सिमुलेशन प्रशिक्षण के एक प्रभावी साधन के रूप में ऊष्मप्रवैगिकी की इंटरएक्टिव प्रयोगशाला

परिचय

मल्टीमीडिया शैक्षणिक संसाधनों का उपयोग करते हुए सिमुलेशन प्रशिक्षण आधुनिक शिक्षा के सूचनाकरण के होनहार क्षेत्रों में से एक है। सिमुलेशन प्रशिक्षण से हमारा तात्पर्य एक ऐसे प्रशिक्षण मॉडल से होगा जिसमें भौतिक प्रक्रियाएँ और परिस्थितियाँ वास्तविक के समान हों, लेकिन कई आदर्श गुणों के साथ, सॉफ्टवेयर के उपयोग से वस्तुतः पुनरुत्पादित होते हैं। किसी विशेष शारीरिक प्रक्रिया के आभासी मॉडल के साथ पारस्परिक संपर्क की संभावना इस प्रक्रिया के बारे में ज्ञान के अमूर्त स्तर को काफी कम कर सकती है, जिससे एक व्यक्ति द्वारा इस ज्ञान को प्राप्त करने और आत्मसात करने की दक्षता बढ़ जाती है [1] ।

अध्ययन और समस्या कथन का उद्देश्य

अध्ययन के एक उद्देश्य के रूप में, हम सामान्य भौतिकी की सबसे महत्वपूर्ण शाखाओं में से एक मानते हैं - शास्त्रीय ऊष्मागतिकी। शैक्षिक गतिविधियों के संदर्भ में, इस अनुशासन में ज्ञान को कई रूपों में सिखाया जाता है, मुख्य हैं: व्याख्यान और पाठ्यपुस्तकों के रूप में समेकित सैद्धांतिक सामग्री; कार्यों और परीक्षणों के संग्रह के रूप में व्यावहारिक कार्य; बुनियादी सिद्धांत के विषयों पर प्रयोगशाला प्रयोगों के कार्यान्वयन के लिए दिशानिर्देशों के रूप में प्रयोगशाला कार्यशाला। शिक्षण के सूचीबद्ध रूप संचरित सूचनाओं के अमूर्तन के स्तर में भिन्न होते हैं, और वे एक साथ अध्ययन किए गए अनुशासन में ज्ञान का सबसे पूर्ण चित्र बनाते हैं।

कार्यप्रणाली और तकनीकी कार्यान्वयन के संदर्भ में ज्ञान का सबसे अधिक मांग वाला रूप एक प्रयोगशाला कार्यशाला है। इस प्रयोजन के लिए, विशेष रूप से सुसज्जित प्रशिक्षण प्रयोगशालाएं जो विश्वविद्यालयों और कॉलेजों में शैक्षिक प्रक्रिया की आवश्यकताओं को पूरी तरह से पूरा करती हैं। एक नियम के रूप में, इन प्रयोगशालाओं में समय पर पहुंच पूर्णकालिक प्रशिक्षण से गुजरने वाले छात्रों की प्रक्रिया में होती है। शैक्षिक प्रयोगशालाओं में काम करने की क्षमता प्रयोगशाला परिसर में छात्र की भौतिक उपस्थिति की आवश्यकता के साथ-साथ अपने गहन संचालन की स्थितियों में प्रयोगशाला को बनाए रखने और बनाए रखने की उच्च लागत के साथ जुड़ी हुई है।

जब कोई छात्र किसी शिक्षण संगठन की मदद के बिना दूरस्थ शिक्षा, या ऑफ़लाइन शिक्षा से गुजरता है, तो प्रयोगशाला प्रयोगों को करने की क्षमता अक्सर पूरी तरह से अनुपस्थित होती है। जैसा कि अभ्यास से पता चलता है, इस मामले में, छात्र इंटरनेट के सार्वजनिक डोमेन में पाए जाने वाले वीडियो या एनिमेशन के माध्यम से प्रयोगशाला प्रयोगों से परिचित हो जाता है, जो कि अन्तरक्रियाशीलता और सामग्री की संरचना की कमी के कारण आवश्यक प्रशिक्षण सामग्री का अध्ययन करने के लिए एक अप्रभावी तरीका है, और अक्सर भाषा प्रतिबंध और निम्न प्रस्तुत सामग्री की गुणवत्ता।

