Summary
يقدم هذا العمل تجربة محاكاة افتراضية ثلاثية الأبعاد لتشوه المواد وفشلها توفر عمليات تجريبية مرئية. من خلال مجموعة من التجارب ، يمكن للمستخدمين التعرف على المعدات وتعلم العمليات في بيئة تعليمية غامرة وتفاعلية.
Abstract
يقدم هذا العمل مجموعة من التجارب الافتراضية الشاملة للكشف عن تشوه المواد وفشلها. يتم دمج قطع المعدات الأكثر استخداما في تخصصات الميكانيكا والمواد ، مثل آلة قطع المعادن وآلة اختبار الزحف العالمية ذات درجة الحرارة العالية ، في نظام قائم على الويب لتوفير خدمات تجريبية مختلفة للمستخدمين في بيئة تعليمية غامرة وتفاعلية. ينقسم البروتوكول في هذا العمل إلى خمسة أقسام فرعية ، وهي إعداد المواد ، وتشكيل العينة ، وتوصيف العينات ، وتحميل العينات ، وتركيب nanoindenter ، وتجارب SEM في الموقع ، ويهدف هذا البروتوكول إلى توفير فرصة للمستخدمين فيما يتعلق بالتعرف على المعدات المختلفة والعمليات المقابلة ، وكذلك تعزيز الوعي المختبري ، إلخ ، باستخدام نهج المحاكاة الافتراضية. لتوفير إرشادات واضحة للتجربة ، يسلط النظام الضوء على المعدات / العينة التي سيتم استخدامها في الخطوة التالية ويحدد المسار الذي يؤدي إلى الجهاز بسهم واضح. لمحاكاة التجربة العملية قدر الإمكان ، قمنا بتصميم وتطوير غرفة مختبر ثلاثية الأبعاد ومعدات وعمليات وإجراءات تجريبية. علاوة على ذلك ، يأخذ النظام الافتراضي أيضا في الاعتبار التمارين التفاعلية والتسجيل قبل استخدام المواد الكيميائية أثناء التجربة. يسمح أيضا بالعمليات غير الصحيحة ، مما يؤدي إلى ظهور رسالة تحذير لإعلام المستخدم. يمكن للنظام توفير تجارب تفاعلية ومرئية للمستخدمين على مستويات مختلفة.
Introduction
الميكانيكا هي واحدة من التخصصات الأساسية في الهندسة ، كما يتضح من التركيز على أساس الميكانيكا الرياضية والمعرفة النظرية والاهتمام بتنمية القدرات العملية للطلاب. مع التقدم السريع للعلوم والتكنولوجيا الحديثة ، كان لعلوم وتكنولوجيا النانو تأثير كبير على حياة الإنسان والاقتصاد. أعلنت ريتا كولويل ، المديرة السابقة لمؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) ، في عام 2002 أن تكنولوجيا النانو سيكون لها تأثير مساو للثورة الصناعية1 وأشارت إلى أن تكنولوجيا النانو هي حقا بوابة لعالم جديد2. تعد الخواص الميكانيكية للمواد على المستوى النانوي أحد أهم العوامل الأساسية والضرورية لتطوير تطبيقات التكنولوجيا الفائقة ، مثل أجهزة النانو3،4،5. أصبح السلوك الميكانيكي للمواد على المستوى النانوي والتطور الهيكلي تحت الضغط قضايا مهمة في أبحاث الميكانيكا النانوية الحالية.
في السنوات الأخيرة ، أدى تطوير وتحسين تقنية المسافة البادئة النانوية ، وتكنولوجيا الفحص المجهري الإلكتروني ، والمجهر المسبار الماسح ، وما إلى ذلك ، إلى جعل تجارب "الميكانيكا في الموقع" تقنية اختبار متقدمة مهمة في أبحاث الميكانيكا النانوية 6,7. من الواضح ، من منظور التدريس والبحث العلمي ، أنه من الضروري إدخال التقنيات التجريبية الحدودية في محتوى التدريس التقليدي فيما يتعلق بالتجارب الميكانيكية.
ومع ذلك ، فإن تجارب الميكانيكا المجهرية تختلف اختلافا كبيرا عن تجارب الميكانيكا الأساسية العيانية. من ناحية ، على الرغم من أن الأدوات والمعدات ذات الصلة قد تم تعميمها في جميع الكليات والجامعات تقريبا ، إلا أن عددها محدود بسبب ارتفاع السعر وتكلفة الصيانة. على المدى القصير ، من المستحيل شراء معدات كافية للتدريس دون اتصال بالإنترنت. حتى إذا كانت هناك موارد مالية ، فإن تكاليف إدارة وصيانة التجارب غير المتصلة بالإنترنت مرتفعة للغاية ، لأن هذا النوع من المعدات له خصائص عالية الدقة.
