Wolfram虛擬實(shí)驗(yàn)室為工程教育提供動(dòng)力

您如何才能使教學(xué)變得生動(dòng)活潑并更具吸引力？ 對(duì)于許多教育者來說，答案不僅僅是一個(gè)單一的解決方案，而是一套可以根據(jù)學(xué)科甚至學(xué)生而變化的工具。 因此，今天，我想在教學(xué)工具包中添加一些新內(nèi)容：Wolfram虛擬實(shí)驗(yàn)室。

Wolfram虛擬實(shí)驗(yàn)室是交互式課件形式的開放式教育資源，用于解釋教室中的不同概念。 我們的目標(biāo)是提供一種輕松的方法來研究困難的概念并激發(fā)學(xué)生的好奇心。

在這篇文章中，我與Matteo Fasano博士談了他使用虛擬實(shí)驗(yàn)室作為碩士課程的補(bǔ)充課程的經(jīng)驗(yàn)，在該課程中他擔(dān)任教學(xué)助理。 他還告訴我為什么以及如何支持Wolfram MathCore小組開發(fā)CollegeThermal虛擬實(shí)驗(yàn)室（現(xiàn)已可用），以及它們?nèi)绾螏椭蠋熁蚪虇T提高學(xué)習(xí)的吸引力。

跟我們說說您自己吧。 這些虛擬實(shí)驗(yàn)室是什么？

我是都靈理工大學(xué)的博士后研究員。 我是五門能源與熱工程碩士課程的助教。 我的研究工作“水在納米級(jí)固液界面的傳熱和傳質(zhì)”獲得了2017年能源公司Eni的年度青年研究獎(jiǎng)。

去年5月，我和同事一起參加了Wolfram SystemModelerdemo。 在此演示中，我們了解了Wolfram的一個(gè)名為Virtual Labs的內(nèi)部項(xiàng)目。 這個(gè)想法很簡(jiǎn)單：這是一組交互式計(jì)算機(jī)練習(xí)，是對(duì)教材的補(bǔ)充，在教材中，您可以使用系統(tǒng)模型來探索特定主題，方法是創(chuàng)建新的模型來描述主題，或者與預(yù)先構(gòu)建的模型進(jìn)行交互。 計(jì)劃將它作為一種開放的教育資源分發(fā)給教師、學(xué)生和其他希望學(xué)習(xí)該學(xué)科的人。

我對(duì)這個(gè)概念很感興趣，并開始與您的團(tuán)隊(duì)聯(lián)系。 我從課程材料中發(fā)送了一些練習(xí)，以檢查是否有可能為這些案例研究準(zhǔn)備模型，以及是否可以將其建模為具有針對(duì)學(xué)生的交互式說明的虛擬實(shí)驗(yàn)室。 乍看之下，它似乎可行； 但是，由于內(nèi)容的篇幅，我們建議將其拆分為兩個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，并且作為CollegeThermal庫，每個(gè)人現(xiàn)在都可以使用。

使用這些材料需要哪些先驗(yàn)知識(shí)？

我們?cè)噲D確保具有基本熱力學(xué)知識(shí)的任何人都能跟上其內(nèi)容。

您能帶我們?nèi)タ纯雌渲幸粋€(gè)實(shí)驗(yàn)室嗎？

有沒有想過您家中散熱器的熱功率應(yīng)該是多少才能保證熱舒適性，或者周圍環(huán)境如何影響您的室溫？ 要回答這些問題，重要的是要了解房屋中不同組件的熱行為。 室內(nèi)供暖實(shí)驗(yàn)室的雄心是對(duì)房屋中最重要的部分建模，并將它們結(jié)合起來，以查看室溫如何隨環(huán)境溫度波動(dòng)而變化。

首先，我們觀察多層壁與垂直于其表面的熱通量交叉的熱行為。 墻由三層串聯(lián)組成：分別是隔熱層，磚層和隔熱層。 作為第一近似，可以通過一維集總參數(shù)模型研究此配置的熱傳導(dǎo)，其中僅考慮通過壁的熱傳導(dǎo)（目前）。 在下圖中，我們顯示了在固定層厚度下，不同材料的導(dǎo)熱率如何影響壁內(nèi)的溫度分布：

在這里可以注意到第一個(gè)有趣的行為：如果我們考慮隔熱層和磚層的典型值，即分別為0.07 W / m K和0.7 W / m K，我們會(huì)觀察到整個(gè)隔熱層的大溫差。然而，即使磚層的厚度是絕緣層的三倍，跨磚層的溫度降也僅是最小的。 實(shí)際上，熱導(dǎo)定律（也稱為傅立葉定律）指出，在固定的熱通量下，溫度梯度與熱阻成線性比例，在此可以將其確定為層厚度與熱導(dǎo)率之比。

現(xiàn)在，我們?cè)谀Ｐ椭性黾恿肆硪徊糠郑簩?duì)流熱從周圍空間傳遞到內(nèi)壁，以及從外壁傳遞到環(huán)境。 由于對(duì)流引起的熱阻相對(duì)于穿過墻體的導(dǎo)電熱阻是串聯(lián)增加的，因此導(dǎo)致墻體兩側(cè)的溫度進(jìn)一步下降。 在這種情況下，自然對(duì)流的典型邊界層可以通過壁面附近空氣的非線性溫度分布圖看出：

除了不透明的墻壁外，建筑物還具有透明的墻壁（窗戶）。 窗戶的熱模型在這里考慮了通過玻璃的太陽輻射，通過窗戶的空氣泄漏以及穿過玻璃和窗戶框架的熱傳導(dǎo)。 我們可以通過觀察不同貢獻(xiàn)的熱流值來分析模型響應(yīng)。 在這種情況下，室內(nèi)和室外溫度分別設(shè)置為20°C和-10°C。 下圖的結(jié)果表明，從外部環(huán)境流向內(nèi)部環(huán)境時(shí)，熱通量為正，如太陽輻射一樣；相反方向流動(dòng)時(shí)，熱通量為負(fù)（即熱損失）， 如通過窗戶的泄漏和傳導(dǎo)：

不透明墻和不透明墻的熱模型可以組合成帶有窗戶的墻。這個(gè)組合模型可以讓你比較在不同環(huán)境和室溫下從房間流入/流出/流出的熱流。顯然，非零熱流平衡將導(dǎo)致室溫的動(dòng)態(tài)變化。如果凈熱通量為負(fù)號(hào)，則室溫隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)，熱舒適降低:

為了觀察溫度隨時(shí)間的實(shí)際動(dòng)態(tài)行為，我們通過引入以下內(nèi)容來完善房間的熱模型：（1）房間的其他相關(guān)組件，這些組件會(huì)顯著影響其溫度，即屋頂、地板（不透明的墻壁）和人（ 內(nèi)部熱源）； （2）室內(nèi)空氣的熱容。 然后將所有組件組合在一起，以創(chuàng)建更全面的房間模型。 該模型針對(duì)給定的外部溫度進(jìn)行了測(cè)試：

在這種情況下，我們可以從下圖觀察到凈熱量流出量大于流入熱量?jī)袅鞒隽俊?結(jié)果，當(dāng)入口和出口的熱通量相等時(shí)，室內(nèi)溫度下降，最終穩(wěn)定在10°C：

這樣的平衡溫度會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)的熱不適，應(yīng)通過在建筑物中引入加熱系統(tǒng)來避免這種不適感。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，我們使用散熱器作為熱交換器對(duì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行了建模。 具體來說，考慮了下圖所示的電散熱器和水散熱器，因?yàn)镾ystemModeler的多域方法允許我們?cè)谝粋€(gè)模型中組合不同的域，例如電、熱和控制。 作為第一種實(shí)現(xiàn)方式，散熱器以固定的標(biāo)稱熱功率運(yùn)行，并受開/關(guān)策略控制：

