获得对虚拟实验室复杂现象的理解

5月27,2020

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进步到微软®PowerPoint®演示文稿和视频学习工具。我们现在正处于大学课堂的另一个进步之中:通过虚拟实验室进行实验。

用仿真应用构建虚拟实验室

虚拟实验室正是名称所暗示的:可以通过屏幕访问和使用的实验室。它们用作现实世界流程和环境的模拟器,使您的指尖可以访问复杂的科学现象。

仿真现在提供的,如果不是更大,灵活性也比物理实验更大。可访问和时间高效的实验过程意味着活动学习现在可以成为学生普通学习惯例的一部分。

乙烯对乙醇演示应用的反应平衡 - 气相转化在行动中。该应用程序旨在用作教学工具,它是您可以在COMSOLMultibySics®软件中的应用程序构建器中构建的应用程序的示例。

虽然可访问性是一个可见的优势,但虚拟实验室也占据了提高课堂学科学生的课堂学习经验方面占据了更大的作用。现在可以可视化的复杂数学公式定义的抽象概念,使学生能够在基本层面上更好地了解这些概念。通过吸引复杂数学的注意,学生现在可以专注于实际的物理现象,同时解决问题。

COMSOLMultibyhySics®软件提供了一个强大的平台,可以在虚拟实验室的上下文中模拟各种物理现象,工程流程,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™或与COMSOL Compiler™编译的独立应用程序进行访问。

将模拟纳入课程

研究性学习

今天世界各地的大学都意识到基于探究的学习(ibl),鼓励学生开发和回答自己的研究问题的动手方法。

哈特福德大学机械工程教授伊万娜·米拉诺维奇博士分享了一个有趣的观察在她的流体和传热课程中提出了包括模拟的方法。她指出,学生“是手对手,他们想做一些令人兴奋的事情。”她补充说:“他们在那个舞台上不明白,令人兴奋的是实际上是数学!”

米拉诺维奇通过将多物理模拟和应用集成到流体力学和热传导课程中作为课程的必修部分来激发大三学生的兴趣。在她的课堂上,当学生们为评分作业构建应用程序时,模拟应用程序作为一种视觉效果来激发和吸引学生。

在哈特福德大学建造的仿真应用程序,是用于茎干教育的虚拟实验室的示例。
用于哈特福德大学探索学习的仿真应用。

在流体和热传递课程中加入多物理模拟之前,米拉诺维奇建立了一个学生运行的涡轮机机械实验室,以促进机械工程学生的探究性学习。然而,这些活动都是课外活动,一般只限于有既定动机和对STEM领域感兴趣

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。随着课程的推进,作业逐渐成为更高级的模拟项目。

本课程分级方案包括一段基于查询的学习,其中学生在没有指示的帮助下使用COMSOL Multiphysics解决问题。随着课程的进展,基于传热或流体流动的实际物理学,问题进入更苛刻的问题。米兰诺维奇的尝试导致学生致力于通过美国宇航局康涅狄格州空间授权资助的模拟和开发应用程序。米兰诺维奇的两个学生继续在NASA实习生,进入NASA途径计划。一名学生甚至收到了他们的主管发光的推荐,他说他们无法要求更好的学生帮助研究和另一个学生学生获得了超过20,500美元的资助两年多的基于仿真研究。

可视化概念

电气工程专业的学生要完成一门具有挑战性的课程:电磁学。弗吉尼亚联邦大学(Virginia Commonwealth University)电气工程教授内特·金赛博士(Dr. Nate Kinsey)注意到,电磁学往往是一个挑战,即使是对那些喜欢电气工程的学生来说也是如此。他解释道:“像Wi-Fi和手机信号塔这样的现象是不可见的,也不具有互动性;(它们)就像是包裹在大量复杂数学方程中的某种黑魔法。”

没有视觉效果,学生被迫尝试通过复杂的数学和物理来可视化概念,许多人是第一次学习和结合。因此,它们倾向于在复杂的数学中陷入复杂的数学,而不会清楚地了解要解决的实际问题。

为了解决这个可视化问题,Kinsey在2017年完全重新设计了电气工程课程,包括两周的模拟实验室和实践实验。在周期的第一周,学生通过数值模拟探讨了讲座的关键主题,并且在循环的第二周,他们执行实际实验,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显示电磁概念的仿真应用使用Application Builder在COMSOL Multiphysics中的问题。学生可以使用EM Fields播放,更改他们正在工作的字段参数。当学生对这些领域的性质有着强烈的直观掌握时,Kinsey说:“数学是有道理的。它不是抽象的。事实上,它可以是描述正在发生的事情的最简单,最紧凑的方法。“

弗吉尼亚英联邦大学用来教学学生电气工程概念的仿真应用。
为VCU电气工程学生建造的仿真应用。

学习运输现象

在代顿大学(University of Dayton),埃里克·s·瓦斯克斯(Erick S. Vasquez)教授调查了攻读他的运输现象课程的化学工程专业学生,以了解没有建模经验的学生是否能更好地在课堂上学习模拟。该调查试图衡量在课堂上使用模拟对学生学习深度的影响。它还调查了学生使用COMSOL Multiphysics的体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,易于理解和操作结果。大多数学生对整体调查的反应是积极的。

根据结果​​,决定在未来的课程中,模拟应用程序将用作学习工具。此外,仿真和数学结果都将同时覆盖,以将数学和实验结果与模拟值进行比较。

Worcester理工大学和Birla理工学院在其运输现象和传热课程中同样实施了模拟应用程序。

将高质量的STEM教育带到设施有限的大学

除了通过补充具有虚拟实验的常规实验室会话启用的学习的增强功能,还有一个更高尚的导致虚拟实验室服务。在印度,在线仿真工具在没有配备有必要的学习资源的大量机构中改变了教育的面貌,包括实验室或设备。

2012年,印度政府在9个科学与工程学科中推出了含有数百个实验的91个虚拟实验室的集合。印度政府与该国的顶级机构合作开发了基于模拟的虚拟实验室,可以由互联网连接的任何人远程访问。

基于仿真的虚拟实验室包括使用数学方程建模的实验,这些实验在一个高端服务器上远程执行。结果通过互联网传达给学生。这些实验室的建设是为了大规模运作,同时满足大量用户的需要。

该项目旨在确保有限的资源或缺乏复杂的文书不会妨碍学生的教育经验。除了工程和科学的本科和研究生外,虚拟实验室还意味着希望触发高中生的奇妙,激励他们追求高等教育和研究。

最后的想法

COMSOL®软件使教授们能够轻松地将虚拟实验室纳入他们的课程。在COMSOL Multiphysics中构建的模型可以使用Application Builder轻松转换为模拟应用程序。这些应用程序通过COMSOL Server™分发给学生,或者作为使用COMSOL Compiler™编译的独立应用程序。学生可以随时随地进行虚拟实验,利用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

有兴趣为教室带来模拟吗?联系我们以了解有关使用COMSOL进行教学的更多信息:

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