🐭 🏍️ 🌆 مختبر تفاعلي للديناميكا الحرارية كوسيلة فعالة للتدريب المحاكاة 👂🏾 👟 👨🏿‍🔬

مقدمة

يعد التدريب على المحاكاة باستخدام الموارد التعليمية متعددة الوسائط أحد المجالات الواعدة لإضفاء الطابع التعليمي على التعليم الحديث. من خلال التدريب على المحاكاة ، سنعني نموذجًا تدريبيًا تتكرر فيه العمليات والظروف المادية المماثلة لتلك الحقيقية ، ولكن مع وجود عدد من الصفات المثالية ، باستخدام البرامج. إن إمكانية التفاعل التفاعلي مع نموذج افتراضي لعملية فيزيائية معينة يمكن أن تقلل بدرجة كبيرة من مستوى تجريد المعرفة حول هذه العملية ، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة الحصول على هذه المعرفة واستيعابها من قبل شخص [1] .

موضوع الدراسة وبيان المشكلة

ككائن للدراسة ، نعتبر أحد أهم فروع الفيزياء العامة - الديناميكا الحرارية الكلاسيكية. في سياق الأنشطة التعليمية ، يتم تدريس المعرفة في هذا التخصص في عدة أشكال ، أهمها: المواد النظرية الموحدة في شكل محاضرات وكتب مدرسية ؛ المهام العملية في شكل مجموعات من المهام والاختبارات ؛ ورشة عمل مخبرية في شكل مبادئ توجيهية لتنفيذ التجارب المعملية على موضوعات النظرية الأساسية. تختلف أشكال التدريس المدرجة في مستوى تجريد المعلومات المرسلة ، وتشكل معًا الصورة الأكثر اكتمالًا للمعرفة في التخصص الذي تتم دراسته.

إن أكثر أشكال المعرفة إلحاحًا من حيث المنهجية والتنفيذ الفني هي ورشة مخبرية. لهذا الغرض ، يتم إنشاء معامل تدريب مجهزة تجهيزًا خاصًا تلبي متطلبات العملية التعليمية بالكامل في الجامعات والكليات. يتم الوصول في الوقت المناسب إلى هذه المختبرات ، كقاعدة عامة ، في عملية اجتياز الطلاب للتدريب بدوام كامل. ترتبط القدرة على العمل في المختبرات التعليمية ارتباطًا وثيقًا بالحاجة إلى الحضور المادي للطالب في مبنى المختبر ، فضلاً عن التكلفة العالية لصيانة المختبر وصيانته في ظروف تشغيله المكثف.

عندما يخضع الطالب للتعلم عن بعد ، أو التعلم دون اتصال بالإنترنت دون مساعدة من مؤسسة تعليمية ، غالبًا ما تكون القدرة على إجراء التجارب المعملية غائبة تمامًا. كما تبين الممارسة ، في هذه الحالة ، يتعرف الطالب على التجارب المختبرية من خلال مقاطع الفيديو أو الرسوم المتحركة الموجودة (إن أمكن) في المجال العام للإنترنت ، وهي طريقة غير فعالة لدراسة المواد التعليمية المطلوبة بسبب عدم تفاعل المواد وبنيتها ، وغالبًا ما تكون القيود اللغوية منخفضة جودة المواد المقدمة.

في ضوء ما تقدم ، تتمثل مهمة عاجلة لمطوري الموارد التعليمية متعددة الوسائط في إنشاء أداة تعليمية من شأنها أن توفر العملية التعليمية بكافة الوظائف الضرورية من حيث أداء العمل التجريبي ، واحتواء مواد منهجية منظمة ، والمساهمة في الاستيعاب الفعال للمعرفة في مجال معين من الدراسة. على الجانب التقني ، يجب أن تتمتع أداة التدريب هذه بالمرونة للاندماج في أنظمة التعلم عن بعد المختلفة (في شكل تطبيقات الويب ومكونات البرامج) ، والقدرة على التشغيل على الأجهزة المحمولة وأجهزة الكمبيوتر الشخصية ، والأداء العالي وسهولة الإدارة.

مثال لتنفيذ نموذج محاكاة للتجربة المختبرية

النظر في التجربة المختبرية "الغازات الحقيقية ونقطة الانتقال للمرحلة" من مسار الديناميكا الحرارية للطلاب وكبار طلاب المدارس الثانوية. الغرض من هذه التجربة هو تقدير كمية الغاز الحقيقي (سداسي فلوريد الكبريت SF6) وتحديد مرحلة انتقال الطور. يتم إجراء تجربة المختبر على إعداد مختبر (الشكل 1) المصنعة من قبل 3B العلمية [2] .

