Laboratorium termodinamika interaktif sebagai sarana pelatihan simulasi yang efektif

Pendahuluan

Pelatihan simulasi menggunakan sumber daya pendidikan multimedia adalah salah satu bidang yang menjanjikan dari informatisasi pendidikan modern. Dengan pelatihan simulasi kami akan berarti model pelatihan di mana proses dan kondisi fisik mirip dengan yang nyata, tetapi memiliki sejumlah kualitas yang ideal, sebenarnya direproduksi menggunakan perangkat lunak. Kemungkinan interaksi interaktif dengan model virtual dari proses fisik tertentu dapat secara signifikan mengurangi tingkat abstraksi pengetahuan tentang proses ini, yang meningkatkan efisiensi perolehan dan asimilasi pengetahuan ini oleh seseorang [1] .

Objek studi dan pernyataan masalah

Sebagai objek penelitian, kami mempertimbangkan salah satu cabang terpenting dari fisika umum - termodinamika klasik. Dalam konteks kegiatan pendidikan, pengetahuan dalam disiplin ini diajarkan dalam beberapa bentuk, yang utama adalah: bahan teori konsolidasi dalam bentuk kuliah dan buku teks; tugas-tugas praktis dalam bentuk kumpulan tugas dan tes; bengkel laboratorium dalam bentuk pedoman untuk pelaksanaan percobaan laboratorium pada topik teori dasar. Bentuk pengajaran yang terdaftar berbeda dalam tingkat abstraksi informasi yang dikirimkan, dan bersama-sama mereka membentuk gambaran pengetahuan yang paling lengkap dalam disiplin yang dipelajari.

Bentuk pengetahuan yang paling menuntut dalam hal metodologi dan implementasi teknis adalah lokakarya laboratorium. Untuk tujuan ini, laboratorium pelatihan yang dilengkapi khusus yang sepenuhnya memenuhi persyaratan proses pendidikan dibuat di universitas dan perguruan tinggi. Akses tepat waktu ke laboratorium ini, sebagai suatu peraturan, dilakukan dalam proses siswa yang lulus pelatihan penuh waktu. Kemampuan untuk bekerja di laboratorium pendidikan sangat terkait dengan kebutuhan kehadiran fisik siswa di lokasi laboratorium, serta biaya tinggi untuk memelihara dan memelihara laboratorium dalam kondisi operasi intensif.

Ketika seorang siswa menjalani pembelajaran jarak jauh, atau pembelajaran offline tanpa bantuan organisasi pendidikan, kemampuan untuk melakukan eksperimen laboratorium sering benar-benar tidak ada. Seperti yang diperlihatkan oleh praktik, dalam hal ini, siswa berkenalan dengan eksperimen laboratorium melalui video atau animasi yang ditemukan (jika mungkin) dalam domain publik Internet, yang merupakan cara yang tidak efektif untuk mempelajari materi pendidikan yang diperlukan karena kurangnya interaktivitas dan struktur materi, dan sering kali pembatasan bahasa dan rendahnya kualitas bahan yang disajikan.

Mengingat hal tersebut di atas, tugas mendesak bagi pengembang sumber daya multimedia pendidikan adalah penciptaan alat pembelajaran yang akan memberikan proses pendidikan dengan semua fungsi yang diperlukan dalam melakukan pekerjaan eksperimental, berisi bahan metodologis terstruktur, dan berkontribusi pada asimilasi pengetahuan yang efektif dalam bidang studi tertentu. Di sisi teknis, alat pembelajaran ini harus memiliki fleksibilitas untuk diintegrasikan ke dalam berbagai sistem pembelajaran jarak jauh (dalam bentuk aplikasi web dan komponen perangkat lunak), kemampuan untuk berjalan pada perangkat seluler dan komputer pribadi, kinerja tinggi dan kemudahan manajemen.

Contoh penerapan model simulasi percobaan laboratorium

Pertimbangkan percobaan laboratorium "Gas Nyata dan Titik Transisi Fase" dari program termodinamika untuk siswa dan siswa senior sekolah menengah. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengukur gas nyata (sulfur hexafluoride SF6) dan menentukan titik transisi fase. Pengalaman laboratorium dilakukan pada pengaturan laboratorium (Gambar 1) yang diproduksi oleh 3B Scientific [2] .


Gambar 1 - Penampilan analog alami dari pengaturan laboratorium untuk menentukan titik transisi fase gas nyata

Unit laboratorium yang disajikan dilengkapi dengan tangki gas, pengukur untuk mengukur tekanan gas dalam tangki, piston bergerak dengan mekanisme sekrup dan skala, sistem katup dan termometer elektronik untuk mengukur suhu gas. Rotasi roda gila menggantikan piston, yang pada gilirannya mengubah volume bebas dari reservoir gas. Bagian kerja dari reservoir gas terbuat dari bahan yang tembus cahaya, yang memungkinkan Anda untuk mengamati secara visual keadaan zat uji selama percobaan.