من ناحية أخرى ، فإن تجارب الميكانيكا في الموقع مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) شاملة للغاية ، مع متطلبات تشغيلية عالية وفترة تجريبية طويلة للغاية 8,9. تتطلب التجارب غير المتصلة بالإنترنت أن يكون الطلاب شديدي التركيز لفترة طويلة ، ويمكن أن يؤدي سوء التشغيل إلى إتلاف الأداة. حتى مع الأفراد المهرة للغاية ، تتطلب التجربة الناجحة بضعة أيام لإكمالها ، من إعداد العينات المؤهلة إلى تحميل العينات لتجارب الميكانيكا في الموقع. لذلك ، فإن كفاءة التدريس التجريبي دون اتصال بالإنترنت منخفضة للغاية.
لمعالجة القضايا المذكورة أعلاه ، يمكن استخدام المحاكاة الافتراضية. يمكن أن يؤدي تطوير تدريس تجربة المحاكاة الافتراضية إلى معالجة اختناق التكلفة والكمية للمعدات التجريبية للميكانيكا في الموقع ، وبالتالي ، يسمح للطلاب باستخدام مختلف القطع المتقدمة من المعدات بسهولة دون الإضرار بالأدوات عالية التقنية. كما يتيح تدريس تجربة المحاكاة للطلاب الوصول إلى منصة تجربة المحاكاة الافتراضية عبر الإنترنت في أي وقت وفي أي مكان. حتى بالنسبة لبعض الأدوات منخفضة التكلفة ، يمكن للطلاب استخدام الأدوات الافتراضية مسبقا للتدريب والممارسة ، مما قد يحسن كفاءة التدريس.
بالنظر إلى إمكانية الوصول إلى الأنظمة المستندة إلى الويب وتوافرها10 ، في هذا العمل ، نقدم نظام تجربة محاكاة افتراضية على شبكة الإنترنت يمكن أن يوفر مجموعة من التجارب المتعلقة بالعمليات الأساسية في الميكانيكا والمواد ، مع التركيز على تجربة الميكانيكا في الموقع .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
في هذا العمل ، تمت مناقشة إجراءات تجربة كسر شعاع الكابولي الدقيق مع الشقوق على النحو التالي ، وهو مفتوح للوصول المجاني عبر http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. يتم إجراء جميع الخطوات في النظام عبر الإنترنت بناء على نهج المحاكاة الافتراضية. لم تكن موافقة مجلس المراجعة المؤسسية مطلوبة لهذه الدراسة. تم الحصول على موافقة الطلاب المتطوعين الذين شاركوا في هذه الدراسة.
1. الوصول إلى النظام والدخول إلى الواجهة
- افتح متصفح الويب ، وأدخل عنوان URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd للوصول إلى النظام.
ملاحظة: يمكن الوصول إلى عنوان URL المقدم من خلال متصفح الويب السائد بدون اسم مستخدم وكلمة مرور. - ابحث عن واجهة المحاكاة الافتراضية باستخدام شريط التمرير العمودي.
ملاحظة: يتم تضمين المشهد الظاهري في الويب. - انقر على أيقونة ملء الشاشة في الزاوية اليمنى السفلية لتمكين واجهة ملء الشاشة .
- انقر فوق الزر "بدء التجربة" للبدء.
- انقر فوق الزر Enter لاتباع الإرشادات للمبتدئين ، أو انقر فوق الزر تخطي لتخطي هذه الخطوة.
ملاحظة: يمكن للمستخدم اختيار المتابعة (زر الإدخال) أو التخطي (زر التخطي ). توفر إرشادات المبتدئين أوصافا للنظام بأكمله. تبرز الواجهة أيضا تعليمات التشغيل خطوة بخطوة لإجراء العمليات أو المعدات المقصودة. يوضح الشكل 1 المعدات المستخدمة في التجربة ، بما في ذلك سبعة أنواع من المعدات في التخصصات الميكانيكية والمادية. ينصح المبتدئين باتباع هذا التوجيه.
2. تحضير المواد
- ابدأ التجربة بعد الانتهاء من التدريب على مستوى المبتدئين. اتبع المطالبات الموجودة على الواجهة "للمشي" بالقرب من طاولة المختبر التي تحتوي على رقائق السيليكون ، وراجع الاختلافات بين رقائق السيليكون من النوع العادي ونوع الكراك ، وحدد قالب الكراك.
ملاحظة: أدخل واجهة التجربة، وقم بإجراء التجارب وفقا لإرشادات المسار المميز. يتم توفير التوجيه المميز طوال العملية لتقديم إرشادات واضحة للتجريب. - حدد مادة من قائمة المواد المتوفرة.
ملاحظة: تشمل قائمة المواد المقدمة الذهب والفضة و PtCuNiP و ZrTiCuNiBe والبولي إيثر كيتون (PEEK) وبولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA). - قم بتحميل المادة المحددة على مشبك القاطع بنقرة على المادة المميزة. انقر فوق زر التشغيل / الإيقاف المميز (على الجانب الأيمن) لتشغيل مشبك القاطع ، وانقر فوق الزر "سرعة" (على الجانب الأيسر) ، واضبط سرعة آلة القطع المعدنية في واجهة منبثقة.
