Summary
Este trabalho apresenta um experimento de simulação virtual tridimensional para deformação e falha de materiais que fornece processos experimentais visualizados. Através de um conjunto de experimentos, os usuários podem se familiarizar com o equipamento e aprender as operações em um ambiente de aprendizagem imersivo e interativo.
Abstract
Este trabalho apresenta um conjunto de experimentos virtuais abrangentes para detectar deformação e falha de materiais. Os equipamentos mais comumente usados em mecânica e disciplinas de materiais, como uma máquina de corte metalográfico e uma máquina universal de teste de fluência de alta temperatura, são integrados em um sistema baseado na web para fornecer diferentes serviços experimentais aos usuários em um ambiente de aprendizado imersivo e interativo. O protocolo neste trabalho está dividido em cinco subseções, a saber, a preparação dos materiais, moldagem do corpo de prova, caracterização do corpo de prova, carregamento do corpo de prova, instalação de nanoindenter e experimentos in situ de MEV, e este protocolo visa proporcionar uma oportunidade para os usuários quanto ao reconhecimento de diferentes equipamentos e as operações correspondentes, bem como o aumento da conscientização laboratorial, etc., utilizando uma abordagem de simulação virtual. Para fornecer uma orientação clara para o experimento, o sistema destaca o equipamento/amostra a ser usado na próxima etapa e marca o caminho que leva ao equipamento com uma seta conspícua. Para imitar o experimento prático o mais próximo possível, projetamos e desenvolvemos uma sala de laboratório tridimensional, equipamentos, operações e procedimentos experimentais. Além disso, o sistema virtual também considera exercícios interativos e registro antes do uso de produtos químicos durante o experimento. Operações incorretas também são permitidas, resultando em uma mensagem de aviso informando o usuário. O sistema pode fornecer experimentos interativos e visualizados para usuários em diferentes níveis.
Introduction
A mecânica é uma das disciplinas básicas da engenharia, como mostra a ênfase dada à fundamentação da mecânica matemática e do conhecimento teórico e a atenção dada ao cultivo das habilidades práticas dos alunos. Com o rápido avanço da ciência e tecnologia modernas, a nanociência e a tecnologia tiveram um enorme impacto na vida humana e na economia. Rita Colwell, ex-diretora da National Science Foundation (NSF) dos EUA, declarou em 2002 que a tecnologia em nanoescala teria um impacto igual ao da Revolução Industrial1 e observou que a nanotecnologia é realmente um portal para um novo mundo2. As propriedades mecânicas dos materiais em nanoescala são um dos fatores mais fundamentais e necessários para o desenvolvimento de aplicações de alta tecnologia, como os nanodispositivos 3,4,5. O comportamento mecânico de materiais na escala nanométrica e a evolução estrutural sob estresse tornaram-se questões importantes na pesquisa nanomecânica atual.
Nos últimos anos, o desenvolvimento e o aprimoramento da tecnologia de nanoindentação, da tecnologia de microscopia eletrônica, da microscopia de varredura por sonda, etc., tornaram os experimentos de "mecânica in situ" uma técnica avançada de testes importante na pesquisa em nanomecânica 6,7. Obviamente, do ponto de vista do ensino e da pesquisa científica, é necessário introduzir técnicas experimentais de fronteira no conteúdo tradicional de ensino de experimentos mecânicos.
No entanto, experimentos de mecânica microscópica são significativamente diferentes de experimentos de mecânica básica macroscópica. Por um lado, embora os instrumentos e equipamentos relevantes tenham sido popularizados em quase todas as faculdades e universidades, seu número é limitado devido ao alto preço e custo de manutenção. A curto prazo, é impossível comprar equipamentos suficientes para o ensino offline. Mesmo que haja recursos financeiros, os custos de gerenciamento e manutenção de experimentos off-line são muito altos, já que esse tipo de equipamento tem características de alta precisão.
