通过模拟应用将实验室课程带给远程学习学生

在新泽西理工学院,一位教授及其学生设计了15个模拟应用程序,用于世界各地的工程和实验室课程。


瑞秋·凯利(Rachel Keatley)
2021年3月

人类的平均注意力跨度比金鱼的跨度短。您可能以前听过此统计数字,但这是真的吗?发人深省的见解出现在2015年的数百个头条新闻中,但怀疑论者并没有说服。该陈述是有缺陷的:许多研究人员都同意,人类的注意力跨度太复杂了,无法将其减少到一定的时间(参考文献1)。

尽管人类的注意力跨度实际上可能与金鱼的注意力跨度相当,但比以往任何时候都有更多的数字内容,人们集中注意力的方式正在改变。为了赢得观众并保持娱乐和敬业度,讲述一个令人着迷的故事很重要。对于老师,讲师和教授来说,磨练这项技能尤其重要,因为他们在课堂期间通常有50至90分钟的时间来宣布学生的目光。

对于许多教育工作者来说,在2020年3月,由于Covid-19的迅速传播,许多大学课程关闭,许多大学课程在网上移动。在新泽西理工学院(NJIT)上,化学和生物医学工程副教授罗马·沃罗诺夫(Roman Voronov)设计了15种易于使用的模拟应用程序,以帮助NJIT的教授实际上以一种引人入胜的方式教授基本的工程概念和实验室课程 -无论学生在哪里。

在教室中(和外出)模拟

罗马·沃罗诺夫(Roman Voronov)教授有关运输现象,热量和传质的课程,以及用于过程模拟的技术。“在我的热量和传质课程中,我想向我的学生介绍comsol多物理学®软件是一个用于项目的数值仿真软件。一旦我在comsol犯了一个问题®,每个人都喜欢:“这要容易得多,因为从视觉上看,我实际上可以看到正在发生的事情。”

此外,Voronov认为,将他的学生一般介绍给高级计算工具很重要,因为这为他们提供了劳动力的独特优势。Voronov说:“这不仅是为了娱乐:了解如何使用这种技术最终成为他们毕业后使用的技能。”

在看到模拟技术对他的学生的积极影响之后,Voronov希望使世界各地的学生和教育工作者更容易获得此类工具,甚至在远程学习的概念成为家庭学期之前。

学生的模拟应用程序库

在2020年的过程中,Voronov和他的学生共同创建了几个独立的可执行模拟应用程序库。他们使用应用程序构建器创建了这些易于使用的应用程序,该应用程序是Comsol Multiphysics中的工具®用于从模型中构建直观的用户界面,应用程序设计人员可以在其中确定要显示哪些输入和输出。每个应用程序都通过COMSOL COMPILER™部署产品编译为独立可执行文件,以便可以轻松地分发这些应用程序而无需管理其他软件许可证。为期一年的项目是由化学工程计算机辅助工具(CACHE)资助的,这是一个非营利组织,促进了计算工具在化学工程中的使用。

模拟应用程序的UI,顶部带有功能区,其中有问题语句PDF突出显示,一个用于输入物理输入参数的部分,轴向流中圆柱形体的阻力系数的部分,以及轮廓图可视化压力。在彩虹的飞机上。
图1. Voronov及其学生设计的仿真应用程序的示例,该应用程序计算了飞机周围的阻力系数。学生可以将应用程序的结果与圆形鼻筒的阻力系数进行比较。

最初,Voronov计划在提出基本工程概念时设计教授可以用作视觉教学辅助工具的应用程序。然而,当共同199大流行时,该项目的性质发生了变化。随着课程完全在线移动,NJIT教授化学工程实验室的教授看到了对应用程序进行建模的应用程序,直到那时他们一直在实验室中进行过实验。此类应用程序将被用作面对面实验室工作的补充,在某些情况下是完全更换的。

在了解教授为课程建模所需的实验室设备之后,Voronov和他的学生开始工作,将模拟应用程序栩栩如生。

探索3个专用应用程序

Cache项目完成后,Roman Voronov和他的学生设计了15个模拟应用程序(参考文献2)。其中一些应用程序被设计用于NJIT的特定工程课程和实验室,但对于研究基本化学工程过程的任何人来说,它们也可能感兴趣。