ملاحظة: يمكن للمستخدم ضبط السرعة المناسبة كما يحلو له. بمجرد ضبط السرعة من قبل المستخدم ، سيتم تنشيط مشبك القاطع ، وسيتم تقطيع الشريط الخام إلى شرائح رفيعة. - قم بتكديس القالب والصفائح المعدنية وألواح الغطاء معا بالتناوب عن طريق النقر فوق الكائن المميز وسحبه كما هو موضح في واجهة المستخدم.
ملاحظة: بعد قطع المادة ، تعد خطوة التجميع هذه ضرورية قبل صب قالب النانو.
3. صب العينة
- امش فعليا إلى آلة اختبار الزحف العالمية ذات درجة الحرارة العالية باتباع الإرشادات الموضحة في الشكل 2 ، وضع العينات المكدسة فعليا بين مشابك الألواح لآلة اختبار الزحف العالمية.
ملاحظة: بعد هذه الخطوة ، سيتم تمييز الكمبيوتر الظاهري الموجود على الجانب الأيسر من آلة اختبار الزحف العالمي ذات درجة الحرارة العالية. - انقر فوق الكمبيوتر الظاهري ، واضبط مخطط الاختبار على كمبيوتر التحكم في آلة اختبار الزحف العالمية.
ملاحظة: بعد هذه الخطوة ، سيتم تسليط الضوء على المعدات المساعدة لآلة اختبار الزحف العالمية ذات درجة الحرارة العالية للتدفئة وضخ الفراغ لتوفير التوجيه للمستخدم. - انقر فوق معدات التدفئة وضخ الفراغ المميزة ، وقم بتشغيل مصدر الطاقة. افتح المضخة الميكانيكية الافتراضية وصمام الدعم في الواجهة بالنقر فوق الأزرار المميزة.
ملاحظة: تكمل هذه الخطوة إعدادات التحكم في فراغ النظام في نظام التحكم في الفراغ لآلة اختبار الزحف العالمية. - انقر فوق الزر مسح في لوحة التحكم الخاصة بآلة اختبار الزحف العالمية لمسح البيانات. انقر فوق الزر "تشغيل " في لوحة التحكم الخاصة بآلة اختبار الزحف العالمية لإكمال التجربة ، والتي تنسخ النمط الموجود على القالب إلى الصفائح المعدنية باستخدام طريقة قولبة ضغط اللوحة المتوازية.
ملاحظة: بعد اكتمال صب القالب ، قم بإزالة العينة ، وأغلق صمام الدعم والمضخة الميكانيكية ، وما إلى ذلك ، لمعدات التدفئة وضخ الفراغ بالنقر فوق الأزرار بدورها كما هو مطلوب (في معدات التدفئة والضخ بالتفريغ الحقيقية ، قد يتسبب الترتيب العكسي في احتراق المضخة الجزيئية). - انقر فوق Virtual Computer مرة أخرى ، وتحقق من البيانات التجريبية على كمبيوتر التحكم في آلة اختبار الزحف العالمية.
- افتح لوحة الغطاء على آلة ترصيع العينات المعدنية ، وضع العينة.
- انقر فوق مسحوق PMMA المميز لصب المسحوق المحضر ، وانقر فوق القالب المميز لوضعه فوق مسحوق PMMA.
- انقر على عجلة اليد المميزة لضبط موضع القالب ، والذي سيغطي لوحة الغطاء تلقائيا. انقر فوق الزر ON / OFF لتشغيل آلة الترصيع. أخرج عينة PMMA المرصعة بعد التبريد.
ملاحظة: يجب تركيب العينة المصبوبة على آلة التطعيم، كما هو موضح في الشكل 3، حيث يتم استخدام مادة اللدائن الحرارية PMMA في التجربة. تأكد من ذوبان مسحوق PMMA والالتصاق بسطح العينة. توضح الزاوية السفلية اليسرى من الشكل 4 الاتجاه الصحيح بعد أن يؤكد المستخدم التحديد الموضح في الشكل 3.
- أدخل غرفة التلميع والتآكل باتباع إرشادات المسار ، كما هو موضح في الشكل 5. ابحث عن آلة التلميع المميزة ، وانقر على قابض آلة التلميع لتركيب العينة المرصعة على القابض. اضبط السرعة لطحن وتلميع العينة لإزالة ركيزة المواد المقولبة.
ملاحظة: قم بطحن القالب على جانب واحد من القالب حتى ينكشف النمط الموجود على القالب.
4. توصيف العينة
- سجل في دفتر الملاحظات الإلكتروني قبل استخدام مادة كيميائية. افتح خزانة تخزين المواد الكيميائية ، وأخرج محلول KOH الصلب والأسيتون. انقر فوق الدورق المظلل لاستخدام محلول الأسيتون لتنظيف العينة. انقر فوق دورق مظلل آخر و KOH صلب لتحضير سائل التآكل لتحضير محلول KOH بنسبة 10٪. انقر فوق حل KOH المميز والعينة لتآكل العينة في عينة معدنية.
