Summary
Dette arbejde præsenterer et tredimensionelt virtuelt simuleringseksperiment for materialedeformation og fejl, der giver visualiserede eksperimentelle processer. Gennem et sæt eksperimenter kan brugerne blive fortrolige med udstyret og lære operationerne i et fordybende og interaktivt læringsmiljø.
Abstract
Dette arbejde præsenterer et sæt omfattende virtuelle eksperimenter til påvisning af materialedeformation og fejl. De mest almindeligt anvendte stykker udstyr inden for mekanik og materialediscipliner, såsom en metallografisk skæremaskine og en universel krybetestmaskine ved høj temperatur, er integreret i et webbaseret system for at levere forskellige eksperimentelle tjenester til brugerne i et fordybende og interaktivt læringsmiljø. Protokollen i dette arbejde er opdelt i fem underafsnit, nemlig forberedelse af materialerne, støbning af prøven, prøvekarakterisering, prøvebelastning, nanoindenterinstallation og SEM in situ-eksperimenter , og denne protokol sigter mod at give brugerne mulighed for anerkendelse af forskelligt udstyr og de tilsvarende operationer samt forbedring af laboratoriebevidstheden, osv. ved hjælp af en virtuel simuleringsmetode. For at give klar vejledning til eksperimentet fremhæver systemet det udstyr/prøve, der skal bruges i næste trin, og markerer den vej, der fører til udstyret, med en iøjnefaldende pil. For at efterligne det praktiske eksperiment så tæt som muligt designede og udviklede vi et tredimensionelt laboratorierum, udstyr, operationer og eksperimentelle procedurer. Desuden overvejer det virtuelle system også interaktive øvelser og registrering, før der anvendes kemikalier under eksperimentet. Forkerte handlinger er også tilladt, hvilket resulterer i en advarselsmeddelelse, der informerer brugeren. Systemet kan levere interaktive og visualiserede eksperimenter til brugere på forskellige niveauer.
Introduction
Mekanik er en af de grundlæggende discipliner inden for teknik, som det fremgår af den vægt, der lægges på grundlaget for matematisk mekanik og teoretisk viden og opmærksomheden på dyrkning af elevernes praktiske evner. Med den hurtige udvikling af moderne videnskab og teknologi har nanovidenskab og teknologi haft en enorm indflydelse på menneskelivet og økonomien. Rita Colwell, den tidligere direktør for US National Science Foundation (NSF), erklærede i 2002, at nanoskalateknologi ville have en indvirkning svarende til den industrielle revolution1 og bemærkede, at nanoteknologi virkelig er en portal til en ny verden2. De mekaniske egenskaber af materialer på nanoskala er en af de mest grundlæggende og nødvendige faktorer for udviklingen af højteknologiske applikationer, såsom nano-enheder 3,4,5. Materialers mekaniske opførsel på nanoskala og den strukturelle udvikling under stress er blevet vigtige spørgsmål i den nuværende nanomekaniske forskning.
I de senere år har udviklingen og forbedringen af nanoindrykningsteknologi, elektronmikroskopiteknologi, scanningssondemikroskopi osv. gjort "in situ-mekanik" eksperimenter til en avanceret testteknik, der er vigtig i nanomekanikforskningen 6,7. Ud fra et undervisningsmæssigt og videnskabeligt forskningsperspektiv er det naturligvis nødvendigt at indføre grænseeksperimentelle teknikker i det traditionelle undervisningsindhold vedrørende mekaniske eksperimenter.
Imidlertid er eksperimenter med mikroskopisk mekanik signifikant forskellige fra makroskopiske grundlæggende mekaniske eksperimenter. På den ene side, selvom de relevante instrumenter og udstyr er blevet populariseret i næsten alle gymnasier og universiteter, er deres antal begrænset på grund af de høje priser og vedligeholdelsesomkostninger. På kort sigt er det umuligt at købe nok udstyr til offline undervisning. Selvom der er økonomiske ressourcer, er styrings- og vedligeholdelsesomkostningerne ved offline eksperimenter for høje, da denne type udstyr har høje præcisionsegenskaber.
