⛱️ 👨🏻‍🎤 ↕️ 互动热力学实验室作为模拟培训的有效手段 🙊 🐰 🥈

引言

利用多媒体教育资源进行模拟培训是现代教育信息化的有前途的领域之一。通过模拟训练，我们将意指这样一种训练模型，其中使用软件虚拟地复制与真实过程和条件类似但具有许多理想质量的物理过程和条件。与特定物理过程的虚拟模型进行交互交互的可能性会大大降低有关该过程的知识的抽象水平，从而提高人获得和吸收该知识的效率[1] 。

研究对象和问题陈述

作为研究的对象，我们考虑了普通物理学中最重要的分支之一-经典热力学。在教育活动中，该学科的知识以多种形式进行教授，主要内容是：以讲课和教科书形式的综合理论材料；以任务和测试的集合形式的实际任务；实验室工作坊以指导原则的形式进行有关基础理论专题的实验室实验。列出的教学形式在所传输信息的抽象层次上有所不同，并且一起构成了所研究学科中最完整的知识图景。

就方法论和技术实施而言，最苛刻的知识形式是实验室研讨会。为此，在大学和学院中建立了专门配备的，完全满足教育过程要求的培训实验室。通常，在学生通过全日制培训的过程中，应及时访问这些实验室。在教育实验室工作的能力与学生在实验室内实际存在的需要密不可分，以及在集约化操作条件下维护和维护实验室的高昂成本。

当学生在没有教育组织帮助的情况下进行远程学习或离线学习时，通常会完全缺乏执行实验室实验的能力。实践证明，在这种情况下，学生会通过在互联网的公共领域中找到的视频或动画（如果可能）来熟悉实验室实验，由于缺乏交互性和结构，而且语言通常受限制且学习率较低，因此这是学习所需教学材料的无效方法所展示材料的质量。

鉴于上述情况，多媒体教育资源开发人员的紧迫任务是创建一种学习工具，该工具将为教育过程提供执行实验工作所需的所有必要功能，包含结构化的方法论材料，并有助于特定研究领域中知识的有效吸收。在技术方面，该培训工具应具有灵活性，可以集成到各种远程学习系统中（以Web应用程序和软件组件的形式），在移动设备和个人计算机上运行的能力，高性能和易于管理的能力。

实验室实验模拟模型的示例实现

考虑从热力学课程为中学生和高年级学生提供的实验实验“真实气体和相变点”。该实验的目的是量化实际气体（六氟化硫SF6）并确定其相变点。实验室经验是在3B Scientific [2]制造的实验室设置中进行的（图1）。

图1-用于确定实际气体的相变点的实验室装置的天然类似物的外观

所介绍的实验室设置配备有一个储气罐，一个用于测量储气罐中气压的压力表，一个带有螺杆机构和秤的可移动活塞，一个阀门系统和一个用于测量气体温度的电子温度计。飞轮的旋转使活塞移位，从而改变了储气罐的自由容积。储气罐的工作部分由半透明材料制成，使您可以在实验过程中目视观察待测物质的状态。

实际气体的相变点的特征在于临界温度，临界压力和临界密度。在临界温度以下，该物质大体积呈气态，小体积呈液态。在中等体积下，它可以以液体和气体的混合物形式存在，其中在等温条件下的体积变化会导致聚集状态发生变化：气体分数随体积的增加而增加，并且混合物的压力保持恒定。由于液体和蒸气的密度不同，因此它们在重力场中是分开的。随着温度升高，液体密度降低，气体密度增加，直到这两个密度等于相同的临界密度值。高于临界温度，气体无法转化为液态。但是，在等温条件下，直到其温度明显升高到高于临界温度为止，气体才符合理想气体的规律。

气体的状态取决于Clapeyron相图，取决于压力（P），体积（V）和温度（T）的参数。作为实验的数学基础，使用范德华斯气体模型：

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

$Pr（Vr）= 8Tr /（3Vr-1）-3 / Vr ^ 2$

其中Pr是减压后的气压，等于其实际压力与临界点压力的比率（Pr = P / Pc）； Vr是减少的气体量，等于其实际量与临界点处的量之比（Vr = V / Vc）； Tr是还原后的气体温度，等于其实际温度与临界点温度之比（Tr = T / Tc）。

