Per molti insegnanti, mantenere viva l’attenzione degli studenti è diventato ancora più difficile nel marzo 2020, quando le scuole (e il mondo) hanno dovuto chiudere a causa della rapida diffusione del COVID-19 e molte lezioni universitarie si sono spostate online. Presso il New Jersey Institute of Technology (NJIT), Roman Voronov, professore associato di ingegneria chimica e biomedica, ha progettato 15 app di simulazione di semplice utilizzo per aiutare i professori del NJIT a insegnare per via virtuale i concetti fondamentali dell’ingegneria e guidare i laboratori in modo coinvolgente, ovunque si trovino gli studenti.
La simulazione in aula (e fuori)
Roman Voronov insegna in corsi dedicati ai fenomeni di trasporto, trasferimento di calore e di massa e tecniche di simulazione di processi. “Nel mio corso di trasferimento di calore e massa, volevo presentare ai miei studenti il
software COMSOL Multiphysics, un software di simulazione numerica, per un progetto. Non appena ho mostrato la risoluzione di un problema in COMSOL, tutti hanno commentato: ‘È tutto molto più comprensibile, perché visivamente si può vedere cosa sta succedendo'”, racconta Voronov.
Inoltre, Voronov ritiene che sia importante presentare ai suoi studenti strumenti computazionali avanzati in generale, perché questo darà loro un vantaggio unico sul mercato del lavoro. “Non si tratta solo di divertimento: sapere come usare questa tecnologia sarà un’abilità che utilizzeranno dopo la laurea”, afferma Voronov.
Considerato l’impatto positivo della tecnologia di simulazione sui suoi studenti, Voronov ha voluto rendere tali strumenti più accessibili a studenti e insegnanti di tutto il mondo, anche prima che il concetto di didattica a distanza diventasse familiare.
Una libreria di app di simulazione a disposizione degli studenti
Nel corso del 2020, Voronov e i suoi studenti hanno lavorato insieme per creare una libreria di app di simulazione standalone ed eseguibili. Per creare queste app di semplice utilizzo hanno usato l’Application Builder, uno strumento incluso in COMSOL Multiphysics per costruire interfacce utente intuitive a partire dai modelli: il progettista dell’app può decidere quali input e output visualizzare. Ogni app è stata poi compilata in un file eseguibile standalone con il prodotto di distribuzione COMSOL Compiler, in modo che le app potessero essere facilmente distribuite senza dover gestire licenze software aggiuntive. Il progetto, della durata di un anno, è stato finanziato da Computer Aids for Chemical Engineering (CACHE), un’organizzazione no-profit che promuove l’uso di strumenti computazionali nell’ingegneria chimica.
Alla scoperta di 3 app specializzate
Al completamento del progetto CACHE, Roman Voronov e i suoi studenti avevano progettato 15 app di simulazione (Rif. 2). Molte delle app sono state studiate per essere utilizzate in specifici corsi e laboratori di ingegneria al NJIT, ma possono essere di interesse per chiunque voglia studiare i processi fondamentali dell’ingegneria chimica.
Parlando dell’importanza della simulazione per i corsi di laboratorio, Voronov commenta: “In laboratorio, gli studenti possono sperimentare ed eseguire ciò che viene richiesto, ma non sempre comprendono i processi fisici che avvengono durante l’esperimento, come invece accade con la simulazione”.
Una delle app create da Voronov e dai suoi studenti può essere usata per simulare la dinamica dei fluidi comprimibili nei tubi. L’app Orifice Flowmeter è stata creata appositamente per un laboratorio di ingegneria chimica al NJIT, in cui si richiedeva agli studenti di eseguire un esperimento di fluidodinamica. Durante l’esperimento, gli studenti dovevano misurare le cadute di pressione in diversi punti di tubi di varia lunghezza. Utilizzando l’app, modellata sull’esperimento previsto, gli studenti hanno potuto cambiare la geometria dei tubi e apportare modifiche agli input fluidodinamici per vedere come questo avrebbe influito sui risultati. L’app include un grafico di velocità 3D e un grafico di pressione in modo che gli studenti possano visualizzare i fenomeni fisici che si verificano durante il processo.
Usando l’app Impeller Reactor, gli studenti possono simulare la reazione tra due specie in un reattore batch non catalitico con una girante rotante a forma di disco. L’app offre agli studenti la possibilità di comprendere come il cambiamento delle dimensioni della girante possa influenzare la concentrazione molare, la frazione molare e di massa e le concentrazioni di massa in un reattore batch. (I reattori batch sono spesso utilizzati per sviluppare diversi prodotti nelle industrie chimiche, farmaceutiche e alimentari). Inoltre, l’app mostra come modellare la girante con uno sweep parametrico. “L’obiettivo è che i risultati restituiscano la forma e le dimensioni ottimali della girante”, spiega Voronov. Sulla base dei risultati della simulazione, gli studenti possono generare un file CAD per una girante stampata in 3D. Possono in seguito stampare il componente della girante e scoprire come si comporta nella realtà.
L’app Flow Around Car, che Voronov ha progettato per un corso di meccanica dei fluidi del NJIT, modella l’aria che scorre intorno a un’auto. Capire come un fluido scorra su oggetti immersi è importante quando si progettano letti impaccati, dispositivi di filtraggio e scambiatori di calore, per esempio. Grazie all’app, gli studenti possono analizzare la distribuzione del gradiente su un’auto in grafici di pressione e il flusso d’aria che scorre sull’auto in grafici di velocità.
Tutte le app qui menzionate, insieme ad altre 12, sono accessibili sul sito web del New Jersey Institute of Technology (Rif. 3). (L’esecuzione delle app richiede un’installazione gratuita di COMSOL Runtime sul sistema operativo dell’utente).
Un’app premiata
Molti degli studenti di Roman Voronov al NJIT hanno continuato a usare la simulazione nelle loro carriere, vincendo anche dei premi. Per esempio, Vasilios Halkias, un laureato del 2020 del NJIT ed ex studente di
Voronov, ha sviluppato un’app che gli è valsa il NAFEMS Student Award 2020 (Rif. 4). L’app premiata simula il trasferimento di massa, il trasferimento di calore e la cinetica di reazione in un reattore a flusso tubolare. I reattori a flusso tubolare sono importanti nella progettazione di molte applicazioni basate sulla chimica.
Voronov ritiene che l’uso delle app di simulazione avrà un ruolo all’interno della didattica in presenza, oltre che nell’apprendimento virtuale e ibrido. “Penso che l’utilizzo delle app di simulazione offra davvero agli studenti una comprensione fondamentale di ciò che sta accadendo all’interno del sistema che stanno testando. Dà loro un punto di vista diverso e molta chiarezza”.
COMSOL, COMSOL Multiphysics, COMSOL Compiler e COMSOL Runtime sono marchi o marchi registrati di proprietà di COMSOL AB.
References
- Maybin, “Busting the attention span myth,” BBC News, 2017. https://www.bbc.com/news/health-38896790
- “Development of Computational-Based Tools and Modules for Chemical Engineering Education,” Computer Aids for Chemical Engineering, 2020. https://cache.org/computational-tools-development
- Voronov, “COMSOL Apps,” New Jersey Institute of Technology, 2020. https://web.njit.edu/~rvoronov/comsol-apps/
- 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