Por outro lado, experimentos de mecânica in situ, como a microscopia eletrônica de varredura (MEV), são bastante abrangentes, com alta exigência operacional e período experimental extremamentelongo8,9. Experimentos off-line exigem que os alunos estejam altamente focados por um longo tempo, e o mau funcionamento pode danificar o instrumento. Mesmo com indivíduos muito habilidosos, um experimento bem-sucedido requer alguns dias para ser concluído, desde a preparação de espécimes qualificados até o carregamento dos espécimes para experimentos de mecânica in situ. Portanto, a eficiência do ensino experimental offline é extremamente baixa.
Para resolver as questões acima, a simulação virtual pode ser utilizada. O desenvolvimento do ensino de experimentos de simulação virtual pode resolver o gargalo de custo e quantidade de equipamentos experimentais de mecânica in situ e, assim, permitir que os alunos usem facilmente vários equipamentos avançados sem danificar instrumentos de alta tecnologia. O ensino de experimentos de simulação também permite que os alunos acessem a plataforma de experimentos de simulação virtual via internet a qualquer hora e em qualquer lugar. Mesmo para alguns instrumentos de baixo custo, os alunos podem usar instrumentos virtuais antecipadamente para treinamento e prática, o que pode melhorar a eficiência do ensino.
Considerando a acessibilidade e disponibilidade de sistemas baseados naweb10, neste trabalho, apresentamos um sistema de experimentação de simulação virtual baseado na web que pode fornecer um conjunto de experimentos relacionados a operações fundamentais em mecânica e materiais, com foco no experimento de mecânica in situ .
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Protocol
Neste trabalho, os procedimentos do experimento de fratura por viga de microcantilever com fissuras são discutidos a seguir, o qual é aberto para livre acesso via http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Todas as etapas são realizadas no sistema on-line com base na abordagem de simulação virtual. Não foi necessária a aprovação do Comitê de Ética em Pesquisa para este estudo. O consentimento foi obtido dos estudantes voluntários que participaram deste estudo.
1. Acessando o sistema e entrando na interface
- Abra um navegador da Web e insira a URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd para acessar o sistema.
NOTA: A URL fornecida pode ser acessada por meio de um navegador da Web convencional sem um nome de usuário e senha. - Encontre a interface de simulação virtual usando a barra de rolagem vertical.
Observação : a cena virtual é incorporada na web. - Clique no ícone FullScreen no canto inferior direito para ativar uma interface de tela cheia.
- Clique no botão Iniciar experimento para iniciar.
- Clique no botão Enter para seguir as orientações para iniciantes ou clique no botão Ignorar para pular esta etapa.
Observação : o usuário pode optar por seguir (botão Enter ) ou ignorar (botão Skip ). A orientação para iniciantes fornece descrições de todo o sistema. A interface também destaca as instruções de operação passo-a-passo para a realização das operações ou equipamentos pretendidos. A Figura 1 mostra os equipamentos utilizados no experimento, incluindo sete tipos de equipamentos nas disciplinas mecânica e materiais. Recomenda-se que os iniciantes sigam esta orientação.
2. Preparação dos materiais
- Inicie o experimento depois de concluir o treinamento de nível iniciante. Siga as instruções na interface para "caminhar" perto da tabela de laboratório que contém os wafers de silício, revise as diferenças entre os wafers de silício do tipo normal e do tipo crack e selecione o modelo de rachadura.
NOTA: Entre na interface do experimento e conduza experimentos de acordo com a orientação do caminho destacado. A orientação destacada é fornecida durante todo o processo para oferecer orientações claras para a experimentação. - Selecione um material na lista de materiais fornecidos.
NOTA: A lista de materiais fornecida inclui ouro, prata, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, poliéter-éter-cetona (PEEK) e polimetilmetacrilato (PMMA). - Coloque o material selecionado na braçadeira do cortador com um clique no material destacado. Clique no botão ON/OFF destacado (no lado direito) para ligar a braçadeira do cortador, clique no botão Velocidade (no lado esquerdo) e defina a velocidade da máquina de corte metalográfica em uma interface pop-up.
NOTA: O usuário pode definir uma velocidade adequada como desejar. Uma vez que a velocidade é definida pelo usuário, a braçadeira do cortador será ativada, e a barra bruta será cortada em fatias finas. - Empilhe o molde, a chapa metálica e a folha de cobertura juntos, clicando e arrastando o objeto realçado conforme guiado na interface do usuário.
