使用仿真 App 进行远程实验课程教学

新泽西理工学院的 Roman Voronov 教授与他的学生们使用 COMSOL Multiphysics® 设计了 15 个仿真 App,用于全球工程和实验课程的远程教学。


作者 Rachel Keatley
2021 年 3 月

“人类平均注意力的持续时间比金鱼还要短。”你可能已经听说过这个统计结果了,但这是真的吗?这个发人深省的见解大约出现在2015年的数百条头条新闻中,但仍有人对此持有怀疑。该报道并不完全具有说服力:许多研究人员一致认为,人类的注意广度非常复杂,不能将其简化为一段时间(参考文献1)。

尽管人类的注意广度可能无法与金鱼比较,但是如今的数字化内容比以往任何时候都要多,人们集中注意力的方式也在发生变化。为了吸引观众的注意力,使他们有兴趣参与互动,讲述一个生动的故事非常重要。对于教师、演讲者和教授而言,磨练这一技能尤其重要,因为他们经常需要在一节课(50~90 分钟)的时间内吸引学生的注意力。

2020 年 3 月,对于许多教育工作者而言,吸引学生的注意力变得更加困难,因为当时学校(和世界)因为新冠肺炎的迅速传播而关闭,许多大学课程改为远程教学。新泽西理工学院(New Jersey Institute of Technology,NJIT)的化学和生物医学工程副教授 Roman Voronov 设计了 15 个容易使用的仿真 App,可以帮助 NJIT 的教授们以引人入胜的方式教授基础工程概念和实验课程——无论学生身处何处。

课堂内外的仿真

Roman Voronov 主要教授与传输现象、传热传质和过程仿真技术相关的课程。“在我的传热传质课程的一个教学项目中,我想向我的学生介绍 COMSOL Multiphysics® 软件 —— 一款数值仿真软件。只要是使用 COMSOL® 做的讲解,每一个学生都会说:“非常容易理解,因为我可以直观地看到正在发生的事情。”Voronov 说道。

此外,Voronov 认为向学生介绍先进的计算工具很重要,因为这使他们在就业时具备了一项独特的优势。Voronov 补充道:“这不仅仅是为了好玩,懂得这项技术最终会成为他们毕业后的一项工作技能。”

在看到仿真技术对他的学生产生了积极的影响后,Voronov 想让世界各地的学生和教育工作者更容易地使用这些工具——甚至在“远程教学”的概念成为家喻户晓的术语之前。

仿真 Apps 案例库

在 2020 年,Voronov 和他的学生共同创建了一个由几个独立的、可执行仿真 App 组成的案例库。他们使用 COMSOL Multiphysics® 中的“App 开发器”工具创建了这些易于使用的应用程序。他们将模型封装为一个直观的用户界面,App 设计人员可以决定在界面上显示哪些输入和输出。通过 COMSOL Compiler™,他们将每个仿真 App 编译成独立的可执行文件,这样就可以轻松地分发产品而无需管理额外的软件许可证。这项为期一年的项目由化学工程计算机辅助协会(Computer Aids for Chemical Engineering,CACHE)资助。CACHE 是一个非营利性组织,旨在促进化学工程中计算工具的使用。

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
图1 Voronov 教授和他的学生设计的一个仿真 App 示例,它可以计算飞机周围的阻力系数。学生可以将仿真 App 的计算结果与圆柱体的圆形前缘阻力系数图进行比较。

最初,Voronov 计划设计一些仿真 App,使教授可以在介绍基本工程概念时可以将它用作可视化教具。然而,当新冠肺炎流感爆发时,项目的性质发生了改变。随着课程完全转移到网络上,化学工程实验室的 NJIT 教授们看到了对仿真App的需求,在仿真 App 中可以模拟他们此前一直在实验室中进行的实验。这类仿真 App 将被用作现场实验教学的补充,在某些情况下,甚至可以完全替代。

在了解了教授们需要为他们的课程建立的实验室设备模型类型后,Voronov 和他的学生们开始将仿真 App 引入实际教学中。

三款专业的仿真 Apps

CACHE 项目完成后,Roman Voronov 和他的学生设计了 15 款仿真 App (参考文献 2)。其中一些仿真 App 是专为 NJIT 的特定工程课程和实验设计的,但它们也可能会对任何研究基础化学工程过程的人有帮助。

在讨论仿真技术对实验课程的重要性时,Voronov 表示:“在实验室里,学生可以进行实验,做你让他们做的事情,然而他们并不总是能理解实验中发生的物理过程,但是仿真可以。”

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
图2 孔板流量计仿真 App 截图。

Voronov 和他的学生创建的一个仿真 App 可用于模拟管道中的可压缩流体流动。孔板流量计仿真 App 是专门为 NJIT 的一个化学工程实验开发的,该实验要求学生进行流体流动实验。在实验中,学生必须测量不同长度管道中多个位置的压降。根据预期的实验进行建模,学生可以在该仿真 App 中改变管道的几何形状,并对流体输入进行修改,了解参数改变如何影响结果。该仿真 App 还可以输出三维(3D)速度图和压力图,方便学生可视化过程中发生的物理现象。

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
图3 叶轮反应器仿真 App 的截图。该仿真 App 可以生成一个用于 3D 打印的叶轮计算机辅助设计文件,学生可以在实验中使用该文件对模拟结果进行验证。

使用叶轮反应器仿真 App,学生可以用旋转圆盘形叶轮模拟非催化间歇反应器中两种物质之间的化学反应。该仿真 App 使学生了解改变叶轮的尺寸如何影响间歇反应器中的摩尔浓度、摩尔和质量分数以及质量浓度。(间歇反应器通常用于开发各种精细化工、制药和食品工业产品。) 此外,该仿真 App 还演示了如何使用参数化扫描对叶轮进行建模。Voronov 解释说:“我们期望仿真结果将显示出最佳的叶轮形状和尺寸。根据仿真结果,学生可以生成用于 3D 打印叶轮的计算机辅助设计文件。然后,他们可以制造出叶轮组件,并了解它在实际工作中的表现。

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
图4 汽车周围的气流仿真 App,它模拟了汽车上方的气体流动。在 NJIT,学生们将这个仿真 App 的计算结果与已有文献进行比较。

Voronov 为 NJIT 流体力学课程设计的“汽车周围的气流”仿真 App 模拟了流经汽车的空气。例如,在设计填充床、过滤装置和热交换器时,了解流体如何在浸没的物体上流动很重要。使用该仿真 App,学生可以在压力图中分析汽车上的梯度空气分布,在速度图中分析流经汽车的气流。

上述提到的所有仿真 App,以及其他 12 个仿真 App,都可以通过 NJIT 的网站浏览访问。(参考文献 3,运行仿真 App 需要在仿真 App 用户的操作系统上免费安装 COMSOL Runtime。)

一款获奖的仿真 App

Roman Voronov 的大多数 NJIT 学生在他们的职业生涯中仍然继续使用仿真技术——有些甚至还赢得了奖项。例如,2020 年毕业于 NJIT 的 Vasilios,他开发的一款仿真 App 获得了 2020 年北美自由贸易区学生奖( 2020 NAFEMS Student Award,参考文献 4)。该仿真 App 模拟了管式流动反应器中的传质、传热和反应动力学。管式反应器在各种化学应用的设计中都非常重要。

Voronov 认为,除了用于虚拟教学和混合式学习之外,仿真 App 还将在课堂上占有一席之地。“我认为仿真 App 能让学生真正从原理上了解他们正在测试的系统内部发生了什么。仿真 App 为他们提供了一个不同的视角和清晰的认知。”

参考文献

  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