建环流体力学双语教学实践与分析

殷维 郝小礼 李永存 张芷伊

湖南科技大学土木工程学院

近年来，为适应当今社会信息化和经济全球化的发展，满足一带一路中工程领域的国际合问题与交流的要求，满足本科专业认证与新工科在国际化水平方面的要求，教育部，建设部和各个高校发布多项通知与政策，鼓励教师在土木工程的专业课教授过程中使用双语教学。在土木工程的的双语授课过程中，专业基础课的双语教学作为各个学科的核心课程，受到广泛的重视[1]，如楚留声等人[2]在本科生的混凝土结构原理课程中，梁小燕[3]在材料力学课程双语教学的实践中，都尝试了中英双语教学。在土木工程的建筑环境与能源应用工程专业（下文简称建环）中，有四门专业基础课，分别流体力学，传热学，热力学和建筑环境学。其中流体力学在建环专业知识体系中应用广泛，是进行管网阻力计算的理论基础，是进行专业设计和科研研究的必备知识。在目前在国际工程项目不断增加、本科生毕业后出国留学、或攻读硕士研究生的大背景下，有必要开展这一课门的双语教学。

1 已有流体力学的双语教学探索

针对流体力学的双语授课，相关学科的教师和学者进行了有益的尝试与探索。毛军等人[4]针对土木工程学院和机械学院的本科生，介绍了外籍教师使用英语进行了流体力学的全英文授课，分析了其教学思路、方法，并进行了效果分析，指出流体力学双语教学的核心仍然是流体力学的专业知识，辅以学习专业词汇与表达。此外，学生也需要进行课前预习，熟悉专业词汇，以适应授课过程的要求。张一夫[5]针对安全工程专业本科生的流体力学课程，采用了中文、英文双教材，针对主要术语和概念的中英文表达进行了详细的讲解，增强了学生对关键知识点的认识与把握的同时，学会一定量专业知识的英文表达。

李德玉等人[6]在针对能源与动力类专业学生的四年授课过程，尝试了三种不同英文使用程度的教学方式，总结认为由于学生的英语基础的差异，建议使用中英文交替混合授课方式，以保证大多数学生能够比较容易的进行学习和交流。另外，典型的工程应用习题和多媒体教学是促进双语教学的有效方法。王晓英等人[7]针对流体力学教学过程存在学生无法回顾授课过程的问题，提出使用小规模限制式在线课程SPOC（Small Private Online Course）。这种教学方式运用了国外英语原版授课视频，同时辅助以本校专业教师的讲解、互动、习题分析、实验辅导等，取得了良好效果。洪俊等人[8]针对工科的流体力学双语教学，建议使用工程实例较多的、深入浅出的中英双教材。并为学生提供网络上优质的流体力学英文资料链接，便于学生自学。姜劲等人[9]针对新工科的要求，在机械设计制造及其自动化专业的流体力学双语教学中，使用了日本机械学会编写的流体力学教材。教学过程中发现，中英文双语教学能够帮助学生了解英文原意，加深学生对于概念的理解，同时掌握专业词汇与表达。

本文作者已经累计进行了六年建环专业的流体力学教学工作，特别是在近两年工作中，尝试双语教学方法。基于以上学者的教学经验总结，笔者采用了双语课本、双语课件、双语视频、双语作业、双语考试，下文是两年授课工作的总结与思考。

2 教学目标与思路

流体力学作为建环的四大专业基础课之一，主要讲授了流体静力学（Fluid Statics）、一元流体动力学（One-dimensional fluid dynamics）、流动阻力（Flow resistance）、孔口出流（Orifice outflow）、气体射流（Gas jet）、量纲分析（Dimensional Analysis）、流体微分方程（Fluid differential equations）、绕流（Flow around an object）、气体动力学（Gas dynamics）等专业知识。其中，前六部分与建环的工程设计应用联系紧密，需要学生重点掌握与熟练应用。后三部分则在科研领域的应用较多，为本科生今后攻读研究生打下理论基础。

笔者在以往的常规中文教学模式中发现，建环专业的中文教材本质上是属于工程流体力学，为适用于设计的需求，很多内容进行了简略。这一方面降低知识难度，但另一方面造成了部分知识点解释和推理的过于简化，造成知识体系的不连续。另外，部分术语或概念可是直接翻译于早年英文原版教材，其来龙去脉在在长期的中文教学过程中逐渐被忽略，造成学生理解与接受上的困难。另一方面，国外的很多英文教材不仅仅针对某一个学科，而是讲解通用的流体力学，所以内容比较全面，描写比较细致，内容更为广泛。外文教材从工程应用实例推导到基本公式，又从基本公式拓展到应用，整个过程相对详细与充实。另一方面，其例题数量繁多、类型丰富，且有详细的求解过程和说明，能够降低学习的难度，激发学生学习积极性。当然，完全采用英文教材，由于语言的障碍，又可能造成阅读和理解上的困难。因此，如果采用中文教材为主，英文教材为辅，在教学过程采用部分双语模式，就能够形成优势互补，既能够满足教学要求，又能拓宽学生知识面，提升教学效果。

