PDF《仿真 App 为理工科课程》

22 仿真 App 为理工科课程 注入活力 美国哈特福德大学将仿真 App 纳入了本 科生理工科课程的教学内容, 目的是为 学生未来的职业发展打下坚实基础.

作者 GARY DAGASTINE 图1. 就读于哈特福德大学的 Mark Markiewicz 创建了一个仿真 App, 用于研究将一杯冷水加热到室温的 过程中的非等温流动. 仿真 App 给出了玻璃杯内的流体速度、 温度和压力的计算结果. 仿真 App 的教学应用 高等教育的目的是传授给学生对其未来职业规划有用的 知识和技能.然而对于针对本科生的物理教学而言,达成这 一目标并不那么简单.近年来,理工科(包括科学、技术、 工程、数学)课程吸引了越来越多的学生.但不同学生的背 景和兴趣爱好差异很大,这使得教学难度进一步提升. 一个尤为棘手的难题是:如何将探究式学习融入到课堂 教学中.探究式学习是一种引导学生自己提出问题,并通过 研究自行解答的教学方式.通过让学生们自己动手解决实际 的物理问题,可以使他们更加深入透彻地理解物理概念.然而,在以授课为主的课堂教学中,教材的覆盖面过于宽泛, 也没有留出足够的时间去培养学生在特定领域的技能,难以 有效地实施这种学习方式. 针对此问题,坐落于美国康涅狄格州的哈特福德大学 (University of Hartford)开展了一项教学改革――将多物理 场分析软件和仿真 App 作为必修内容纳入大学三年级的流体 力学和传热学课程中. 在哈特福德大学的本 科生工程课程中,有很多针 对解决问题和项目的学习模 块. 机械工程专业的教授 Ivana Milanovic 博士表示, 在使用仿真 App 之前, 将探究式学习有效地融入课 堂教学中十分困难.然而在 COMSOL Multiphysics? 软件 的帮助下,我们可以基于多 物理场模型来快速地设计 仿真App,对课堂教学内容进 行补充. 学生们不需要成为数值 仿真专家,也能通过界面简 洁、易于上手的仿真 App 查 看并修改指定的输入、输出 以及各种设置,游刃有余地 操作强大的计算工具. 得益于此,学生们现在 可以方便地进行虚拟实验. 他们可以自由修改系统的工 作参数、初始条件和边界条 件,然后对仿真结果进行可 视化,从而透彻地理解物理 概念.另外,在哈特福德大 学,仿真 App 同时还被用于 工业赞助项目的研究.在康 涅狄格州,许多涉及航空和 制造领域的公司都在使用仿 真软件,仿真 App 教学必然 能帮助学生在求职过程中提 高对潜在雇主的吸引力. ? ? App: 从想法到实践 电气与计算机工程系教 授Thomas Eppes 博士开设 了使用 COMSOL? 软件进行 数学建模的研究生课程.受 此启发,Milanovic 博士将仿 真App 相继整合到了大学三 年级的流体力学和传热学课 程中. Eppes 教授解释说: 各 类研究均表明, 在教学中使 用COMSOL 软件是一个正 确的决定. 当然, 学生的反馈 对我们而言更有意义. 许多 学生告诉我, 仿真软件不仅 帮助他们强化了学习效果, 让 他们能够更加形象地理解高 深复杂的理论概念, 更重要 的是还让他们接触到了宝贵 的仿真方法.99%的课程完 成率正是这一结论最有力的 支持. 鉴于此,Milanovic 开 始考虑将建模和仿真软件纳 入本科课程教学体系.这一 举动引发了诸多讨论. 许 多老师认为,熟练使用工业 级软件需要学生投入大量的 时间,还可能导致学生过度 依赖软件. Milanovic 描述 道, 他们还质疑,如果学 生没有上过计算流体动力学 (CFD)的课程,仿真软件 究竟能起到多大的作用. 仿真App以其卓越的易用性消除了所有疑 虑. Milanovic 表示, 学生 们通过课堂讨论和自学,掌 握了专业理论知识和分析问 题的能力.他们的理论知识