OBS: Após o corte do material, esta etapa de montagem é necessária antes da fundição do nanomolde.
3. Moldagem do espécime
- Caminhe virtualmente até a máquina de teste de fluência universal de alta temperatura seguindo a orientação mostrada na Figura 2 e coloque virtualmente as amostras empilhadas entre as abraçadeiras da placa da máquina universal de teste de fluência.
Observação : após esta etapa, o computador virtual no lado esquerdo da máquina de teste de fluência universal de alta temperatura será realçado. - Clique no Computador Virtual e defina o esquema de teste no computador de controle da máquina universal de teste de fluência.
NOTA: Após esta etapa, o equipamento auxiliar da máquina universal de teste de fluência de alta temperatura para aquecimento e bombeamento a vácuo será destacado para fornecer orientação ao usuário. - Clique no destaque Equipamento de Aquecimento e Bombeamento a Vácuo e ligue a fonte de alimentação. Abra a bomba mecânica virtual e a válvula de apoio na interface clicando nos botões destacados.
NOTA: Esta etapa completa as configurações de controle de vácuo do sistema no sistema de controle de vácuo da máquina universal de teste de fluência. - Clique no botão Limpar no Painel de Controle da máquina de teste de fluência universal para limpar os dados. Clique no botão Executar no Painel de Controle da máquina universal de teste de fluência para concluir o experimento, que copia o padrão no molde para a chapa metálica usando o método de moldagem por compressão de placa paralela.
NOTA: Após a conclusão da fundição do molde, remova a amostra e feche a válvula de apoio e a bomba mecânica, etc., do equipamento de aquecimento e bombeamento a vácuo, clicando nos botões por sua vez, conforme necessário (em equipamentos reais de aquecimento e bombeamento a vácuo, a ordem inversa pode causar a queima da bomba molecular). - Clique no Computador Virtual novamente e verifique os dados experimentais no computador de controle da máquina universal de teste de fluência.
- Abra a placa de cobertura na máquina de incrustação do espécime metalográfico e coloque o espécime.
- Clique no pó de PMMA destacado para despejar o pó preparado e clique no molde destacado para colocá-lo em cima do pó de PMMA.
- Clique na roda de mão destacada para ajustar a posição do molde, que cobrirá a placa de cobertura automaticamente. Clique no botão ON/OFF para ligar a máquina de incrustação. Retire o espécime incrustado de PMMA após o resfriamento.
OBS: O corpo de prova moldado deve ser montado na máquina de incrustação na direção correta, como mostra a Figura 3, na qual o material termoplástico PMMA é utilizado no experimento. Certifique-se de que o pó de PMMA derrete e adere à superfície da amostra. O canto inferior esquerdo da Figura 4 ilustra a direção correta após o usuário confirmar a seleção mostrada na Figura 3.
- Entre na sala para polimento e corrosão seguindo a orientação do caminho, como mostra a Figura 5. Encontre a máquina de polimento destacada e clique na garra da máquina de polimento para montar o espécime embutido na pinça. Ajuste a velocidade de moagem e polimento do corpo de prova para remover o substrato do material moldado.
OBS: Triture o molde de um dos lados do molde até que o padrão no molde fique exposto.
4. Caracterização do espécime
- Cadastre-se no e-notebook antes de usar um produto químico. Abra o armário de armazenamento de produtos químicos e retire a solução sólida de KOH e acetona. Clique no copo destacado para usar a solução de acetona para limpar o espécime. Clique em outro copo destacado e KOH sólido para preparação de líquido de corrosão para preparar uma solução de KOH a 10%. Clique na solução de KOH destacada e no espécime para corroê-lo em um espécime metalográfico.
NOTA: Neste experimento, para remover o molde de silício, uma solução de KOH 6 mol/L é geralmente preparada, o corpo de prova é colocado na solução de preparação, e o copo contendo a solução de corrosão e o corpo de prova é colocado em uma placa quente para aquecer para acelerar a taxa de corrosão. - Limpe o espécime depois de remover o substrato de silício e execute um teste caracterizado com o espécime preparado sob um microscópio óptico.