3 双语教学的实施方法

3.1 课前准备

中文教材采用蔡增基与龙天渝主编的经典教材《流体力学泵与风机》，主要讲解前9 章流体力学的内容。习题册则采用配套的《流体力学学习辅导与习题精解》。英文教材采用Victor L.Streeter，E.Benjamin Wylie 和Keith W.Bedford 编著的《流体力学》（第9版）（《Fluid Mechancis》，Ninth Edition)[10]。这本英文教材的章节设置与中文教材较相似，如Fluid Statics（流体静力学）、Fluid Flow Concepts and Basic Control Volume Equations（流动概念与基本体积控制方程，即连续性方程与动量守恒方程）、Basic Governing Differential Equations（基本控制微分方程，即伯努利机械能守恒方程）、Viscous Flow:Pipes and Channels（管流与渠道流动阻力，即层流、湍流与损失）、Ideal-Fluid Flow（理想流体流动，即流体微分方程）、Dimensional Analysis and Dynamic Similitude（量纲分析与动力相似）等。特别是教材中专门设置了一个应用案例章节Closed-Conduit Flow（封闭管道流动），罗列了大量的例题与详解，以便学生模仿和学习，提高解决实际问题的能力。

3.2 在课件中的双语呈现

在此前的授课过程中，笔者曾尝试过使用全英文电子课件，但学生反映英文词与词汇的阅读难度过大，接受起来比较困难。因此，在第二年的教学中，采用了中英文对照的教学方法，如图1 所示。首先，在课程的开始，直接给出主要专业术语的中英文对照，让学生有一个初步的认识和概念。然后，针对重要的知识点或难点，在电子课件同时显示出中英文，并详细讲解，让学生掌握基本原理及表述。接着，对于比较容易理解的概念、定理与公式等，则先显示出英文，再显示出中文，让学生有一个动脑翻译、思考过程，加深其记忆与理解。但是对于成段的、较长的文字描述，则大多显示为全中文，一方面为节省课堂的时间，降低学习的难度，另一方面，保持课堂的松弛有度，让听课者的大脑有一个休息的时间。

图1 课件中的中英文对照

3.3 流体力学双语教学视频

在以前的实验演示中，多采用多年前拍摄的中文教学视频，形式呆板、演示单调、画面老旧，让学生提不起学习的兴趣。通过网络搜索，笔者发现近年来国外制作了很多流体力学视频，以及大自然界流动现象高清录像，再加上CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）模拟视频等，其颜色鲜艳、画面生动、类型繁多，容易激发学生的学习兴趣。

所以本课程采用了这些国外制作的流体力学视频或自然界实拍视频。比如，显示流线分布的大气边界层风洞中不同高度位置多点发烟实验录像，呈现位置势能转化为动能的大坝孔口放水喷射视频，表达空气热浮力的火灾烟气在建筑中扩散的实验视频，显示绕流特征的汽车烟气回流实验，表达射流特征的烟气喷射录像，显示室内气流分布的CFD 流场模拟、风洞发烟实验视频等。图2 为汽车外表面流线的风洞发烟实验，图3 为两建筑间气流的风洞发烟实验。这些新颖生动的视频，加深学生对这些流动现象的直观认识，消解了学习的枯燥感，提高了学习的效果。

图2 汽车外表面气流流线的风洞发烟实验

图3 两建筑之间回旋气流的风洞发烟实验

3.4 作业中的双语应用

为了加强学生的双语应用能力，在作业中加入了一定量的英语题目。一方面，部分题目采用了全英文表述，并要求使用简单的英文作答。为了降低难度，英文的题目一般比较简单，并且在英文的教材中有相似的例题与解答可以参照，以便学生模仿与学习。这样既可保证学生完全读懂题目，掌握相应的知识点与应用方法，又可以学会基本的英文作答格式，掌握基本的英文词汇与表达。

3.5 考试中的双语应用

为进一步学以致用，在考试中使用部分英文出题。考前针对各章节的重要知识点、定理、公式、解法，以及相应的英文表达，要求学生重点背记、熟练掌握。原中文试卷中设置三部分题型，分别为填空题10 道、名词解释4 题、应用计算题8 道。为适应双语教学的需求，分别修改为：填空题中有5 道为英文题，名词解释有2为英文题，应用题中有2 道为英文题。为了保证考试的安全性，答题方式鼓励采用英文作答，也可以采用中文作答。