الشكل 1 - ظهور التناظرية الطبيعية لإعداد المختبر لتحديد نقطة انتقال المرحلة من الغاز الحقيقي

تم تجهيز الإعداد المخبري المقدم بخزان للغاز ، وهو مقياس لقياس ضغط الغاز في الخزان ، ومكبس متحرك مع آلية لولبية ومقياس ، ونظام صمام ، ومقياس حرارة إلكتروني لقياس درجة حرارة الغاز. يؤدي دوران دولاب الموازنة إلى إزاحة المكبس ، مما يؤدي بدوره إلى تغيير الحجم الحر لخزان الغاز. يتكون الجزء العامل من خزان الغاز من مادة شفافة ، والتي تتيح لك مراقبة حالة مادة الاختبار بصريًا أثناء التجربة.

تتميز المرحلة الانتقالية للمرحلة من الغاز الحقيقي بدرجة الحرارة الحرجة والضغط الحرج والكثافة الحرجة. تحت درجة الحرارة الحرجة ، تكون المادة في حالة غازية بكميات كبيرة وفي حالة سائلة بكميات صغيرة. في الأحجام الوسيطة ، يمكن أن يوجد كخليط من السائل والغاز ، حيث يؤدي تغيير الحجم في ظل ظروف متساوية الحرارة إلى حدوث تغيير في حالة التجميع: يزداد الكسر الغازي بزيادة الحجم ، ويظل ضغط الخليط ثابتًا. نظرًا لأن السوائل والأبخرة لها كثافات مختلفة ، يتم فصلها في مجال الجاذبية. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تنخفض كثافة السائل ، وتزداد كثافة الغاز حتى تصبح هاتان الكثيفتان مساوية لنفس قيمة الكثافة الحرجة. فوق درجة الحرارة الحرجة ، لا يمكن تحويل الغاز إلى حالة سائلة. ومع ذلك ، في ظل ظروف متساوية الحرارة ، لا يطيع الغاز قوانين الغاز المثالي حتى ترتفع درجة حرارته بدرجة كبيرة عن درجة الحرارة الحرجة.

يتم تمثيل حالة الغاز ، اعتمادًا على معايير الضغط (P) والحجم (V) ودرجة الحرارة (T) ، باستخدام مخطط طور Clapeyron. كأساس رياضي للتجربة ، يتم استخدام نموذج غاز van der Waals:

P r (V r) = 8 T r / (3 V r - 1) - 3 / V r^{2}

$Pr (Vr) = 8Tr / (3Vr-1) -3 / Vr ^ 2$

حيث Pr هو ضغط الغاز المخفض الذي يساوي نسبة ضغطه الفعلي إلى الضغط عند النقطة الحرجة (Pr = P / Pc) ؛ Vr هو حجم الغاز المنخفض الذي يساوي نسبة حجمه الفعلي إلى الحجم عند النقطة الحرجة (Vr = V / Vc) ؛ Tr هي درجة حرارة الغاز المنخفضة المساوية لنسبة درجة الحرارة الفعلية إلى درجة الحرارة عند النقطة الحرجة (Tr = T / Tc).

تسمح معادلة van der Waals للشخص بحساب متساوي الحرارة (خطوط متساوية في درجة الحرارة) لغاز الاختبار في الشكل المعطى (الشكل 2).

الشكل 2 - مخطط طور Clapeyron لسداسي فلوريد الكبريت SF6 باستثناء توازن البخار السائل

كما يتضح من الرسم البياني في الشكل 2 ، عند درجة حرارة غاز أقل من درجة الحرارة الحرجة (Tc) ، فإن معادلة van der Waals في ذلك الجزء من الأيزوثرم حيث dPr / dVr> 0 لها طابع تذبذب. في هذه المناطق ، تكون المادة في شكل خليط من الغاز والسائل ، وفي الواقع ، يحدث تكثيف الغاز على طول المسار متساوي التوتر (يتغير الحجم عند ضغط ثابت). وهكذا ، فإن مخطط فان دير فال داخل ما يسمى منحنى الحدين (المنحنى الأسود في الرسم التخطيطي) [3] يصف بشكل غير صحيح سلوك الغاز الحقيقي.

لحل هذه المشكلة ، تم استخدام طريقة ماكسويل للمناطق المتساوية [4] ، والتي يتمثل جوهرها في استبدال قسم متساوي الحرارة المتذبذب بخط أفقي (isobar) يقسم المنطقة الموصوفة في الأيزوثرم إلى منطقتين متساويتين في الحجم (الشكل 3).