På den anden side er in situ-mekaniske eksperimenter såsom scanningelektronmikroskopi (SEM) meget omfattende med høje operationelle krav og en ekstremt lang eksperimentel periode 8,9. Offline eksperimenter kræver, at eleverne er meget fokuserede i lang tid, og fejlbetjening kan beskadige instrumentet. Selv med meget dygtige individer kræver et vellykket eksperiment et par dage at gennemføre, fra forberedelse af kvalificerede prøver til indlæsning af prøverne til in situ-mekanikeksperimenter. Derfor er effektiviteten af offline eksperimentel undervisning ekstremt lav.
For at løse ovenstående problemer kan virtuel simulering bruges. Udviklingen af virtuel simulationseksperimentundervisning kan løse omkostningerne og mængden flaskehals af in situ mekanik eksperimentelt udstyr og dermed give eleverne mulighed for nemt at bruge forskellige avancerede stykker udstyr uden at beskadige højteknologiske instrumenter. Simulationseksperimentundervisning giver også eleverne adgang til den virtuelle simuleringseksperimentplatform via internettet når som helst og hvor som helst. Selv for nogle billige instrumenter kan eleverne bruge virtuelle instrumenter på forhånd til træning og praksis, hvilket kan forbedre undervisningseffektiviteten.
I betragtning af tilgængeligheden og tilgængeligheden af webbaserede systemer10 præsenterer vi i dette arbejde et webbaseret virtuelt simuleringseksperimentsystem, der kan tilvejebringe et sæt eksperimenter relateret til grundlæggende operationer inden for mekanik og materialer med fokus på in situ-mekanikeksperimentet .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
I dette arbejde diskuteres procedurerne for mikrocantilever strålebrudseksperimentet med revner som følger, som er åben for fri adgang via http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Alle trin udføres i onlinesystemet baseret på den virtuelle simuleringsmetode. Institutional Review Board godkendelse var ikke påkrævet for denne undersøgelse. Der blev indhentet samtykke fra de frivillige studerende, der deltog i denne undersøgelse.
1. Adgang til systemet og indtastning af grænsefladen
- Åbn en webbrowser, og indtast den URL-adresse, http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd for at få adgang til systemet.
BEMÆRK: Den angivne URL kan tilgås via en almindelig webbrowser uden brugernavn og adgangskode. - Find den virtuelle simuleringsgrænseflade ved hjælp af den lodrette rullebjælke.
BEMÆRK: Den virtuelle scene er integreret i internettet. - Klik på ikonet Fuld skærm i nederste højre hjørne for at aktivere en fuldskærmsgrænseflade.
- Klik på knappen Start eksperiment for at starte.
- Klik på Enter-knappen for at følge vejledningen for begyndere, eller klik på knappen Spring over for at springe dette trin over.
BEMÆRK: Brugeren kan vælge at følge (Enter-knappen ) eller springe (knappen Spring over). Vejledningen til begyndere indeholder beskrivelser af hele systemet. Grænsefladen fremhæver også betjeningsvejledningen trin for trin til udførelse af de tilsigtede operationer eller udstyr. Figur 1 viser det udstyr, der blev anvendt i forsøget, herunder syv typer udstyr inden for de mekaniske og materielle discipliner. Begyndere anbefales at følge denne vejledning.
2. Forberedelse af materialerne
- Start eksperimentet efter afslutningen af træningen på begynderniveau. Følg vejledningen på grænsefladen for at "gå" tæt på laboratoriebordet, der indeholder siliciumskiverne, gennemgå forskellene mellem siliciumskiver af normal type og crack-type siliciumskiver, og vælg crack-skabelonen.
BEMÆRK: Gå ind i eksperimentgrænsefladen, og udfør eksperimenter i henhold til den fremhævede vejledning om forløb. Den fremhævede vejledning gives gennem hele processen for at give klar vejledning til eksperimentering. - Vælg et materiale på listen over medfølgende materialer.
