建環(huán)流體力學(xué)雙語(yǔ)教學(xué)實(shí)踐與分析

殷維 郝小禮 李永存 張芷伊

湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院

近年來(lái)，為適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)信息化和經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足一帶一路中工程領(lǐng)域的國(guó)際合問(wèn)題與交流的要求，滿足本科專業(yè)認(rèn)證與新工科在國(guó)際化水平方面的要求，教育部，建設(shè)部和各個(gè)高校發(fā)布多項(xiàng)通知與政策，鼓勵(lì)教師在土木工程的專業(yè)課教授過(guò)程中使用雙語(yǔ)教學(xué)。在土木工程的的雙語(yǔ)授課過(guò)程中，專業(yè)基礎(chǔ)課的雙語(yǔ)教學(xué)作為各個(gè)學(xué)科的核心課程，受到廣泛的重視[1]，如楚留聲等人[2]在本科生的混凝土結(jié)構(gòu)原理課程中，梁小燕[3]在材料力學(xué)課程雙語(yǔ)教學(xué)的實(shí)踐中，都嘗試了中英雙語(yǔ)教學(xué)。在土木工程的建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)（下文簡(jiǎn)稱建環(huán)）中，有四門專業(yè)基礎(chǔ)課，分別流體力學(xué)，傳熱學(xué)，熱力學(xué)和建筑環(huán)境學(xué)。其中流體力學(xué)在建環(huán)專業(yè)知識(shí)體系中應(yīng)用廣泛，是進(jìn)行管網(wǎng)阻力計(jì)算的理論基礎(chǔ)，是進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì)和科研研究的必備知識(shí)。在目前在國(guó)際工程項(xiàng)目不斷增加、本科生畢業(yè)后出國(guó)留學(xué)、或攻讀碩士研究生的大背景下，有必要開(kāi)展這一課門的雙語(yǔ)教學(xué)。

1 已有流體力學(xué)的雙語(yǔ)教學(xué)探索

針對(duì)流體力學(xué)的雙語(yǔ)授課，相關(guān)學(xué)科的教師和學(xué)者進(jìn)行了有益的嘗試與探索。毛軍等人[4]針對(duì)土木工程學(xué)院和機(jī)械學(xué)院的本科生，介紹了外籍教師使用英語(yǔ)進(jìn)行了流體力學(xué)的全英文授課，分析了其教學(xué)思路、方法，并進(jìn)行了效果分析，指出流體力學(xué)雙語(yǔ)教學(xué)的核心仍然是流體力學(xué)的專業(yè)知識(shí)，輔以學(xué)習(xí)專業(yè)詞匯與表達(dá)。此外，學(xué)生也需要進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，熟悉專業(yè)詞匯，以適應(yīng)授課過(guò)程的要求。張一夫[5]針對(duì)安全工程專業(yè)本科生的流體力學(xué)課程，采用了中文、英文雙教材，針對(duì)主要術(shù)語(yǔ)和概念的中英文表達(dá)進(jìn)行了詳細(xì)的講解，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)與把握的同時(shí)，學(xué)會(huì)一定量專業(yè)知識(shí)的英文表達(dá)。

李德玉等人[6]在針對(duì)能源與動(dòng)力類專業(yè)學(xué)生的四年授課過(guò)程，嘗試了三種不同英文使用程度的教學(xué)方式，總結(jié)認(rèn)為由于學(xué)生的英語(yǔ)基礎(chǔ)的差異，建議使用中英文交替混合授課方式，以保證大多數(shù)學(xué)生能夠比較容易的進(jìn)行學(xué)習(xí)和交流。另外，典型的工程應(yīng)用習(xí)題和多媒體教學(xué)是促進(jìn)雙語(yǔ)教學(xué)的有效方法。王曉英等人[7]針對(duì)流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程存在學(xué)生無(wú)法回顧授課過(guò)程的問(wèn)題，提出使用小規(guī)模限制式在線課程SPOC（Small Private Online Course）。這種教學(xué)方式運(yùn)用了國(guó)外英語(yǔ)原版授課視頻，同時(shí)輔助以本校專業(yè)教師的講解、互動(dòng)、習(xí)題分析、實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)等，取得了良好效果。洪俊等人[8]針對(duì)工科的流體力學(xué)雙語(yǔ)教學(xué)，建議使用工程實(shí)例較多的、深入淺出的中英雙教材。并為學(xué)生提供網(wǎng)絡(luò)上優(yōu)質(zhì)的流體力學(xué)英文資料鏈接，便于學(xué)生自學(xué)。姜?jiǎng)诺热薣9]針對(duì)新工科的要求，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的流體力學(xué)雙語(yǔ)教學(xué)中，使用了日本機(jī)械學(xué)會(huì)編寫的流體力學(xué)教材。教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，中英文雙語(yǔ)教學(xué)能夠幫助學(xué)生了解英文原意，加深學(xué)生對(duì)于概念的理解，同時(shí)掌握專業(yè)詞匯與表達(dá)。