4 效果分析

4.1 学生反馈

在课间与考试前后与学生的交流中发现，大部分学生反馈此套学习方法新颖、学习兴趣增加。学生反映，采用中、英文两本教材能够中英文对照，掌握专业知识的同时，学习专业英语的词汇与表达。特别是，英文教材的例题丰富、解题过程表述详细，促进了对流体力学知识点的掌握。

在首次双语教学时，笔者采用较多的中英文双语对照，占课程内容的约50%，但学生反馈英文表述过多，课件版面文字密集，观感有些杂乱，接受过程比较辛苦。所以在第二次教学过程中，减少了英文表述至原来的三分之一，既以中文内容为主，仅在主要的、重点的知识点采用中英文双语呈现。在第二次的教学过程过，大部分学生反映比较轻松，教学过程比较流畅。

4.2 作业与试卷分析

由于在习题中采用了部分英文题目，学生的兴趣大为增加。学生需要查询英文教材，才能找到相应的解答方法与表述。这一过程中，学生的大脑中有一个翻译过程，加深了学生对知识点理解，强化了重点知识的影响。作业批改显示，大部分学生按要求认真的解答各个题目。

考试英文题虽然没有强制要求采用英文回答，但大部分学生都采用英文答题，验证了学生对这一方法的认可。英文题的解答与结果也几乎全对，说明学生是非常重视这一块的作答，证明了英文教学起到了促进学习专业知识的效果。

5 教学体会

5.1 对流体力学教学的促进

在以往的建环专业的教学中，学生只使用中文教材，教材内容相似，缺乏对比、差异和补充。而英文教材则有诸多不同，不但逻辑性比较强，而且给出一些知道点的来源。比如，一维伯努利方程的掌握是重中之重，因为在后续课程中，如流体输配管网、通风工程、供热工程等，以及通风课程设计、供热课程设计、空调毕业设计等，都需要使用到网管阻力计算，伯努利方程是这些专业课程和设计的基础。但中文教材中，这一原理的推导有一些简略，学生难于理解。而在英文的教材中，对于一维伯努利方程的来龙去脉讲解的非常详细，而且配有大量的案例与习题，让人读来更全面和具体。

又比如，中文教材从未讲解过水头(water head)这一概念的来源和含义，学生难以理解。对照英文教材后，才知道其来源是是“水体的头部”，即用水位的最高处表示水体的重力势能。这种解释让这一抽象概念立刻变的生动，利于学生理解、记忆与应用。再比如，纳维斯托克斯的方程的推导与理解是流体力学教学中的一个难点，中文教材中的推导比较简单抽象，学生难以理解。而英文教材中则运用运动学知识的、从形象到抽象的方法进行讲解，即先把流体每一个微元理解为立方块，观察其运动物征，再进行数学描述，让读者更容易接受。

中英文两本教材对照学习，形成优势互补，让学生更全面的接受与理解众多知识点。

5.2 对专业英语学习的促进

对于绝大部分学生而言，英语的学习往往停留在英语课堂上，而缺乏应用与解决现实问题的机会。而本课程的双语教学，让学生能够将听、说、读、写融入到整个课程学习的过程中，提高其英语应用能力。

在课程中的双语表述，让学生学习相关定理的英文写法，以及相应的专业术语单词。在作业练习中使用部分英文题目与英文作答，让学生们了解英文题目的表达方法，以及初步掌握的英文解决格式。而考试中的双语出题，则能够提高学生的积极性，以及检查其学习效果。

5.3 存在的问题

当然，授课过程也存在一些不足。由于学生英语基础的参差不齐，课堂缺乏双语互动。部分英语基础较差的学生参与度不高，学习积极性不足。英文使用的内容宽度仍然有限，大约只有40%授课内容采用了双语教学。考试中出题仍然是作业题的少量修改变形为主，变化与题型类型有待增加。

6 结语

通过近两年在建环流体力学中的教学实践显示，采用中英文两本教材的优势非常明显。中文教材为主保证专业知识的易读易懂，英文教材为辅补充更为详细的推导、解释和例题。双语课件则让学生能够提高注意力，加强主要物理概念的理解与记忆，并掌握相关的英文术语单词与表述。双语作业则帮助学生掌握简单的英文解答题目的英文表达。双语考试则有助力学生背记最重要概念和原理的背记与应用。大部分学生的反馈双语教学方式提升他们的学习兴趣，强化了专业知识认识深度。但也有学生感觉学习压力大，这些都将在未来的教学中调整与改进。