BEMÆRK: Den medfølgende materialeliste inkluderer guld, sølv, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, polyether-ether-keton (PEEK) og polymethylmethacrylat (PMMA). - Læg det valgte materiale på fræserklemmen med et klik på det fremhævede materiale. Klik på den fremhævede ON / OFF-knap (på højre side) for at tænde skæreklemmen, klik på knappen Speed (på venstre side), og indstil hastigheden på den metallografiske skæremaskine i en pop-up-grænseflade.
BEMÆRK: Brugeren kan indstille en passende hastighed, som de ønsker. Når hastigheden er indstillet af brugeren, aktiveres skæreklemmen, og den rå stang skæres i tynde skiver. - Stak formen, metalpladen og forsiden sammen efter tur ved at klikke og trække det fremhævede objekt som styret i brugergrænsefladen.
BEMÆRK: Efter skæring af materialet er dette monteringstrin nødvendigt inden nanoformstøbning.
3. Støbning af prøven
- Gå virtuelt til den universelle krybetestmaskine ved høj temperatur ved at følge vejledningen vist i figur 2, og placer praktisk talt de stablede prøver mellem pladeklemmerne på den universelle krybetestmaskine.
BEMÆRK: Efter dette trin fremhæves den virtuelle computer på venstre side af den universelle krybetestmaskine ved høj temperatur. - Klik på den virtuelle computer, og indstil testskemaet på kontrolcomputeren på den universelle krybetestmaskine.
BEMÆRK: Efter dette trin fremhæves hjælpeudstyret til den universelle krybetestmaskine ved høj temperatur til opvarmning og vakuumpumpning for at give vejledning til brugeren. - Klik på det fremhævede varme- og vakuumpumpeudstyr, og tænd for strømforsyningen. Åbn den virtuelle mekaniske pumpe og forventilen i grænsefladen ved at klikke på de fremhævede knapper.
BEMÆRK: Dette trin fuldender systemets vakuumstyringsindstillinger i vakuumstyringssystemet på den universelle krybetestmaskine. - Klik på knappen Ryd på kontrolpanelet på den universelle krybetestmaskine for at rydde dataene. Klik på knappen Kør på kontrolpanelet på den universelle krybetestmaskine for at fuldføre eksperimentet, som kopierer mønsteret på formen til metalpladen ved hjælp af metoden til parallel pladekompressionsstøbning.
BEMÆRK: Når formstøbningen er afsluttet, skal du fjerne prøven og lukke forventilen og den mekaniske pumpe osv. På varme- og vakuumpumpeudstyret ved at klikke på knapperne igen efter behov (i ægte opvarmnings- og vakuumpumpeudstyr kan omvendt rækkefølge få molekylpumpen til at brænde ud). - Klik på den virtuelle computer igen, og kontroller de eksperimentelle data på kontrolcomputeren på den universelle krybetestmaskine.
- Åbn dækpladen på den metallografiske prøveindlægsmaskine, og anbring prøven.
- Klik på det fremhævede PMMA-pulver for at hælde det tilberedte pulver, og klik på den fremhævede form for at placere det oven på PMMA-pulveret.
- Klik på det fremhævede håndhjul for at justere formens position, som automatisk dækker dækpladen. Klik på ON / OFF-knappen for at tænde indlægsmaskinen. Tag PMMA-indlagt prøve ud efter afkøling.
BEMÆRK: Den støbte prøve skal monteres på indlægsmaskinen i den rigtige retning, som vist i figur 3, hvor det termoplastiske materiale PMMA anvendes i eksperimentet. Sørg for, at PMMA-pulveret smelter og klæber til prøvens overflade. Det nederste venstre hjørne af figur 4 illustrerer den korrekte retning, når brugeren bekræfter det valg, der er vist i figur 3.
- Gå ind i rummet til polering og korrosion ved at følge baneføringen, som vist i figur 5. Find den fremhævede poleringsmaskine, og klik på griberen på poleringsmaskinen for at montere den indlagte prøve på griberen. Indstil hastigheden til at slibe og polere prøven for at fjerne det støbte materialesubstrat.
