Compute-To-Learn

密歇根大學(xué)是美國(guó)擁有 Wolfram Mathematica 校園版的眾多頂尖學(xué)校之一。其化學(xué)系的“Compute-To-Learn”項(xiàng)目將課堂與真實(shí)世界聯(lián)系起來(lái)加強(qiáng)物理化學(xué)教育。

大多數(shù)STEM學(xué)生都熟悉一個(gè)學(xué)期進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目：教師提出了一個(gè)問(wèn)題，然后學(xué)生在一組特定的指導(dǎo)原則和約束條件下找到了解決方案。但是，許多學(xué)生幾乎沒(méi)有設(shè)計(jì)自己項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)。這種課堂體驗(yàn)與工作環(huán)境不同，在工作環(huán)境中，學(xué)生需要問(wèn)自己一些很少有人問(wèn)過(guò)的問(wèn)題，并創(chuàng)造自己獨(dú)特的方法來(lái)找到答案。

密歇根化學(xué)系的Compute-To-Learn計(jì)劃旨在幫助彌合課堂體驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)之間的鴻溝。它旨在通過(guò)動(dòng)手和互動(dòng)項(xiàng)目來(lái)增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

Eitan Geva教授說(shuō)，重要的是，它為學(xué)生提供了另一個(gè)體驗(yàn)科學(xué)過(guò)程的機(jī)會(huì)，他是該計(jì)劃的發(fā)起者，該計(jì)劃是每個(gè)學(xué)期《物理化學(xué)原理與應(yīng)用》課程的榮譽(yù)選項(xiàng)。

Compute-To-Learn可幫助榮譽(yù)學(xué)生開(kāi)發(fā)基于計(jì)算機(jī)的交互式演示，以探索物理化學(xué)的概念。該課程由化學(xué)研究生講師（GSI）和高年級(jí)的本科生作為同伴導(dǎo)師指導(dǎo)，是200級(jí)物理化學(xué)課程的附加課。

在學(xué)期開(kāi)始時(shí)，向?qū)W生講授Mathematica的基礎(chǔ)知識(shí)，這是Wolfram|Alpha使用的一種編程語(yǔ)言，并提供了一系列提示。每個(gè)提示都總結(jié)了物理化學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵概念，例如相變和熱容量，并提出了可能要供小組回答的問(wèn)題。一旦每個(gè)小組選擇了一個(gè)提示并提出了自己的想法，他們就會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)程序來(lái)模擬其解決方案，并提供交互式演示。

學(xué)生開(kāi)發(fā)的演示示例之一是“濕T恤上的水蒸發(fā)”，這是一個(gè)交互式模塊，允許用戶更改溫度、干燥時(shí)間、風(fēng)速和位置（這會(huì)影響壓力），以了解在T恤衫上會(huì)留有多少水，并計(jì)算出蒸發(fā)速率。（https://demonstrations.wolfram.com/QualitativeAndQuantitativeAspectsOfPhaseTransitionsInWater/）

 

 

另一個(gè)演示是“在肺纖維化模型中模擬氣體交換”，它顯示了由肺纖維化引起的肺泡壁組織厚度與氧氣和二氧化碳的擴(kuò)散速率之間的關(guān)系。（https://demonstrations.wolfram.com/SimulatingGasExchangeInAModelOfPulmonaryFibrosis/）

 

 

Geva教授解釋說(shuō)：“這不同于做家庭作業(yè)和參加考試。” “我們正在嘗試模仿研究的某些方面，但仍屬于課程的一部分，并為學(xué)生提供許多課程未涵蓋的技能：解決開(kāi)放式問(wèn)題，實(shí)際解決自己的問(wèn)題，制定策略及時(shí)完成。您不知道在傳統(tǒng)課程中該如何做。”

由學(xué)生主導(dǎo)的項(xiàng)目，建模和技術(shù)的使用以及由同伴主導(dǎo)的指導(dǎo)已被證明是化學(xué)教育的有效工具和“Compute-To-Learn”將這三者緊密結(jié)合創(chuàng)建由學(xué)生主導(dǎo)的基于技術(shù)的項(xiàng)目的同學(xué)主導(dǎo)計(jì)劃的想法。

在整個(gè)學(xué)期中，都會(huì)進(jìn)行評(píng)估，使學(xué)生可以從科學(xué)家那里收集觀點(diǎn)，并接觸到多種解決問(wèn)題的方法。在學(xué)期末，學(xué)生向班級(jí)演示他們的模型并將其提交出版。實(shí)際上，許多過(guò)去的項(xiàng)目已經(jīng)在Wolfram演示項(xiàng)目網(wǎng)站（https://demonstrations.wolfram.com/AlphaTypeStirlingEngine/）上發(fā)布。

Geva說(shuō)，盡管在線公開(kāi)發(fā)表他們的項(xiàng)目對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的抱負(fù)，但該計(jì)劃的主要目標(biāo)是讓學(xué)生有機(jī)會(huì)像科學(xué)家一樣思考，提出對(duì)他們來(lái)說(shuō)很重要的問(wèn)題，并在構(gòu)建解決方案時(shí)要富有創(chuàng)造力。通過(guò)“Compute-To-Learn”，學(xué)生可以為課堂做出貢獻(xiàn)，并能夠以切實(shí)的方式將課程與他們的未來(lái)目標(biāo)聯(lián)系起來(lái)。

Geva教授認(rèn)為，這種教育策略是學(xué)生發(fā)展的重要組成部分。“這是關(guān)于擴(kuò)大體驗(yàn)、課外教育的很大一部分。我認(rèn)為應(yīng)該有更多的三維體驗(yàn)。創(chuàng)造力不是線性的。”

 

 

理想氣體的等壓壓縮和膨脹

本演示考慮了壓縮或膨脹理想氣體的等壓熱力學(xué)過(guò)程。假設(shè)恒定的外部壓力作用在包含氣體的活塞上。當(dāng)您改變外部壓力時(shí)，圖中的水平線會(huì)相應(yīng)變化。更改初始體積和最終體積的變量時(shí)，圖中的網(wǎng)格線位置以及活塞頭的初始位置和最終位置都會(huì)移動(dòng)。在該演示中，使用化學(xué)上的約定計(jì)算功：當(dāng)理想氣體膨脹時(shí)，完成的功為負(fù)（即，理想氣體“失去”能量），反之亦然。

PIAB本征態(tài)的時(shí)間依賴性疊加

該演示著眼于一個(gè)盒中量子粒子本征態(tài)的時(shí)間依賴疊加。上面板顯示了復(fù)數(shù)波函數(shù)，其中形狀是其模量，顏色根據(jù)其自變量（0到2π的范圍對(duì)應(yīng)于從紅色到洋紅色的顏色）。下面板以藍(lán)色顯示本征能，以紅色顯示疊加態(tài)的能。

 更多范例請(qǐng)參見(jiàn)：http://umich.edu/~pchem/demos.html

?