الشكل 3 - لطريقة المساواة في مساحات ماكسويل

يوجد أدناه جزء من الشفرة (Matlab) لحل المشكلة الموضحة [4].

function maxwell_equal_area_2 clc; clear all; close all %  Tr  Tc: Tr = T/Tc Tr = 0.9; %    Pr (  --) Prfh = @(Vr) 8/3*Tr./(Vr - 1/3) - 3./(Vr.^2); %    Vr = linspace(0.5,4,100); %    Pr = Prfh(Vr);

لحساب المناطق من منطقتين التي شكلتها isotherm و isobar ، فمن الضروري العثور على جذور ثلاثة من المعادلة متعدد الحدود:

V r^{3} - (1 + 8 T r / P r) / 3 + 3 / P r - 1 / P r = 0

$Vr ^ 3- (1 + 8Tr / Pr) / 3 + 3 / Pr-1 / Pr = 0$

 %    vdWp = [1 -1/3*(1+8*Tr/y) 3/y -1/y]; %     v = sort(roots(vdWp)) %  A1 (       ) A1 = (v(2)-v(1))*y - quad(Prfh,v(1),v(2)) %  A2 (       ) A2 = quad(Prfh,v(2),v(3)) - (v(3)-v(2))*y % ,  ,  ,  A1=A2 Pr_equal_area = fzero(@equalArea, 0.65)

يمكن عرض نتائج الحسابات على الرسم البياني (الشكل 4).

 xx = [v(1) Vr(Vr >= v(1) & Vr <= v(2)) v(2)]; yy = [Prfh(v(1)) Pr(Vr >= v(1) & Vr <= v(2)) Prfh(v(2))]; lightgray = [0.9 0.9 0.9]; fill(xx,yy,lightgray) xx = [v(2) Vr(Vr >= v(2) & Vr <= v(3)) v(3)]; yy = [Prfh(v(2)) Pr(Vr >= v(2) & Vr <= v(3)) Prfh(v(3))]; fill(xx,yy,lightgray) %      text(v(1),1,sprintf('A1 = %f',A1)) text(v(3),1,sprintf('A2 = %f',A2))

الشكل 4 - نتائج حساب isobar بواسطة طريقة مساوي ماكسويل المناطق في Matlab

الشكل النهائي للوظيفة لأسلوب مساحة متساوية:

 function Z = equalArea(y) Tr = 0.9; vdWp = [1 -1/3*(1+8*Tr/y) 3/y -1/y]; v = sort(roots(vdWp)); Prfh = @(Vr) 8/3*Tr./(Vr - 1/3) - 3./(Vr.^2); A1 = (v(2)-v(1))*y - quad(Prfh,v(1),v(2)); A2 = quad(Prfh,v(2),v(3)) - (v(3)-v(2))*y; Z = A1 - A2; % :  ; :

وهكذا ، يتم تمثيل النموذج الرياضي النهائي للتجربة من خلال مخطط كلابيرون لسداسي فلوريد الكبريت ، مع مراعاة ظروف توازن بخار السائل (الشكل 5).

الشكل 5 - مخطط طور Clapeyron لسداسي فلوريد الكبريت SF6 مع مراعاة توازن البخار السائل

جنبا إلى جنب مع المكون الرياضي ، يتضمن نموذج محاكاة التجربة مجموعة من الكائنات الرسومية التي تعكس بصريا معدات المختبرات (الشكل 6).

الشكل 6 - نموذج الرسوم البيانية لإعداد المختبر: 1 - مقياس الضغط ؛ 2 - ترموستات الدورة الدموية. 3 - ميزان الحرارة الإلكتروني ؛ 4 - خزان الغاز ؛ 5 - آلية التحكم في مستوى الصوت. 6 - صمام ملء الغاز

تتم إضافة الأخطاء التي تم إنشاؤها ديناميكيًا والتي تحاكي العمليات المؤقتة (غير الثابتة) ، وعدم دقة القياس ، وحساسية عناصر التحكم ، وما إلى ذلك ، إلى القيم المقاسة في وضع تنفيذ التجربة. يوفر نموذج المحاكاة مراقبة العملية الفيزيائية بشكل كامل مع إمكانية تغيير معلمات الإدخال والظروف التجريبية.