BEMÆRK: Slib formen på den ene side af formen, indtil mønsteret på formen er blottet.
4. Prøvekarakterisering
- Registrer dig i e-notesbogen, før du bruger et kemikalie. Åbn det kemiske opbevaringsskab, og tag den faste KOH- og acetoneopløsning ud. Klik på det fremhævede bægerglas for at bruge acetoneopløsningen til at rense prøven. Klik på et andet fremhævet bægerglas og fast KOH til korrosionsvæskeforberedelse for at forberede en 10% KOH-opløsning. Klik på den fremhævede KOH-opløsning og prøven for at korrodere prøven til en metallografisk prøve.
BEMÆRK: I dette eksperiment, for at fjerne siliciumformen, fremstilles der normalt en 6 mol / L KOH-opløsning, prøven placeres i præparatopløsningen, og bægerglasset indeholdende korrosionsopløsningen og prøven anbringes på en varmeplade for at varme op for at fremskynde korrosionshastigheden. - Rengør prøven efter fjernelse af siliciumsubstratet, og kør en karakteriseret test med den forberedte prøve under et optisk mikroskop.
BEMÆRK: Husk at bestemme prøvens integritet efter slibning og korrosion.
5. Indlæsning af prøver og installation af nanoindenter
- Læg prøven på nanoindenterens prøvetrin. Vælg kegleindenteren for at montere den på driveren til mikro- og nanomekaniktestsystemet. Klik på det fremhævede drev for at forbinde det med nanoindenter.
BEMÆRK: "Pin" skal indsættes i drivakslen, når indenteren installeres, og da drivakslen er en slank stang, undgår låsen at beskadige drivakslen, når indenteren skrues med en gevindende ind i drevet.
6. SEM in situ eksperiment
- Klik på knappen Udluftning i SEM-styringssoftwaren efter installation af nanoindenter og indlæsning af prøven som beskrevet i 5.1.
- Åbn SEM-kammeret efter at have brudt vakuumet, installer nanoindenter på SEM-prøvetrinnet, og tilslut ledningerne (figur 6 viser et eksempel på tilslutning af en af ledningerne).
- Åbn nanoindenterens kontrolsoftware, og vælg Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
BEMÆRK: Positionsinitialiseringsprocessen for nanoindenterprøvetrinnet skal udføres i den tilstand, hvor SEM-hulrummet er åbent for at undgå, at initialiseringsprocessen for nanoindenterprøvetrinnet rammer polen på SEM-elektronudløbsporten. - Luk SEM-kammeret, og klik på knappen Pumpe på SEM-styringssoftwaren.
- Klik på knappen Op eller Ned i SEM-styringssoftwaren for at justere prøvetrinnets position, så prøven, der skal måles, falder ind i SEM-synsfeltet. Klik på OK knappen for at rette positionen. Klik på den fremhævede EHT-knap for at tænde elektronpistolen. Klik på kameraknappen , og skift til elektronmikroskopiobservationstilstand.
BEMÆRK: Indenteringen af nanoindenter skal styres i observationstilstand for gradvist at nærme sig prøven, der skal måles. - Klik på knappen Kør på nanoindenterens kontrolsoftware.
BEMÆRK: Under eksperimentet er det nødvendigt at observere og registrere deformationskarakteristika og fejlproces under prøvens indlæsningsproces og at åbne eksperimentets originale data i dataanalysevinduet, når eksperimentet er afsluttet, for at plotte og eksportere dataene. - Klik på knappen Stop på nanoindenterens kontrolsoftware for at afslutte eksperimentet.
BEMÆRK: Det virtuelle simuleringseksperiment slutter her. Brugeren bliver bedt om at gennemføre online eksamensøvelsen i den virtuelle grænseflade efter eksperimenteringen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Systemet giver klar vejledning til brugerens operationer. For det første integreres træning på begynderniveau, når en bruger kommer ind i systemet. For det andet fremhæves udstyret og laboratorierummet, der skal bruges til næste trin.
