阅读本文的内容免费试用Wbeplay体育手机官网安卓版olfram SystemModeler。怎样才能让教学更生动、更吸引人呢?对于许多教育工作者来说，答案不是单一的解决方案，而是一套可以根据学科甚至学生的不同而变化的工具。所以今天，我想在教学工具中添加一些新的东西:beplay体育手机官网安卓版Wolfram虚拟实验室。

beplay体育手机官网安卓版Wolfram虚拟实验室是一种开放的教育资源，以互动课件的形式，用于在课堂上解释不同的概念。我们的目标是提供一种简单的方法来学习困难的概念，并促进学生的好奇心。

在这篇文章中，我与Matteo Fasano博士讨论了他在硕士课程中作为助教使用虚拟实验室作为课程补充的经验。他还告诉我为什么以及如何支持beplay体育手机官网安卓版Wolfram MathCore集团发展CollegeThermal虚拟实验室(现已提供)，以及它们如何帮助教师或讲师使学习更具吸引力。

告诉我们一些你自己的情况。什么是虚拟实验室?

我是一名博士后研究员都灵理工大学。我是五门能源与热能工程硕士课程的助教。我是年度青年研究员奖的获得者2017年从能源公司埃尼beplayapp体育下载集团(Eni)收购为了我的研究工作。”纳米尺度固液界面中水的传热传质。”

那是在去年5月，我和同事们一起参加了一个beplay体育手机官网安卓版Wolfram SystemModeler演示。在这个演示中，我们了解了Wolfram的一个内部项目，叫做虚拟实验室。beplay体育手机官网安卓版这个想法很简单:这些是一组交互式计算机练习，作为教学材料的补充，在这些练习中，您可以使用系统模型来探索特定的主题，通过创建新的模型来描述主题，或者通过与预先构建的模型进行交互。它计划作为一种开放的教育资源分发给教师、学生和任何希望学习某一学科的人。

我对这个概念很感兴趣，并开始与您的团队通信。我从我的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虚拟实验室，并为学生提供交互式指导。乍一看，这是可行的;然而，由于内容的长度，我们建议将其分成两个虚拟实验室，现在每个人都可以使用这些虚拟实验室作为CollegeThermal库。

使用这些材料需要哪些先验知识?

我们努力确保任何有基本知识的人都能理解我们的内容热力学的知识。

你能带我们去实验室看看吗?

有没有想过，为了保证热舒适，你家暖气片的热功率应该是多少，或者环境条件是如何影响你的室温的?要回答这些问题，了解房子里不同部件的热行为是很重要的。的室内加热实验室有野心模拟房子最重要的组成部分，并将它们结合起来，看看你的房间温度是如何随着环境温度的波动而变化的。

我们首先从观察一个垂直于其表面的热流穿过多层墙的热行为开始。墙体由三层串联组成:分别为保温层、砖层和保温层。作为第一个近似，这种结构的热响应可以通过一维集总参数模型来研究，其中只考虑通过壁面的热传导(目前)。在下面的图中，我们展示了在固定层厚下，不同材料的导热性如何影响壁内温度分布:

这里可以注意到一个有趣的现象:如果我们考虑保温层和砖层的典型值，即分别为0.07 W/m K和0.7 W/m K，我们观察到保温层上的温度下降很大，而砖层上的温度下降很小，即使砖层的厚度是保温层的三倍。事实上，热传导定律(又称傅立叶定律)指出，在固定的热通量下，温度梯度与热阻成线性比例，热阻在这里可以确定为层厚度与导热系数之间的比率。

现在我们在模型中添加另一部分:从环境房间到内墙，从外墙到环境的对流传热。由于对流引起的热阻相对于穿过墙壁的导电热阻依次增加，从而导致墙壁两侧的温度进一步下降。在这种情况下，通过壁面附近空气的非线性温度分布可以看出典型的自然对流边界层:

除了不透明的墙壁外，建筑物还有透明的墙壁(窗户)。这里的窗户热学模型考虑了通过玻璃的太阳辐射、通过窗户漏出的空气以及通过玻璃和窗框的热传导。我们可以通过观察不同贡献的热流值来分析模型响应。此时室内温度为20℃，室外温度为-10℃。下图的结果表明，在太阳辐射的情况下，从外部环境流向内部环境时，热通量为正，而在相反方向流动时，如泄漏和通过窗户传导的情况下，热通量为负(即热损失)。