OBS: Lembre-se de determinar a integridade do corpo de prova após a retificação e corrosão.
5. Carregamento do espécime e instalação do nanoindenter
- Coloque o espécime no estágio de amostra do nanoindenter. Escolha o indenter do cone para montá-lo no driver do sistema de teste de micro e nanomecânica. Clique na unidade destacada para conectá-la com o nanoindenter.
NOTA: O "Pino" deve ser inserido no eixo de acionamento ao instalar o indenter, e como o eixo de transmissão é uma barra fina, a trava evita danificar o eixo de acionamento ao parafusar o indenter com uma extremidade rosqueada no acionamento.
6. Experimento in situ de MEV
- Clique no botão Vent no software de controle de MEV depois de instalar o indenter do nanoindenter e carregar a amostra conforme descrito em 5.1.
- Abra a câmara de MEV após quebrar o vácuo, instale o nanoindenter no estágio de amostra de MEV e conecte os fios (a Figura 6 mostra um exemplo de conexão de um dos fios).
- Abra o software de controle do nanoindenter e selecione Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
NOTA: O processo de inicialização da posição do estágio de amostra de nanoindenter deve ser realizado no estado em que a cavidade de MEV está aberta para evitar que o processo de inicialização do estágio de amostra de nanoindenter atinja o polo da porta de saída de elétrons de MEV. - Feche a câmara de MEV e clique no botão Bomba no software de controle de MEV.
- Clique no botão Para cima ou para baixo no software de controle de MEV para ajustar a posição do estágio de amostra para que a amostra a ser medida caia no campo de visão de MEV. Clique no botão OK para corrigir a posição. Clique no botão EHT realçado para ligar o canhão de elétrons. Clique no botão Câmera e alterne para o modo de observação de microscopia eletrônica.
NOTA: O indenter do nanoindenter deve ser controlado em modo de observação para se aproximar gradualmente da amostra a ser medida. - Clique no botão Executar no software de controle do nanoindenter.
NOTA: Durante o experimento, é necessário observar e registrar as características de deformação e o processo de falha durante o processo de carregamento do corpo de prova e abrir os dados originais do experimento na janela de análise de dados após a conclusão do experimento para plotagem e exportação dos dados. - Clique no botão Parar no software de controle do nanoindenter para encerrar o experimento.
NOTA: O experimento de simulação virtual termina aqui. O usuário é solicitado a completar o exercício de exame on-line na interface virtual após a experimentação.
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Representative Results
O sistema fornece orientações claras para as operações do usuário. Primeiro, o treinamento de nível iniciante é integrado quando um usuário entra no sistema. Em segundo lugar, destacam-se os equipamentos e a sala de laboratório a ser utilizada para a operação da próxima etapa.
O sistema pode ser usado para vários fins educacionais diferentes para diferentes níveis de alunos. Por exemplo, a Figura 1 inclui sete dos tipos de equipamentos mais comumente usados nas disciplinas mecânica e de materiais, a saber, a máquina de corte metalográfico, a máquina universal de teste de fluência de alta temperatura, a máquina de incrustação de amostras metalográficas, a máquina de polimento, o microscópio óptico, o MEV e o sistema de testes de micro e nanomecânica. Na orientação para iniciantes, o usuário pode aprender sobre as descrições de todos os equipamentos utilizados no experimento. Em seguida, todos os equipamentos são usados um a um para completar o experimento. Os alunos podem escolher o equipamento para experimentos repetitivos até que dominem as habilidades operacionais.
A Figura 3 e a Figura 4 também demonstram que o sistema pode melhorar o desenho do esquema experimental combinado com as operações experimentais, o que pode fornecer validação instantânea. Na Figura 3, o usuário deve optar por colocar o corpo de prova na direção correta para criar um corpo de prova moldado. A Figura 4 mostra a interface para o uso da máquina de incrustação de amostras metalográficas, que também mostra os resultados (conforme indicado no canto inferior esquerdo da Figura 4) da etapa anterior após o usuário confirmar a seleção, como mostra a Figura 3. A Figura 7 ilustra os resultados experimentais da mecânica in situ da viga de microcantilever com fissuras predefinidas. Através da análise dos resultados, o usuário pode determinar como os resultados foram obtidos.
