Làm cho máy tính trở nên tồn tại tại MIT: Sử dụng các kỹ thuật tính toán để giải quyết các vấn đề trong thế giới thực

Một khóa học mới dạy sinh viên cách sử dụng các kỹ thuật tính toán để giải quyết các vấn đề trong thế giới thực, từ hạ cánh tàu vũ trụ đến đặt tháp điện thoại di động.

Khi một tàu đổ bộ sao Hỏa lao xuống bề mặt Hành tinh Đỏ, khi nào thì chiếc dù của nó có thể được triển khai một cách an toàn? Mở nó quá sớm, trong khi tàu đổ bộ đang lao qua bầu khí quyển và nó có thể bị rách – nhưng mở quá muộn và tàu đổ bộ có thể không đủ chậm để ngăn chặn một vụ tai nạn thảm khốc hạ cánh.

Có những khả năng dường như vô tận trong câu hỏi hóc búa phức tạp này.

Một cách để giải câu đố này là sử dụng máy tính để mô phỏng cuộc đổ bộ lên sao Hỏa , đó chính xác là cách sinh viên lớp 16.0002 / 18.0002 (Nhập môn Khoa học và Kỹ thuật Tính toán) trả lời câu hỏi này, đây là một phần trong bài toán đầu tiên của họ.

Andres Arroyo, một sinh viên năm nhất đã tham gia khóa học vào kỳ mùa thu cho biết: “Thật thú vị vì có một vài cách bạn có thể mô hình hóa vấn đề. “Bạn có thể mô hình hóa nó về tốc độ của tàu đổ bộ thay đổi như thế nào theo thời gian hoặc tốc độ thay đổi như thế nào khi nó thay đổi vị trí. Tùy thuộc vào mục tiêu của bạn từ mô phỏng là gì, bạn có thể thử các cách tiếp cận khác nhau. Tôi đã nghĩ rằng đó là một trong những điều thú vị nhất mà chúng tôi đã làm ”.

Khóa học, ra mắt vào mùa thu năm ngoái, được thiết kế để dạy sinh viên cách tính toán va chạm với thế giới vật chất. Nó được phát triển thông qua MIT Schwarzman College for Computing’s Common Ground for Computing Education , một sáng kiến đa khoa nhằm kết hợp việc giảng dạy máy tính và các ngành khác.

Khóa học kéo dài nửa học kỳ đặt lập trình trong bối cảnh khoa học máy tính và kỹ thuật, một lĩnh vực tập trung vào các ứng dụng sáng tạo của tính toán.

Học sinh học cách sử dụng các chương trình máy tính để mô phỏng, tối ưu hóa và định lượng độ không đảm bảo. Những nguyên tắc cơ bản này được đóng khung với các ví dụ hữu hình được thiết kế để phù hợp với sinh viên không nhất thiết phải là chuyên ngành khoa học máy tính. Hầu hết các sinh viên trong khóa học mùa thu này hoặc đang học hàng không và du hành vũ trụ hoặc toán học.

Mô hình hóa các vấn đề trong cuộc sống thực

“Các mô phỏng như mô phỏng tàu đổ bộ trên sao Hỏa của chúng tôi là những gì mọi người thực sự sử dụng máy tính. NASA có giải được phương trình vi phân nhỏ của chúng ta không? Không, tôi chắc rằng họ có nhiều chuông và còi hơn trong mô hình của họ. Nhưng về mặt khái niệm, đây là những gì mọi người thực sự làm, ”Youssef Marzouk, giáo sư hàng không và du hành vũ trụ đồng thời là người đồng hướng dẫn cho khóa học kỳ này cho biết. “Đây là cách tôi làm việc, ngay cả trong nghiên cứu của riêng tôi. Có mô hình hóa, có mã, có các đầu ra của mã, và bạn lặp lại giữa những thứ này. “

Việc xây dựng khóa học xung quanh các ví dụ cụ thể như vậy giúp sinh viên hiểu được có bao nhiêu vấn đề có thể được tiếp cận bằng cách sử dụng các mô hình tính toán. Hầu hết sinh viên tham gia khóa học vào năm thứ nhất hoặc năm thứ hai, và nhiều người vẫn chưa chọn chuyên ngành, vì vậy điều đặc biệt có giá trị là giúp họ nếm thử cách tính toán được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, ông nói.

Khi phát triển khóa học, giảng viên muốn bao gồm các khía cạnh cơ bản của khoa học tính toán và kỹ thuật theo cách làm cho các khái niệm trở nên sống động với sinh viên, đồng hướng dẫn Laurent Demanet, giáo sư toán học ứng dụng, người đã thiết kế khóa học cùng David Darmofal cho biết. , Giáo sư Hàng không và Du hành vũ trụ Jerome C. Hunsaker.

Các bài giảng bao gồm các phương trình cơ bản trong một vấn đề nhất định, chẳng hạn như định luật chuyển động của Newton cho ví dụ về tàu đổ bộ sao Hỏa, sau đó học sinh học cách diễn đạt các phương trình cơ bản đó trong một thuật toán.

