使实验室课程与模拟应用远程学习学生

在新泽西理工学院(New Jersey Institute of Technology),一位教授和他的学生设计了15个模拟应用程序,用于世界各地的工程和实验室课程。


雷切尔·凯特利
2021年3月

人类的平均注意力持续时间比金鱼要短。你可能听过这个统计数据,但这是真的吗?这一发人深省的见解出现在2015年前后的数百条头条新闻上,但怀疑论者并不信服。这种说法是有缺陷的:许多研究人员都认为,人类的注意力跨度太复杂,无法将其缩减为一个时间跨度(参考文献1)。

尽管人类的注意力持续时间可能无法与金鱼相提并论,但现在可以获得的数字内容比以往任何时候都多,人们集中注意力的方式也在发生变化。为了赢得观众,保持他们的兴趣和参与,讲一个吸引人的故事很重要。对于教师、讲师和教授来说,磨练这一技能尤其重要,因为他们通常在一节课上有50到90分钟的时间来吸引学生的注意力。

对许多教育工作者来说,在2020年3月,由于COVID-19的迅速传播,学校(和世界)关闭,许多大学课程转向网上,让学生关注变得更加困难。在新泽西理工学院(NJIT),化学和生物医学工程副教授罗曼·沃罗诺夫(Roman Voronov)设计了15个易于使用的模拟应用程序,以帮助新泽西理工学院的教授们以一种吸引人的方式虚拟地教授基础工程概念和实验室课程——无论学生来自哪里。

课堂内外模拟

罗曼·沃罗诺夫教授有关传输现象、热质传递和过程模拟技术的课程。“在我的热质传递课程中,我想向我的学生介绍COMSOL Multiphysics®软件,一个数值模拟软件,用于一个项目。只要我在COMSOL做了一道题®当时,所有人都说:‘这样更容易理解,因为我可以从视觉上看到正在发生的事情,’”沃罗诺夫说。

此外,Voronov认为向他的学生介绍一般的高级计算工具是很重要的,因为它使他们在劳动力中具有独特的优势。沃罗诺夫说:“这不仅仅是为了好玩:知道如何使用这些技术最终会成为他们毕业后需要用到的技能。”

在看到模拟技术对学生产生的积极影响后,沃罗诺夫想让全世界的学生和教育工作者更容易使用这些工具——甚至在远程学习的概念成为家喻户晓的术语之前。

学生模拟应用程序库

在2020年期间,Voronov和他的学生一起工作,创建了几个独立的、可执行的模拟应用程序库。他们使用COMSOL Multiphysics中的Application Builder工具创建了这些易于使用的应用程序®用于从模型构建直观的用户界面,应用程序设计师可以决定显示哪些输入和输出。使用COMSOL Compiler™部署产品,每个应用程序都被编译成一个独立的可执行文件,因此应用程序可以很容易地发布,而无需管理额外的软件许可证。这个为期一年的项目由非营利组织化学工程计算机辅助(CACHE)资助,该组织旨在促进化学工程中计算工具的使用。

模拟应用程序的UI顶部有一个功能区,突出显示了问题陈述PDF,一个用于输入物理输入参数的部分,一个显示轴向流中圆柱体阻力系数图的部分,以及一个显示彩虹中飞机压力的等高线图。
图1所示。这是一个由Voronov和他的学生设计的模拟应用程序的例子,它可以计算飞机周围的阻力系数。学生们可以将应用程序的结果与圆形鼻柱的阻力系数图进行比较。

最初,沃罗诺夫计划设计一些应用程序,教授们在介绍基本工程概念时可以将其用作可视化教学工具。然而,当新冠病毒-19大流行袭来时,该项目的性质发生了变化。随着课程全部上线,教授化学工程实验室的新泽西理工大学教授们发现,需要一款应用程序来模拟他们在此之前一直在实验室进行的实验。这类应用程序将被用作亲自实验室工作的补充,在某些情况下,还将被完全替代。

在了解了教授们需要什么类型的实验室设备来为他们的课程建模后,Voronov和他的学生们开始把模拟应用程序变成现实。

探索3个专业应用

在完成CACHE项目后,Roman Voronov和他的学生设计了15个模拟应用程序(参考文献2)。一些应用程序被设计用于NJIT的特定工程课程和实验室,但它们也可能对任何研究基础化学工程过程的人感兴趣。

当讨论模拟技术对实验课程的重要性时,Voronov说:“在实验室中,学生可以做你要求他们做的实验,但他们并不总是理解实验中发生的物理过程,就像他们在模拟中做的那样。”

模拟应用程序的UI,顶部有一个ribbon,包含问题陈述和文档pdf、重置、计算和报告的菜单项;以及用于几何输入、流体输入、几何输出和流量输出的部分;以及在二维模型中显示速度大小的速度图。
图2。孔板流量计应用程序的图像。

Voronov和他的学生创建的一个应用程序可以用来模拟可压缩流体在管道中的流动。Orifice Flowmeter应用程序是专门为新泽西理工大学的化学工程实验室设计的,要求学生进行流体流动实验。在实验中,学生们必须测量不同长度管道中多个位置的压力降。使用该应用程序,模拟预期的实验,学生可以改变管道的几何形状,并对流体输入进行修改,以查看这是如何影响结果的。该应用程序有一个3D速度图和压力图,这样学生就可以可视化地了解过程中发生的物理现象。

模拟应用程序的UI,顶部有一个功能区,包含用于文档、打印几何图形、打印网格、计算、重置参数、生成报告和导出STL的菜单项;几何参数和叶轮设置的输入部分;以及显示叶轮设计质量浓度的图形窗口。
图3。叶轮反应器应用程序的图像。该应用程序生成一个3d打印叶轮的CAD文件,学生可以在实验室中使用该文件来验证模拟结果。

使用叶轮反应器应用程序,学生可以模拟两种物质之间的反应在非催化间歇反应器与一个旋转圆盘形叶轮。该应用程序让学生了解改变叶轮的尺寸如何影响摩尔浓度、摩尔和质量分数,以及分批反应器中的质量浓度。(批式反应器常用于精细化工、制药和食品工业中开发各种产品。)乐动体育app无法登录此外,该应用程序介绍了如何建模的叶轮与参数扫描。Voronov说:“我们的想法是,结果将显示最佳的叶轮形状和尺寸。”根据仿真结果,学生可以生成一个3d打印叶轮的CAD文件。然后,他们可以打印出叶轮部件,并了解其实际性能。

图4。Flow Around Car应用程序,模拟气流通过汽车。在新泽西理工大学,学生们将这个应用程序的结果与现有文献进行比较。
图4。Flow Around Car应用程序,模拟气流通过汽车。在新泽西理工大学,学生们将这个应用程序的结果与现有文献进行比较。

沃罗诺夫为新泽西理工大学流体力学课程设计的“汽车周围流动”应用程序模拟了空气流过汽车的过程。例如,在设计填充床、过滤设备和热交换器时,了解流体如何在浸入物体上流动是很重要的。使用该应用程序,学生可以在压力图中分析汽车上的梯度空气分布,在速度图中分析通过汽车的气流。

这里提到的所有应用程序,以及其他12个应用程序,都可以在新泽西理工学院的网站(参考文献3)上访问(运行这些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™)。

一个屡获殊荣的应用

罗曼·沃罗诺夫(Roman Voronov)在新泽西理工学院的许多学生在他们的职业生涯中继续使用模拟技术,甚至还赢得了奖项。例如,NJIT 2020届毕业生Vasilios Halkias,也是Voronov以前的学生之一,开发了一款应用程序,为他赢得了2020年NAFEMS学生奖(参考文献4)。该获奖应用程序模拟了管式流反应器中的传质、传热和反应动力学。管式流动反应器在各种化学应用的设计中是重要的。

Voronov认为,除了虚拟和混合学习,模拟应用程序在教室中也会有一席之地。“我认为,使用模拟应用程序确实能让学生对他们正在测试的系统内部发生的事情有一个基本的了解。这让他们有了不同的观点,也很清楚。”

工具书类

  1. S.Maybin,“打破注意力广度神话”BBC新闻, 2017.https://www.bbc.com/news/health-38896790
  2. “基于计算的化学工程教育工具和模块的开发”,化学工程计算机辅助, 2020年。https://cache.org/computational-tools-development
  3. R.Voronov,“COMSOL应用程序”新泽西理工学院, 2020年。https://web.njit.edu/~rvoronov/comsol应用程序/
  4. R. Tara,“无法通过实验课程毕业的学生转向模拟,”Engineering.com, 2020年。https://www.engineering.com/story/unable-to-take-lab-course-to-graduate-student-turns-to-simulation

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