Wolfram Mathematica 助力美国密歇根大学物理化学教育

Compute-To-Learn

密歇根大学是美国拥有 Wolfram Mathematica 校园版的众多顶尖学校之一。其化学系的“Compute-To-Learn”项目将课堂与真实世界联系起来加强物理化学教育。

大多数STEM学生都熟悉一个学期进行的标准项目：教师提出了一个问题，然后学生在一组特定的指导原则和约束条件下找到了解决方案。但是，许多学生几乎没有设计自己项目的经验。这种课堂体验与工作环境不同，在工作环境中，学生需要问自己一些很少有人问过的问题，并创造自己独特的方法来找到答案。

密歇根化学系的Compute-To-Learn计划旨在帮助弥合课堂体验与现实体验之间的鸿沟。它旨在通过动手和互动项目来增强学生的学习能力。

Eitan Geva教授说，重要的是，它为学生提供了另一个体验科学过程的机会，他是该计划的发起者，该计划是每个学期《物理化学原理与应用》课程的荣誉选项。

Compute-To-Learn可帮助荣誉学生开发基于计算机的交互式演示，以探索物理化学的概念。该课程由化学研究生讲师（GSI）和高年级的本科生作为同伴导师指导，是200级物理化学课程的附加课。

在学期开始时，向学生讲授Mathematica的基础知识，这是Wolfram|Alpha使用的一种编程语言，并提供了一系列提示。每个提示都总结了物理化学中的一个关键概念，例如相变和热容量，并提出了可能要供小组回答的问题。一旦每个小组选择了一个提示并提出了自己的想法，他们就会设计一个程序来模拟其解决方案，并提供交互式演示。

学生开发的演示示例之一是“湿T恤上的水蒸发”，这是一个交互式模块，允许用户更改温度、干燥时间、风速和位置（这会影响压力），以了解在T恤衫上会留有多少水，并计算出蒸发速率。（https://demonstrations.wolfram.com/QualitativeAndQuantitativeAspectsOfPhaseTransitionsInWater/）

另一个演示是“在肺纤维化模型中模拟气体交换”，它显示了由肺纤维化引起的肺泡壁组织厚度与氧气和二氧化碳的扩散速率之间的关系。（https://demonstrations.wolfram.com/SimulatingGasExchangeInAModelOfPulmonaryFibrosis/）

Geva教授解释说：“这不同于做家庭作业和参加考试。” “我们正在尝试模仿研究的某些方面，但仍属于课程的一部分，并为学生提供许多课程未涵盖的技能：解决开放式问题，实际解决自己的问题，制定策略及时完成。您不知道在传统课程中该如何做。”

由学生主导的项目，建模和技术的使用以及由同伴主导的指导已被证明是化学教育的有效工具和“Compute-To-Learn”将这三者紧密结合创建由学生主导的基于技术的项目的同学主导计划的想法。

在整个学期中，都会进行评估，使学生可以从科学家那里收集观点，并接触到多种解决问题的方法。在学期末，学生向班级演示他们的模型并将其提交出版。实际上，许多过去的项目已经在Wolfram演示项目网站（https://demonstrations.wolfram.com/AlphaTypeStirlingEngine/）上发布。

Geva说，尽管在线公开发表他们的项目对学生来说是一个重要的抱负，但该计划的主要目标是让学生有机会像科学家一样思考，提出对他们来说很重要的问题，并在构建解决方案时要富有创造力。通过“Compute-To-Learn”，学生可以为课堂做出贡献，并能够以切实的方式将课程与他们的未来目标联系起来。

Geva教授认为，这种教育策略是学生发展的重要组成部分。“这是关于扩大体验、课外教育的很大一部分。我认为应该有更多的三维体验。创造力不是线性的。”

理想气体的等压压缩和膨胀

本演示考虑了压缩或膨胀理想气体的等压热力学过程。假设恒定的外部压力作用在包含气体的活塞上。当您改变外部压力时，图中的水平线会相应变化。更改初始体积和最终体积的变量时，图中的网格线位置以及活塞头的初始位置和最终位置都会移动。在该演示中，使用化学上的约定计算功：当理想气体膨胀时，完成的功为负（即，理想气体“失去”能量），反之亦然。

PIAB本征态的时间依赖性叠加

该演示着眼于一个盒中量子粒子本征态的时间依赖叠加。上面板显示了复数波函数，其中形状是其模量，颜色根据其自变量（0到2π的范围对应于从红色到洋红色的颜色）。下面板以蓝色显示本征能，以红色显示叠加态的能。

更多范例请参见：http://umich.edu/~pchem/demos.html