使用仿真 App 進行遠程實驗課程教學

新澤西理工學院的 Roman Voronov 教授與他的學生們使用 COMSOL Multiphysics? 設計了 15 個仿真 App,用于全球工程和實驗課程的遠程教學。


作者 Rachel Keatley
2021 年 3 月

“人類平均注意力的持續時間比金魚還要短?!?/em>你可能已經聽說過這個統計結果了,但這是真的嗎?這個發人深省的見解大約出現在2015年的數百條頭條新聞中,但仍有人對此持有懷疑。該報道并不完全具有說服力:許多研究人員一致認為,人類的注意廣度非常復雜,不能將其簡化為一段時間(參考文獻1)。

盡管人類的注意廣度可能無法與金魚比較,但是如今的數字化內容比以往任何時候都要多,人們集中注意力的方式也在發生變化。為了吸引觀眾的注意力,使他們有興趣參與互動,講述一個生動的故事非常重要。對于教師、演講者和教授而言,磨練這一技能尤其重要,因為他們經常需要在一節課(50~90 分鐘)的時間內吸引學生的注意力。

2020 年 3 月,對于許多教育工作者而言,吸引學生的注意力變得更加困難,因為當時學校(和世界)因為新冠肺炎的迅速傳播而關閉,許多大學課程改為遠程教學。新澤西理工學院(New Jersey Institute of Technology,NJIT)的化學和生物醫學工程副教授 Roman Voronov 設計了 15 個容易使用的仿真 App,可以幫助 NJIT 的教授們以引人入勝的方式教授基礎工程概念和實驗課程——無論學生身處何處。

課堂內外的仿真

Roman Voronov 主要教授與傳輸現象、傳熱傳質和過程仿真技術相關的課程?!霸谖业膫鳠醾髻|課程的一個教學項目中,我想向我的學生介紹 COMSOL Multiphysics® 軟件 —— 一款數值仿真軟件。只要是使用 COMSOL® 做的講解,每一個學生都會說:“非常容易理解,因為我可以直觀地看到正在發生的事情?!盫oronov 說道。

此外,Voronov 認為向學生介紹先進的計算工具很重要,因為這使他們在就業時具備了一項獨特的優勢。Voronov 補充道:“這不僅僅是為了好玩,懂得這項技術最終會成為他們畢業后的一項工作技能?!?/p>

在看到仿真技術對他的學生產生了積極的影響后,Voronov 想讓世界各地的學生和教育工作者更容易地使用這些工具——甚至在“遠程教學”的概念成為家喻戶曉的術語之前。

仿真 Apps 案例庫

在 2020 年,Voronov 和他的學生共同創建了一個由幾個獨立的、可執行仿真 App 組成的案例庫。他們使用 COMSOL Multiphysics® 中的“App 開發器”工具創建了這些易于使用的應用程序。他們將模型封裝為一個直觀的用戶界面,App 設計人員可以決定在界面上顯示哪些輸入和輸出。通過 COMSOL Compiler™,他們將每個仿真 App 編譯成獨立的可執行文件,這樣就可以輕松地分發產品而無需管理額外的軟件許可證。這項為期一年的項目由化學工程計算機輔助協會(Computer Aids for Chemical Engineering,CACHE)資助。CACHE 是一個非營利性組織,旨在促進化學工程中計算工具的使用。

The UI of a simulation app with a ribbon at the top with the problem statement PDF highlighted, a section for entering physical input parameters, a section showing a diagram of the drag coefficient of cylindrical bodies in axial flow, and a contour plot visualizing the pressure on an airplane in rainbow. Drag coefficient calculator app
圖1 Voronov 教授和他的學生設計的一個仿真 App 示例,它可以計算飛機周圍的阻力系數。學生可以將仿真 App 的計算結果與圓柱體的圓形前緣阻力系數圖進行比較。

最初,Voronov 計劃設計一些仿真 App,使教授可以在介紹基本工程概念時可以將它用作可視化教具。然而,當新冠肺炎流感爆發時,項目的性質發生了改變。隨著課程完全轉移到網絡上,化學工程實驗室的 NJIT 教授們看到了對仿真App的需求,在仿真 App 中可以模擬他們此前一直在實驗室中進行的實驗。這類仿真 App 將被用作現場實驗教學的補充,在某些情況下,甚至可以完全替代。

在了解了教授們需要為他們的課程建立的實驗室設備模型類型后,Voronov 和他的學生們開始將仿真 App 引入實際教學中。

三款專業的仿真 Apps

CACHE 項目完成后,Roman Voronov 和他的學生設計了 15 款仿真 App (參考文獻 2)。其中一些仿真 App 是專為 NJIT 的特定工程課程和實驗設計的,但它們也可能會對任何研究基礎化學工程過程的人有幫助。