ملاحظة: في هذه التجربة ، لإزالة قالب السيليكون ، عادة ما يتم تحضير محلول 6 مول / لتر KOH ، ويتم وضع العينة في محلول التحضير ، ويتم وضع الدورق الذي يحتوي على محلول التآكل والعينة على صفيحة ساخنة للتسخين لتسريع معدل التآكل. - قم بتنظيف العينة بعد إزالة ركيزة السيليكون ، وقم بإجراء اختبار مميز باستخدام العينة المعدة تحت المجهر الضوئي.
ملاحظة: تذكر تحديد سلامة العينة بعد الطحن والتآكل.
5. تحميل العينات وتركيب nanoindenter
- قم بتحميل العينة على مرحلة العينة من nanoindenter. اختر المسافة البادئة المخروطية لتركيبها على برنامج تشغيل نظام اختبار الميكانيكا الدقيقة والنانوية. انقر فوق محرك الأقراص المميز لتوصيله ب nanoindenter.
ملاحظة: يجب إدخال "الدبوس" في عمود الإدارة عند تثبيت المسافة البادئة ، وبما أن عمود الإدارة عبارة عن قضيب رفيع ، فإن المزلاج يتجنب إتلاف عمود الإدارة عند شد المسافة البادئة بنهاية ملولبة في محرك الأقراص.
6. تجربة SEM في الموقع
- انقر فوق الزر Vent في برنامج التحكم SEM بعد تثبيت المسافة البادئة ل nanoindenter وتحميل العينة كما هو موضح في 5.1.
- افتح غرفة SEM بعد كسر الفراغ ، وقم بتثبيت nanoindenter في مرحلة عينة SEM ، وقم بتوصيل الأسلاك (يوضح الشكل 6 مثالا على توصيل أحد الأسلاك).
- افتح برنامج التحكم الخاص ب nanoindenter، وحدد نطاق المسافة البادئة المحملة > حدد البروتوكول التجريبي > وحدة التحكم في بدء التشغيل > Init* (تهيئة مرحلة العينة).
ملاحظة: يجب إجراء عملية تهيئة الموضع لمرحلة عينة nanoindenter في الحالة التي يكون فيها تجويف SEM مفتوحا لتجنب عملية التهيئة لمرحلة عينة nanoindenter التي تصل إلى قطب منفذ مخرج الإلكترون SEM. - أغلق غرفة SEM ، وانقر على زر المضخة في برنامج التحكم في SEM.
- انقر فوق الزر لأعلى أو لأسفل في برنامج التحكم في SEM لضبط موضع مرحلة العينة بحيث تقع العينة المراد قياسها في مجال رؤية SEM. انقر فوق الزر "موافق " لإصلاح الموضع. انقر فوق الزر EHT المميز لتشغيل مسدس الإلكترون. انقر فوق زر الكاميرا ، وانتقل إلى وضع مراقبة المجهر الإلكتروني.
ملاحظة: يجب التحكم في المسافة البادئة لل nanoindenter في وضع المراقبة للاقتراب تدريجيا من العينة المراد قياسها. - انقر فوق الزر "تشغيل" في برنامج التحكم الخاص ب nanoindenter.
ملاحظة: أثناء التجربة ، من الضروري مراقبة وتسجيل خصائص التشوه وعملية الفشل أثناء عملية تحميل العينة وفتح البيانات الأصلية للتجربة في نافذة تحليل البيانات بعد اكتمال التجربة لرسم البيانات وتصديرها. - انقر فوق الزر "إيقاف" في برنامج التحكم الخاص ب nanoindenter لإنهاء التجربة.
ملاحظة: تنتهي تجربة المحاكاة الافتراضية هنا. يطلب من المستخدم إكمال تمرين الاختبار عبر الإنترنت في الواجهة الافتراضية بعد التجربة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
يوفر النظام إرشادات واضحة لعمليات المستخدم. أولا ، يتم دمج التدريب على مستوى المبتدئين عندما يدخل المستخدم إلى النظام. ثانيا، يسلط الضوء على المعدات وغرفة المختبر التي ستستخدم في عملية الخطوة التالية.
يمكن استخدام النظام لعدة أغراض تعليمية مختلفة لمستويات مختلفة من الطلاب. على سبيل المثال ، يتضمن الشكل 1 سبعة من أكثر أنواع المعدات استخداما في التخصصات الميكانيكية والمادية ، وهي آلة قطع المعادن ، وآلة اختبار الزحف العالمية ذات درجة الحرارة العالية ، وآلة ترصيع العينات المعدنية ، وآلة التلميع ، والمجهر الضوئي ، SEM ، ونظام اختبار الميكانيكا الدقيقة والنانوية. في إرشادات المبتدئين ، يمكن للمستخدم التعرف على أوصاف جميع المعدات المستخدمة في التجربة. بعد ذلك ، يتم استخدام جميع المعدات واحدة تلو الأخرى لإكمال التجربة. يمكن للطلاب اختيار المعدات للتجارب المتكررة حتى يتقنوا مهارات التشغيل.
