建環流體力學雙語教學實踐與分析

殷維 郝小禮 李永存 張芷伊

湖南科技大學土木工程學院

近年來，為適應當今社會信息化和經濟全球化的發展，滿足一帶一路中工程領域的國際合問題與交流的要求，滿足本科專業認證與新工科在國際化水平方面的要求，教育部，建設部和各個高校發布多項通知與政策，鼓勵教師在土木工程的專業課教授過程中使用雙語教學。在土木工程的的雙語授課過程中，專業基礎課的雙語教學作為各個學科的核心課程，受到廣泛的重視[1]，如楚留聲等人[2]在本科生的混凝土結構原理課程中，梁小燕[3]在材料力學課程雙語教學的實踐中，都嘗試了中英雙語教學。在土木工程的建筑環境與能源應用工程專業（下文簡稱建環）中，有四門專業基礎課，分別流體力學，傳熱學，熱力學和建筑環境學。其中流體力學在建環專業知識體系中應用廣泛，是進行管網阻力計算的理論基礎，是進行專業設計和科研研究的必備知識。在目前在國際工程項目不斷增加、本科生畢業后出國留學、或攻讀碩士研究生的大背景下，有必要開展這一課門的雙語教學。

1 已有流體力學的雙語教學探索

針對流體力學的雙語授課，相關學科的教師和學者進行了有益的嘗試與探索。毛軍等人[4]針對土木工程學院和機械學院的本科生，介紹了外籍教師使用英語進行了流體力學的全英文授課，分析了其教學思路、方法，并進行了效果分析，指出流體力學雙語教學的核心仍然是流體力學的專業知識，輔以學習專業詞匯與表達。此外，學生也需要進行課前預習，熟悉專業詞匯，以適應授課過程的要求。張一夫[5]針對安全工程專業本科生的流體力學課程，采用了中文、英文雙教材，針對主要術語和概念的中英文表達進行了詳細的講解，增強了學生對關鍵知識點的認識與把握的同時，學會一定量專業知識的英文表達。

李德玉等人[6]在針對能源與動力類專業學生的四年授課過程，嘗試了三種不同英文使用程度的教學方式，總結認為由于學生的英語基礎的差異，建議使用中英文交替混合授課方式，以保證大多數學生能夠比較容易的進行學習和交流。另外，典型的工程應用習題和多媒體教學是促進雙語教學的有效方法。王曉英等人[7]針對流體力學教學過程存在學生無法回顧授課過程的問題，提出使用小規模限制式在線課程SPOC（Small Private Online Course）。這種教學方式運用了國外英語原版授課視頻，同時輔助以本校專業教師的講解、互動、習題分析、實驗輔導等，取得了良好效果。洪俊等人[8]針對工科的流體力學雙語教學，建議使用工程實例較多的、深入淺出的中英雙教材。并為學生提供網絡上優質的流體力學英文資料鏈接，便于學生自學。姜勁等人[9]針對新工科的要求，在機械設計制造及其自動化專業的流體力學雙語教學中，使用了日本機械學會編寫的流體力學教材。教學過程中發現，中英文雙語教學能夠幫助學生了解英文原意，加深學生對于概念的理解，同時掌握專業詞匯與表達。

本文作者已經累計進行了六年建環專業的流體力學教學工作，特別是在近兩年工作中，嘗試雙語教學方法。基于以上學者的教學經驗總結，筆者采用了雙語課本、雙語課件、雙語視頻、雙語作業、雙語考試，下文是兩年授課工作的總結與思考。

2 教學目標與思路

流體力學作為建環的四大專業基礎課之一，主要講授了流體靜力學（Fluid Statics）、一元流體動力學（One-dimensional fluid dynamics）、流動阻力（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）、氣體動力學（Gas dynamics）等專業知識。其中，前六部分與建環的工程設計應用聯系緊密，需要學生重點掌握與熟練應用。后三部分則在科研領域的應用較多，為本科生今后攻讀研究生打下理論基礎。

筆者在以往的常規中文教學模式中發現，建環專業的中文教材本質上是屬于工程流體力學，為適用于設計的需求，很多內容進行了簡略。這一方面降低知識難度，但另一方面造成了部分知識點解釋和推理的過于簡化，造成知識體系的不連續。另外，部分術語或概念可是直接翻譯于早年英文原版教材，其來龍去脈在在長期的中文教學過程中逐漸被忽略，造成學生理解與接受上的困難。另一方面，國外的很多英文教材不僅僅針對某一個學科，而是講解通用的流體力學，所以內容比較全面，描寫比較細致，內容更為廣泛。外文教材從工程應用實例推導到基本公式，又從基本公式拓展到應用，整個過程相對詳細與充實。另一方面，其例題數量繁多、類型豐富，且有詳細的求解過程和說明，能夠降低學習的難度，激發學生學習積極性。當然，完全采用英文教材，由于語言的障礙，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，在教學過程采用部分雙語模式，就能夠形成優勢互補，既能夠滿足教學要求，又能拓寬學生知識面，提升教學效果。