在討論仿真技術對實驗課程的重要性時,Voronov 表示:“在實驗室里,學生可以進行實驗,做你讓他們做的事情,然而他們并不總是能理解實驗中發生的物理過程,但是仿真可以?!?/p>

The UI of a simulation app with a ribbon at the top containing menu items for the problem statement and documentation PDFs, reset, compute, and report; and sections for geometry inputs, fluid inputs, geometry outputs, and flow outputs; and a velocity plot showing the velocity magnitude in a 2D model. Orifice Flowmeter simulation app
圖2 孔板流量計仿真 App 截圖。

Voronov 和他的學生創建的一個仿真 App 可用于模擬管道中的可壓縮流體流動??装辶髁坑嫹抡?App 是專門為 NJIT 的一個化學工程實驗開發的,該實驗要求學生進行流體流動實驗。在實驗中,學生必須測量不同長度管道中多個位置的壓降。根據預期的實驗進行建模,學生可以在該仿真 App 中改變管道的幾何形狀,并對流體輸入進行修改,了解參數改變如何影響結果。該仿真 App 還可以輸出三維(3D)速度圖和壓力圖,方便學生可視化過程中發生的物理現象。

The UI of a simulation app with a ribbon at the top containing menu items for documentation, plot geometry, plot mesh, compute, reset parameters, generate report, and export STL; input sections for geometry parameters and impeller settings; and a graphics window showing the mass concentration of an impeller design. Impeller Reactor simulation app
圖3 葉輪反應器仿真 App 的截圖。該仿真 App 可以生成一個用于 3D 打印的葉輪計算機輔助設計文件,學生可以在實驗中使用該文件對模擬結果進行驗證。

使用葉輪反應器仿真 App,學生可以用旋轉圓盤形葉輪模擬非催化間歇反應器中兩種物質之間的化學反應。該仿真 App 使學生了解改變葉輪的尺寸如何影響間歇反應器中的摩爾濃度、摩爾和質量分數以及質量濃度。(間歇反應器通常用于開發各種精細化工、制藥和食品工業產品。) 此外,該仿真 App 還演示了如何使用參數化掃描對葉輪進行建模。Voronov 解釋說:“我們期望仿真結果將顯示出最佳的葉輪形狀和尺寸。根據仿真結果,學生可以生成用于 3D 打印葉輪的計算機輔助設計文件。然后,他們可以制造出葉輪組件,并了解它在實際工作中的表現。

Figure 4. Flow Around Car app, which simulates airflow passing over a car. At NJIT, students compare this app's results with existing literature.
Flow Around Car simulation app
圖4 汽車周圍的氣流仿真 App,它模擬了汽車上方的氣體流動。在 NJIT,學生們將這個仿真 App 的計算結果與已有文獻進行比較。

Voronov 為 NJIT 流體力學課程設計的“汽車周圍的氣流”仿真 App 模擬了流經汽車的空氣。例如,在設計填充床、過濾裝置和熱交換器時,了解流體如何在浸沒的物體上流動很重要。使用該仿真 App,學生可以在壓力圖中分析汽車上的梯度空氣分布,在速度圖中分析流經汽車的氣流。

上述提到的所有仿真 App,以及其他 12 個仿真 App,都可以通過 NJIT 的網站瀏覽訪問。(參考文獻 3,運行仿真 App 需要在仿真 App 用戶的操作系統上免費安裝 COMSOL Runtime。)

一款獲獎的仿真 App

Roman Voronov 的大多數 NJIT 學生在他們的職業生涯中仍然繼續使用仿真技術——有些甚至還贏得了獎項。例如,2020 年畢業于 NJIT 的 Vasilios,他開發的一款仿真 App 獲得了 2020 年北美自由貿易區學生獎( 2020 NAFEMS Student Award,參考文獻 4)。該仿真 App 模擬了管式流動反應器中的傳質、傳熱和反應動力學。管式反應器在各種化學應用的設計中都非常重要。

Voronov 認為,除了用于虛擬教學和混合式學習之外,仿真 App 還將在課堂上占有一席之地?!拔艺J為仿真 App 能讓學生真正從原理上了解他們正在測試的系統內部發生了什么。仿真 App 為他們提供了一個不同的視角和清晰的認知?!?/p>

參考文獻

  1. S. Maybin, “Busting the attention span myth,” BBC News, 2017. https://www.bbc.com/news/health-38896790
  2. "Development of Computational-Based Tools and Modules for Chemical Engineering Education," Computer Aids for Chemical Engineering, 2020. https://cache.org/computational-tools-development
  3. R. Voronov, "COMSOL Apps," New Jersey Institute of Technology, 2020. https://web.njit.edu/~rvoronov/comsol-apps/
  4. R. Tara, "Unable to Take Lab Course to Graduate, Student Turns to Simulation," Engineering.com, 2020. https://www.engineering.com/story/unable-to-take-lab-course-to-graduate-student-turns-to-simulation