يوضح الشكل 3 والشكل 4 أيضا أن النظام يمكن أن يعزز تصميم المخطط التجريبي جنبا إلى جنب مع العمليات التجريبية ، والتي يمكن أن توفر التحقق الفوري. في الشكل 3 ، يجب على المستخدم اختيار وضع العينة في الاتجاه الصحيح لإنشاء عينة مصبوبة. يوضح الشكل 4 واجهة استخدام آلة ترصيع العينات المعدنية ، والتي توضح أيضا النتائج (كما هو موضح في الزاوية السفلية اليسرى من الشكل 4) للخطوة السابقة بعد تأكيد المستخدم للاختيار ، كما هو موضح في الشكل 3. يوضح الشكل 7 النتائج التجريبية للميكانيكا في الموقع لحزمة الكابولي الدقيقة ذات الشقوق المحددة مسبقا. من خلال تحليل النتائج ، يمكن للمستخدم تحديد كيفية الحصول على النتائج.
يحاكي هذا البروتوكول السيناريو الذي يطلب فيه من الطلاب تقييم حجم الحمل ووقت التحميل للتجربة الريولوجية للوحة المتوازية وفقا لنسبة الطول إلى القطر للعينة المراد تحضيرها. يحتاج المجرب إلى تحليل العلاقة بين نسبة الطول إلى القطر للسائل اللزج المتدفق إلى قالب ثقب أسطواني ، والضغط p 0 ، والوقت t بقطر d تحت تأثير الضغط الثابت p 0. هذه العلاقة موضحة أدناه:
حيث L هو الطول ، d هو قطر قالب الثقب الأسطواني ، p0 هو الضغط الثابت ، η هي لزوجة المادة ، و t هو وقت التحميل. بمجرد إعطاء p0 و η و L / d ، يمكن حساب t . إذا تضاعف L / d ، فسيكون وقت التحميل أكبر بأربع مرات من ذي قبل. يوضح الشكل 8 العلاقة بين نسبة الطول إلى القطر للزجاج المعدني المتدفق إلى فتحة القالب والوقت.
في تجارب العالم الحقيقي ، وجد أن الطلاب غالبا ما يستخدمون نهج التجربة والخطأ - أي ضبط حجم الحمل أو مدة التحميل باستمرار حتى يتم إجراء العينة المطلوبة أخيرا. في هذا البروتوكول ، يتم توفير واجهة تفاعلية للتحقق من صحة المعرفة النظرية ، ويتم تحديد وقت التحميل وفقا لقيم المعلمات المقدمة (لزوجة المواد ، وحجم العينة الأولي ، وحجم الحمل). يتم توفير سؤال توجيهي على النحو التالي: "الزجاج المعدني هو سائل نيوتوني بلزوجة η = 107 Pa·s عند درجة الحرارة التجريبية لصب القالب. لا يوجد انزلاق للسائل عند حدود ملامسة القالب. من الضروري تحضير عينة أسطوانية بنسبة طول إلى قطر 5. إذا تمكنت التجربة من تطبيق كمية كبيرة من الضغط تبلغ 100 ميجا باسكال ، فكم من الوقت يجب أن يكون وقت التحميل؟ إذا زادت نسبة الطول إلى القطر بمقدار 1x ، فكم مرة يزداد وقت التحميل بسعر؟ يجب على الطلاب معرفة الإجابات ، وتعيين مخطط الاختبار وفقا لذلك ، ثم إجراء تجاربهم.
بعد التجربة ، يطلب من الطلاب الإجابة على بعض الأسئلة من أنواع مختلفة ، مثل أسئلة ملء الفراغ وأسئلة الاختيار من متعدد الإجابات ذات الإجابة الواحدة / متعددة الإجابات (MCQ) ، والتي تركز على الخطوات الرئيسية أثناء تجربة المحاكاة الافتراضية لتعزيز معرفتهم النظرية والتجريب. يوضح الجدول 1 أمثلة الأسئلة لممارسة الاختبار عبر الإنترنت بعد التجربة. من خلال التمارين المتكاملة ، يمكن للمستخدمين مراجعة العملية الكاملة للتجربة بشكل منهجي وربط النظرية بالتجربة.
وتعني مجموعة التجارب التي يتيحها تنفيذ المحاكاة الافتراضية المقترحة أنه يمكن توفير الخبرات المرئية والتفاعلية التالية المعززة بالمعرفة والمعززة بالمهارات: (1) بيئة تعلم افتراضية غامرة حيث يمكن للمستخدمين "المشي" وفهم تخطيط غرف المختبر وتفاصيل كل معدة من المعدات؛ 2) العمليات على قطع نموذجية مختلفة من المعدات في التخصصات الميكانيكية والمادية لإتقان مهارات التشغيل ؛ 3) تعزيز الوعي بالسلامة من خلال العمليات والتحذيرات الخاطئة ؛ 4) التجارب المتكررة والتجارب الزمنية الأقصر بدلا من مدة التجارب ؛ 5) اتباع بروتوكول المختبرات التقليدية قدر الإمكان حتى يكون المستخدمون على دراية بالإجراءات و "dos" و "لا يفعلون" حتى في البيئة الافتراضية.