3 雙語教學的實施方法

3.1 課前準備

中文教材采用蔡增基與龍天渝主編的經典教材《流體力學泵與風機》，主要講解前9 章流體力學的內容。習題冊則采用配套的《流體力學學習輔導與習題精解》。英文教材采用Victor L.Streeter，E.Benjamin Wylie 和Keith W.Bedford 編著的《流體力學》（第9版）（《Fluid Mechancis》，Ninth Edition)[10]。這本英文教材的章節設置與中文教材較相似，如Fluid Statics（流體靜力學）、Fluid Flow Concepts and Basic Control Volume Equations（流動概念與基本體積控制方程，即連續性方程與動量守恒方程）、Basic Governing Differential Equations（基本控制微分方程，即伯努利機械能守恒方程）、Viscous Flow:Pipes and Channels（管流與渠道流動阻力，即層流、湍流與損失）、Ideal-Fluid Flow（理想流體流動，即流體微分方程）、Dimensional Analysis and Dynamic Similitude（量綱分析與動力相似）等。特別是教材中專門設置了一個應用案例章節Closed-Conduit Flow（封閉管道流動），羅列了大量的例題與詳解，以便學生模仿和學習，提高解決實際問題的能力。

3.2 在課件中的雙語呈現

在此前的授課過程中，筆者曾嘗試過使用全英文電子課件，但學生反映英文詞與詞匯的閱讀難度過大，接受起來比較困難。因此，在第二年的教學中，采用了中英文對照的教學方法，如圖1 所示。首先，在課程的開始，直接給出主要專業術語的中英文對照，讓學生有一個初步的認識和概念。然后，針對重要的知識點或難點，在電子課件同時顯示出中英文，并詳細講解，讓學生掌握基本原理及表述。接著，對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，讓學生有一個動腦翻譯、思考過程，加深其記憶與理解。但是對于成段的、較長的文字描述，則大多顯示為全中文，一方面為節省課堂的時間，降低學習的難度，另一方面，保持課堂的松弛有度，讓聽課者的大腦有一個休息的時間。

圖1 課件中的中英文對照

3.3 流體力學雙語教學視頻

在以前的實驗演示中，多采用多年前拍攝的中文教學視頻，形式呆板、演示單調、畫面老舊，讓學生提不起學習的興趣。通過網絡搜索，筆者發現近年來國外制作了很多流體力學視頻，以及大自然界流動現象高清錄像，再加上CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）模擬視頻等，其顏色鮮艷、畫面生動、類型繁多，容易激發學生的學習興趣。

所以本課程采用了這些國外制作的流體力學視頻或自然界實拍視頻。比如，顯示流線分布的大氣邊界層風洞中不同高度位置多點發煙實驗錄像，呈現位置勢能轉化為動能的大壩孔口放水噴射視頻，表達空氣熱浮力的火災煙氣在建筑中擴散的實驗視頻，顯示繞流特征的汽車煙氣回流實驗，表達射流特征的煙氣噴射錄像，顯示室內氣流分布的CFD 流場模擬、風洞發煙實驗視頻等。圖2 為汽車外表面流線的風洞發煙實驗，圖3 為兩建筑間氣流的風洞發煙實驗。這些新穎生動的視頻，加深學生對這些流動現象的直觀認識，消解了學習的枯燥感，提高了學習的效果。

圖2 汽車外表面氣流流線的風洞發煙實驗

圖3 兩建筑之間回旋氣流的風洞發煙實驗

3.4 作業中的雙語應用

為了加強學生的雙語應用能力，在作業中加入了一定量的英語題目。一方面，部分題目采用了全英文表述，并要求使用簡單的英文作答。為了降低難度，英文的題目一般比較簡單，并且在英文的教材中有相似的例題與解答可以參照，以便學生模仿與學習。這樣既可保證學生完全讀懂題目，掌握相應的知識點與應用方法，又可以學會基本的英文作答格式，掌握基本的英文詞匯與表達。

3.5 考試中的雙語應用

為進一步學以致用，在考試中使用部分英文出題。考前針對各章節的重要知識點、定理、公式、解法，以及相應的英文表達，要求學生重點背記、熟練掌握。原中文試卷中設置三部分題型，分別為填空題10 道、名詞解釋4 題、應用計算題8 道。為適應雙語教學的需求，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，答題方式鼓勵采用英文作答，也可以采用中文作答。