本文作者已經(jīng)累計(jì)進(jìn)行了六年建環(huán)專業(yè)的流體力學(xué)教學(xué)工作，特別是在近兩年工作中，嘗試雙語(yǔ)教學(xué)方法?；谝陨蠈W(xué)者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，筆者采用了雙語(yǔ)課本、雙語(yǔ)課件、雙語(yǔ)視頻、雙語(yǔ)作業(yè)、雙語(yǔ)考試，下文是兩年授課工作的總結(jié)與思考。

2 教學(xué)目標(biāo)與思路

流體力學(xué)作為建環(huán)的四大專業(yè)基礎(chǔ)課之一，主要講授了流體靜力學(xué)（Fluid Statics）、一元流體動(dòng)力學(xué)（One-dimensional fluid dynamics）、流動(dòng)阻力（Flow resistance）、孔口出流（Orifice outflow）、氣體射流（Gas jet）、量綱分析（Dimensional Analysis）、流體微分方程（Fluid differential equations）、繞流（Flow around an object）、氣體動(dòng)力學(xué)（Gas dynamics）等專業(yè)知識(shí)。其中，前六部分與建環(huán)的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用聯(lián)系緊密，需要學(xué)生重點(diǎn)掌握與熟練應(yīng)用。后三部分則在科研領(lǐng)域的應(yīng)用較多，為本科生今后攻讀研究生打下理論基礎(chǔ)。

筆者在以往的常規(guī)中文教學(xué)模式中發(fā)現(xiàn)，建環(huán)專業(yè)的中文教材本質(zhì)上是屬于工程流體力學(xué)，為適用于設(shè)計(jì)的需求，很多內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)略。這一方面降低知識(shí)難度，但另一方面造成了部分知識(shí)點(diǎn)解釋和推理的過(guò)于簡(jiǎn)化，造成知識(shí)體系的不連續(xù)。另外，部分術(shù)語(yǔ)或概念可是直接翻譯于早年英文原版教材，其來(lái)龍去脈在在長(zhǎng)期的中文教學(xué)過(guò)程中逐漸被忽略，造成學(xué)生理解與接受上的困難。另一方面，國(guó)外的很多英文教材不僅僅針對(duì)某一個(gè)學(xué)科，而是講解通用的流體力學(xué)，所以內(nèi)容比較全面，描寫比較細(xì)致，內(nèi)容更為廣泛。外文教材從工程應(yīng)用實(shí)例推導(dǎo)到基本公式，又從基本公式拓展到應(yīng)用，整個(gè)過(guò)程相對(duì)詳細(xì)與充實(shí)。另一方面，其例題數(shù)量繁多、類型豐富，且有詳細(xì)的求解過(guò)程和說(shuō)明，能夠降低學(xué)習(xí)的難度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。當(dāng)然，完全采用英文教材，由于語(yǔ)言的障礙，又可能造成閱讀和理解上的困難。因此，如果采用中文教材為主，英文教材為輔，在教學(xué)過(guò)程采用部分雙語(yǔ)模式，就能夠形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既能夠滿足教學(xué)要求，又能拓寬學(xué)生知識(shí)面，提升教學(xué)效果。