تقليديا ، نظرا للكمية المحدودة من المعدات واحتلال طلاب الدراسات العليا لأغراض البحث ، نادرا ما تتاح للطلاب الجامعيين فرصة إجراء تجارب على المعدات المادية. يمكن أن يساعد نظام المحاكاة الافتراضي الذي يدمج أنواعا مختلفة من المعدات في توفير تجارب يمكن الوصول إليها وتكرارها في وقت واحد لتعزيز مهاراتهم المختبرية. بعد نشره ، تم تطبيق النظام الافتراضي في فصول الخريف من العامين الدراسيين 2020 و 2021 للطلاب ذوي خلفيات الميكانيكا الهندسية. يوضح الجدول 2 نتائج التجربة ، والتي تشمل متوسط وقت الانتهاء ، والانحراف المعياري لوقت الانتهاء ، ومتوسط درجات السنوات المختلفة. يتم حساب متوسط الدرجات (100 في المجموع) بناء على تقييم التجربة (70٪ ، التي تم تقييمها بواسطة النظام) وتقرير المختبر على الويب (30٪ ، تم تقييمها من قبل المعلم). توضح النتائج أنه يمكن للطلاب ، في المتوسط ، إكمال التجربة في ~ 73 دقيقة باستخدام متصفح الويب ، وهو فعال من حيث الوقت ويتحقق من كفاءة النظام المستند إلى الويب بناء على نهج المحاكاة الافتراضية. في عام 2022 ، أجرينا دراسة لإثبات كفاءة البروتوكول المقترح. تم تقسيم الطلاب من فصلين من خلفيات الميكانيكا الهندسية (فصلان مع نفس المعلم ونفس وحدات الفصل ، مقسمة إلى فصلين لأسباب تتعلق بحجم الفصل) إلى مجموعتين (فصل واحد لكل مجموعة). حضر طلاب المجموعة 1 إلى المختبر المادي لتعلم المعرفة النظرية ومشاهدة العمليات من المعلم ، بينما استخدم الطلاب من المجموعة 2 الواجهة الافتراضية التي تم تطويرها بناء على المختبر المادي (بما في ذلك التخطيط والمعدات) لتجربتهم. يوضح الجدول 3 نتائج الامتحان عبر الإنترنت (بمجموع درجات 10) للطلاب الذين ليس لديهم (المجموعة 1) ومع (المجموعة 2) تجربة الواجهة الافتراضية. يمكن الاستنتاج أن الطلاب الذين لديهم تجربة الواجهة الافتراضية كان أداؤهم أفضل من أولئك الذين ليس لديهم الخبرة.
الشكل 1: المعدات ثلاثية الأبعاد المطورة المستخدمة أثناء التجارب. يمكن الاستنتاج أنه من خلال تجربة المحاكاة الافتراضية هذه ، يمكن تدريب المستخدم على التعرف على المعدات الأكثر استخداما في التخصصات الميكانيكية والمادية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: آلة اختبار الزحف العالمية ذات درجة الحرارة العالية المميزة في غرفة مختبر المحاكاة الافتراضية. بعد الانتهاء من الخطوة السابقة (قطع العينة) ، يتم إنشاء الخطوة التالية تلقائيا ، والتي إما تسلط الضوء على الجهاز (عندما يكون الجهاز قريبا) أو المسار المؤدي إلى الجهاز (عندما لا يكون الجهاز قريبا). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: واجهة اختيار اتجاه وضع العينة. يجب على المستخدم اختيار اتجاه الموضع الصحيح للعينة لمتابعة الخطوة التالية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: واجهة استخدام آلة ترصيع العينات المعدنية. تظهر نتائج الخطوة السابقة بعد تأكيد المستخدم للاختيار (في الشكل 3) في الزاوية اليسرى السفلية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: الواجهة مع توجيه المسار المميز. يتم توجيه المستخدم لدخول غرفة لتلميع وتآكل العينة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: الأسلاك لآلة SEM. يجب على المستخدم توصيل الأسلاك لمتابعة التجربة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: نتائج العملية التجريبية للميكانيكا في الموقع لحزمة الكابولي الدقيقة ذات الشقوق المحددة مسبقا. يظهر المنحنيان مثالا على النتائج التجريبية للميكانيكا في الموقع لحزمة ناتئ صغيرة مع شقوق محددة مسبقا. أ: منحنى زمن الإزاحة، ب: منحنى الإجهاد والانفعال. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: الحساب على أساس المعرفة النظرية. العلاقة بين نسبة الطول إلى القطر للزجاج المعدني المتدفق في فتحة القالب والوقت. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 9: يوضح التحذير أن عملية خاطئة قد أضرت بالنطاق. يمكن للمستخدمين النقر فوق الزر لرفع / خفض مستوى كاشف SEM. ومع ذلك ، إذا ارتفع مستواهم كثيرا ، فسوف يتلف كاشف SEM. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 10: دفتر الملاحظات الإلكتروني للتسجيل عبر الإنترنت قبل استخدام مادة كيميائية. قبل عملية التآكل ، يجب على المستخدم تسجيله في دفتر الملاحظات ، وهو نفس الإجراء في المختبر الفيزيائي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| معرف | نوع سؤال الاختبار | تفاصيل السؤال | توفير الخيارات |
