新冠疫情对大学教学的方方面面都造成了影响。当堂讲授转变为在线教学，这相对还算容易。但是，对工科学生而言，若要将课堂理论联系到具体实践，动手实验是不可或缺的一环。利用实验设备，他们能够切实体验振动、动力学和控制理论等抽象概念，但突如其来的疫情让他们无法接触到这些设备，对此工科教授都非常担心。2020 年 3 月 16 日，美国肯尼索州立大学 (KSU) 机械工程学教授 Ayse Tekes 迎来了工作方式的巨大转变。与全球绝大多数学术机构一样，KSU 刚刚宣布一项决定，2020 春季学期的后半部分将完全采用远程教学，让所有学生在家学习，等待后续通知。Tekes 着手将其课程全部转移到线上，以备不时之需，在此过程中，她突然灵感闪现：与其给学生提供模糊不清的传统实验室视频，还不如利用物理系统建模工具 Simscape™ 构建全新的虚拟实验室，让学生在家就能进行交互和控制。《振动与控制》课程实验设备。（图片所有权：Ayse Tekes）
其实早在疫情颠覆教学方式之前，Tekes 就觉得，在教室或者实验室当面演示和观摩不是最好的方法，必须加以改进。
在一位往届本科生的帮助下，Tekes 开发了一套虚拟设备，包括可以模仿摆振荡运动的系统，然后将该系统打包供学生离线使用。
“有些学生在数学方面比较吃力。”Tekes 说道，“我希望把那些抽象的概念具象化。比如，有个说法叫欠阻尼系统，但是如果不将背后的动力学具象化，学生就很难掌握这些复杂的概念。他们无法理解什么是欠阻尼系统。”
Tekes 认为，要帮助本科生全面掌握并充分探索物理概念，例如质点-弹簧-阻尼系统的精确振荡或大型系统的动力学变化，实操都是必经之路。而且，在时间有限、实验室使用不便的情况下，学生也很难吃透课件。
质点-弹簧系统实验设备及其 Simscape 仿真。（图片所有权：Ayse Tekes）随着 Tekes 转向全面远程教学，并且得知夏季学期将继续维持远程，她更加确信，转变势在必行。她要设法只靠视频讲解课程涉及的实验概念。Paul Pena 是一位往届本科生，精通 Simscape。在他的帮助下，Tekes 在 KSU 的工程实验室开发了虚拟设备，可以模仿摆的振荡运动。“我们的合作从 5 月开始，到 6 月就已经顺利完成了装置，”Tekes 说道，“这个装置还很基础，但也已经够用了，我要创建 10 个虚拟实验室，这样在夏季学期就可以让全部实验室维持运转。”这更为她的学生提供了极大便利，他们远离校园、分散各处，在线获取数字资料也会不时遇到一些麻烦，而整个虚拟实验室软件包只需下载一次，还可以离线运行，而且完全不要求编程知识。
在使用 Simscape 开发实验并设计配套讲义的同时，Tekes 和 Pena 还创建了可在 Simscape 中使用的振动和控制分析 MATLAB® App，便于学生轻松访问这一建模工具。
“能够观察到微调过程中频率和共振的变化，真的很赞！通过这个 App，我们可以实实在在地看到现象，而不是被灌输抽象的理论。”—— KSU 机械工程本科生 Basheerah Fareed-Hebert
该 App 不要求学生在 Simscape 的大量组件和系统中自行选择，他们只需在虚拟实验室中的预设计系统上进行交互并调整参数即可。
“借助这一 App，学生们可以轻松更改质量、阻尼和劲度系数等系统参数，然后使用更新的参数对系统进行仿真。”MathWorks 控制系统领域产品人员 Melda Ulusoy 解释道，“他们还可以对系统响应进行三维可视化，这对于他们理解振动和控制概念非常重要。”
振动和控制分析 MATLAB App，由 Tekes 教授和她的学生 Paul Pena 创建。Ulusoy 目前正帮助 Tekes 进一步开发虚拟实验室课件。他们计划将这一课件推广到 KSU 校园之外。除了设计讲义，Tekes 的学生 Pena 还帮忙录制了一系列视频，用于指导学生在 App 中完成作业。KSU 机械工程本科生 Basheerah Fareed-Hebert 选择了 Tekes 教授的一门秋季课程，这个 App 是她接触的首个 MATLAB 软件。她认为，这个 App 不仅简单易用，而且的确帮助她巩固了理论知识，并在理论与物理系统之间建立关联。“我印象特别深的就是隔振实验。”Fareed-Hebert 说道，“能够观察到微调过程中频率和共振的变化，真的很赞！通过这个 App，我们可以实实在在地看到现象，而不是被灌输抽象的理论。”不仅是 Fareed-Herbert，其他学生也觉得这个 App 很有帮助。Tekes 调查了学生使用该 App 的感想，得到了非常积极的正面反馈。该 app 备受称道的一点是可以帮助学生掌握艰深的理论概念。
Tekes 表示，有了这个软件，她就不必局限于传统动力学知识的教学，而是可以让学生研究更具创新性和前瞻性的系统。“如今软机器人可谓大势所趋，我希望自己的学生也能准备好迎接这一趋势……哪怕现在他们还只是本科生。”Tekes 说道，“我确实希望挑战一下我的学生，打算设计一些他们在教科书上从未见过的其他类型的弹簧。Ulusoy 表示，有些学生今后可能从事真实复杂动态系统的分析和控制设计工作，如果能理解仿真的价值所在，明白先测试、后实现的重要性，将有莫大的好处。
虽然 Tekes 的虚拟实验室是为了应对新冠疫情而搭建，但她表示，这段经历已经促使她将这项工作推进下去。
她希望使用该软件来创建更多实验室模块和课程，甚至打算用于机械工程之外的更多学科，例如航空航天工程、机器人和数学。
“MATLAB App 是非常有用的教学工具，不必局限在实验室这一个应用场景。”—— KSU 机械工程学教授 Ayse Tekes
“因为新冠疫情，我开始使用 MATLAB 创建虚拟实验室，但是未来我也会在课堂上使用这些 App。”Tekes 说道，“这些 App 是非常有用的教学工具，不必局限在实验室这一个应用场景。”Tekes 希望这类软件能够提供给所有有需要的教育工作者，尤其是高中教师，因为高中课程是培养学生 STEM 兴趣的基础。“我已经把这些实验室发布到我的个人网站（http://facultyweb.kennesaw.edu/atekes/GUI%20Program.php），任何教育工作者均可使用，以帮助学生提升其理论联系实际的能力。”Tekes 说，“我想帮助教育工作者，希望帮助学生实实在在地看到实验过程。这是我做这一切的初心所在。”
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