn)，極大地推動(dòng)了中外合作辦學(xué)事業(yè)在我國的發(fā)展.俄羅斯作為中國的最大鄰國，也是一帶一路沿線重要國家，是世界著名的科技大國，一帶一路的倡議為兩國各層面的交流，塑造了扎實(shí)的平臺(tái)，夯實(shí)了中俄睦鄰友好合作關(guān)系，更為人文交流提供了難得的歷史機(jī)遇.同時(shí)，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，與國際接軌進(jìn)一步加快，需要更多具有國際競爭力的專業(yè)知識(shí)型人才.

在這種形勢下，中俄人文合作委員會(huì)于2019年9月16日上午在俄羅斯圣彼得堡召開了第二十次會(huì)議.在中俄兩國領(lǐng)導(dǎo)人的見證下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與圣彼得堡國立大學(xué)簽署了關(guān)于共同在哈爾濱舉辦高等教育合作機(jī)構(gòu)的“哈工大圣彼得堡中俄聯(lián)合校園”備忘錄(見圖1)，中俄雙方將加快聯(lián)合校園建設(shè)，致力于打造中俄文化、歷史與現(xiàn)代文化交融的科教園區(qū)，樹立中俄合作辦學(xué)、科技創(chuàng)新、人文交流的典范，以滿足人才培養(yǎng)的要求，深化教育教學(xué)改革，創(chuàng)造最大條件給學(xué)生發(fā)展的空間.

圖1 哈工大與圣彼得堡國立大學(xué)簽署共建中俄聯(lián)合校園備忘錄

2 圣彼得堡國立大學(xué)物理學(xué)院及教學(xué)概況

圣彼得堡國立大學(xué)是一所著名的公立研究型大學(xué)，坐落于俄羅斯圣彼得堡瓦西里島，與莫斯科國立大學(xué)共同構(gòu)成了俄羅斯高等教育的最高殿堂.圣彼得堡國立大學(xué)在世界歷史發(fā)展的過程中有著不可忽視的地位，歐拉、門捷列夫、巴甫洛夫、切比雪夫、布尼亞科夫斯基、楞次、佩雷爾曼曾執(zhí)教于此，斯托雷平、列寧、克倫斯基、屠格涅夫、馬爾科夫、李雅普諾夫、波波夫、朗道、普京曾就讀于此.圣彼得堡國立大學(xué)為俄羅斯貢獻(xiàn)了9枚諾貝爾獎(jiǎng)和2枚菲爾茲獎(jiǎng)，先后有600多位畢業(yè)生和教師當(dāng)選為彼得堡科學(xué)院、前蘇聯(lián)科學(xué)院及一些專業(yè)科學(xué)院院士、通訊院士.

圣彼得堡國立大學(xué)致力于科技和人文的研究，是俄羅斯重要的科研、文化和教育中心,為俄羅斯培養(yǎng)許多優(yōu)秀人才.從1724年開始，這所大學(xué)開設(shè)了物理課，當(dāng)時(shí)的課程是用拉丁語和德語進(jìn)行的.1745年，M.V.Lomonosov(羅蒙諾索夫，1758-1765期間為學(xué)校校長)出版了由拉丁文翻譯而來的第一套俄語版物理學(xué)教材《Wolfian's Experimental Physics》；1901年，擁有當(dāng)時(shí)最先進(jìn)裝備的第一物理研究所成立；1933年，物理系因其物理研究所的實(shí)驗(yàn)室設(shè)施全面完善而成為大學(xué)的獨(dú)立部分.物理系至今已培養(yǎng)出3位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，分別是：Nikolay Nikolayevich Semenov(1896-1986)1917年畢業(yè)于物理和數(shù)學(xué)學(xué)院，于1956年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；Lev Davidovich Landau(1908-1968)1927年畢業(yè)于物理與數(shù)學(xué)學(xué)院，于1962年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；Aleksandr Michailovich Prochorov(1916-2002)1939年畢業(yè)于物理系，于1964年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