Este protocolo simula o cenário em que os alunos são obrigados a avaliar o tamanho da carga e o tempo de carregamento do experimento reológico da placa paralela de acordo com a relação comprimento/diâmetro do corpo de prova a ser preparado. O experimentador precisa analisar a relação comprimento/diâmetro do fluido viscoso que flui para um molde cilíndrico, a pressão p 0 e o tempo t com diâmetro d sob a ação da pressão constante p 0. Essa relação é mostrada a seguir:
onde L é o comprimento, d é o diâmetro do molde cilíndrico, p0 é a pressão constante, η é a viscosidade do material e t é o tempo de carregamento. Uma vez que p0, η e L/d são dados, t pode ser calculado. Se L/d dobrar, o tempo de carregamento será quatro vezes maior do que antes. A Figura 8 ilustra a relação comprimento/diâmetro do vidro metálico que flui para o orifício do molde e o tempo.
Em experimentos do mundo real, verificou-se que os alunos frequentemente usavam uma abordagem de tentativa e erro, ou seja, ajustando constantemente o tamanho da carga ou a duração do carregamento até que a amostra necessária fosse finalmente feita. Neste protocolo, uma interface interativa é fornecida para validar o conhecimento teórico, e o tempo de carregamento é determinado de acordo com os valores dos parâmetros fornecidos (viscosidade do material, tamanho inicial da amostra e tamanho da carga). Uma questão norteadora é fornecida da seguinte forma: "O vidro metálico é um fluido newtoniano com uma viscosidade de η = 107 Pa·s na temperatura experimental de fundição. O fluido não tem deslizamento no limite de contato do molde. É necessário preparar um espécime cilíndrico com uma relação comprimento/diâmetro de 5. Se o experimento pode aplicar uma grande quantidade de pressão de 100 MPa, quanto tempo deve ser o tempo de carregamento? Se a relação comprimento/diâmetro for aumentada em 1x, quantas vezes o tempo de carregamento aumenta?" Os alunos devem descobrir as respostas, definir o esquema de teste de acordo e, em seguida, conduzir seus experimentos.
Após o experimento, os alunos são convidados a responder a algumas perguntas de diferentes tipos, como perguntas de preenchimento em branco e perguntas de múltipla escolha (MCQ) de resposta única/multiresposta, que se concentram nas principais etapas durante o experimento de simulação virtual para aprimorar seu conhecimento teórico e experimentação. A Tabela 1 mostra os exemplos de questões para o exercício de exame online após a experimentação. Com exercícios integrados, os usuários podem revisar sistematicamente todo o processo do experimento e conectar a teoria com a experimentação.
O conjunto de experimentos oferecidos pela implementação da simulação virtual proposta significa que as seguintes experiências visualizadas e interativas aprimoradas em conhecimento e habilidades podem ser fornecidas: 1) um ambiente virtual de aprendizagem imersivo onde os usuários podem "caminhar" e entender o layout das salas de laboratório e os detalhes de cada equipamento; 2) operações em diferentes equipamentos típicos nas disciplinas de mecânica e materiais para dominar habilidades operacionais; 3) conscientização de segurança por meio de operações e advertências erradas; 4) experimentos repetitivos e experimentos de menor tempo em vez da duração dos experimentos; 5) seguir o protocolo dos laboratórios convencionais o mais próximo possível para que os usuários possam se familiarizar com os procedimentos e os "dos" e "do nots" mesmo no ambiente virtual.
