模擬 App 讓學生在課堂中「觀察」聲音
想像一間坐滿了學生的教室，講臺上，老師正高聲談論室內聲學的基礎理論和相關現象。為了讓學生能夠直觀體驗這些概念，教師創建了一個可通過 Web 瀏覽器訪問模擬 App，使學生能夠即時更改參數並查看結果，獲得生動的學習體驗。在德國慕尼黑工業大學（Technical University of Munich），多個類似的 App 已經進入課堂，為教師和學生帶來諸多益處……
App 讓學生在課堂中「觀察」聲音
就讀於慕尼黑工業大學的博士生 Lennart Moheit 指出：「聲學與振動是一個廣博的科學領域，大量實際應用層出不窮。」聲學研究對於很多領域都很重要，比如土木工程、流體力學和熱力學；而且具有豐富的用途，例如改善室內聲學，分析消聲塗層，甚至是解釋鬧鬼事件。
聲學及其基礎理論的傳統講授方法之一是做實驗。然而，有些實驗不僅昂貴，準備過程困難又耗時。此外 Moheit 指出，一些實驗需要特殊的條件和難以獲得的實驗設備，比如消聲室和混響室。
為了擺脫限制，摸索出新式聲學授課方法，Moheit 為教育工作者設計了一款定製 App。COMSOL 研討會上的 App 啟發了他的靈感。Moheit 解釋說：「我當即考慮將聲學 App 用於教學目的。我擁有豐富的 COMSOL Multiphysics? 操作經驗，很清楚這個概念有很大的可行性。尤其在聲學和振動方面，許多現象可以通過有限元法（FEM）來模擬並實現清晰的可視效果。」為了擴展模擬內容，COMSOL Multiphysics? 軟體的附加產品「聲學模塊」包含了其他的專用數值方法。這些包括邊界元法（BEM）、間斷伽遼金有限元法（dG-FEM）和射線追蹤法。
教學用 App 的一個突出優勢是它們能夠清晰地展現不同的現象，包括複雜的理論在內，不需要進行大量的實驗設置。App 對於聲學領域尤其實用，因為它們能夠「可視化我們在現實中只能聽不能看的事物。」Moheit 指出。
此外，將這些「人人可用的虛擬實驗」納入課堂有助於激發學生的參與感。Moheit 解釋說，App「打開了一扇全新的學習物理現象的窗口，因為它帶來的不是被動教學，而是互動與反饋。」
教學 App 的背後
模擬 App 在後臺運行詳細的計算，將不必為用戶所知的詳細信息隱藏在簡化的用戶界面（UI）下。因此學生不必成為模擬專家，也可以自如地使用 App。他們可以通過 App UI 輕鬆地修改參數，然後獲得相應的結果。
如果需要與學生一起部署和分享 App，教育工作者可以使用 COMSOL Server? 產品。COMSOL Server? 支持用戶使用計算機、平板電腦甚至是智能手機，通過 Web 瀏覽器訪問與運行 App。無論是在教室還是在家中，App 真正隨時隨地可用。
探索專用於聲學教學的 App
在 COMSOL Server 的啟發下，Moheit 與德國慕尼黑大學「車輛與機器振動聲學研究小組」的主席合作，打造了一個「App Server」虛擬學習平臺，從而分享允許自由訪問的互動式 App。請注意，本文提到的 App Server 和部分 App 仍在創建和完善中。
讓我們快速瀏覽一下 Moheit 協助開發的一些 App 。
App 之一：地鐵車廂的室內聲學
Moheit 創建了一款用於模擬室內聲學的 App，類似於本文開頭提及場景。在此例中，模擬對象為慕尼黑的地鐵車廂，慕尼黑工業大學的學生對此相當熟悉。此 App 使用紅色/藍色表示聲壓的高低，繪製了特定頻率下的模態。根據可視化結果，學生可以判斷在特定頻率下地鐵車廂內的雜訊區域。在嘈雜的區域內，乘客可能會因為惱人的雜訊而影響雙方交談——這正是學生們可以輕鬆理解的現實問題。
Moheit 透露，此 App 之後將繼續進行擴展，引入典型的室內聲學計算，例如混響時間、聲波傳播以及壁的反射與吸收。
App 之二：玻璃酒杯聲學
以玻璃酒杯為主題的 App 支持通過簡單操作改變玻璃的形狀、材料及流體體積（玻璃杯是半滿或半空取決於用戶的心態），幫助學生分析不同設計的結構動力學。結果顯示了玻璃固有頻率的音符，而且可與測量數據進行比較。此 App 還展示了一個小彩蛋：它解釋了為什麼與玻璃的固有頻率相同的頻率會導致玻璃因共振而碎裂。
App 之三：振鐘的結構力學
下一個 App 的模擬對象是振鍾，主要用於研究不同振鍾設計的結構動力學。利用 App，學生可以修改振鐘的幾何形狀與材料，進而確定鐘的固有頻率及其音符。他們還可以查看鐘的振動狀態及其動畫。App 旨在增強學生對鐘的聲音產生原理的認識，從最初的振動一直到聲音到達聽者耳內的過程。
慕尼黑工業大學的其他 App
在慕尼黑工業大學打造的 App Server 中，學生們還可以嘗試其他虛擬實驗，包括用於分析長號演奏的 App 和阻抗管 App。
模擬 App 響應未來教育
Moheit 表示，在未來，聲學 App 將被所有年齡段和學習階段的人羣所接受。特別是對於年輕的學生來說，「數字化、互動學習概念被理解為一種遊戲，它能讓不熱衷於物理學的人產生興趣，因為傳統的教學對於這些人來說過於理論化，或者他們很難理解方程式的推導過程。」Moheit 解釋說。對於年齡更小的學生來說，聲學是一個很適合的主題，因為這個科學領域範圍寬廣，有很多易於理解的實際應用。
隨著 App 的普及，Moheit 表示學生將來可能會使用 App 來檢查作業，想像一下在求解基本的力學問題時求助於 App。學生也可以製作自己的 App。Moheit 設想「開設一門課程或研習社團，讓學生使用 COMSOL Multiphysics 求解與理解物理問題，並為該問題構建一個 App，藉此向其他人展示自己的見解。」
Moheit 就 App 的開發提出了一些自己的想法，可用以擴充慕尼黑工業大學 App Server，雖然所有 App 不一定都能成為現實，它們包括：
- 研究揚聲器箱內的聲傳播
- 可視化多普勒頻移
- 研究洗衣機的結構振動
- 分析亥姆霍茲共振器
當然，這些只是關於教學聲學 App 的一部分想法。如果您對將聲學 App 引入課堂教學有任何想法，請務必在下方評論欄中告訴我們！
瞭解更多關於模擬進入課堂的信息
- 閱讀介紹慕尼黑大學的聲學 App 的文章：Interaktive Akustik-Apps（註：原文為德語）
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經授權轉載自cn.comsol.com/blogs，原作者Caty Fairclough
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