Systemet kan bruges til flere forskellige uddannelsesformål for forskellige niveauer af studerende. For eksempel omfatter figur 1 syv af de mest almindeligt anvendte typer udstyr inden for de mekaniske og materielle discipliner, nemlig den metallografiske skæremaskine, højtemperatur-universelle krybetestmaskine, metallografisk prøveindlægningsmaskine, poleringsmaskine, optisk mikroskop, SEM og mikro- og nanomekaniktestsystem. I vejledningen til begyndere kan brugeren lære om beskrivelserne af alt det udstyr, der bruges i eksperimentet. Derefter bruges alt udstyr en efter en til at fuldføre eksperimentet. Eleverne kan vælge udstyr til gentagne eksperimenter, indtil de mestrer driftsfærdighederne.
Figur 3 og figur 4 viser også, at systemet kan forbedre udformningen af forsøgsordningen kombineret med forsøgsoperationerne, hvilket kan give øjeblikkelig validering. I figur 3 skal brugeren vælge at placere prøven i den rigtige retning for at skabe en støbt prøve. Figur 4 viser grænsefladen til brug af metallografisk prøveindlægningsmaskine, som også viser resultaterne (som angivet i nederste venstre hjørne af figur 4) for det foregående trin, efter at brugeren har bekræftet valget, som vist i figur 3. Figur 7 illustrerer in situ-mekanikkens eksperimentelle resultater af mikroudkragningsstrålen med forudindstillede revner. Gennem analysen af resultaterne kan brugeren bestemme, hvordan resultaterne blev opnået.
Denne protokol simulerer scenariet, hvor eleverne skal evaluere belastningsstørrelsen og belastningstiden for det reologiske eksperiment med den parallelle plade i henhold til forholdet mellem længde og diameter af den prøve, der skal forberedes. Eksperimentatoren skal analysere forholdet mellem længde-til-diameter-forholdet mellem den viskøse væske, der strømmer ind i en cylindrisk hulform, trykket p 0 og tiden t med en diameter på d under virkningen af konstant tryk p 0. Denne relation er vist nedenfor:
hvor L er længden, d er diameteren af den cylindriske hulform, p0 er det konstante tryk, η er materialets viskositet, og t er belastningstiden. Når p0, η og L/d er givet, kan t beregnes. Hvis L / d fordobles, vil indlæsningstiden være fire gange større end før. Figur 8 illustrerer forholdet mellem forholdet mellem længde og diameter af metalglas, der strømmer ind i formhullet, og tiden.
I virkelige eksperimenter blev det konstateret, at eleverne ofte brugte en trial-and-error tilgang - det vil sige konstant at justere belastningsstørrelsen eller belastningsvarigheden, indtil den krævede prøve endelig blev lavet. I denne protokol tilvejebringes en interaktiv grænseflade til validering af den teoretiske viden, og belastningstiden bestemmes i henhold til de angivne parameterværdier (materialeviskositet, indledende prøvestørrelse og belastningsstørrelse). Et vejledende spørgsmål gives som følger: "Metalglas er en newtonsk væske med en viskositet på η = 107 Pa·s ved trykstøbningseksperimentel temperatur. Væsken har ingen slip ved formkontaktgrænsen. Det er nødvendigt at fremstille en cylindrisk prøve med et forhold mellem længde og diameter på 5. Hvis eksperimentet kan anvende en stor mængde tryk på 100 MPa, hvor lang skal indlæsningstiden være? Hvis forholdet mellem længde og diameter øges med 1x, hvor mange gange øges belastningstiden med? Eleverne skal finde ud af svarene, indstille testskemaet i overensstemmelse hermed og derefter udføre deres eksperimenter.
Efter eksperimentet bliver eleverne bedt om at besvare et par spørgsmål af forskellige typer, såsom udfyld-tom-spørgsmål og single-answer / multi-answer multiple-choice spørgsmål (MCQ), der fokuserer på de vigtigste trin under det virtuelle simuleringseksperiment for at forbedre deres teoretiske viden og eksperimentering. Tabel 1 viser spørgsmålseksemplerne til online eksamensøvelsen efter forsøget. Med integrerede øvelser kan brugerne systematisk gennemgå hele eksperimentets proces og forbinde teorien med eksperimenteringen.