“Đó là sự kết hợp giữa toán học với khoa học và khoa học máy tính. Nó sẽ hát khi bạn kết hợp tất cả lại với nhau, ”Demanet nói. “Đối với các học viên, đó thực sự là một lớp học dựa trên kỹ năng. Chúng tôi muốn cung cấp cho sinh viên những kỹ năng có thể được sử dụng ở hầu hết mọi nơi trong quá trình học tập của họ sau này, và sau đó là trong nhiều lĩnh vực khác nữa. ”

Từ phương trình đến mô phỏng

Trong một bài giảng, Demanet đã mô tả định luật làm lạnh của Newton (tốc độ một vật lạnh đi tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ giữa vật thể và môi trường xung quanh nó). Sau đó, anh ta chạy một mô phỏng bằng mã Python cho thấy một tách cà phê sẽ mất bao lâu để nguội từ 85 đến 50 độ.

Ông nói: Một trong những thách thức lớn nhất khi phát triển khóa học là giới thiệu những khái niệm toán học này trong khi cung cấp cho sinh viên đủ ngữ cảnh mà chúng có ý nghĩa đối với một số ứng dụng hiện đại – nhưng không làm chúng choáng ngợp với quá nhiều chi tiết.

Ngoài việc truyền đạt các kỹ năng cụ thể, các ví dụ còn được thiết kế để truyền cảm hứng cho học sinh. Ví dụ, một bài giảng tập trung vào khoa học khí hậu đã sử dụng các phương trình toán học để truyền nhiệt để bác bỏ một tuyên bố sai lầm rằng hơi nước là một khí nhà kính mạnh hơn carbon dioxide.

Nhưng Demanet nói với các sinh viên rằng đừng quá lời – anh đã trình diễn một mô phỏng trên máy tính cho thấy khí nhà kính đã ảnh hưởng như thế nào đến sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu nói chung trong nhiều thập kỷ.

Bên ngoài lớp học, sinh viên đã áp dụng các phương pháp tính toán của mình cho một loạt các vấn đề trong thế giới thực, từ việc tối ưu hóa vị trí của các tháp điện thoại di động xung quanh MIT, đến việc lập biểu đồ hiệu quả của vắc-xin Covid-19 suy giảm như thế nào theo thời gian, để đánh giá tác động của hệ thống sưởi địa nhiệt hệ thống có thể có về nhiệt độ bên trong một ngôi nhà.

Đối với Penelope Herrero-Marques, ví dụ về địa nhiệt đã thu hút sự quan tâm của cô ấy vì một ngày nào đó cô ấy muốn lắp đặt một hệ thống tại nhà riêng của mình để giảm lượng khí thải carbon. Herrero-Marques, sinh viên năm thứ hai chuyên ngành kỹ thuật cơ khí đã tham gia khóa học mùa xuân năm ngoái, đã bị cuốn hút vào các bộ vấn đề liên quan của nó mặc dù cô ấy có chút kiến thức nền tảng về cách sử dụng các phương pháp tính toán.

“Một số vấn đề lúc đầu hơi đáng sợ chỉ vì chúng quá lớn. Đối với p-set đầu tiên của chúng tôi trong lớp, chúng tôi phải mô phỏng cuộc đổ bộ lên sao Hỏa. Nhưng các giáo sư đã làm rất tốt khi chia nó thành các vấn đề nhỏ hơn. Đừng để bị choáng ngợp. Mỗi vấn đề lớn có thể được chia thành các vấn đề nhỏ hơn mà bạn thực sự có thể giải quyết, ”cô nói.

Cô ấy hiện đang chia sẻ sự khôn ngoan đó với tư cách là trợ giảng cho khóa học.

Trợ lý giảng dạy Mark Chiriac, sinh viên năm hai, đã tham gia khóa học trong lần lặp lại đầu tiên. Sinh viên chuyên ngành toán học muốn tìm hiểu thêm về các thuật toán nhưng cũng tập trung vào các ứng dụng mà anh ấy thấy thú vị, như chuyển động của hành tinh.

Mặc dù một trong những vấn đề phức tạp nhất liên quan đến việc xác định vị trí các tháp điện thoại di động xung quanh MIT, nhưng đây cũng là một trong những vấn đề yêu thích của Chiriac vì ví dụ này rất thực tế. Anh ấy nói rằng việc giải quyết thành công vấn đề tối ưu hóa đó đã mang lại cho anh ấy sự tự tin để áp dụng những kỹ năng đó trong các khóa học khác.

“Khóa học này tập hợp các phần của mã hóa, toán học và vật lý trong sự pha trộn tuyệt đẹp này để cung cấp cho mọi người công cụ để giải quyết các vấn đề rất liên quan cần thiết trong thế giới của chúng ta ngay bây giờ. Nó cho tôi thấy các lĩnh vực khoa học khác nhau này liên kết với nhau theo những cách mà tôi biết là tồn tại, nhưng chưa tự mình trải nghiệm, ”anh nói.

Cuối cùng, các kỹ năng mà sinh viên xây dựng trong khóa học này sẽ giúp họ giải quyết các vấn đề về dự đoán khoa học trong bất kỳ ngành học nào họ chọn, Demanet nói.

“Tôi hy vọng các sinh viên sẽ ra đi với sự đánh giá cao về cách máy tính có thể được sử dụng để thực sự mô phỏng những điều phức tạp trong thế giới xung quanh họ,” Marzouk nói thêm. “Tôi hy vọng họ nhìn thấy sức mạnh mà nó có và đánh giá cao rằng nó không chỉ là một chiếc hộp đen. Có những ý tưởng và thuật toán thực sự thú vị đi sâu vào cách điều đó xảy ra. Cho dù họ dành phần còn lại của sự nghiệp để học về những ý tưởng và thuật toán đó hay liệu họ có dừng lại ngay tại đây, tôi nghĩ đó là một bài học quý giá. ”

Theo Scitechdaily