Titik transisi fase gas nyata dicirikan oleh suhu kritis, tekanan kritis, dan kerapatan kritis. Di bawah suhu kritis, zat itu dalam kondisi gas pada volume besar dan dalam kondisi cair pada volume kecil. Pada volume antara, itu dapat ada sebagai campuran cair dan gas, di mana perubahan volume dalam kondisi isotermal menyebabkan perubahan dalam keadaan agregasi: fraksi gas meningkat dengan meningkatnya volume, dan tekanan campuran tetap konstan. Karena cairan dan uap memiliki kepadatan yang berbeda, mereka dipisahkan dalam medan gravitasi. Ketika suhu naik, densitas cair menurun, dan densitas gas meningkat sampai kedua densitas ini menjadi sama dengan nilai densitas kritis yang sama. Di atas suhu kritis, gas tidak dapat dikonversi ke kondisi cair. Namun, dalam kondisi isotermal, gas tidak mematuhi hukum gas ideal sampai suhunya naik secara signifikan di atas suhu kritis.

Keadaan gas, tergantung pada parameter tekanan (P), volume (V) dan suhu (T), direpresentasikan menggunakan diagram fase Clapeyron. Sebagai dasar matematika percobaan, model gas van der Waals digunakan:

$$

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

di mana Pr adalah tekanan gas tereduksi sama dengan rasio tekanan aktualnya dengan tekanan pada titik kritis (Pr = P / Pc); Vr adalah volume gas tereduksi yang sama dengan rasio volume aktualnya dengan volume pada titik kritis (Vr = V / Vc); Tr adalah temperatur gas tereduksi yang sama dengan rasio temperatur aktualnya dengan temperatur pada titik kritis (Tr = T / Tc).

Persamaan van der Waals memungkinkan seseorang untuk menghitung isoterm (garis dengan suhu yang sama) untuk gas uji dalam bentuk yang diberikan (Gambar 2).

Gambar 2 - Diagram fase Clapeyron untuk sulfur hexafluoride SF6 tidak termasuk kesetimbangan uap-cair

Seperti dapat dilihat dari diagram pada Gambar 2, pada suhu gas di bawah suhu kritis (Tc), persamaan van der Waals di bagian isoterm di mana dPr / dVr> 0 memiliki karakter berosilasi. Di daerah-daerah ini, zat tersebut dalam bentuk campuran gas dan cairan, dan pada kenyataannya, kondensasi gas terjadi di sepanjang jalur isobarik (volume berubah pada tekanan konstan). Dengan demikian, diagram van der Waals dalam kurva binodal (kurva hitam dalam diagram) [3] tidak cukup menggambarkan perilaku gas nyata.

Untuk mengatasi masalah ini, metode Maxwell dari area yang sama digunakan [4] , esensinya adalah untuk mengganti bagian isotermal yang berosilasi dengan garis horizontal (isobar) yang membagi area yang dijelaskan oleh isoterm menjadi dua area dengan ukuran yang sama (Gambar 3).

Gambar 3 - Untuk metode area yang sama dengan Maxwell

Di bawah ini adalah fragmen kode (Matlab) untuk memecahkan masalah yang dijelaskan [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); 

Untuk menghitung luas dua daerah yang dibentuk oleh isoterm dan isobar, perlu untuk menemukan tiga akar persamaan polinomial:

$$

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

 %    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) 

Hasil perhitungan dapat ditampilkan pada diagram (Gambar 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)) 

Gambar 4 - Hasil perhitungan isobar dengan metode area Maxwell yang sama di Matlab

Bentuk akhir dari fungsi untuk metode area yang sama:

 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; % :  ; :  

Dengan demikian, model matematika akhir percobaan diwakili oleh diagram Clapeyron untuk sulfur hexafluoride, dengan mempertimbangkan kondisi kesetimbangan uap-cair (Gambar 5).


Gambar 5 - Diagram fase Clapeyron untuk sulfur hexafluoride SF6 dengan mempertimbangkan kesetimbangan uap-cair

Seiring dengan komponen matematika, model simulasi percobaan termasuk satu set objek grafis yang secara visual mencerminkan peralatan laboratorium (Gambar 6).


Gambar 6 - Model grafis dari pengaturan laboratorium: 1 - pengukur tekanan; 2 - termostat sirkulasi; 3 - termometer elektronik; 4 - tangki bensin; 5 - mekanisme kontrol volume; 6 - katup pengisian gas

Kesalahan yang dihasilkan secara dinamis mensimulasikan proses sementara (tidak stabil), ketidakakuratan pengukuran, sensitivitas kontrol, dll. Ditambahkan ke nilai yang diukur dalam mode eksekusi percobaan. Model simulasi sepenuhnya menyediakan pengamatan proses fisik dengan kemungkinan mengubah parameter input dan kondisi eksperimental.