范德华方程式允许计算给定形式的测试气体的等温线（等温线）（图2）。

图2-六氟化硫SF6的Clapeyron相图不包括气液平衡

从图2的图表可以看出，在低于临界温度（Tc）的气体温度下，等温线的dPr / dVr> 0的那部分的范德华方程具有振荡特性。在这些区域中，该物质为气体和液体的混合物形式，实际上，气体在等压路径上发生冷凝（体积在恒定压力下变化）。因此，所谓的双曲线曲线（图中的黑色曲线） [3]内的范德华曲线图不足以描述真实气体的行为。

为了解决这个问题，使用了等面积的麦克斯韦方法[4] ，其实质是用等温线（等压线）代替振荡等温截面，将等温线描述的区域分成两个等大小的区域（图3）。

图3-麦克斯韦等面积法

以下是用于解决上述问题的代码片段（Matlab）[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);

要计算由等温线和等压线形成的两个区域的面积，有必要找到多项式方程的三个根：

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)

计算结果可以显示在图表上（图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))

图4-通过Matlab中相等的Maxwell面积方法进行等压线计算的结果

等面积方法的函数的最终形式：

 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; % :  ; :

因此，考虑到气液平衡的条件，该实验的最终数学模型由六氟化硫的克拉珀龙图表示（图5）。

图5-考虑到气液平衡的六氟化硫SF6的Clapeyron相图

除数学部分外，实验的仿真模型还包括一组可视化反映实验室设备的图形对象（图6）。

图6-实验室设置的图形模型：1-压力表； 2-循环恒温器； 3-电子体温计； 4-煤气罐; 5-音量控制机制； 6-充气阀

在实验执行模式下，将动态生成的模拟瞬态（非平稳）过程的误差，测量误差，控件的灵敏度等添加到测量值中。该仿真模型完全可以观察物理过程，并且可以更改输入参数和实验条件。

虚拟实验室研讨会的示例实现

基于上述物理过程仿真模型计算方法的示例，使用高级编程语言AppGameKit开发了一个经典热力学的交互式实验室研讨会，涵盖了课程的主要主题：内部能量，气体定律，传热，热膨胀，热力学循环。此开发旨在在没有实际实验室设备的情况下用于实验室实验。实验室的安装是按照实际安装的。每个实验室工作都包含处理实验数据所必需的简要指南和参考信息。

虚拟实验室的显着特征是由于多平台支持而具有的互补灵活性。在个人计算机，移动设备和Web浏览器环境中（无需在用户设备上安装软件），可以进行模拟实验室工作。提出的解决方案使用独特的算法，使用其自己的二进制数据格式将图形3D场景加载到内存中，从而可以将游戏引擎中3D模型的重建时间减少到几秒钟，这是在移动设备上运行程序时的重要因素。

图7是显示在Microsoft Edge Web浏览器中运行的虚拟实验室的屏幕快照，该虚拟实验室为基于HTML5标准和WebGL技术的3D图形提供了完整的硬件支持。

图7-在Microsoft Edge Web浏览器中运行虚拟实验室

以下是实验室工作的在线版本，建议使用Microsoft Edge网络浏览器（它是Microsoft Windows 10操作系统的一部分）进行在线操作：

要在基于Android操作系统的移动设备（智能手机或平板电脑）上执行实验室工作，您可以下载虚拟实验室的移动应用程序。

结论

本文在热力学虚拟实验室的基础上实施模拟培训工具的示例说明，有可能用一种满足现代普通和高等教育要求和标准的辅助方法工具来补充教育过程。开发多媒体教育资源的普遍概念包括多个主要阶段：确定实验室工作坊的实际方法论组成部分（包括选择有效的实验室设备及其参考和方法论支持）；开发实验的模拟数字模型；实施模拟实验室车间的图形部分；实施模拟实验室车间的软件组件；在教育过程中集成模拟实验室讲习班（将开发引入现有的培训课程中或创建新的培训课程，重点是与模拟实验室讲习班一起工作）。

当前，模拟教育技术发展的有希望的领域之一是实施多主体培训系统，该系统的工作基于生成具有动态教育内容的个体教育路径的算法。考虑到用户配置文件的各个特征，此类系统提供了学习环境的自适应设置。这些算法将使您获得：对于学生-个性化的计划，内容，方法和电子学习工具；对于教师-学校和大学的教学和形成能力分析的创新技术-教育过程管理的现代模式。

互动热力学实验室作为模拟培训的有效手段

引言

研究对象和问题陈述

实验室实验模拟模型的示例实现

虚拟实验室研讨会的示例实现

结论

参考书目

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