पूर्वगामी के मद्देनजर, मल्टीमीडिया शैक्षिक संसाधनों के डेवलपर्स के लिए एक आवश्यक कार्य ऐसे शिक्षण उपकरण का निर्माण है जो प्रयोगात्मक कार्य करने के संदर्भ में सभी आवश्यक कार्यों के साथ शैक्षिक प्रक्रिया प्रदान करेगा, जिसमें संरचित कार्यप्रणाली शामिल होगी, और अध्ययन के एक विशेष क्षेत्र में ज्ञान के प्रभावी आत्मसात करने में योगदान देगा। तकनीकी पक्ष पर, इस शिक्षण उपकरण में विभिन्न दूरस्थ शिक्षा प्रणालियों (वेब ​​एप्लिकेशन और सॉफ्टवेयर घटकों के रूप में), मोबाइल उपकरणों और व्यक्तिगत कंप्यूटरों पर चलने की क्षमता, उच्च प्रदर्शन और प्रबंधन में आसानी को एकीकृत करने का लचीलापन होना चाहिए।

प्रयोगशाला प्रयोग के सिमुलेशन मॉडल का एक उदाहरण कार्यान्वयन

माध्यमिक विद्यालयों के छात्रों और वरिष्ठ छात्रों के लिए थर्मोडायनामिक्स के पाठ्यक्रम से प्रयोगशाला प्रयोग "रियल गैसों और चरण संक्रमण बिंदु" पर विचार करें। इस प्रयोग का उद्देश्य वास्तविक गैस (सल्फर हेक्साफ्लोराइड एसएफ 6) की मात्रा निर्धारित करना और इसके चरण संक्रमण बिंदु को निर्धारित करना है। प्रयोगशाला अनुभव 3B वैज्ञानिक [2] द्वारा निर्मित एक प्रयोगशाला सेटअप (चित्र 1) पर किया जाता है।


चित्रा 1 - एक वास्तविक गैस के चरण संक्रमण बिंदु का निर्धारण करने के लिए प्रयोगशाला सेटअप के एक प्राकृतिक एनालॉग की उपस्थिति

प्रस्तुत प्रयोगशाला इकाई गैस टैंक से लैस है, टैंक में गैस के दबाव को मापने के लिए एक गेज, पेंच तंत्र के साथ एक जंगम पिस्टन और एक पैमाने, वाल्व प्रणाली और गैस तापमान को मापने के लिए एक इलेक्ट्रॉनिक थर्मामीटर है। चक्का के घूमने से पिस्टन विस्थापित हो जाता है, जो बदले में गैस जलाशय के मुक्त आयतन को बदल देता है। गैस जलाशय का काम करने वाला हिस्सा पारभासी सामग्री से बना है, जो आपको प्रयोग के दौरान परीक्षण पदार्थ की स्थिति को नेत्रहीन रूप से देखने की अनुमति देता है।

एक वास्तविक गैस का चरण संक्रमण बिंदु महत्वपूर्ण तापमान, महत्वपूर्ण दबाव और महत्वपूर्ण घनत्व की विशेषता है। महत्वपूर्ण तापमान के नीचे, पदार्थ बड़े स्तर पर गैसीय अवस्था में होता है और छोटे स्तर पर तरल अवस्था में होता है। मध्यवर्ती मात्रा में, यह तरल और गैस के मिश्रण के रूप में मौजूद हो सकता है, जिसमें इज़ोटेर्मल स्थितियों के तहत मात्रा में बदलाव से एकत्रीकरण की स्थिति में बदलाव होता है: बढ़ती मात्रा के साथ गैसीय अंश बढ़ता है, और मिश्रण का दबाव स्थिर रहता है। चूंकि तरल पदार्थ और वाष्प में अलग-अलग घनत्व होते हैं, उन्हें गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में अलग किया जाता है। जैसे ही तापमान बढ़ता है, तरल घनत्व कम हो जाता है, और गैस घनत्व तब तक बढ़ जाता है जब तक ये दोनों घनत्व समान महत्वपूर्ण घनत्व मूल्य के बराबर नहीं हो जाते। महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर, गैस को तरल अवस्था में परिवर्तित नहीं किया जा सकता है। हालांकि, इज़ोटेर्मल शर्तों के तहत, गैस एक आदर्श गैस के नियमों का पालन नहीं करता है जब तक कि उसका तापमान महत्वपूर्ण तापमान से काफी ऊपर नहीं बढ़ गया हो।