Contoh penerapan lokakarya laboratorium virtual

Berdasarkan contoh metodologi untuk menghitung model simulasi proses fisik yang dijelaskan di atas, menggunakan bahasa pemrograman tingkat tinggi AppGameKit , lokakarya laboratorium interaktif termodinamika klasik telah dikembangkan, mencakup topik utama kursus: energi internal, hukum gas, perpindahan panas, ekspansi termal, siklus termodinamika. Pengembangan ini dimaksudkan untuk percobaan laboratorium tanpa adanya peralatan laboratorium nyata. Instalasi laboratorium dilakukan sesuai dengan rekanan aslinya. Setiap pekerjaan laboratorium mencakup pedoman singkat dan informasi rujukan yang diperlukan untuk memproses data eksperimen.

Fitur khas dari laboratorium virtual adalah fleksibilitasnya yang saling melengkapi karena dukungan multi-platform. Pekerjaan laboratorium simulasi dimungkinkan pada komputer pribadi, perangkat seluler, dan di lingkungan browser web (tanpa perlu menginstal perangkat lunak pada perangkat pengguna). Solusi yang disajikan menggunakan algoritme unik untuk memuat adegan 3D grafik ke dalam memori menggunakan format data binernya sendiri, yang memungkinkan pengurangan waktu rekonstruksi model 3D dalam mesin game menjadi beberapa detik, yang merupakan faktor penting ketika menjalankan program pada perangkat seluler.

Gambar 7 menunjukkan tangkapan layar yang menunjukkan lab virtual yang berjalan di browser web Microsoft Edge, yang menyediakan dukungan perangkat keras penuh untuk grafis 3D berdasarkan standar HTML5 dan teknologi WebGL.


Gambar 7 - Menjalankan lab virtual di browser web Microsoft Edge

Berikut ini adalah versi online pekerjaan laboratorium, yang disarankan untuk menggunakan browser web Microsoft Edge, yang merupakan bagian dari sistem operasi Microsoft Windows 10:

1. Energi internal dan kerja mekanik
2. Energi internal dan arus listrik
3. Hukum Boyle-Marriott
4. Hukum Gay Lussac
5. Adiabat udara
6. Gas nyata dan titik transisi fase
7. Leslie Cube
8. Konduktivitas termal
9. Ekspansi termal padatan
10. Anomali air
11. Model Mesin Stirling D
12. Model Mesin Stirling G
13. Pompa panas

Untuk melakukan pekerjaan laboratorium di perangkat seluler (ponsel cerdas atau tablet) berdasarkan sistem operasi Android, Anda dapat mengunduh aplikasi seluler laboratorium virtual.

Kesimpulan

Contoh implementasi alat pelatihan simulasi yang dijelaskan dalam artikel ini berdasarkan pada laboratorium virtual termodinamika menunjukkan kemungkinan melengkapi proses pendidikan dengan alat metodologi tambahan yang memenuhi persyaratan dan standar umum modern dan pendidikan tinggi. Konsep umum pengembangan sumber daya pendidikan multimedia mencakup sejumlah tahapan utama: menentukan komponen metodologis aktual dari bengkel laboratorium (termasuk pilihan peralatan laboratorium yang efektif dan rujukan serta dukungan metodologisnya); pengembangan model simulasi-numerik percobaan; implementasi komponen grafis dari bengkel laboratorium simulasi; implementasi komponen perangkat lunak dari bengkel laboratorium simulasi; integrasi bengkel laboratorium simulasi dalam proses pendidikan (pengenalan pengembangan ke dalam kursus pelatihan yang ada atau pembuatan kursus pelatihan baru yang berfokus pada bekerja dengan bengkel laboratorium simulasi).

Salah satu bidang pengembangan teknologi pendidikan simulasi yang menjanjikan saat ini adalah penerapan sistem pelatihan multi-agen, yang pekerjaannya didasarkan pada algoritma untuk menghasilkan jalur pendidikan individual dengan formasi dinamis konten pendidikan. Sistem tersebut memberikan pengaturan adaptif dari lingkungan belajar, dengan mempertimbangkan karakteristik individu dari profil pengguna. Algoritma ini akan memungkinkan Anda untuk mendapatkan: untuk siswa - rencana yang dipersonalisasi, konten, metodologi dan alat e-learning; untuk guru - teknologi inovatif pengajaran dan analisis kompetensi yang dibentuk, untuk sekolah dan universitas - model modern dari manajemen proses pendidikan.

Referensi bibliografi

1. Lab Virtual dan Simulasi Teknis
2. Peralatan laboratorium 3B Ilmiah
3. Metode untuk menghitung kurva binodal
4. Metode Area Setara untuk Persamaan Van der Waals