不透明墙和透明墙的热模型可以组合在一起，代表一堵带窗户的墙。这个组合模型允许您比较在不同环境温度和室温下流入/流出/流出房间的热通量。显然，非零热流平衡将导致室温的动态变化。如果净热通量为负值，则室温会随着时间的推移而趋于降低，从而降低热舒适性;

为了观察温度随时间的实际动态行为，我们通过引入:(1)房间的其他相关组件，即屋顶、地板(不透明墙壁)和人(内部热源)，来细化房间的热模型;(2)室内空气的热容。然后将所有组件组合起来创建一个更全面的房间模型。该模型在给定的外部温度下进行测试:

在这种情况下，我们可以从下图中观察到，净热量流出大于流入;因此，当入口和出口热通量相等时，室内温度降低并最终稳定在10°C:

这样的平衡温度会导致室内的热不适，这应该通过在建筑物中引入供暖系统来避免。

在虚拟实验室中，我们对使用散热器作为热交换器的供暖系统进行了建模。具体地说，由于SystemModeler的多领域方法允许我们在一个模型中组合不同的领域，例如电、热和控制，因此考虑了如下图所示的电和水散热器。作为第一个实现，散热器在固定的标称热功率下运行，并通过开/关策略控制:

现在我们将使用beplay体育手机官网安卓版Wolfram | Alpha获取罗马冬季某一天的温度数据作为案例研究，并使用它来定义我们完整房间+散热器模型所需的平均外部温度:

& # 10005 tempsWinter = WeatherData["Rome"， "Temperature"， {{2016, 01, 01}}]["Path"];tempsInSecondsWinter = {tempsWinter[[All, 1]] - tempsWinter[[1,1]]， QuantityMagnitude[tempsWinter[[All, 2]]， "DegreesCelsius"]}\[转置];

下图显示了大约9小时内的温度变化。这些数据可以输入到我们的模型中:

& # 10005 ListPlot[tempsInSecondsWinter, AxesLabel ->{"时间[s]"， "温度[\[度]C]"}]

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，在这个图中，可以改变房间的参考温度、房间的热容量和太阳辐照度，以探索它们对散热器(从而加热系统)的开/关周期的影响:

供暖系统的总能耗也在白天进行估算。在这里，学生们可以欣赏到在供暖季节将房间参考温度降低1°C的节能(和成本)潜力，以及适当尺寸的供暖系统对保证一整天稳定舒适条件的重要性。

在本实验中，您看到了我们如何从简单的模型开始，并最终观察到一个不简单的示例。学生可以访问实验室中使用的所有系统模型，在那里他们可以了解这些模型是如何创建的，并尝试创建新模型或改进现有模型。

你想用这些实验室解决什么问题?

现有的仅使用演示文稿和黑板的教学方法无疑已经有效了很长时间。我认为，这种教学方法仍然需要对物理传热传质机制和热系统的热力学基础有一个全面的初步了解。如今，这种方法可以通过对热系统的实时模拟来辅助，以获得对其实际运行条件的快速、亲身体验。虚拟实验室可以支持这种方法，而不需要事先了解低级编码，这对于没有扎实编程背景的学生来说是一个加分项。

“我花了不到一天的时间创建一个模型，我觉得我现在可以自己创建虚拟实验室了。”

你使用Wolfram技术的体验如何?beplay体育手机官网安卓版

的笔记本电脑接口以及广泛的可视化工具Mathematica提供一种方便的方式来创建动态内容。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创建了一个模型，我觉得我现在可以自己创建虚拟实验室了。我也好奇地想测试一下这种力量beplay体育官网下载app对于我的研究:在不久的将来，我想探索机器学习能力例如，用于纳米复合材料的注塑成型。不仅是我，我也可以看到我的学生们正在利用这些工具来提高他们对讲座中所学物理概念的理解。

你有什么要对老师说的吗?

给老师们一个小提示:Wolfram MathCore小组很beplay体育手机官网安卓版容易交谈，并且愿意提供帮助。如果你对如何提高你的教学能力有任何想法或问题，请联系他们!如果你想让你的学生体验创新的学习过程，在灵活、直观和高级编程的帮助下，采取额外的步骤来改变你的课程。

对虚拟实验室可能有所帮助的教育领域有什么好主意吗?给我们发电子邮件，让我们知道virtuallabs@beplay体育手机官网安卓版wolfram.com！