दबाव (पी), मात्रा (वी) और तापमान (टी) के मापदंडों के आधार पर गैस की स्थिति को क्लैप्रोन चरण आरेख का उपयोग करके दर्शाया गया है। प्रयोग के गणितीय आधार के रूप में, वैन डेर वाल्स गैस मॉडल का उपयोग किया जाता है:

$$

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

जहाँ Pr महत्वपूर्ण बिंदु (दबाव = P / Pc) पर दबाव के वास्तविक दबाव के अनुपात के बराबर कम गैस दाब है; वीआर महत्वपूर्ण बिंदु पर वॉल्यूम (वॉल्यूम = वी / वीसी) के लिए वास्तविक मात्रा के अनुपात के बराबर कम गैस की मात्रा है; Tr महत्वपूर्ण बिंदु (Tr = T / Tc) के तापमान पर उसके वास्तविक तापमान के अनुपात के बराबर कम गैस तापमान है।

वैन डेर वाल्स समीकरण किसी को दिए गए फॉर्म (चित्रा 2) में परीक्षण गैस के लिए इज़ोटेर्म (समान तापमान की रेखाएं) की गणना करने की अनुमति देता है।

चित्रा 2 - सल्फर हेक्साफ्लोराइड SF6 वाष्प-तरल संतुलन को छोड़कर क्लैप्रोन चरण आरेख

जैसा कि चित्र 2 में आरेख से देखा जा सकता है, महत्वपूर्ण तापमान (Tc) से नीचे एक गैस तापमान पर, वान डेर वाल्स समीकरण को इज़ोथेर्म के उस हिस्से में जहां dPr / dVr> 0 में एक दोलनशील चरित्र होता है। इन क्षेत्रों में, पदार्थ गैस और तरल के मिश्रण के रूप में होता है, और वास्तव में, गैस का संघनन आइसोबैरिक पथ (निरंतर दबाव पर मात्रा में परिवर्तन) के साथ होता है। इस प्रकार, वैन डेर वाल्स आरेख तथाकथित बिनॉडल वक्र (आरेख में काला वक्र) [3] अपर्याप्त रूप से एक वास्तविक गैस के व्यवहार का वर्णन करता है।

इस समस्या को हल करने के लिए, समान क्षेत्रों की मैक्सवेल पद्धति का उपयोग किया गया था [4] , जिसका सार isotherm के कंपन अनुभाग को एक क्षैतिज रेखा (isobar) द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जो आइसोथर्म द्वारा वर्णित क्षेत्र को समान आकार के दो क्षेत्रों (चित्र 3) में विभाजित करता है।

चित्र 3 - मैक्सवेल के समान क्षेत्रों की विधि के लिए

नीचे वर्णित समस्या को हल करने के लिए एक कोड टुकड़ा (मतलाब) है [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); 

इज़ोटेर्म और आइसोबार द्वारा गठित दो क्षेत्रों के क्षेत्रों की गणना करने के लिए, बहुपद समीकरण की तीन जड़ों को खोजना आवश्यक है:

$$

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

 %    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) 

गणना के परिणाम आरेख (चित्र 4) पर प्रदर्शित किए जा सकते हैं।

 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)) 

चित्र 4 - मतलाब में बराबर मैक्सवेल क्षेत्रों की विधि द्वारा आइसोबार गणना के परिणाम

समान क्षेत्र विधि के लिए कार्य का अंतिम रूप:

 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; % :  ; :  

इस प्रकार, प्रयोग के अंतिम गणितीय मॉडल को सल्फर हेक्साफ्लोराइड के लिए क्लैप्रोन आरेख द्वारा दर्शाया जाता है, जो वाष्प-तरल संतुलन (चित्रा 5) की स्थितियों को ध्यान में रखता है।


चित्रा 5 - सल्फर हेक्साफ्लोराइड SF6 के लिए क्लैप्रोन चरण आरेख वाष्प-तरल संतुलन को ध्यान में रखते हुए