مثال تنفيذ ورشة عمل المختبر الافتراضي

بناءً على مثال منهجية حساب نماذج محاكاة العمليات الفيزيائية الموصوفة أعلاه ، باستخدام لغة البرمجة عالية المستوى AppGameKit ، تم تطوير ورشة عمل تفاعلية في المختبر حول الديناميكا الحرارية الكلاسيكية ، تغطي الموضوعات الرئيسية للدورة: الطاقة الداخلية ، قوانين الغاز ، نقل الحرارة ، التمدد الحراري ، الدورات الحرارية. ويهدف هذا التطور للتجارب المختبرية في غياب معدات المختبرات الحقيقية. يتم إجراء التركيبات المعملية وفقًا لنظرائها الحقيقيين. يتضمن كل عمل معمل إرشادات موجزة ومعلومات مرجعية ضرورية لمعالجة البيانات التجريبية.

الميزة المميزة للمختبر الافتراضي هي مرونته التكميلية بفضل الدعم متعدد المنصات. من الممكن عمل مختبر المحاكاة على أجهزة الكمبيوتر الشخصية والأجهزة المحمولة وفي بيئة مستعرض ويب (دون الحاجة إلى تثبيت البرنامج على جهاز المستخدم). يستخدم الحل المقدم خوارزمية فريدة لتحميل مشهد رسومي ثلاثي الأبعاد في الذاكرة باستخدام تنسيق البيانات الثنائية الخاص به ، والذي يسمح بتقليل وقت إعادة إنشاء النماذج ثلاثية الأبعاد في محرك اللعبة إلى عدة ثوان ، وهو عامل مهم عند تشغيل البرنامج على الأجهزة المحمولة.

يعرض الشكل 7 لقطة شاشة تعرض المختبر الافتراضي الذي يعمل في متصفح الويب Microsoft Edge ، والذي يوفر دعمًا كاملاً للأجهزة للرسومات ثلاثية الأبعاد استنادًا إلى معيار HTML5 وتقنية WebGL.

الشكل 7 - تشغيل مختبر افتراضي في متصفح ويب Microsoft Edge

فيما يلي الإصدارات عبر الإنترنت من العمل المختبري ، الذي يوصى باستخدامه مستعرض ويب Microsoft Edge ، والذي يعد جزءًا من نظام التشغيل Microsoft Windows 10:

لأداء العمل المختبري على جهاز محمول (الهاتف الذكي أو الجهاز اللوحي) استنادًا إلى نظام التشغيل Android ، يمكنك تنزيل تطبيق الهاتف المحمول الخاص بالمعمل الافتراضي.

استنتاج

يوضح مثال تنفيذ أداة التدريب على المحاكاة الموضحة في هذه المقالة بناءً على المختبر الافتراضي للديناميكا الحرارية ، إمكانية استكمال العملية التعليمية بأداة منهجية مساعدة تلبي متطلبات ومعايير التعليم العام والعالي الحديث. يشمل المفهوم العام لتطوير الموارد التعليمية متعددة الوسائط عددًا من المراحل الرئيسية: تحديد العنصر المنهجي الفعلي لورشة المختبر (بما في ذلك اختيار المعدات المختبرية الفعالة ومراجعها ودعمها المنهجي) ؛ تطوير نموذج محاكاة عددي للتجربة ؛ تنفيذ المكون البياني لورشة عمل مختبر المحاكاة ؛ تنفيذ المكون البرمجي لورشة عمل مختبر المحاكاة ؛ دمج ورشة عمل مختبر المحاكاة في العملية التعليمية (إدخال التطوير في دورة تدريبية موجودة أو إنشاء دورة تدريبية جديدة تركز على العمل مع ورشة مختبر المحاكاة).

أحد المجالات الواعدة لتطوير تكنولوجيا تعليم المحاكاة في الوقت الحالي هو تنفيذ أنظمة تدريب متعددة الوكلاء ، والتي يعتمد عملها على خوارزميات لتوليد مسارات تعليمية فردية مع التكوين الديناميكي للمحتوى التعليمي. توفر هذه الأنظمة بيئة تكيفية لبيئة التعلم ، مع مراعاة الخصائص الفردية لملف تعريف المستخدم. سوف تسمح لك هذه الخوارزميات بالحصول على: للطلاب - خطة مخصصة ، محتوى ، منهجية وأدوات للتعلم الإلكتروني ؛ للمعلمين - تقنيات مبتكرة للتدريس وتحليل الكفاءات المشكلة ، للمدارس والجامعات - نموذج حديث لإدارة العملية التعليمية.

مختبر تفاعلي للديناميكا الحرارية كوسيلة فعالة للتدريب المحاكاة

مقدمة

موضوع الدراسة وبيان المشكلة

مثال لتنفيذ نموذج محاكاة للتجربة المختبرية

مثال تنفيذ ورشة عمل المختبر الافتراضي

استنتاج

المراجع الببليوغرافية

More articles: