Wolfram|虚拟实验室为工程教育提供动力

Wolfram虚拟实验室为工程教育提供动力

您如何才能使教学变得生动活泼并更具吸引力？ 对于许多教育者来说，答案不仅仅是一个单一的解决方案，而是一套可以根据学科甚至学生而变化的工具。 因此，今天，我想在教学工具包中添加一些新内容：Wolfram虚拟实验室。

Wolfram虚拟实验室是交互式课件形式的开放式教育资源，用于解释教室中的不同概念。 我们的目标是提供一种轻松的方法来研究困难的概念并激发学生的好奇心。

在这篇文章中，我与Matteo Fasano博士谈了他使用虚拟实验室作为硕士课程的补充课程的经验，在该课程中他担任教学助理。 他还告诉我为什么以及如何支持Wolfram MathCore小组开发CollegeThermal虚拟实验室（现已可用），以及它们如何帮助老师或教员提高学习的吸引力。

跟我们说说您自己吧。 这些虚拟实验室是什么？

我是都灵理工大学的博士后研究员。 我是五门能源与热工程硕士课程的助教。 我的研究工作“水在纳米级固液界面的传热和传质”获得了2017年能源公司Eni的年度青年研究奖。

去年5月，我和同事一起参加了Wolfram SystemModelerdemo。 在此演示中，我们了解了Wolfram的一个名为Virtual Labs的内部项目。 这个想法很简单：这是一组交互式计算机练习，是对教材的补充，在教材中，您可以使用系统模型来探索特定主题，方法是创建新的模型来描述主题，或者与预先构建的模型进行交互。 计划将它作为一种开放的教育资源分发给教师、学生和其他希望学习该学科的人。

我对这个概念很感兴趣，并开始与您的团队联系。 我从课程材料中发送了一些练习，以检查是否有可能为这些案例研究准备模型，以及是否可以将其建模为具有针对学生的交互式说明的虚拟实验室。 乍看之下，它似乎可行； 但是，由于内容的篇幅，我们建议将其拆分为两个虚拟实验室，并且作为CollegeThermal库，每个人现在都可以使用。

使用这些材料需要哪些先验知识？

我们试图确保具有基本热力学知识的任何人都能跟上其内容。

您能带我们去看看其中一个实验室吗？

有没有想过您家中散热器的热功率应该是多少才能保证热舒适性，或者周围环境如何影响您的室温？ 要回答这些问题，重要的是要了解房屋中不同组件的热行为。 室内供暖实验室的雄心是对房屋中最重要的部分建模，并将它们结合起来，以查看室温如何随环境温度波动而变化。

首先，我们观察多层壁与垂直于其表面的热通量交叉的热行为。 墙由三层串联组成：分别是隔热层，砖层和隔热层。 作为第一近似，可以通过一维集总参数模型研究此配置的热传导，其中仅考虑通过壁的热传导（目前）。 在下图中，我们显示了在固定层厚度下，不同材料的导热率如何影响壁内的温度分布：

在这里可以注意到第一个有趣的行为：如果我们考虑隔热层和砖层的典型值，即分别为0.07 W / m K和0.7 W / m K，我们会观察到整个隔热层的大温差。然而，即使砖层的厚度是绝缘层的三倍，跨砖层的温度降也仅是最小的。 实际上，热导定律（也称为傅立叶定律）指出，在固定的热通量下，温度梯度与热阻成线性比例，在此可以将其确定为层厚度与热导率之比。

现在，我们在模型中增加了另一部分：对流热从周围空间传递到内壁，以及从外壁传递到环境。 由于对流引起的热阻相对于穿过墙体的导电热阻是串联增加的，因此导致墙体两侧的温度进一步下降。 在这种情况下，自然对流的典型边界层可以通过壁面附近空气的非线性温度分布图看出：

除了不透明的墙壁外，建筑物还具有透明的墙壁（窗户）。 窗户的热模型在这里考虑了通过玻璃的太阳辐射，通过窗户的空气泄漏以及穿过玻璃和窗户框架的热传导。 我们可以通过观察不同贡献的热流值来分析模型响应。 在这种情况下，室内和室外温度分别设置为20°C和-10°C。 下图的结果表明，从外部环境流向内部环境时，热通量为正，如太阳辐射一样；相反方向流动时，热通量为负（即热损失）， 如通过窗户的泄漏和传导：

不透明墙和不透明墙的热模型可以组合成带有窗户的墙。这个组合模型可以让你比较在不同环境和室温下从房间流入/流出/流出的热流。显然，非零热流平衡将导致室温的动态变化。如果净热通量为负号，则室温随时间呈下降趋势，热舒适降低:

为了观察温度随时间的实际动态行为，我们通过引入以下内容来完善房间的热模型：（1）房间的其他相关组件，这些组件会显着影响其温度，即屋顶、地板（不透明的墙壁）和人（ 内部热源）； （2）室内空气的热容。 然后将所有组件组合在一起，以创建更全面的房间模型。 该模型针对给定的外部温度进行了测试：

在这种情况下，我们可以从下图观察到净热量流出量大于流入热量净流出量。 结果，当入口和出口的热通量相等时，室内温度下降，最终稳定在10°C：

这样的平衡温度会导致室内的热不适，应通过在建筑物中引入加热系统来避免这种不适感。

在虚拟实验室中，我们使用散热器作为热交换器对供暖系统进行了建模。 具体来说，考虑了下图所示的电散热器和水散热器，因为SystemModeler的多域方法允许我们在一个模型中组合不同的域，例如电、热和控制。 作为第一种实现方式，散热器以固定的标称热功率运行，并受开/关策略控制：

现在，我们将使用Wolfram | Alpha来获取罗马冬季的某一天的温度数据作为案例研究，并使用它来定义完整的房间+散热器模型所需的平均外部温度：

下图显示了约9个小时的温度变化。 然后可以将这些数据提供给我们的模型：

由于直观的图形用户界面，用户现在可以执行快速灵敏度分析，以评估模型参数对室温的影响。 例如，在此图中，可以更改房间参考温度、房间的热容量和太阳辐射，以探讨它们对散热器（以及供暖系统）的开/关循环的影响：

此外，还估计了白天供暖系统的总能耗。在这里，学生们可以了解到在供暖季节仅将房间参考温度降低1 °C所带来的节能(和节约成本)潜力，以及适当大小的供暖系统对保证全天稳定舒适条件的重要性。

在本实验中，您了解了我们如何从平凡的模型开始并最终观察到一个平凡的示例。 学生可以访问实验室中使用的所有系统模型，他们可以在其中学习如何创建这些模型，并尝试创建新模型或完善现有模型。

您要使用这些实验室解决的问题是什么？

毫无疑问，现有的仅使用演示文稿和黑板来进行教学的方法已经使用了很长时间。 我认为，仍然需要这种教学方法来对物理传热和传质机理以及热力系统的热力学有一个全面的初步了解。 如今，可以通过对热系统进行实时仿真来辅助这种方法，以快速、实际地掌握其实际运行条件。 虚拟实验室可以支持这种方法，而无需事先了解低级编码，这对于没有扎实的编程背景的学生是一个加分。

“创建模型只花了不到一天的时间，我觉得自己现在可以自己创建虚拟实验室了。”

您对Wolfram技术的使用感觉如何？

Mathematica的笔记本界面和广泛的可视化工具为创建动态内容提供了便捷的方法。 使用SystemModeler进行建模也很容易，因为它具有广泛的内置组件和基于方程的模型。 我花了不到一天的时间来创建模型，而且我觉得现在可以自己创建虚拟实验室了。我也很想在我的研究中测试Wolfram语言的功能：在不久的将来，我想探索Mathematica的机器学习功能，以预测传热和传质过程，例如用于纳米复合材料的注射成型。 不仅是我，而且我还可以看到我的学生利用这些工具来提高他们对在讲座中学习到的物理概念的理解。

您有什么话对老师说吗

给老师的一个小提示：Wolfram MathCore小组很容易交谈，可以提供帮助。 如果您对如何提高教学能力有任何想法或疑问，请与他们联系！ 如果您希望学生体验创新的学习过程，则可以采取额外的步骤，借助灵活、直观和高级的编程来转变课程。

对于虚拟实验室可能会有帮助的教育领域有什么好主意吗？ 通过发送电子邮件至virtuallabs@wolfram.com让我们知道！