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シミュレーションアプリによる遠隔教育の学生へのラボ授業の提供

ニュージャージー工科大学で, 1人の教授とその学生が, 世界中の工学およびラボの授業で使用できる15のシミュレーションアプリケーションを設計しました.

Rachel Keatley 著
2021年3月

人間の平均的な注意力は, 金魚よりも短い. このような統計を聞いたことがあるかもしれませんが, はたしてこれは本当なのでしょうか? 示唆に富むこの洞察は2015年頃の何百もの見出しに登場しましたが, 懐疑論者は納得していませんでした. この主張には欠陥があります. 多くの研究者が述べるように, 人間の注意力は複雑すぎて, ある時間のスパンにまとめてしまうことは不可能なのです (参照1).

人間の注意力は実際には金魚のそれに匹敵するものではないかもしれませんが, これまで以上に多くのデジタルコンテンツが利用可能である世の中で, 人々の注意の向け方は変化しています. 聴衆を魅了し, 楽しませ, 従事させ続けるためには, 魅惑的な話をしなければなりません. 特に, 教師, 講師, 教授は, 授業中に, 50分から90分ほど学生を集中させなければならないため, このスキルを磨くことは特に重要です.

多くの教育者にとって, 2020年3月にコロナウイルスの急速な感染拡大により学校(さらに世界まで)が閉鎖され, 多くの大学の授業がオンラインに移行したため, 学生の注意を引くことがさらに困難になりました. ニュージャージー工科大学(NJIT)で, 化学および生物医学工学の准教授であるRoman Voronov氏は, 学生がどこに拠点を置いていても, NJITの教授が基本的な工学概念とラボ授業を魅力的な方法で遠隔的に教えるのに役立つ15の使いやすいシミュレーションアプリケーションを設計しました.

教室内(および教室外)でのシミュレーション

Roman Voronov氏は, 輸送現象, 熱および物質移動, およびプロセスシミュレーションの手法に関する授業を担当しています. 「私の熱および物質移動授業では, プロジェクトで使用するために, 数値シミュレーションソフトウェアである COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを学生に紹介したいと思いました. COMSOL® で1つの問題を解くとすぐに, 誰もが次のように言いました. 「何が起こっているのかを実際に視覚的に見ることができるので, とても簡単に理解できる」と, Voronov氏は述べています.

さらに, Voronov氏は, 学生に高度な計算ツール全般を紹介することが重要であると考えています. これは, 学生に社会人としての独自の強みを与えるからです. 「楽しみのためだけではありません. このようなテクノロジーの使い方を知ることは, 卒業後に使用できるスキルになります」とVoronov氏は言います.

シミュレーション技術が自身の学生に与えたプラスの影響を確認した後, Voronov氏は, 遠隔教育という概念が一般的な用語になる前から, 世界中の学生や教育者がそのようなツールにアクセスしやすくしたいと考えていました.

学生のためのシミュレーションアプリのライブラリ

2020年を通して, Voronov氏と彼の学生は協力しながら, いくつかのスタンドアロンの実行可能なシミュレーションアプリのライブラリを作成しました. 彼らは, COMSOL Multiphysics® のツールであるアプリケーションビルダーを使用してこれらの使いやすいアプリを作成し, モデルから直感的なユーザーインターフェイスを構築し, アプリの設計者が表示する入力と出力を決定できるようにしました. 各 アプリは, COMSOL Compiler™ デプロイメント製品を使用してスタンドアロン実行可能ファイルにコンパイルされたため, 追加のソフトウェアライセンスを管理しなくても, アプリを簡単に分配できました. この1年間のプロジェクトは, 化学工学における計算ツールの使用を促進する非営利団体である Computer Aids for Chemical Engineering (CACHE)によって資金提供されました.

The UI of a simulation app with a ribbon at the top with the problem statement PDF highlighted, a section for entering physical input parameters, a section showing a diagram of the drag coefficient of cylindrical bodies in axial flow, and a contour plot visualizing the pressure on an airplane in rainbow. Drag coefficient calculator app
図1. Voronov氏と彼の学生によって設計された, 飛行機の周りの抗力係数を計算するシミュレーションアプリの例. 学生は, アプリの結果をラウンドノーズシリンダーの抗力係数プロットと比較できます.

当初, Voronov氏は, 教授が基本的なエンジニアリングの概念を紹介するときに視覚的な教材として使用できるアプリを設計することを計画していました. しかし, コロナウイルスの発生後, プロジェクトの方向が変わりました. 授業が完全にオンラインに移行したことで, 化学工学ラボを担当していたNJITの教授たちは, それまでラボで行っていた実験をモデル化するアプリの必要性を感じていました. このようなアプリは, 対面でのラボ作業の補足として使用され, 場合によっては完全な代替として使用できます.

教授が授業でモデル化する必要のあるラボ機器の種類について調べた後, Voronov氏と彼の学生は, シミュレーションアプリを形にする作業に取り掛かりました.

3つの特殊なアプリの探索

CACHEプロジェクトの完了後, Roman Voronov氏と彼の学生は15のシミュレーションアプリケーションを設計しました(参照2). アプリのいくつかは, NJITの特定の工学授業やラボで使用するように設計されていますが, 基本的な化学工学プロセスを研究している人ならおそらく誰にとっても興味深いものです.