物理學(xué)院的師資有100余名自然科學(xué)博士，以及超過200人的博士.物理學(xué)院現(xiàn)任院長Mikhail V.Kovalchuk為俄羅斯科學(xué)院通訊院士，同時(shí)兼任國家研究中心Kurchatov研究所主任.物理學(xué)院目前的主要本科專業(yè)包括物理學(xué)、應(yīng)用物理及數(shù)學(xué)、電磁學(xué)與聲學(xué)(無線電物理學(xué))以及核物理與技術(shù).目前大多數(shù)課程的教學(xué)語言是俄語，學(xué)院同時(shí)也提供多門英語授課的課程.因此，圣彼得堡國立大學(xué)物理學(xué)科具有深厚的底蘊(yùn)和優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，對(duì)于我們有效地引進(jìn)和利用國外先進(jìn)的教育資源及管理經(jīng)驗(yàn)，提高師資水平，進(jìn)行教學(xué)改革能夠起到良好的推動(dòng)作用.

3 哈工大-圣大“大學(xué)物理”課程共建合作概況

哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院大學(xué)物理教研室成立了一支教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、年富力強(qiáng)的教師隊(duì)伍，與圣彼得堡國立大學(xué)物理系的基礎(chǔ)物理授課教師建立了良好的溝通、交流關(guān)系，規(guī)劃在開課過程中，以篇章為單元，進(jìn)行中俄兩校教師的互訪學(xué)習(xí).同時(shí)也期望與圣彼得堡國立大學(xué)物理學(xué)科基礎(chǔ)物理課程授課教師建立常態(tài)交流與合作機(jī)制，以物理學(xué)的基本知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ), 加強(qiáng)兩校基礎(chǔ)物理課程的相互滲透.

在具體合作過程中，首先對(duì)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)重難點(diǎn)進(jìn)行明確，并對(duì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分：對(duì)于講授型、理論性的物理知識(shí)點(diǎn)，可以讓學(xué)生先進(jìn)行自學(xué)，借助于網(wǎng)絡(luò)課程來引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，而后在課堂上進(jìn)行統(tǒng)一講解；而對(duì)于實(shí)踐性的物理知識(shí)點(diǎn)，教師則可以在教學(xué)課堂上借助于物理實(shí)驗(yàn)或其它教學(xué)手段來讓學(xué)生參與到知識(shí)實(shí)踐體驗(yàn)之中，以此來深化學(xué)生對(duì)于實(shí)踐型知識(shí)點(diǎn)的理解.基于前期的準(zhǔn)備和協(xié)調(diào)，擬在“大學(xué)物理”的熱學(xué)章節(jié)中進(jìn)行試點(diǎn).

熱學(xué)是研究物質(zhì)處于熱狀態(tài)時(shí)有關(guān)性質(zhì)和規(guī)律的物理學(xué)分支，宇宙天體、納米體系、現(xiàn)代通信、集成電路等等與溫度有關(guān)系的領(lǐng)域都離不開熱學(xué)，它是一門普遍的學(xué)科，是其他學(xué)科與宏觀現(xiàn)實(shí)世界鏈接的橋梁，它滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域.

對(duì)冷熱的客觀本質(zhì)以及有關(guān)現(xiàn)象的定量研究約始于300年前，人們積累了大量有關(guān)熱的實(shí)驗(yàn)和觀察事實(shí)，關(guān)于熱的本性展開了研究和討論，首先建立了溫度的概念，來表示物體的冷熱程度，溫度的概念建立之后，人們就探討物體的溫度為什么會(huì)有高低的不同，經(jīng)過亥姆霍茲、克勞修斯、開爾文等人的努力，逐步精確地建立了熱量是能量轉(zhuǎn)化的一種量度的概念，并根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)出關(guān)于熱現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)理念——熱力學(xué)[1].其中熱功相當(dāng)原理奠定了熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)，它與卡諾理論的結(jié)合形成了第二定律，與微粒說結(jié)合形成了分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說.對(duì)熱現(xiàn)象的研究的另一途徑是利用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來導(dǎo)出宏觀的熱學(xué)規(guī)律，從19世紀(jì)中葉麥克斯韋等人對(duì)氣體動(dòng)理論的研究開始，后經(jīng)玻爾茲曼、吉布斯等人在經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展為系統(tǒng)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)，形成了現(xiàn)代理論物理學(xué)最重要的一個(gè)部分，更深刻地揭示了熱現(xiàn)象以及熱力學(xué)定律的本質(zhì)[2].