Convencionalmente, devido à quantidade limitada de equipamentos e à ocupação de alunos de pós-graduação para fins de pesquisa, os alunos de graduação raramente têm a chance de realizar experimentos com equipamentos físicos. O sistema de simulação virtual que integra diferentes tipos de equipamentos pode ajudar a fornecer experimentos simultaneamente acessíveis e repetíveis para melhorar suas habilidades laboratoriais. Após sua implantação, o sistema virtual foi aplicado nos semestres de outono dos anos letivos de 2020 e 2021 para estudantes com formação em engenharia mecânica. A Tabela 2 mostra os resultados do experimento, que incluem o tempo médio de conclusão, o desvio padrão do tempo de conclusão e os escores médios dos diferentes anos. A pontuação média (100 no total) é calculada com base na avaliação do experimento (70%, avaliado pelo sistema) e no relatório do laboratório na web (30%, avaliado pelo professor). Os resultados demonstram que os alunos podem, em média, completar o experimento em ~73 min usando um navegador web, o que é eficiente em termos de tempo e verifica a eficiência do sistema baseado na web com base na abordagem de simulação virtual. Em 2022, realizamos um estudo para demonstrar a eficiência do protocolo proposto. Os alunos de duas turmas com formação em engenharia mecânica (duas turmas com o mesmo professor e os mesmos módulos de turma, divididos em duas turmas por questões de tamanho de turma) foram divididos em dois grupos (uma turma para cada grupo). Os alunos do Grupo 1 compareceram ao laboratório físico para aprender o conhecimento teórico e observar as operações do professor, enquanto os alunos do Grupo 2 utilizaram a interface virtual que foi desenvolvida a partir do laboratório físico (incluindo o layout e os equipamentos) para seu experimento. A Tabela 3 mostra os resultados dos exames online (com pontuação total de 10) para os alunos sem (Grupo 1) e com (Grupo 2) a experiência da interface virtual. Pode-se concluir que os alunos com a experiência da interface virtual tiveram melhor desempenho do que aqueles sem a experiência.
Figura 1: Equipamento tridimensional desenvolvido utilizado durante os experimentos. Pode-se concluir que, através deste experimento de simulação virtual, o usuário pode ser treinado para estar familiarizado com os equipamentos mais comumente utilizados nas disciplinas de mecânica e materiais. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Máquina de teste universal de fluência de alta temperatura destacada na sala de laboratório de simulação virtual. Depois de completar a etapa anterior (cortar a amostra), a próxima etapa é gerada automaticamente, que destaca a máquina (quando a máquina está próxima) ou o caminho que leva à máquina (quando a máquina não está próxima). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Interface para escolha da direção de colocação do espécime. O usuário deve escolher a direção correta de colocação do espécime para continuar com a próxima etapa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Interface para utilização da máquina de incrustação de corpos de prova metalográfica. Os resultados da etapa anterior após o usuário confirmar a seleção (na Figura 3) são mostrados no canto inferior esquerdo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: A interface com uma orientação de caminho destacada. O usuário é orientado a entrar em uma sala para o polimento e corrosão do corpo de prova. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Fiação da máquina de MEV. O usuário deve conectar os fios para continuar com o experimento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Resultados do processo experimental de mecânica in situ da viga de microcantilever com fissuras predefinidas. As duas curvas mostram um exemplo dos resultados experimentais da mecânica in situ de um feixe de microcantiléver com fissuras predefinidas. (A) curva deslocamento-tempo, (B) curva tensão-deformação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Cálculo baseado em conhecimentos teóricos. A relação entre a relação comprimento/diâmetro do vidro metálico que flui para o orifício do molde e o tempo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: O aviso mostra que uma operação errada danificou o escopo. Os usuários podem clicar no botão para nivelar para cima/para baixo o detector de MEV. No entanto, se eles subirem muito de nível, o detector de MEV será danificado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10: O e-notebook para o registro on-line antes de usar um produto químico. Antes do processo de corrosão, o usuário deve registrá-lo no notebook, que é o mesmo procedimento no laboratório físico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| ID | Tipo de pergunta do exame | Detalhes da pergunta | Fornecer opções |
| 1 | Preencha a pergunta em branco | Neste experimento, utilizou-se solução __ para corrosão do wafer de silício. | Nenhum |
| 2 | MCQ de resposta única | Quando a máquina universal de teste de fluência de alta temperatura é usada para o experimento, qual dos seguintes materiais pode ser considerado como fluido newtoniano? | Um. Metal convencional |
| B. Liga amorfa | |||
| 3 | MCQ de resposta única | Se se estima que uma amostra resista à força máxima de 60mN, na seleção de intervalo, escolha InForce 50 ou InForce 1000? | Um. InForce 50 |
| B. InForce 1000 | |||
| 4 | MCQ multi-resposta | Nanoindenter pode ser usado para medir? | Um. Dureza |
| B. Módulo de elasticidade | |||
| C. Tenacidade à fratura | |||
| D. Viscoelasticidade | |||
| 5 | MCQ de resposta única | SEM é uma abreviação de | Um. Microscópio óptico |
| B. Microscopia eletrônica de varredura | |||
| C. Microscopia eletrônica de transmissão |
Tabela 1: Exemplos de questões para o exercício de exame on-line após a experimentação. Os usuários são obrigados a completar diferentes tipos de perguntas para que possam revisar sistematicamente todo o processo do experimento e conectar a teoria com a experimentação.