3 雙語(yǔ)教學(xué)的實(shí)施方法

3.1 課前準(zhǔn)備

中文教材采用蔡增基與龍?zhí)煊逯骶幍慕?jīng)典教材《流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)》，主要講解前9 章流體力學(xué)的內(nèi)容。習(xí)題冊(cè)則采用配套的《流體力學(xué)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與習(xí)題精解》。英文教材采用Victor L.Streeter，E.Benjamin Wylie 和Keith W.Bedford 編著的《流體力學(xué)》（第9版）（《Fluid Mechancis》，Ninth Edition)[10]。這本英文教材的章節(jié)設(shè)置與中文教材較相似，如Fluid Statics（流體靜力學(xué)）、Fluid Flow Concepts and Basic Control Volume Equations（流動(dòng)概念與基本體積控制方程，即連續(xù)性方程與動(dòng)量守恒方程）、Basic Governing Differential Equations（基本控制微分方程，即伯努利機(jī)械能守恒方程）、Viscous Flow:Pipes and Channels（管流與渠道流動(dòng)阻力，即層流、湍流與損失）、Ideal-Fluid Flow（理想流體流動(dòng)，即流體微分方程）、Dimensional Analysis and Dynamic Similitude（量綱分析與動(dòng)力相似）等。特別是教材中專門設(shè)置了一個(gè)應(yīng)用案例章節(jié)Closed-Conduit Flow（封閉管道流動(dòng)），羅列了大量的例題與詳解，以便學(xué)生模仿和學(xué)習(xí)，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.2 在課件中的雙語(yǔ)呈現(xiàn)

在此前的授課過(guò)程中，筆者曾嘗試過(guò)使用全英文電子課件，但學(xué)生反映英文詞與詞匯的閱讀難度過(guò)大，接受起來(lái)比較困難。因此，在第二年的教學(xué)中，采用了中英文對(duì)照的教學(xué)方法，如圖1 所示。首先，在課程的開(kāi)始，直接給出主要專業(yè)術(shù)語(yǔ)的中英文對(duì)照，讓學(xué)生有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)和概念。然后，針對(duì)重要的知識(shí)點(diǎn)或難點(diǎn)，在電子課件同時(shí)顯示出中英文，并詳細(xì)講解，讓學(xué)生掌握基本原理及表述。接著，對(duì)于比較容易理解的概念、定理與公式等，則先顯示出英文，再顯示出中文，讓學(xué)生有一個(gè)動(dòng)腦翻譯、思考過(guò)程，加深其記憶與理解。但是對(duì)于成段的、較長(zhǎng)的文字描述，則大多顯示為全中文，一方面為節(jié)省課堂的時(shí)間，降低學(xué)習(xí)的難度，另一方面，保持課堂的松弛有度，讓聽(tīng)課者的大腦有一個(gè)休息的時(shí)間。

圖1 課件中的中英文對(duì)照

3.3 流體力學(xué)雙語(yǔ)教學(xué)視頻

在以前的實(shí)驗(yàn)演示中，多采用多年前拍攝的中文教學(xué)視頻，形式呆板、演示單調(diào)、畫面老舊，讓學(xué)生提不起學(xué)習(xí)的興趣。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索，筆者發(fā)現(xiàn)近年來(lái)國(guó)外制作了很多流體力學(xué)視頻，以及大自然界流動(dòng)現(xiàn)象高清錄像，再加上CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模擬視頻等，其顏色鮮艷、畫面生動(dòng)、類型繁多，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

所以本課程采用了這些國(guó)外制作的流體力學(xué)視頻或自然界實(shí)拍視頻。比如，顯示流線分布的大氣邊界層風(fēng)洞中不同高度位置多點(diǎn)發(fā)煙實(shí)驗(yàn)錄像，呈現(xiàn)位置勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的大壩孔口放水噴射視頻，表達(dá)空氣熱浮力的火災(zāi)煙氣在建筑中擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)視頻，顯示繞流特征的汽車煙氣回流實(shí)驗(yàn)，表達(dá)射流特征的煙氣噴射錄像，顯示室內(nèi)氣流分布的CFD 流場(chǎng)模擬、風(fēng)洞發(fā)煙實(shí)驗(yàn)視頻等。圖2 為汽車外表面流線的風(fēng)洞發(fā)煙實(shí)驗(yàn)，圖3 為兩建筑間氣流的風(fēng)洞發(fā)煙實(shí)驗(yàn)。這些新穎生動(dòng)的視頻，加深學(xué)生對(duì)這些流動(dòng)現(xiàn)象的直觀認(rèn)識(shí)，消解了學(xué)習(xí)的枯燥感，提高了學(xué)習(xí)的效果。

圖2 汽車外表面氣流流線的風(fēng)洞發(fā)煙實(shí)驗(yàn)