4 圣大教授走進(jìn)哈爾濱工業(yè)大學(xué)“大學(xué)物理”課堂

熱學(xué)的建立使人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)深入了一大步，熱學(xué)中熱力學(xué)第一定律為物理學(xué)理論的發(fā)展提供了有力的支柱，是自然界所遵從的普遍法則，自然界一切涉及熱現(xiàn)象的過程都必須遵從熱力學(xué)第一定律，它告訴了人們第一類永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)也不可能造成的[3].深入理解熱力學(xué)定律有重要的意義，對(duì)于學(xué)生來說，掌握它的內(nèi)容實(shí)質(zhì)是學(xué)好熱學(xué)的必經(jīng)之路.

2019年11月12日，圣彼得堡國立大學(xué)物理系Vladimir Demidov教授來到了哈爾濱工業(yè)大學(xué)的物理課堂，帶來了精彩的熱力學(xué)第一定律的講解，圖2為Vlaimir Demidov教授在哈爾濱工業(yè)大學(xué)“大學(xué)物理”課堂上的剪影.Vladimir Demidov教授于1981年在蘇聯(lián)列寧格勒州立大學(xué)(現(xiàn)為圣彼得堡國立大學(xué))獲得博士學(xué)位，現(xiàn)在是物理系的研究教授.這堂課代表著哈爾濱工業(yè)大學(xué)和圣彼得堡國立大學(xué)進(jìn)行“大學(xué)物理”課程共建有了實(shí)質(zhì)性的開端，同時(shí)也將會(huì)為哈工大與圣大聯(lián)合辦學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

圖2 Vlaimir Demidov教授在哈爾濱工業(yè)大學(xué)“大學(xué)物理”課堂上

在課堂上，Vlaimir Demidov教授營造了輕松愉快的課堂氣氛，使每個(gè)人都積極參與，在教師的引導(dǎo)下，圍繞課件(PPT)內(nèi)容展開課堂討論，充分體現(xiàn)了“雙主體”效應(yīng)，教師是教學(xué)的主體，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，共同扮演了問題的發(fā)現(xiàn)者、探究者和解決者，這是俄羅斯教育家贊可夫的教育思想，Vlaimir Demidov教授講解的熱力學(xué)第一定律與國內(nèi)高校的講解模式相比，二者在內(nèi)容和順序上具有一致性：由氣體做功、熱傳遞、內(nèi)能的概念引導(dǎo)出熱力學(xué)第一定律.

講解的一致性主要體現(xiàn)在對(duì)于熱力學(xué)第一定律的教學(xué)模式上：首先，通過對(duì)理想氣體做功或者經(jīng)過熱傳遞的過程都能改變理想氣體內(nèi)能這方面入手，提出它們之間數(shù)量關(guān)系的設(shè)問來引入熱力學(xué)第一定律.設(shè)問了以下3個(gè)問題：

(1)理想氣體如果和外界沒有熱量的交換，那么外界對(duì)氣體做功或氣體對(duì)外界做功會(huì)引起氣體內(nèi)能怎樣的變化？

(2)如果氣體沒有對(duì)外界做功，那么氣體的吸熱或放熱會(huì)引起其內(nèi)能怎樣的變化？

(3)如果理想氣體既對(duì)外界做功又存在熱傳遞過程，他們與內(nèi)能三者之間會(huì)是什么關(guān)系？

通過這幾個(gè)問題的分析，得出熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式.這與國內(nèi)幾套典型的《大學(xué)物理》教材基本相同，即圖3所展示的熱力學(xué)第一定律講解脈絡(luò)圖.