4 效果分析

4.1 學生反饋

在課間與考試前后與學生的交流中發現，大部分學生反饋此套學習方法新穎、學習興趣增加。學生反映，采用中、英文兩本教材能夠中英文對照，掌握專業知識的同時，學習專業英語的詞匯與表達。特別是，英文教材的例題豐富、解題過程表述詳細，促進了對流體力學知識點的掌握。

在首次雙語教學時，筆者采用較多的中英文雙語對照，占課程內容的約50%，但學生反饋英文表述過多，課件版面文字密集，觀感有些雜亂，接受過程比較辛苦。所以在第二次教學過程中，減少了英文表述至原來的三分之一，既以中文內容為主，僅在主要的、重點的知識點采用中英文雙語呈現。在第二次的教學過程過，大部分學生反映比較輕松，教學過程比較流暢。

4.2 作業與試卷分析

由于在習題中采用了部分英文題目，學生的興趣大為增加。學生需要查詢英文教材，才能找到相應的解答方法與表述。這一過程中，學生的大腦中有一個翻譯過程，加深了學生對知識點理解，強化了重點知識的影響。作業批改顯示，大部分學生按要求認真的解答各個題目。

考試英文題雖然沒有強制要求采用英文回答，但大部分學生都采用英文答題，驗證了學生對這一方法的認可。英文題的解答與結果也幾乎全對，說明學生是非常重視這一塊的作答，證明了英文教學起到了促進學習專業知識的效果。

5 教學體會

5.1 對流體力學教學的促進

在以往的建環專業的教學中，學生只使用中文教材，教材內容相似，缺乏對比、差異和補充。而英文教材則有諸多不同，不但邏輯性比較強，而且給出一些知道點的來源。比如，一維伯努利方程的掌握是重中之重，因為在后續課程中，如流體輸配管網、通風工程、供熱工程等，以及通風課程設計、供熱課程設計、空調畢業設計等，都需要使用到網管阻力計算，伯努利方程是這些專業課程和設計的基礎。但中文教材中，這一原理的推導有一些簡略，學生難于理解。而在英文的教材中，對于一維伯努利方程的來龍去脈講解的非常詳細，而且配有大量的案例與習題，讓人讀來更全面和具體。

又比如，中文教材從未講解過水頭(water head)這一概念的來源和含義，學生難以理解。對照英文教材后，才知道其來源是是“水體的頭部”，即用水位的最高處表示水體的重力勢能。這種解釋讓這一抽象概念立刻變的生動，利于學生理解、記憶與應用。再比如，納維斯托克斯的方程的推導與理解是流體力學教學中的一個難點，中文教材中的推導比較簡單抽象，學生難以理解。而英文教材中則運用運動學知識的、從形象到抽象的方法進行講解，即先把流體每一個微元理解為立方塊，觀察其運動物征，再進行數學描述，讓讀者更容易接受。

中英文兩本教材對照學習，形成優勢互補，讓學生更全面的接受與理解眾多知識點。

5.2 對專業英語學習的促進

對于絕大部分學生而言，英語的學習往往停留在英語課堂上，而缺乏應用與解決現實問題的機會。而本課程的雙語教學，讓學生能夠將聽、說、讀、寫融入到整個課程學習的過程中，提高其英語應用能力。

在課程中的雙語表述，讓學生學習相關定理的英文寫法，以及相應的專業術語單詞。在作業練習中使用部分英文題目與英文作答，讓學生們了解英文題目的表達方法，以及初步掌握的英文解決格式。而考試中的雙語出題，則能夠提高學生的積極性，以及檢查其學習效果。

5.3 存在的問題

當然，授課過程也存在一些不足。由于學生英語基礎的參差不齊，課堂缺乏雙語互動。部分英語基礎較差的學生參與度不高，學習積極性不足。英文使用的內容寬度仍然有限，大約只有40%授課內容采用了雙語教學。考試中出題仍然是作業題的少量修改變形為主，變化與題型類型有待增加。

6 結語

通過近兩年在建環流體力學中的教學實踐顯示，采用中英文兩本教材的優勢非常明顯。中文教材為主保證專業知識的易讀易懂，英文教材為輔補充更為詳細的推導、解釋和例題。雙語課件則讓學生能夠提高注意力，加強主要物理概念的理解與記憶，并掌握相關的英文術語單詞與表述。雙語作業則幫助學生掌握簡單的英文解答題目的英文表達。雙語考試則有助力學生背記最重要概念和原理的背記與應用。大部分學生的反饋雙語教學方式提升他們的學習興趣，強化了專業知識認識深度。但也有學生感覺學習壓力大，這些都將在未來的教學中調整與改進。