Det sæt eksperimenter, der tilbydes ved implementeringen af den foreslåede virtuelle simulering, betyder, at følgende visualiserede og interaktive videnforbedrede og færdighedsforbedrede oplevelser kan leveres: 1) et fordybende virtuelt læringsmiljø, hvor brugerne kan "gå" gennem og forstå laboratorierummenes layout og detaljerne i hvert udstyr; 2) operationer på forskellige typiske stykker udstyr inden for de mekaniske og materielle discipliner for at mestre driftsfærdigheder; 3) forbedring af sikkerhedsbevidstheden gennem forkerte operationer og advarsler; 4) gentagne eksperimenter og eksperimenter med kortere tid i stedet for forsøgenes varighed; 5) at følge protokollen for konventionelle laboratorier så tæt som muligt, så brugerne kan være fortrolige med procedurerne og "dos" og "do nots" selv i det virtuelle miljø.
På grund af den begrænsede mængde udstyr og besættelsen af kandidatstuderende til forskningsformål har bachelorstuderende sjældent mulighed for at gennemføre eksperimenter med fysisk udstyr. Det virtuelle simuleringssystem, der integrerer forskellige typer udstyr, kan hjælpe med at levere samtidigt tilgængelige og gentagelige eksperimenter for at forbedre deres laboratoriefærdigheder. Efter implementeringen blev det virtuelle system anvendt i efterårssemestrene i studieårene 2020 og 2021 for studerende med baggrund i ingeniørmekanik. Tabel 2 viser resultaterne af eksperimentet, som omfatter den gennemsnitlige færdiggørelsestid, standardafvigelsen for færdiggørelsestiden og de gennemsnitlige scorer for de forskellige år. Den gennemsnitlige score (100 i alt) beregnes ud fra evalueringen af eksperimentet (70%, evalueret af systemet) og laboratorierapporten på nettet (30%, evalueret af læreren). Resultaterne viser, at eleverne i gennemsnit kan gennemføre eksperimentet på ~73 min ved hjælp af en webbrowser, hvilket er tidseffektivt og verificerer effektiviteten af det webbaserede system baseret på den virtuelle simuleringsmetode. I 2022 gennemførte vi en undersøgelse for at demonstrere effektiviteten af den foreslåede protokol. Studerende fra to klasser med baggrund i ingeniørmekanik (to klasser med samme lærer og de samme klassemoduler, opdelt i to klasser af hensyn til klassestørrelsen) blev opdelt i to grupper (en klasse for hver gruppe). Eleverne fra gruppe 1 deltog i det fysiske laboratorium for at lære den teoretiske viden og se operationerne fra læreren, mens eleverne fra gruppe 2 brugte den virtuelle grænseflade, der blev udviklet ud fra det fysiske laboratorium (inklusive layout og udstyr) til deres eksperiment. Tabel 3 viser online eksamensresultaterne (med en samlet score på 10) for de studerende uden (gruppe 1) og med (gruppe 2) den virtuelle grænsefladeoplevelse. Det kan konkluderes, at eleverne med den virtuelle grænsefladeoplevelse klarede sig bedre end dem uden oplevelsen.