ラボ授業でのシミュレーション技術の重要性について, Voronov氏は次のように述べています. 「ラボでは, 学生は実験して, 指示された通りに行動できますが, シミュレーションを使用した場合のように, 実験で発生している物理的プロセスを常に理解できていません.」

The UI of a simulation app with a ribbon at the top containing menu items for the problem statement and documentation PDFs, reset, compute, and report; and sections for geometry inputs, fluid inputs, geometry outputs, and flow outputs; and a velocity plot showing the velocity magnitude in a 2D model. Orifice Flowmeter simulation app
図2. 「オリフィス流量計」アプリの画像.

Voronov氏と彼の学生が作成した1つのアプリを使用して, パイプ内の圧縮性流体の流れをシミュレートできます. 「オリフィス流量計」アプリは, NJITの化学工学ラボ授業向けに特別に作成されたものです. この授業では, 学生は流体の流れの実験を行う必要がありました. 実験では, 学生はさまざまな長さのパイプの複数の場所での圧力降下を測定しなければなりませんでした. この実験をモデルにしたアプリを使用して, 学生はパイプのジオメトリを変更し, 流体入力を調整して, これが結果にどのように影響するかを確認できました. アプリは, 3D速度プロットと圧力プロットを備えているため, 学生はプロセス内で発生する物理現象を視覚化することができました.

The UI of a simulation app with a ribbon at the top containing menu items for documentation, plot geometry, plot mesh, compute, reset parameters, generate report, and export STL; input sections for geometry parameters and impeller settings; and a graphics window showing the mass concentration of an impeller design. Impeller Reactor simulation app
図3. 「インペラリアクター」アプリの画像. アプリは, 学生がシミュレーション結果を検証するためにラボで使用できる3DプリントインペラのCADファイルを生成します.

「インペラリアクター」アプリを使用することで, 学生は回転する円盤状のインペラを備えた非触媒バッチリアクターで2つの化学種間の反応をシミュレートできます.このアプリは, インペラの寸法を変更すると, バッチ反応器のモル濃度, モルと質量分率, および質量濃度にどのように影響するかについて洞察させてくれます. (バッチリアクターは, ファインケミカル, 製薬, および食品業界でさまざまな製品を開発するためによく使用されます.) さらに, アプリは, パラメトリックスイープを使用してインペラをモデル化する方法についても説明してくれます. 「結果が最適なインペラの形状とサイズを示してくれる, という考えです」とVoronov氏は述べています. シミュレーション結果に基づいて, 学生は3DプリントされたインペラのCADファイルを生成できます. 次に, インペラコンポーネントを印刷して, 実際にどのように機能するかを確認できます.

Figure 4. Flow Around Car app, which simulates airflow passing over a car. At NJIT, students compare this app's results with existing literature.
Flow Around Car simulation app
図4. 車の上を通過する気流をシミュレートする「車周りの流れ」アプリ. NJITでは, 学生はこのアプリの結果を既存の文献と比較します.

Voronov氏が流体力学のNJITの授業用に設計した「車周りの流れ」アプリは, 車の周りを通過する気流をモデル化します. 例えば, 充填層, ろ過装置, 熱交換器などを設計する場合, 流体が浸漬された物体上をどのように流れるかを理解することが重要です. アプリを使用することで, 学生は圧力プロットで車の勾配空気分布を分析し, 速度プロットで車上を通過する気流を分析できます.

ここに記載されているすべてのアプリと他の12個のアプリは, ニュージャージー工科大学のウェブサイトからアクセスできます(参照3). (アプリを実行するには, アプリユーザーのオペレーティングシステムに COMSOL Runtime™ を無料でインストールする必要があります.)

受賞を受けたアプリ

NJITのRoman Voronov氏の学生の多くは, キャリアでシミュレーションを使用し続けており, 中では賞を受賞している学生もいます. 例えば, 2020年にNJITを卒業し, Voronov氏の元学生の一人であるVasilios Halkias氏は, 2020 NAFEMS学生賞を受賞したアプリを開発しました(参照4). 受賞したアプリは, 管状フローリアクターでの物質移動, 熱伝導, および反応速度をシミュレートするものです. 管状流反応器は, さまざまな化学物質ベースのアプリケーションの設計において重要です.

Voronov氏は, シミュレーションアプリケーションの使用は, 教育において, 遠隔学習やハイブリッド学習を超えた, 更なる役割を持つことになると考えています. 「シミュレーションアプリを使用することで, テストしているシステム内で何が起こっているのかを学生が本質的に理解できるようになると思います. 異なる視点と明確さを与えてくれるのです.」

参照

  1. S. Maybin, “Busting the attention span myth,” BBC News, 2017. https://www.bbc.com/news/health-38896790
  2. "Development of Computational-Based Tools and Modules for Chemical Engineering Education," Computer Aids for Chemical Engineering, 2020. https://cache.org/computational-tools-development
  3. R. Voronov, "COMSOL Apps," New Jersey Institute of Technology, 2020. https://web.njit.edu/~rvoronov/comsol-apps/
  4. R. Tara, "Unable to Take Lab Course to Graduate, Student Turns to Simulation," Engineering.com, 2020. https://www.engineering.com/story/unable-to-take-lab-course-to-graduate-student-turns-to-simulation

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