工程教授转向虚拟实验室进行远程学习
虚拟版本的实验室设备重新创造一个动手的经验
2020年3月16日，伊利诺伊大学机械工程教授Ayse Tekes肯尼索州立大学她知道自己的工作即将发生巨大变化。像世界上几乎所有的学术机构一样，KSU刚刚宣布决定在春季学期的剩余时间里完全远程授课，并要求他们的学生回家，等待进一步通知。
2019冠状病毒病疫情影响了大学生活的方方面面。课程和讲座可以相对轻松地在网上进行。但实验室是工程系学生将课堂上的理论与现实物理世界联系起来的地方。将振动、动力学和控制理论的抽象概念带入生活所必需的实验室设备不再可用，特克斯特别关心这对她的学生意味着什么。
振动与控制课程实验设备。(图片来源:Ayse Tekes)
当她开始准备在可预见的未来将所有课程转移到网上时，Tekes突然有了一个想法:她将建立一种新型的实验室，他们可以在自己家中与之交互和控制，并借助物理系统建模工具Simscape™。
灵感的火花
她说，即使在大流行完全改变了Tekes的学年之前，她就对能够在教室或实验室为学生做的亲自演示感到不满。
在一名前本科生的帮助下，特克斯开发了虚拟设备，比如一个可以模拟钟摆振荡运动的系统，并将其打包，使学生能够离线工作。
特克斯说:“我的学生有时在数学上很吃力。“我想把这些概念形象化。你可以称某个系统为欠阻尼系统，但如果没有对潜在动力学的可视化，学生就很难理解复杂的概念。他们不明白什么是欠阻尼系统。”
Tekes认为，动手的方法对于帮助本科生充分掌握和探索物理概念是必不可少的，例如质量-弹簧-阻尼系统的精确振荡或大系统的变化动力学。时间限制和有限的实验室通道也会使完全浸入材料变得困难。
在Simscape中开发了质点弹簧系统的实验设备和仿真。(图片来源:Ayse Tekes)
随着Tekes向完全远程教学的过渡，这种需要改变的信念变得更加清晰，并且决定夏季学期也将完全远程教学。她需要只用视频来教授她课程的实验概念。
在精通Simscape的前本科生Paul Pena的帮助下，Tekes在KSU工程实验室开发了一个虚拟版本的设备，可以模拟钟摆的振荡运动。
特克斯说:“我从5月份开始与他合作，到6月份，我们有了一个非常好的安排。”“这是一个初步的设置，但它足以让我在整个夏天运行我所有的实验室，因为我需要创建10个虚拟实验室。”
对于她的学生来说，更好的是，他们分散在离校园很远的地方，偶尔会很难在网上获得数字材料，整个虚拟实验室包可以一次下载并离线运行，所有这些都不需要知道如何编码。
虚拟实验室实验
除了在Simscape中开发她的实验室实验和附带的讲义外，Tekes和Pena还创建了MATLAB®在Simscape中使用振动和控制分析的应用程序，为学生提供一个容易进入建模工具的入口。
“看到频率和共振在一点点调整中会发生怎样的变化，真的很酷。在应用程序中，你可以从视觉上看到很多东西，而不是从理论上教授它们。”
Basheerah Fareed-Hebert是KSU机械工程专业的本科生
这款应用程序不再要求学生们从Simscape中众多的组件和系统中自行选择，而是让学生们在虚拟实验室中简单地与预先设计的系统进行交互和调整参数。
MathWorks产品营销人员梅尔达·乌卢索伊(Melda Ulusoy)专门从事控制系统的销售，他解释说:“使用这款应用程序，学生可以轻松地更改系统参数，如质量值、阻尼和弹簧常数，并使用更新后的参数模拟系统。”“他们还可以将系统的反应可视化为3D，这对他们理解振动和控制主题至关重要。”
由Tekes教授和学生Paul Pena创建的振动和控制分析的MATLAB应用程序。
Ulusoy现在正与Tekes合作，进一步开发她的虚拟实验室材料。该计划是将使用范围扩大到KSU以外。
除了设计讲义，Tekes的学生Pena还帮助制作了一系列YouTube视频引导学生在应用程序中完成作业。
对于KSU机械工程本科学生Basheerah Fareed-Hebert来说，这个应用程序是她第一次接触MATLAB软件。她在秋季报名参加了Tekes教授的一门课程。她说，除了易于使用之外，它还帮助她巩固并将理论概念与物理系统联系起来。
法里德-赫伯特说:“我最喜欢的是我们做隔振的时候。“看到频率和共振在一点点调整中会发生怎样的变化，真的很酷。在应用程序中，你可以从视觉上看到很多东西，而不是从理论上教授它们。”
不仅法里德-赫伯特觉得这款应用很有用。在一项评估学生对这款应用程序反应的调查中，Tekes发现它获得了压倒性的积极反响。特别是，这款应用程序帮助学生掌握了困难的理论概念。
双质量，双弹簧系统的强迫响应图。
通过让她的学生使用这个软件，Tekes说她不仅仅局限于教他们动力学的典型形式，而是可以让他们使用更具创新性和前瞻性的系统。
特克斯说:“现在一切都在向软机器人发展，我希望我的学生实际上已经为那个阶段做好了准备……即使是本科生。”“我真的在挑战他们，设计不同类型的弹簧，他们永远不会在理论教科书上看到。”
Ulusoy说，对于将来可能从事现实世界复杂动力系统的分析和控制设计的学生来说，首先理解模拟的价值和在实施之前进行测试将是非常有帮助的。
除了COVID-19
虽然Tekes的虚拟实验室可能是在COVID-19的大火中打造出来的，但她说，这一经历现在激励她进一步开展工作。她希望使用这款软件为机械工程以外的学科创建更多的实验室模块和课程，比如航空航天工程、机器人和数学。
“MATLAB应用程序是一个很好的教学工具，不需要只在实验室使用。”
KSU机械工程教授Ayse Tekes说
特克斯说:“由于新冠疫情，我开始创建虚拟实验室，但我也会在课堂上使用我的应用程序。”“它们是一种很好的教学工具，不需要只在实验室使用。”
Tekes希望这样的软件可以提供给所有想要它的教育工作者，尤其是高中教师，他们的课程是培养学生对STEM兴趣的基础。
“这些实验室是可用的在我的网站上向任何想要帮助他们的学生的教育工作者，这些学生正在努力将理论与实际应用联系起来，”特克斯说。“我想帮助教育者——我想帮助学生们真正了解正在发生的事情。从第一天起，这就是我的目标。”
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