Figur 1: Det udviklede tredimensionelle udstyr, der blev anvendt under forsøgene. Det kan konkluderes, at brugeren gennem dette virtuelle simuleringseksperiment kan trænes til at være fortrolig med det mest almindeligt anvendte udstyr inden for de mekaniske og materielle discipliner. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Fremhævet universel krybetestmaskine ved høj temperatur i det virtuelle simuleringslaboratorierum. Efter at have gennemført det forrige trin (skæring af prøven) genereres det næste trin automatisk, som enten fremhæver maskinen (når maskinen er i nærheden) eller stien, der fører til maskinen (når maskinen ikke er i nærheden). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Grænsefladen til valg af prøvens placeringsretning. Brugeren skal vælge den korrekte placeringsretning for prøven for at fortsætte med næste trin. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Grænsefladen til brug af den metallografiske prøveindlægningsmaskine. Resultaterne af det foregående trin, efter at brugeren har bekræftet valget (i figur 3), vises i nederste venstre hjørne. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Grænsefladen med en fremhævet stivejledning. Brugeren ledes til at komme ind i et rum til polering og korrosion af prøven. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Ledninger til SEM-maskinen. Brugeren skal tilslutte ledningerne for at fortsætte med eksperimentet. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: In situ mekanik eksperimentelle procesresultater af mikroudkragningsstrålen med forudindstillede revner. De to kurver viser et eksempel på in situ mekanikkens eksperimentelle resultater af en mikro-udkragningsstråle med forudindstillede revner. (A) Forskydningstidskurve, (B) spændings-belastningskurve. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 8: Beregning baseret på teoretisk viden. Forholdet mellem forholdet mellem længde og diameter af metalglas, der strømmer ind i formhullet og tiden. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9: Advarslen viser, at en forkert handling har beskadiget omfanget. Brugere kan klikke på knappen for at niveauere SEM-detektoren op/ned. Men hvis de stiger for meget, vil SEM-detektoren blive beskadiget. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 10: E-notesbogen til onlineregistrering før brug af et kemikalie. Før korrosionsprocessen skal brugeren registrere den i notesbogen, hvilket er det samme som proceduren i det fysiske laboratorium. Klik her for at se en større version af denne figur.
| ID | Type af eksamensspørgsmål | Oplysninger om spørgsmål | Giv valgmuligheder |
| 1 | Udfyld det tomme spørgsmål | I dette eksperiment blev __ opløsning brugt til at korrodere siliciumskiven. | Ingen |
| 2 | MCQ med et enkelt svar | Når den universelle krybetestmaskine ved høj temperatur bruges til eksperimentet, hvilket af følgende materialer kan betragtes som newtonsk væske? | En. Konventionelt metal |
| B. Amorf legering | |||
| 3 | MCQ med et enkelt svar | Hvis en prøve anslås at modstå den maksimale kraft på 60mN, skal du vælge InForce 50 eller InForce 1000 i områdevalget? | En. InForce 50 |
| B. InForce 1000 | |||
| 4 | MCQ med flere svar | Nanoindenter kan bruges til at måle? | En. Hårdhed |
| B. Elasticitetsmodul | |||
| C. Fraktursejhed | |||
| D. Viskoelasticitet | |||
| 5 | MCQ med et enkelt svar | SEM er en forkortelse for | En. Optisk mikroskop |
| B. Scanning elektronmikroskopi | |||
| C. Transmissionselektronmikroskopi |
Tabel 1: Eksempler på spørgsmål til online eksamen efter forsøget. Brugere skal udfylde forskellige typer spørgsmål, så de systematisk kan gennemgå hele eksperimentets proces og forbinde teorien med eksperimenteringen.
| År | Antal studerende | Gennemsnitlig færdiggørelsestid | Standardafvigelse af færdiggørelsestiden | Gennemsnitlig score |
| 2021 | 58 | 71 min og 46 s | 11 min og 39,5 s | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 min og 3 s | 11 min og 15,4 s | 80.21 |
Tabel 2: Resultaterne af eksperimenter i forskellige år. Studerende med baggrund i ingeniørmekanik gennemførte eksperimenterne i to forskellige akademiske år.
| Gruppe-id | Antal studerende | Gennemsnitlig score | Standardafvigelse af scoren |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
Tabel 3: Onlineeksamensresultaterne (med en samlet score på 10) for studerende uden (gruppe 1) og med (gruppe 2) den virtuelle grænsefladeoplevelse. Studerende med baggrund i ingeniørmekanik blev opdelt i to grupper i 2022 for at demonstrere protokollens effektivitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En af fordelene ved virtuelle simuleringseksperimenter er, at de giver brugerne mulighed for at udføre eksperimenterne uden bekymringer om at beskadige det fysiske system eller forårsage skade på sig selv11. Således kan brugerne udføre alle operationer, herunder enten korrekte eller forkerte operationer. Systemet giver dog brugeren en advarselsmeddelelse, der er integreret i det interaktive eksperiment for at guide dem til at udføre eksperimenterne korrekt, når der udføres en forkert handling. På denne måde kan brugerne lære de korrekte handlinger. For eksempel, når en bruger udfører operationer på SEM, som vist i figur 9, kan de udjævne SEM-detektoren for meget og beskadige den ved et uheld.