गणितीय घटक के साथ, प्रयोग के सिमुलेशन मॉडल में ग्राफिक ऑब्जेक्ट्स का एक सेट शामिल है जो नेत्रहीन प्रयोगशाला उपकरण (चित्र 6) को दर्शाता है।


चित्रा 6 - एक प्रयोगशाला सेटअप का ग्राफिक मॉडल: 1 - दबाव नापने का यंत्र; 2 - परिसंचरण थर्मोस्टैट; 3 - इलेक्ट्रॉनिक थर्मामीटर; 4 - गैस टैंक; 5 - मात्रा नियंत्रण तंत्र; 6 - गैस भरने वाला वाल्व

डायनामिक रूप से उत्पन्न त्रुटियों में क्षणिक (अस्थिर) प्रक्रियाओं, माप की अशुद्धियों, नियंत्रण की संवेदनशीलता, आदि को प्रयोग निष्पादन मोड में मापा मूल्यों में जोड़ा जाता है। सिमुलेशन मॉडल पूरी तरह से इनपुट मापदंडों और प्रयोगात्मक स्थितियों को बदलने की संभावना के साथ शारीरिक प्रक्रिया का अवलोकन प्रदान करता है।

एक आभासी प्रयोगशाला कार्यशाला का एक उदाहरण कार्यान्वयन

ऊपर वर्णित भौतिक प्रक्रियाओं के सिमुलेशन मॉडल की गणना के लिए कार्यप्रणाली के उदाहरण के आधार पर, उच्च-स्तरीय प्रोग्रामिंग भाषा AppGameKit का उपयोग करते हुए, शास्त्रीय थर्मोडायनामिक्स की एक इंटरैक्टिव प्रयोगशाला कार्यशाला विकसित की गई है, जो पाठ्यक्रम के मुख्य विषयों को कवर करती है: आंतरिक ऊर्जा, गैस कानून, गर्मी हस्तांतरण, थर्मल विस्तार, थर्मोडायनामिक चक्र। यह विकास वास्तविक प्रयोगशाला उपकरणों की अनुपस्थिति में प्रयोगशाला प्रयोगों के लिए करना है। प्रयोगशाला की स्थापना उनके वास्तविक समकक्षों के अनुसार की जाती है। प्रत्येक प्रयोगशाला कार्य में प्रायोगिक डेटा के प्रसंस्करण के लिए आवश्यक संक्षिप्त दिशानिर्देश और संदर्भ जानकारी शामिल है।

वर्चुअल प्रयोगशाला की एक विशिष्ट विशेषता मल्टी-प्लेटफ़ॉर्म समर्थन के कारण इसका पूरक लचीलापन है। सिमुलेशन प्रयोगशाला का काम व्यक्तिगत कंप्यूटर, मोबाइल उपकरणों और एक वेब ब्राउज़र वातावरण में (उपयोगकर्ता के डिवाइस पर सॉफ़्टवेयर स्थापित करने की आवश्यकता के बिना) संभव है। प्रस्तुत समाधान अपने स्वयं के द्विआधारी डेटा प्रारूप का उपयोग करके एक ग्राफिक 3 डी दृश्य को मेमोरी में लोड करने के लिए एक अद्वितीय एल्गोरिथ्म का उपयोग करता है, जो गेम इंजन में 3 डी मॉडल के पुनर्निर्माण के समय को कई सेकंड तक कम करने की अनुमति देता है, जो मोबाइल उपकरणों पर प्रोग्राम चलाते समय एक महत्वपूर्ण कारक है।

चित्र 7 में Microsoft Edge वेब ब्राउज़र में चलने वाली वर्चुअल लैब दिखाते हुए एक स्क्रीन शॉट दिखाया गया है, जो HTML5 मानक और WebGL तकनीक पर आधारित 3D ग्राफिक्स के लिए पूर्ण हार्डवेयर समर्थन प्रदान करता है।


चित्र 7 - Microsoft Edge वेब ब्राउज़र में एक वर्चुअल लैब चलाना

नीचे प्रयोगशाला के काम के ऑनलाइन संस्करण हैं, जिसके लिए Microsoft एज वेब ब्राउज़र का उपयोग करने की सिफारिश की गई है, जो Microsoft Windows 40 ऑपरेटिंग सिस्टम का हिस्सा है:

1. आंतरिक ऊर्जा और यांत्रिक कार्य
2. आंतरिक ऊर्जा और विद्युत प्रवाह
3. बॉयल-मैरियट लॉ
4. गे लुसाक कानून
5. वायु आदिबत
6. वास्तविक गैसों और चरण संक्रमण बिंदु
7. लेस्ली क्यूब
8. तापीय चालकता
9. ठोस पदार्थों का ऊष्मीय विस्तार
10. पानी की विसंगति
11. स्टर्लिंग इंजन मॉडल डी
12. स्टर्लिंग इंजन मॉडल जी
13. हीट पंप

एंड्रॉइड ऑपरेटिंग सिस्टम पर आधारित मोबाइल डिवाइस (स्मार्टफोन या टैबलेट) पर प्रयोगशाला का काम करने के लिए, आप वर्चुअल प्रयोगशाला के मोबाइल एप्लिकेशन को डाउनलोड कर सकते हैं।

निष्कर्ष

थर्मोडायनामिक्स की एक आभासी प्रयोगशाला के आधार पर इस लेख में वर्णित सिमुलेशन प्रशिक्षण उपकरणों के कार्यान्वयन का उदाहरण एक सहायक पद्धति उपकरण के साथ शैक्षिक प्रक्रिया को पूरक करने की संभावना को दर्शाता है जो आधुनिक सामान्य और उच्च शिक्षा की आवश्यकताओं और मानकों को पूरा करता है। मल्टीमीडिया शैक्षिक संसाधनों को विकसित करने की सामान्यीकृत अवधारणा में कई मुख्य चरण शामिल हैं: प्रयोगशाला कार्यशाला के वास्तविक कार्यप्रणाली घटक का निर्धारण (प्रभावी प्रयोगशाला उपकरणों की पसंद और इसके संदर्भ और कार्यप्रणाली समर्थन सहित); प्रयोग के सिमुलेशन-संख्यात्मक मॉडल का विकास; सिमुलेशन प्रयोगशाला कार्यशाला के ग्राफिक घटक का कार्यान्वयन; एक सिमुलेशन प्रयोगशाला कार्यशाला के सॉफ्टवेयर घटक का कार्यान्वयन; शैक्षिक प्रक्रिया में सिमुलेशन प्रयोगशाला कार्यशाला का एकीकरण (मौजूदा प्रशिक्षण पाठ्यक्रम में विकास का परिचय या सिमुलेशन प्रयोगशाला कार्यशाला के साथ काम करने पर केंद्रित एक नया प्रशिक्षण पाठ्यक्रम का निर्माण)।

वर्तमान में सिमुलेशन शिक्षा प्रौद्योगिकी के विकास के होनहार क्षेत्रों में से एक बहु-एजेंट प्रशिक्षण प्रणालियों का कार्यान्वयन है, जिनमें से कार्य शैक्षिक सामग्री के गतिशील गठन के साथ व्यक्तिगत शैक्षिक पथ उत्पन्न करने के लिए एल्गोरिदम पर आधारित है। इस तरह की प्रणालियां उपयोगकर्ता के प्रोफाइल की व्यक्तिगत विशेषताओं को ध्यान में रखते हुए, सीखने के माहौल की एक अनुकूली सेटिंग प्रदान करती हैं। ये एल्गोरिदम आपको प्राप्त करने की अनुमति देगा: छात्रों के लिए - एक व्यक्तिगत योजना, सामग्री, कार्यप्रणाली और ई-लर्निंग उपकरण; शिक्षकों के लिए - स्कूलों और विश्वविद्यालयों के लिए गठित दक्षताओं के शिक्षण और विश्लेषण की नवीन प्रौद्योगिकियां - शैक्षिक प्रक्रिया प्रबंधन का एक आधुनिक मॉडल।

ग्रंथ सूची

1. वर्चुअल लैब्स और तकनीकी सिमुलेशन
2. प्रयोगशाला उपकरण 3 बी वैज्ञानिक
3. बिनोदल वक्रों की गणना के लिए विधि
4. वैन डेर वाल्स समीकरण के लिए समान क्षेत्र विधि