圖3 兩建筑之間回旋氣流的風(fēng)洞發(fā)煙實(shí)驗(yàn)

3.4 作業(yè)中的雙語(yǔ)應(yīng)用

為了加強(qiáng)學(xué)生的雙語(yǔ)應(yīng)用能力，在作業(yè)中加入了一定量的英語(yǔ)題目。一方面，部分題目采用了全英文表述，并要求使用簡(jiǎn)單的英文作答。為了降低難度，英文的題目一般比較簡(jiǎn)單，并且在英文的教材中有相似的例題與解答可以參照，以便學(xué)生模仿與學(xué)習(xí)。這樣既可保證學(xué)生完全讀懂題目，掌握相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)與應(yīng)用方法，又可以學(xué)會(huì)基本的英文作答格式，掌握基本的英文詞匯與表達(dá)。

3.5 考試中的雙語(yǔ)應(yīng)用

為進(jìn)一步學(xué)以致用，在考試中使用部分英文出題。考前針對(duì)各章節(jié)的重要知識(shí)點(diǎn)、定理、公式、解法，以及相應(yīng)的英文表達(dá)，要求學(xué)生重點(diǎn)背記、熟練掌握。原中文試卷中設(shè)置三部分題型，分別為填空題10 道、名詞解釋4 題、應(yīng)用計(jì)算題8 道。為適應(yīng)雙語(yǔ)教學(xué)的需求，分別修改為：填空題中有5 道為英文題，名詞解釋有2為英文題，應(yīng)用題中有2 道為英文題。為了保證考試的安全性，答題方式鼓勵(lì)采用英文作答，也可以采用中文作答。

4 效果分析

4.1 學(xué)生反饋

在課間與考試前后與學(xué)生的交流中發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生反饋此套學(xué)習(xí)方法新穎、學(xué)習(xí)興趣增加。學(xué)生反映，采用中、英文兩本教材能夠中英文對(duì)照，掌握專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，學(xué)習(xí)專業(yè)英語(yǔ)的詞匯與表達(dá)。特別是，英文教材的例題豐富、解題過(guò)程表述詳細(xì)，促進(jìn)了對(duì)流體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握。

在首次雙語(yǔ)教學(xué)時(shí)，筆者采用較多的中英文雙語(yǔ)對(duì)照，占課程內(nèi)容的約50%，但學(xué)生反饋英文表述過(guò)多，課件版面文字密集，觀感有些雜亂，接受過(guò)程比較辛苦。所以在第二次教學(xué)過(guò)程中，減少了英文表述至原來(lái)的三分之一，既以中文內(nèi)容為主，僅在主要的、重點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn)采用中英文雙語(yǔ)呈現(xiàn)。在第二次的教學(xué)過(guò)程過(guò)，大部分學(xué)生反映比較輕松，教學(xué)過(guò)程比較流暢。

4.2 作業(yè)與試卷分析

由于在習(xí)題中采用了部分英文題目，學(xué)生的興趣大為增加。學(xué)生需要查詢英文教材，才能找到相應(yīng)的解答方法與表述。這一過(guò)程中，學(xué)生的大腦中有一個(gè)翻譯過(guò)程，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解，強(qiáng)化了重點(diǎn)知識(shí)的影響。作業(yè)批改顯示，大部分學(xué)生按要求認(rèn)真的解答各個(gè)題目。

考試英文題雖然沒(méi)有強(qiáng)制要求采用英文回答，但大部分學(xué)生都采用英文答題，驗(yàn)證了學(xué)生對(duì)這一方法的認(rèn)可。英文題的解答與結(jié)果也幾乎全對(duì)，說(shuō)明學(xué)生是非常重視這一塊的作答，證明了英文教學(xué)起到了促進(jìn)學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的效果。

5 教學(xué)體會(huì)

5.1 對(duì)流體力學(xué)教學(xué)的促進(jìn)

在以往的建環(huán)專業(yè)的教學(xué)中，學(xué)生只使用中文教材，教材內(nèi)容相似，缺乏對(duì)比、差異和補(bǔ)充。而英文教材則有諸多不同，不但邏輯性比較強(qiáng)，而且給出一些知道點(diǎn)的來(lái)源。比如，一維伯努利方程的掌握是重中之重，因?yàn)樵诤罄m(xù)課程中，如流體輸配管網(wǎng)、通風(fēng)工程、供熱工程等，以及通風(fēng)課程設(shè)計(jì)、供熱課程設(shè)計(jì)、空調(diào)畢業(yè)設(shè)計(jì)等，都需要使用到網(wǎng)管阻力計(jì)算，伯努利方程是這些專業(yè)課程和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。但中文教材中，這一原理的推導(dǎo)有一些簡(jiǎn)略，學(xué)生難于理解。而在英文的教材中，對(duì)于一維伯努利方程的來(lái)龍去脈講解的非常詳細(xì)，而且配有大量的案例與習(xí)題，讓人讀來(lái)更全面和具體。

又比如，中文教材從未講解過(guò)水頭(water head)這一概念的來(lái)源和含義，學(xué)生難以理解。對(duì)照英文教材后，才知道其來(lái)源是是“水體的頭部”，即用水位的最高處表示水體的重力勢(shì)能。這種解釋讓這一抽象概念立刻變的生動(dòng)，利于學(xué)生理解、記憶與應(yīng)用。再比如，納維斯托克斯的方程的推導(dǎo)與理解是流體力學(xué)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，中文教材中的推導(dǎo)比較簡(jiǎn)單抽象，學(xué)生難以理解。而英文教材中則運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)的、從形象到抽象的方法進(jìn)行講解，即先把流體每一個(gè)微元理解為立方塊，觀察其運(yùn)動(dòng)物征，再進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，讓讀者更容易接受。

中英文兩本教材對(duì)照學(xué)習(xí)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，讓學(xué)生更全面的接受與理解眾多知識(shí)點(diǎn)。

5.2 對(duì)專業(yè)英語(yǔ)學(xué)習(xí)的促進(jìn)

對(duì)于絕大部分學(xué)生而言，英語(yǔ)的學(xué)習(xí)往往停留在英語(yǔ)課堂上，而缺乏應(yīng)用與解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的機(jī)會(huì)。而本課程的雙語(yǔ)教學(xué)，讓學(xué)生能夠?qū)⒙?tīng)、說(shuō)、讀、寫融入到整個(gè)課程學(xué)習(xí)的過(guò)程中，提高其英語(yǔ)應(yīng)用能力。

在課程中的雙語(yǔ)表述，讓學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)定理的英文寫法，以及相應(yīng)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)單詞。在作業(yè)練習(xí)中使用部分英文題目與英文作答，讓學(xué)生們了解英文題目的表達(dá)方法，以及初步掌握的英文解決格式。而考試中的雙語(yǔ)出題，則能夠提高學(xué)生的積極性，以及檢查其學(xué)習(xí)效果。

5.3 存在的問(wèn)題

當(dāng)然，授課過(guò)程也存在一些不足。由于學(xué)生英語(yǔ)基礎(chǔ)的參差不齊，課堂缺乏雙語(yǔ)互動(dòng)。部分英語(yǔ)基礎(chǔ)較差的學(xué)生參與度不高，學(xué)習(xí)積極性不足。英文使用的內(nèi)容寬度仍然有限，大約只有40%授課內(nèi)容采用了雙語(yǔ)教學(xué)。考試中出題仍然是作業(yè)題的少量修改變形為主，變化與題型類型有待增加。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)近兩年在建環(huán)流體力學(xué)中的教學(xué)實(shí)踐顯示，采用中英文兩本教材的優(yōu)勢(shì)非常明顯。中文教材為主保證專業(yè)知識(shí)的易讀易懂，英文教材為輔補(bǔ)充更為詳細(xì)的推導(dǎo)、解釋和例題。雙語(yǔ)課件則讓學(xué)生能夠提高注意力，加強(qiáng)主要物理概念的理解與記憶，并掌握相關(guān)的英文術(shù)語(yǔ)單詞與表述。雙語(yǔ)作業(yè)則幫助學(xué)生掌握簡(jiǎn)單的英文解答題目的英文表達(dá)。雙語(yǔ)考試則有助力學(xué)生背記最重要概念和原理的背記與應(yīng)用。大部分學(xué)生的反饋雙語(yǔ)教學(xué)方式提升他們的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化了專業(yè)知識(shí)認(rèn)識(shí)深度。但也有學(xué)生感覺(jué)學(xué)習(xí)壓力大，這些都將在未來(lái)的教學(xué)中調(diào)整與改進(jìn)。