I lighed med praktiske eksperimenter i fysiske laboratorier bør brugere, der udfører virtuelle eksperimenter, også følge korrekte procedurer, hvilket potentielt kan forbedre deres eksperimenter og sikkerhedsbevidsthed. For eksempel, som illustreret i figur 10, skal brugeren, når han forbereder en KOH-opløsning til korrosionsprocessen af prøven til en metallografisk prøve, registrere sig i en notesbog, før kemikaliet anvendes.
Selvom dette system giver et komplekst og omfattende virtuelt miljø til materialedeformation og fejleksperimentering, er den største begrænsning, at det i øjeblikket mangler brugertilpasninger. Brugere følger trinene for at udføre eksperimenter, og de har sjældent en chance for at implementere deres ideer. Systemet kan dog forbedres for at give eleverne mere frihed til at implementere deres ideer og skabe deres egne designs og implementeringer.
Tredimensionel virtuel simulering har været et vigtigt emne i hele verden i løbet af det sidste årti med hensyn til at levere fordybende grænseflader til engagement og læring12,13. Undersøgelser vedrørende virtuel simulering er blevet udført inden for forskellige discipliner, såsom inden for styringsteknik14 til sikkerhedshensyn15 og inden for kemiteknik til produktionspraksis16. I materiale- og mekanikdisciplinen kan systemet bruges til uddannelse af studerende vedrørende eksperimentelle protokoller, brug af udstyr og verifikation af teoretisk viden. Med hensyn til eksisterende metoder kan brugerne til enhver tid få adgang til den foreslåede virtuelle simuleringsmetode, så længe internettet og en webbrowser er tilgængelig, hvilket betyder, at denne tilgang er omkostningseffektiv og yderst effektiv. Ved at levere syv forskellige typer dyrt udstyr giver onlinesystemet brugerne mulighed for gentagne gange at forbedre deres drift og laboratoriefærdigheder i dette ene onlinesystem.
Systemet kan bruges i kombination med traditionel undervisning og læring i fremtidige anvendelser af teknikken. For eksempel kan systemet kombineres med praktiske eksperimenter. Studerende kunne udføre virtuelle simuleringseksperimenter, før de udfører praktiske eksperimenter i konventionelle laboratorier. Sammenlignet med konventionelle metoder er systemet interaktivt og fordybende. Ud over fordelene ved traditionel uddannelse giver virtuel simulationsbaseret eksperimentel undervisning et komplet udvalg af hjælpefunktioner, som kan udøve elevernes evne til at bruge den viden, de har lært, til at løse praktiske problemer. Derudover dyrker denne type undervisning også elevernes forskningsinteresser og følelse af innovation ved at træne dem til at mestre testteknikker, metoder og principper for avancerede mikro- og nanoskala mekaniske eksperimenter og hjælper effektivt eleverne med at forbedre deres faglige og omfattende kvaliteter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev delvist støttet af grundforskningsmidlerne til de centrale universiteter under bevilling 2042022kf1059; Nature Science Foundation of Hubei-provinsen under tilskud 2022CFB757; China Postdoctoral Science Foundation under tilskud 2022TQ0244; Wuhan University Experiment Technology Project Funding under tilskud WHU-2021-SYJS-11; de provinsielle undervisnings- og forskningsprojekter i Hubei-provinsens gymnasier og universiteter i 2021 under tilskud 2021038; og det provinsielle laboratorieforskningsprojekt i Hubei-provinsens gymnasier og universiteter under tilskud 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).