| 1 | املأ الفراغ بالسؤال | في هذه التجربة ، تم استخدام محلول __ لتآكل رقاقة السيليكون. | اي |
| 2 | إجابة واحدة MCQ | عند استخدام آلة اختبار الزحف العالمية ذات درجة الحرارة العالية للتجربة ، أي من المواد التالية يمكن اعتبارها سائلا نيوتنيا؟ | A. المعادن التقليدية |
| B. سبيكة غير متبلورة | |||
| 3 | إجابة واحدة MCQ | إذا تم تقدير أن العينة تتحمل القوة القصوى البالغة 60 مللي نيوتن ، فعندئذ في اختيار النطاق ، اختر InForce 50 أو InForce 1000؟ | A. القوة 50 |
| B. القوة 1000 | |||
| 4 | متعدد الإجابات MCQ | يمكن استخدام نانوإندينتر للقياس؟ | A. صلابه |
| B. معامل المرونة | |||
| جيم - صلابة الكسر | |||
| د. مرونة اللزوجة | |||
| 5 | إجابة واحدة MCQ | SEM هو اختصار ل | A. المجهر الضوئي |
| B. المجهر الإلكتروني الماسح | |||
| جيم - المجهر الإلكتروني النافذ |
الجدول 1: أمثلة أسئلة لممارسة الامتحان عبر الإنترنت بعد التجربة. يطلب من المستخدمين إكمال أنواع مختلفة من الأسئلة حتى يتمكنوا من مراجعة العملية الكاملة للتجربة بشكل منهجي وربط النظرية بالتجربة.
| سنة | عدد الطلاب | متوسط وقت الانتهاء | الانحراف المعياري لوقت الانتهاء | متوسط الدرجات |
| 2021 | 58 | 71 دقيقة و 46 ثانية | 11 دقيقة و 39.5 ثانية | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 دقيقة و 3 ثوان | 11 دقيقة و 15.4 ثانية | 80.21 |
الجدول 2: نتائج التجارب في سنوات مختلفة. أكمل الطلاب ذوو الخلفيات الميكانيكية الهندسية التجارب في عامين دراسيين مختلفين.
| معرف المجموعة | عدد الطلاب | متوسط الدرجات | الانحراف المعياري للدرجة |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
الجدول 3: نتائج الامتحان عبر الإنترنت (بمجموع درجات 10) للطلاب بدون (المجموعة 1) ومع (المجموعة 2) تجربة الواجهة الافتراضية. تم تقسيم الطلاب ذوي الخلفيات الميكانيكية الهندسية إلى مجموعتين في عام 2022 لإثبات كفاءة البروتوكول.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تتمثل إحدى مزايا تجارب المحاكاة الافتراضية في أنها تسمح للمستخدمين بإجراء التجارب دون مخاوف بشأن إتلاف النظام المادي أو التسبب في أي ضرر لأنفسهم11. وبالتالي ، يمكن للمستخدمين إجراء أي عمليات ، بما في ذلك العمليات الصحيحة أو الخاطئة. ومع ذلك ، يمنح النظام المستخدم رسالة تحذير مدمجة في التجربة التفاعلية لإرشادهم لإجراء التجارب بشكل صحيح عند إجراء عملية خاطئة. بهذه الطريقة ، يمكن للمستخدمين معرفة العمليات الصحيحة. على سبيل المثال ، عندما يقوم المستخدم بإجراء عمليات على SEM ، كما هو موضح في الشكل 9 ، فقد يرفع مستوى كاشف SEM كثيرا ويتلفه عن طريق الصدفة.
على غرار التجارب العملية في المختبرات الفيزيائية ، يجب على المستخدمين الذين يجرون تجارب افتراضية أيضا اتباع الإجراءات الصحيحة ، والتي يمكن أن تعزز تجاربهم ووعيهم بالسلامة. على سبيل المثال ، كما هو موضح في الشكل 10 ، عند إعداد محلول KOH لعملية تآكل العينة في عينة معدنية ، يجب على المستخدم التسجيل في دفتر ملاحظات قبل استخدام المادة الكيميائية.
على الرغم من أن هذا النظام يوفر بيئة افتراضية معقدة وشاملة لتشويه المواد وتجربة الفشل ، إلا أن القيد الرئيسي هو أنه يفتقر حاليا إلى تخصيصات المستخدم. يتبع المستخدمون الخطوات لإجراء التجارب ، ونادرا ما تتاح لهم الفرصة لتنفيذ أفكارهم. ومع ذلك ، يمكن تحسين النظام لتزويد الطلاب بمزيد من الحرية لتنفيذ أفكارهم وإنشاء تصميماتهم وتطبيقاتهم الخاصة.