現(xiàn)在，我們將使用Wolfram | Alpha來獲取羅馬冬季的某一天的溫度數(shù)據(jù)作為案例研究，并使用它來定義完整的房間+散熱器模型所需的平均外部溫度：

下圖顯示了約9個(gè)小時(shí)的溫度變化。 然后可以將這些數(shù)據(jù)提供給我們的模型：

由于直觀的圖形用戶界面，用戶現(xiàn)在可以執(zhí)行快速靈敏度分析，以評(píng)估模型參數(shù)對(duì)室溫的影響。 例如，在此圖中，可以更改房間參考溫度、房間的熱容量和太陽輻射，以探討它們對(duì)散熱器（以及供暖系統(tǒng)）的開/關(guān)循環(huán)的影響：

此外，還估計(jì)了白天供暖系統(tǒng)的總能耗。在這里，學(xué)生們可以了解到在供暖季節(jié)僅將房間參考溫度降低1 °C所帶來的節(jié)能(和節(jié)約成本)潛力，以及適當(dāng)大小的供暖系統(tǒng)對(duì)保證全天穩(wěn)定舒適條件的重要性。

在本實(shí)驗(yàn)中，您了解了我們?nèi)绾螐钠椒驳哪Ｐ烷_始并最終觀察到一個(gè)平凡的示例。 學(xué)生可以訪問實(shí)驗(yàn)室中使用的所有系統(tǒng)模型，他們可以在其中學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建這些模型，并嘗試創(chuàng)建新模型或完善現(xiàn)有模型。

您要使用這些實(shí)驗(yàn)室解決的問題是什么？

毫無疑問，現(xiàn)有的僅使用演示文稿和黑板來進(jìn)行教學(xué)的方法已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間。 我認(rèn)為，仍然需要這種教學(xué)方法來對(duì)物理傳熱和傳質(zhì)機(jī)理以及熱力系統(tǒng)的熱力學(xué)有一個(gè)全面的初步了解。 如今，可以通過對(duì)熱系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真來輔助這種方法，以快速、實(shí)際地掌握其實(shí)際運(yùn)行條件。 虛擬實(shí)驗(yàn)室可以支持這種方法，而無需事先了解低級(jí)編碼，這對(duì)于沒有扎實(shí)的編程背景的學(xué)生是一個(gè)加分。

“創(chuàng)建模型只花了不到一天的時(shí)間，我覺得自己現(xiàn)在可以自己創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室了。”

您對(duì)Wolfram技術(shù)的使用感覺如何？

Mathematica的筆記本界面和廣泛的可視化工具為創(chuàng)建動(dòng)態(tài)內(nèi)容提供了便捷的方法。 使用SystemModeler進(jìn)行建模也很容易，因?yàn)樗哂袕V泛的內(nèi)置組件和基于方程的模型。 我花了不到一天的時(shí)間來創(chuàng)建模型，而且我覺得現(xiàn)在可以自己創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室了。我也很想在我的研究中測(cè)試Wolfram語言的功能：在不久的將來，我想探索Mathematica的機(jī)器學(xué)習(xí)功能，以預(yù)測(cè)傳熱和傳質(zhì)過程，例如用于納米復(fù)合材料的注射成型。 不僅是我，而且我還可以看到我的學(xué)生利用這些工具來提高他們對(duì)在講座中學(xué)習(xí)到的物理概念的理解。

您有什么話對(duì)老師說嗎

給老師的一個(gè)小提示：Wolfram MathCore小組很容易交談，可以提供幫助。 如果您對(duì)如何提高教學(xué)能力有任何想法或疑問，請(qǐng)與他們聯(lián)系！ 如果您希望學(xué)生體驗(yàn)創(chuàng)新的學(xué)習(xí)過程，則可以采取額外的步驟，借助靈活、直觀和高級(jí)的編程來轉(zhuǎn)變課程。

對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)室可能會(huì)有幫助的教育領(lǐng)域有什么好主意嗎？ 通過發(fā)送電子郵件至[email protected]讓我們知道！