利用虚拟实验室了解复杂现象

2020年5月27日

在过去的几十年里,教育领域发生了巨大的变化。我们已经从经典的黑板和粉笔发展到微软®PowerPoint®演示文稿和视频学习工具。我们现在正处在大学课堂的另一个进步中:通过虚拟实验室进行实验。

用模拟应用程序构建虚拟实验室

虚拟实验室顾名思义:可以通过屏幕访问和使用的实验室。它们的功能是模拟真实世界的过程和环境,使复杂的科学现象触手可及。

模拟现在提供了与物理实验同样多,甚至更大的灵活性。一个方便和省时的实验过程意味着主动学习现在可以成为学生日常学习的一部分。

反应平衡-乙烯气相转化为乙醇演示应用程序在行动。该应用程序被设计用作教学工具,它是一种应用程序的例子,你可以在COMSOL Multiphysics®软件的Application Builder中构建。

虽然可访问性是一个明显的优势,但虚拟实验室在加强STEM学科学生的课堂学习体验方面也占据了更大的作用。由复杂的数学公式定义的抽象概念现在可以可视化,使学生在基础水平上更好地理解这些概念。通过将注意力从复杂的数学上转移开,学生们现在可以专注于实际的物理现象本身,同时相对容易地解决问题。

COMSOL Multiphysics®软件提供了一个强大的平台,可以在虚拟实验室环境中模拟各种物理现象、工程过程、设计和设备。您还可以将COMSOL Multiphysics模型转换为易于使用的模拟应用程序,学生可以使用COMSOL Server™或COMSOL Compiler™编译的独立应用程序访问。

将模拟融入课程

研究性学习

今天,世界各地的大学都意识到研究性学习(IBL),一种鼓励学生开发和回答自己研究问题的动手方法。

哈特福德大学(University of Hartford)机械工程教授伊万娜·米拉诺维奇(Ivana Milanovic)博士分享了一个有趣的观察介绍了她在流体和传热课程中包括模拟的方法.她指出,学生“都是亲力亲为的人,他们想做一些令人兴奋的事情。”她补充说:“在那个阶段,他们不明白真正令人兴奋的是数学!”

Milanovic通过将多物理模拟和应用整合到流体力学和传热课程中,作为课程的必修部分,激发了大三学生的兴趣。在她的课堂上,当学生们为他们的分级作业构建应用程序时,模拟应用程序作为视觉效果来激励和吸引学生。

哈特福德大学(University of Hartford)开发的模拟应用程序,是用于STEM教育的虚拟实验室的一个例子。
哈特福德大学用于研究性学习的模拟应用程序。

在流体和传热课程中加入多物理模拟之前,Milanovic建立了一个由学生运营的叶轮机械实验室,以促进机械工程学生的研究性学习。然而,这些活动都是课外活动,而且通常仅限于有明确动机的学生对STEM领域的兴趣

目前,在课程的初始阶段,应用程序构建作业涉及简单的2D模型。随着课程的进展,作业逐渐变成更高级的模拟项目。

目前的课程评分方案包括探究性学习的一部分,学生在没有指导的帮助下使用COMSOL Multiphysics解决问题。随着课程的进展,问题发展为更苛刻的问题,基于实际的物理传热或流体流动。米拉诺维奇的尝试已经让学生们在美国宇航局康涅狄格空间基金的资助下进行模拟和开发应用程序。米拉诺维奇的两名学生后来在美国宇航局实习,并进入了NASA的路径项目。一个学生甚至收到了导师的推荐信,他说他们找不到比他更好的学生来帮助研究了学生获得了超过20,500美元的资助两年多来进行基于模拟的研究。