كانت المحاكاة الافتراضية ثلاثية الأبعاد موضوعا مهما في جميع أنحاء العالم خلال العقد الماضي من حيث توفير واجهات غامرة للمشاركة والتعلم12,13. أجريت دراسات بشأن المحاكاة الافتراضية في مختلف التخصصات ، مثل هندسة التحكم14 لاعتبارات السلامة 15 وفي الهندسة الكيميائية لممارسة الإنتاج16. في تخصص المواد والميكانيكا ، يمكن استخدام النظام لتدريب الطلاب فيما يتعلق بالبروتوكولات التجريبية ، واستخدام المعدات ، والتحقق من المعرفة النظرية. فيما يتعلق بالطرق الحالية ، يمكن للمستخدمين الوصول إلى نهج المحاكاة الافتراضية المقترح في أي وقت من أي مكان طالما أن الإنترنت ومتصفح الويب متاحان ، مما يعني أن هذا النهج فعال من حيث التكلفة وعالي الكفاءة. من خلال توفير سبعة أنواع مختلفة من المعدات المكلفة ، يسمح النظام عبر الإنترنت للمستخدمين بتعزيز عملياتهم ومهاراتهم المختبرية بشكل متكرر في هذا النظام الفردي عبر الإنترنت.
يمكن استخدام النظام مع التعليم والتعلم التقليديين في التطبيقات المستقبلية لهذه التقنية. على سبيل المثال ، يمكن دمج النظام مع التجارب العملية. يمكن للطلاب إجراء تجارب محاكاة افتراضية قبل إجراء تجارب عملية في المختبرات التقليدية. بالمقارنة مع الطرق التقليدية ، فإن النظام تفاعلي وغامر. بالإضافة إلى الفوائد التي يوفرها التعليم التقليدي ، يوفر التدريس التجريبي القائم على المحاكاة الافتراضية مجموعة كاملة من الوظائف المساعدة ، والتي يمكن أن تمارس قدرة الطلاب على استخدام المعرفة التي تعلموها لحل المشكلات العملية. بالإضافة إلى ذلك ، يزرع هذا النوع من التدريس أيضا اهتمامات الطلاب البحثية وشعورهم بالابتكار من خلال تدريبهم على إتقان تقنيات الاختبار والأساليب ومبادئ التجارب الميكانيكية المتقدمة على نطاق دقيق ونانو ويساعد الطلاب بشكل فعال على تحسين صفاتهم المهنية والشاملة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل صناديق البحوث الأساسية للجامعات المركزية بموجب المنحة 2042022kf1059. مؤسسة علوم الطبيعة في مقاطعة هوبي بموجب منحة 2022CFB757 ؛ مؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية بموجب منحة 2022TQ0244 ؛ تمويل مشروع تكنولوجيا تجربة جامعة ووهان بموجب المنحة WHU-2021-SYJS-11 ؛ مشاريع التدريس والبحث الإقليمية في كليات وجامعات مقاطعة هوبي في عام 2021 في إطار منحة 2021038 ؛ ومشروع أبحاث المختبرات الإقليمية في كليات وجامعات مقاطعة هوبي في إطار منحة HBSY2021-01.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Virtual interface | None | None | http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd |
References
- Chong, K. Nano mechanics/materials research. Nanomechanics of Materials and Structures. Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. , Springer. Dordrecht, the Netherlands. 13-22 (2006).
- Ratner, B. M., Ratner, D. Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. , Prentice Hall Professional. New Jersey, USA. (2003).
- Li, Y., Wang, X. Precipitation behavior in boundaries and its influence on impact toughness in 22Cr25Ni3W3CuCoNbN steel during short-term ageing. Materials Science and Engineering A. 809, 140924 (2021).
- Li, Y., Wang, X. Strengthening mechanisms and creep rupture behavior of advanced austenitic heat resistant steel SA-213 S31035 for A-USC power plants. Materials Science and Engineering A. 775, 138991 (2020).
- Wang, X., Li, Y., Chen, D., Sun, J. Precipitate evolution during the aging of Super304H steel and its influence on impact toughness. Materials Science and Engineering A. 754, 238-245 (2019).
- Juri, A. Z., Basak, A. K., Yin, L. In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068 (2022).
- Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations. In-situ Mechanics of Materials. , Springer. Cham, Switzerland. 227-238 (2020).
- Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. High-temperature mechanics of boron nitride nanotube "Buckypaper" for engineering advanced structural materials. ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).
- Cao, W., et al. Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys. Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).
- Lei, Z., et al. Toward a web-based digital twin thermal power. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).
- Lei, Z., et al. From virtual simulation to digital twins in online laboratories. 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).
- Dede, C. Immersive interfaces for engagement and learning. Science. 323 (5910), 66-69 (2009).
- Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation. Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).
- Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. Journal of Visualized Experiments. (177), e63342 (2021).
- Galán, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments. (143), e58699 (2019).
- Ouyang, S. G., et al. A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering. Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).