Voronov在讨论模拟技术对实验室课程的重要性时说:“在实验室中,学生可以进行实验并做您要求他们做的事情,但他们并不总是了解实验中发生的身体过程,模拟。”

模拟应用程序的UI,带有带有功能区的顶部,其中包含问题语句和文档PDF,重置,计算和报告的菜单项;以及几何输入,流体输入,几何输出和流量输出的部分;和速度图显示了2D模型中的速度幅度。
图2.孔口流量计应用的图像。

一个应用程序和他的学生创建的一个应用程序可用于模拟管道中的可压缩流体流。孔口流量计应用专门针对NJIT的化学工程实验室制造,该实验室要求学生进行流体流量实验。在实验中,学生必须在多个长度的管道中测量多个位置的压力下降。使用该应用程序以预期的实验进行建模,学生可以更改管道的几何形状,并对流体输入进行修改,以了解这如何影响结果。该应用程序具有3D速度图和压力图,因此学生可以看到过程中发生的物理现象。

仿真应用程序的UI,带有功能区的顶部包含菜单项,用于文档,绘图几何,绘图网格,计算,重置参数,生成报告和导出STL;几何参数和叶轮设置的输入部分;图形窗口显示了叶轮设计的质量浓度。
图3.叶轮反应器应用程序的图像。该应用程序为3D打印的叶轮生成一个CAD文件,学生可以在实验室中使用该文件来验证仿真结果。

使用叶轮反应器应用程序,学生可以使用旋转的圆盘形叶轮在非催化批处理反应器中模拟两个物种之间的反应。该应用程序使学生洞悉改变叶轮的尺寸如何影响摩尔浓度,摩尔和质量分数以及批量反应器中的质量浓度。(批处理反应堆通常用于开发各种产品中的各种产品。乐动体育app无法登录Voronov说:“这个想法是结果将显示最佳的叶轮形状和尺寸。”根据模拟结果,学生可以为3D打印的叶轮生成一个CAD文件。然后,他们可以打印出叶轮组件,并找出其在现实中的性能。

图4.围绕汽车应用程序流动,该应用模拟气流穿过汽车。在NJIT,学生将该应用程序的结果与现有文献进行比较。
图4.围绕汽车应用程序流动,该应用模拟气流穿过汽车。在NJIT,学生将该应用程序的结果与现有文献进行比较。

Voronov为流体力学的NJIT课程设计的汽车应用程序周围的流量,模型流过汽车。例如,在设计包装床,过滤器件和热交换器时,了解流体流向浸入浸入物体的过程很重要。使用该应用程序,学生可以在压力图上分析汽车上的梯度空气分布,并以速度图上的汽车经过汽车。

这里提到的所有应用程序以及其他12个应用程序都可以在新泽西技术学院网站上访问(参考文献3)。(运行应用程序需要在应用程序用户的操作系统上免费安装COMSOL RUNTIME™。)

屡获殊荣的应用程序

来自NJIT的许多罗马沃罗诺夫(Roman Voronov)的学生都继续在职业生涯中使用模拟,甚至赢得了奖项。例如,Vasilios Halkias是2020年毕业于NJIT的毕业生,也是Voronov的一名前学生,它开发了一个应用程序,为他赢得了2020年Nafems学生奖(参考文献4)。获奖的应用程序模拟管状流动反应器中的传播,传热和反应动力学。管状流动反应器在各种基于化学的应用的设计中很重要。

Voronov认为,除了虚拟和混合学习之外,模拟应用程序的使用将在课堂内占有一席之地。“我认为使用仿真应用程序确实使学生对他们正在测试的系统内部发生的事情有了基本的了解。这给了他们不同的观点和很多清晰度。”

参考

  1. S. Maybin,“打破注意力跨越神话”,英国广播公司的新闻,2017年。https://www.bbc.com/news/health-38896790
  2. “开发基于计算的化学工程教育工具和模块,”化学工程计算机辅助工程,2020年。https://cache.org/computational-tools-development
  3. R. Voronov,“ Comsol Apps”,新泽西理工学院,2020年。https://web.njit.edu/~rvoronov/comsol-apps/
  4. R. Tara,“无法参加实验室课程毕业,学生转向模拟,”Engineering.com,2020年。https://www.engineering.com/story/unable-to-toke-lab-course-course-to Gradute-Student-student-turns-turns to-Simulation

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