可视化的概念

电气工程专业的学生有一门极具挑战性的课程要学:电磁学。弗吉尼亚联邦大学(Virginia Commonwealth University)电气工程教授内特·金赛(Nate Kinsey)博士观察到,电磁学往往是一个挑战,即使对那些倾向于电气工程的学生来说也是如此。他解释说,“像Wi-Fi和手机信号塔这样的现象既不可见也不互动;(它们)似乎是包裹在大量复杂数学方程式中的某种黑魔法。”

没有视觉效果,学生们被迫尝试通过复杂的数学和物理概念来形象化,许多人是第一次学习和结合这些概念。结果,他们往往会陷入复杂的数学问题中,而不清楚要解决的实际问题。

为了解决这个可视化问题,金赛在2017年彻底重新设计了电气工程课程,将两周周期的模拟实验室和动手实验纳入其中。在第一周的周期中,学生通过数值模拟探索课堂上的关键主题,在第二周,他们进行实际的实验,旨在证明这些概念是真实的物理效果。

金赛和他的助教们建造演示电磁学概念的仿真应用程序以及在COMSOL Multiphysics中使用Application Builder存在的问题。学生们可以摆弄电磁场,改变他们工作的电磁场的参数。当学生对这些领域的本质有了强烈的直觉把握时,金赛说:“数学是有意义的。它不是抽象的。事实上,这是描述正在发生的事情的最简单、最简洁的方式。”

这是弗吉尼亚联邦大学用来教授学生电气工程概念的模拟应用程序。
这是一个为弗吉尼亚州立大学电气工程专业的学生设计的模拟应用程序。

学习迁移现象

在代顿大学(University of Dayton), Erick S. Vasquez教授调查了参加他的“传输现象”课程的化学工程学生,以了解没有建模经验的学生在课堂上使用模拟是否能更好地学习。本调查旨在评估模拟教学对学生学习深度的影响。它还调查了学生使用COMSOL Multiphysics的经验将数学模型与实际实验联系起来,将理论与实际应用联系起来,轻松理解和操作结果。大多数学生对整体调查都有积极的反应。

根据研究结果,我们决定在未来的课程中使用模拟应用作为学习工具。同时涵盖仿真和数学结果,将数学和实验结果与仿真值进行比较。

伍斯特理工大学(Worcester Polytechnic University)和伯拉理工学院(Birla Institute of Technology)也在其传输现象和传热课程中实现了类似的模拟应用程序。

为设施有限的大学带来高质量的STEM教育

除了通过虚拟实验补充常规的实验室会议来增强学习之外,虚拟实验室还服务于一个更崇高的事业。在印度,在线模拟工具改变了许多没有配备必要的学习资源(包括实验室或仪器)的学院的教育面貌。

2012年,印度政府启动了一个集合,包括91个虚拟实验室,包含9个科学和工程学科的数百个实验。印度政府与国内顶尖机构合作,开发这些基于模拟的虚拟实验室,任何人只要连接互联网就可以远程访问。

基于仿真的虚拟实验室包括使用数学方程建模的实验,这些实验在高端服务器上远程进行。研究结果通过互联网传达给学生。这些实验室是为了规模化运作和迎合大量同时使用的用户而建立的。

该项目旨在确保有限的资源或精密仪器的缺乏不会妨碍学生的教育经历。除了工程和科学的本科生和研究生,虚拟实验室也希望能激发高中生的好奇心,激励他们追求更高的教育和研究。

最后的想法

COMSOL®软件使教授能够轻松地将虚拟实验室实现到他们的课程中。在COMSOL Multiphysics中构建的模型可以很容易地使用Application Builder转换为仿真应用程序。这些应用程序通过COMSOL服务器™分发给学生,或者通过COMSOL编译器™编译成独立的应用程序。然后,学生可以随时随地进行虚拟实验,利用一个建立在强大的数学建模工具上的专门用户界面。

下一个步骤

对将模拟带入课堂感兴趣吗?联系我们了解更多关于使用COMSOL教学的信息:

Microsoft和PowerPoint是微软公司在美国和/或其他国家的商标或注册商标。


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