科学探索|MIT教师设计新课程教学生使用计算技术解决现实世界的问题 MIT教师设计新课程|教学生使用

麻省理工学院（MIT）教师们设计的一门新课程教学生如何使用计算技术来解决现实世界的问题，从航天器着陆到基站定位等。当一个火星着陆器下降到红色星球的表面时，它的降落伞何时可以安全展开？当着陆器在大气层中急速飞行时，过早地打开它，它可能会被损坏--但过晚地打开它，着陆器可能无法减速到足以防止灾难性的坠毁着陆。在这个复杂的难题中，似乎有无限的可能性。

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解决这个难题的方法之一是使用计算机模拟火星着陆，这正是16.0002/18.0002（计算科学与工程导论）的学生回答这个问题的方式，这也是他们第一个问题集的一部分。
“这很有趣，因为你有几种方法可以对问题进行建模，”在秋季学期选修该课程的大一学生Andres Arroyo说。“你可以从着陆器的速度如何随时间变化或速度如何随着位置变化而变化的角度来建模。根据你的模拟目标，你可能会尝试不同的方法。我认为这是我们做的最有趣的事情之一。”
该课程于去年秋天推出，旨在教导学生计算如何与物理世界“相碰撞” 。它是通过麻省理工学院施瓦茨曼计算机学院的“计算教育共同点 ”开发的，这是一个多部门倡议，旨在融合计算和其他学科的教学。
这门为期半学期的课程将编程置于计算科学和工程的背景下，这是一个专注于计算创新应用的领域。
学生学习使用计算机程序进行模拟、优化和不确定性量化。这些基础性的原则是以实际的例子为框架，旨在让那些不一定是计算机科学专业的学生也能理解。今年秋天参加课程的大多数学生要么学习航空航天，要么学习数学。

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对现实生活中的问题进行建模
“像我们的火星登陆器模拟是人们实际使用计算机的目的。NASA解决了我们的微分方程问题吗？没有，我相信他们的模型中还有很多附加内容。但从概念上讲，这就是人们实际做的事情，”该课程的联合讲师、航空航天学教授兼联合讲师Youssef Marzouk说。“这就是我的工作方式，甚至在我自己的研究中。有建模，有代码，有代码的输出，你在这些东西之间迭代。”
Marzouk认为，围绕这些具体的例子来构建课程，让学生们感受到许多问题可以用计算模型来解决。他说，大多数学生在第一年或第二年学习这门课程，许多人还没有选择专业，因此，让他们尝到计算在许多领域的应用是特别有价值的。
应用数学教授Laurent Demanet说，在开发这门课程时，教师们希望以一种能让学生们感受到这些概念的方式涵盖计算科学和工程的基本方面，他与航空航天学教授教授Jerome C. Hunsaker一起设计了这门课程。
讲座涵盖了在某个问题中起作用的基本方程，例如火星登陆器例子中的牛顿运动定律，然后学生学习用算法表达这些基本方程。
“它是数学与科学和计算机科学的结合。”Demanet说。“对学生来说，这确实是一个基于技能的课程。我们希望为学生提供技能，这些技能几乎可以在他们以后的学习中到处使用，然后也可以在许多其他领域使用。”
在一次讲座中，Demanet描述了牛顿冷却定律（温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律）。然后他用Python代码进行了模拟，显示了一杯咖啡从85度冷却到50度需要多长时间。
他表示，开发该课程的最大挑战之一是引入这些数学概念，同时给学生提供足够的背景，使他们对一些当代应用有意义--但又不以过多的细节压倒他们。

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