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科研抗疫,科研育人,交大人在行动!

发布时间:2022/04/13 教育 浏览:168

“我们要用最鲜活的案例,来引导师生投身科学研究,为解决国家关键领域的重大问题贡献力量!”这是疫情发生以来,许多交大科研工作者发出的心声。他们执着坚守在课堂,用一个个经典教学案例来拓宽科研育人的领域,激励学生对科学研究产生远大抱负。

核酸检测中的“流体力学”

“为什么日常核酸检测中,防疫人员在做咽拭子时棉签拭子都要抹两三下,并且要滑动比较长的距离呢?”被检人员不适的表情,让施奇伟陷入了思考。

作为交大巴黎卓越工程师学院老师,施奇伟在春季学期为学院本科三年级学生开设了“流体力学基础”课程。因转为在线教学,原计划安排的动手实验内容无法实现,就在此时,核酸检测的过程让施奇伟产生了奇思妙想,决定将“抗疫”细节融入课堂教学。“我希望通过这些鲜活的案例,来培养学生勇于探索创新、善于结合实际问题进行思考的科学精神。”施奇伟说。

顺着这个想法,施奇伟构思搭建了一个核酸检测中的流体力学数值模拟项目。他认为核酸采样过程可以用作流体力学的模拟项目,另一方面可以通过数值模拟计算来解释采样动作与采集粘液量的关系。这样的模式可以让学生通过一个具体的案例来分析流体力学现象,不仅加深了对书本知识的理解,还提高了分析问题、解决问题的能力,并对防疫工作的复杂性能有更深的认识。

在将核酸采样中的棉签拭子采集咽部粘液过程列为数值模拟项目后,施奇伟引导学生用表面张力、纳维尔斯托克斯方程和开放体系流体力学等概念来分析解释为什么咽拭子采样需要在咽部滑动2-3次。

数值模拟中,拭子被简化为圆柱体,直径3毫米,内部的孔隙率为40%,采样后空隙可充满粘液。在分析中,学生可充分考虑咽部粘液密度、动力学粘度、表面张力系数,粘液在口咽腔壁的分布、采样毛细现象等因素,模拟计算出咽拭子抹的次数和长度,与采集的粘液量之间的关系。

在施奇伟的引导下,目前包括棉签拭子模拟的多个数值分析小项目已经开始启动,学生们饶有兴趣,纷纷查阅文献、编程计算,并更加仔细地观察、体验核酸检测过程中的细节,同时也深刻认识到核酸检测流程的复杂性以及结果分析的难度。“相信通过这个项目,学生们能了解到流体力学在日常生活中无处不在的应用,更重要的是能提升学生们防疫人员的理解与尊重,更好地配合防疫工作开展。” 施奇伟如是说。

一堂特殊的“运筹学”课程

在交大闭环管理期间,教师志愿者们每天要完成全校3万名学生一日三餐的配送。船舶海洋与建筑工程学院交通运输系教师何红弟通过朋友圈了解了校园里的这些感人事迹,并在此基础上进行了更深层的思考。“这些配送问题正好可以与我现在上的’运筹学’课程联系起来。例如校园3万师生每人三餐的配送可以看作’运筹学’中的线性优化问题,在校老师利用私家车进行每日三餐配送时后备箱的装载可以看作’运筹学’中的背包问题等,私家车、无人小汽车、大巴等不同的配送方式拥有不同的运输能力,这正是’运筹学’中的线性规划问题。”何红弟告诉记者。

实际上,”运筹学”这门课程理论复杂,模型众多,对讲课及听课效率都有较高要求,因此,在转为线上教学后,学生在这种突然的转变的过程中可能会出现的不适应、注意力不集中等问题。如何让学生更快速地适应线上学习?如何调动学生在线学习的积极性?何红弟把这些与三万师生的配餐问题联系起来思考,发现配餐问题的解决和优化都可以在梳理后成为好的”运筹学”教学案例。

何红弟在收集学校的配餐素材后,从”运筹学”课程优化的角度出发,对这些素材进行了梳理,做成案例带进了课堂。

将身边的配餐问题写成案例带进课堂,可以让学生们意识到所学知识并不“悬空”的,而是从生活中产生提炼,也可以用到生活中对相关问题进行科学的解决和优化,这是课程和知识的价值所在。看到同学们对此感兴趣,何红弟老师又布置了课后作业。与以往每节课布置的计算作业不同,本次的课程作业是思考身边的运筹学案例。“我希望学生能独立思考,学以致用,进而对’运筹学’课程产生兴趣。”何红弟老师表示。

“无人驾驶送餐”开启“控制导论”新篇

在交大,有这样一位教授,他开启了“无人驾驶送餐”时代,可以用最快的速度把三餐送到学生手中。从私家车到三轮车,再到无人拖车、无人小巴,他实现了四代“送餐神器”的更替。他就是电子信息与电气工程学院教授杨明,当前,杨明还在研发无人“三蹦子”拖车。

“我希望能通过近期发生的热门话题,让学生们更真切地感受到专业课的魅力。”杨明如是说。作为自动化系的老师,杨明一直坚持以多样化的形式来为学生授课,旨在满足多元化的培养。

在为大二学生讲授“控制导论”课程中,杨明通过案例式的教学,将防疫过程中出现的“送餐模式更替”融入到课程中,进一步激发学生们对后续课程的兴趣。“智能车是一个相当复杂的系统,非常符合控制化系统的特点。疫情中,学生封控在宿舍,亲身感受到了无人车送餐带来的好处,所以围绕这个案例来介绍控制系统的基本概念和方法,更具有说服力。”杨明告诉记者。

课堂上,杨明向学生们讲述了几代送餐神器的特性。基于私家车送餐,杨明在校内最早挖掘出三轮车作为运输工具,但考虑到运输力,杨明又与团队策划如何把实验室的无人物流车拼装起来,形成运货的载体,实现了一车拉2000份左右的记录。但杨明不满足于此,继续尝试更多的“送餐神器”,于是无人小巴送餐出现了。“讲述智能小车背后的‘黑科技’,目的在于引导学生思考如何解决送餐中的关键问题,让他们自动驾驶的难点、痛点又在哪里,有效地提升他们对科学研究的敏感性和探索思维。”杨明表示。