圖3 熱力學(xué)第一定律的講解脈絡(luò)圖

Vladimir Demidov教授的講解模式與國內(nèi)高校不同之處主要體現(xiàn)在更加側(cè)重于應(yīng)用，且更形象.例如圖4所展示的教學(xué)過程中穿插的應(yīng)用舉例：在分子動(dòng)理論的講解之后，會(huì)設(shè)問，什么是推進(jìn)力，進(jìn)而給出比率的定義，舉例這個(gè)知識(shí)點(diǎn)在波音飛機(jī)上、在科技上的應(yīng)用.

圖4 教學(xué)過程中穿插的應(yīng)用舉例

知識(shí)來自于生活，到生活中去，結(jié)合當(dāng)前科研熱點(diǎn)，多學(xué)科融入，所有的問題都有很強(qiáng)的拓展性，留給學(xué)生很大的思考余地，使得學(xué)生的思維得以飛躍，想象力和創(chuàng)造力進(jìn)一步得到培養(yǎng).俄羅斯的教育理念就是培養(yǎng)學(xué)生全方面發(fā)展，所以人們常說俄羅斯人天生動(dòng)手能力強(qiáng)，據(jù)了解，在俄羅斯，二十五六歲的女青年，什么都敢修理，什么都敢拆卸，許多十幾歲的小男孩能夠排除汽車的一般故障，能夠把摩托車分解了再組裝上.其實(shí)這與他們所受的教育方式息息相關(guān)，他們的教學(xué)側(cè)重形成科學(xué)的態(tài)度和方法，廣泛涉獵相關(guān)科學(xué)知識(shí)，能夠?qū)I(yè)技能應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，深入研究專業(yè)領(lǐng)域，具備較強(qiáng)的創(chuàng)新能力，從而形成良好的個(gè)體素質(zhì).整個(gè)講解過程中，教學(xué)邏輯性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，由簡入深，層層遞進(jìn)，使每一部分內(nèi)容都有種水到渠成的感覺，潛移默化地培養(yǎng)了學(xué)生邏輯思維能力，在深度和廣度上也得到了較好的延伸.

在講課過程中，Vlaimir Demidov教授將俄羅斯教育體系與中國的教學(xué)目標(biāo)結(jié)合起來，使學(xué)生和教師獲益匪淺，也幫助學(xué)生盡快適應(yīng)之后的學(xué)習(xí)，順利銜接.中俄合作辦學(xué)為人才培養(yǎng)搭建了一個(gè)廣闊的平臺(tái)，新形勢下抓住高等教育國際化發(fā)展的機(jī)遇，豐富高校資源，努力實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，充分挖掘中俄高等教育合作的巨大潛力，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，適應(yīng)社會(huì)需求的多樣化，促進(jìn)學(xué)生全面有個(gè)性的發(fā)展[4].高校合作作為人文交流的重要內(nèi)容，擔(dān)負(fù)著為兩國未來交流培養(yǎng)智力支撐和情感紐帶的特殊作用，中俄兩國之間的教育交流有著悠久的歷史與良好的合作傳統(tǒng)[5].從現(xiàn)實(shí)利益出發(fā)，雙方合作辦學(xué)帶來有利契機(jī).

5 總結(jié)

在國家“一帶一路”背景下，開展與圣彼得堡國立大學(xué)物理學(xué)科課程共建，與基礎(chǔ)物理課程授課教師有效的交流并建立合作機(jī)制，以物理學(xué)的基本知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ), 加強(qiáng)兩校基礎(chǔ)物理課程的相互滲透，并以雙方的線上課程和課堂教學(xué)為基礎(chǔ)，建立混合式教學(xué)模式互訪互學(xué)、交叉授課，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方法等多個(gè)角度學(xué)習(xí)其先進(jìn)的教學(xué)理念，進(jìn)一步加強(qiáng)我校大學(xué)物理課程的教學(xué)改革工作，以帶動(dòng)整個(gè)黑龍江省211院校的大學(xué)物理教學(xué)改革與發(fā)展.秉著以學(xué)生為中心、為學(xué)生服務(wù)的理念，為我國培養(yǎng)出更多自強(qiáng)、自立、有國際競爭力的優(yōu)秀人才.