主题演讲视频:通过仿真加强STEM教育

2019年 1月 14日

教师如何提高学生在科学、技术、工程和数学(STEM)本科课程中的学习效果?为了找到答案,美国哈特福德大学教授 Ivana Milanovic 将基于问题的学习(PBL)和基于探究的学习(IBL)相结合,开发了一种基于仿真的方法。Milanovic 在 COMSOL 用户年会 2018 波士顿站的主题演讲中讨论了她的策略及优势。下面是她演讲的摘要和视频。

Ivana Milanovic 谈仿真技术在 STEM 课程中的应用

 

STEM 教育面临的挑战

Ivana Milanovic 教授表示,克服教育方面的挑战历来都是“对教学方法和课程进行微小改动”。例如,工程课程(特别是本科生)通常以讲座和问题为基础,实验室提供实践经验。有一种称为 IBL 的学习方式,以课外活动为主,帮助学生在现实世界中发展实践和智力技能。Milanovic 发现这种情况不太理想,原因是,只有最积极的学生倾向于利用这些 IBL 机会。

那么,教师如何才能向所有学生推行 IBL 呢?一种可能的方法是利用仿真来研究各种现象。(正如 Milanovic 所说:“亲眼看到一些您原本看不到的东西是件好事。”)那么问题就变成了如何将建模融入内容充实的课程中。Milanovic 称这是她的“三体问题”,其目标是:

  1. 保持课程材料的相同覆盖范围(例如深度和花费的时间)
  2. 使用生动有趣的沉浸式视觉效果来持续吸引学生
  3. 结合数学建模和仿真

为了保持适度平衡,Milanovic 开发了一种基于仿真的方法……

提高学生学习效率的四步策略

Milanovic 的策略侧重于“课外学习”,其中包含四个关键部分。

首先是在课堂内外大量地使用有趣的图像和动画,这可以帮助学生保持专注,使他们能够想象出难以描绘的效果(如多普勒效应)。

Ivana Milanovic 展示仿真在 STEM 教育中的应用的图片。
视频内容:Ivana Milanovic 讨论了在本科 STEM 课程中使用生动有趣的视觉效果的好处。

其次是创建一个增强型在线环境,其中包括上面提到的视觉效果及博客文章和视频等外部资源。Milanovic 表示,“如果你能让[在线环境]更加生动有趣,那么你就能提供更多的课程之外的信息。”这些改进还为学生提供途径获取更好(和更多)的信息,有助于减轻教授们的工作负担。

Milanovic 策略的第三步是将仿真和应用作为“新的课外作业”。仿真开始时很简单,但随着学生对 COMSOL Multiphysics® 软件越来越熟悉,仿真变得越来越复杂。例如,在 Milanovic 的传热课程中,最初的问题可能是模拟二维传导。一个月后,学生们能够使用仿真软件来理解“他们正在做的任何项目背后的物理现象,还能够构建 [App]”(例如瞬态传导)。Milanovic 还创建了自己的评分标准,其中包括一个针对 IBL 的部分,随着课程的进行,难度也会增加。

第四步是促进更多的研究,包括 PBL 和 IBL 问题。一个简单的例子是让学生想象通过圆柱体的流动,以便更好地理解如何以及何时使用阻力曲线。Milanovic 说,她以前不得不使用各种不同来源的视觉效果,但现在,学生可以通过创建仿真 App 获得一致的效果。在构建 App 后,学生可以研究不同雷诺数如何影响流动。

Milanovic 通过这四个步骤将仿真融入课程中,将 IBL 和 PBL 推向每个学生。然后,学生们可以利用他们在仿真和应用方面的经验来解决实际问题。有关她的方法的更多详细信息以及该方法对 STEM 教育的好处,请查看本文开头的视频


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