| Ano | Número de alunos | Tempo médio de conclusão | Desvio padrão do tempo de conclusão | Pontuação média |
| 2021 | 58 | 71 min e 46 s | 11 min e 39,5 s | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 min e 3 s | 11 min e 15,4 s | 80.21 |
Tabela 2: Resultados de experimentos em diferentes anos. Estudantes com formação em engenharia mecânica completaram os experimentos em dois anos acadêmicos diferentes.
| ID do grupo | Número de alunos | Pontuação média | Desvio padrão do escore |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
Tabela 3: Resultados do exame online (com nota total de 10) para os alunos sem (Grupo 1) e com (Grupo 2) a experiência de interface virtual. Estudantes com formação em engenharia mecânica foram divididos em dois grupos em 2022 para demonstrar a eficiência do protocolo.
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Discussion
Uma das vantagens dos experimentos de simulação virtual é que eles permitem que os usuários conduzam os experimentos sem preocupações em danificar o sistema físico ou causar qualquer dano a si mesmos11. Assim, os usuários podem realizar quaisquer operações, incluindo operações corretas ou erradas. No entanto, o sistema dá ao usuário uma mensagem de aviso que é integrada ao experimento interativo para orientá-lo a conduzir os experimentos corretamente quando uma operação errada é conduzida. Dessa forma, os usuários podem aprender as operações corretas. Por exemplo, quando um usuário realiza operações no MEV, como mostrado na Figura 9, ele pode aumentar demais o nível do detector de MEV e danificá-lo por acidente.
Semelhante aos experimentos práticos em laboratórios físicos, os usuários que realizam experimentos virtuais também devem seguir procedimentos corretos, o que pode potencialmente aumentar sua experimentação e consciência de segurança. Por exemplo, como ilustrado na Figura 10, ao preparar uma solução de KOH para o processo de corrosão do corpo de prova em um corpo de prova metalográfico, o usuário deve se registrar em um caderno antes de usar o produto químico.
Embora esse sistema forneça um ambiente virtual complexo e abrangente para a experimentação de deformações e falhas de materiais, a principal limitação é que atualmente ele carece de personalizações do usuário. Os usuários seguem as etapas para realizar experimentos e raramente têm a chance de implementar suas ideias. No entanto, o sistema pode ser melhorado para fornecer aos alunos mais liberdade para implementar suas ideias e criar seus próprios projetos e implementações.
A simulação virtual tridimensional tem sido um tópico importante em todo o mundo durante a última década em termos de fornecer interfaces imersivas para engajamento e aprendizagem12,13. Estudos sobre simulação virtual têm sido realizados em várias disciplinas, como em engenharia de controle14 para considerações de segurança 15 e em engenharia química para prática de produção16. Na disciplina de materiais e mecânica, o sistema pode ser utilizado para o treinamento dos alunos quanto a protocolos experimentais, ao uso de equipamentos e à verificação de conhecimentos teóricos. Com relação aos métodos existentes, a abordagem de simulação virtual proposta pode ser acessada pelos usuários a qualquer momento e de qualquer lugar, desde que a internet e um navegador da Web estejam disponíveis, o que significa que essa abordagem é econômica e altamente eficiente. Ao fornecer sete tipos diferentes de equipamentos caros, o sistema on-line permite que os usuários aprimorem repetidamente suas operações e habilidades laboratoriais neste único sistema on-line.
O sistema pode ser usado em combinação com o ensino e aprendizagem tradicionais em futuras aplicações da técnica. Por exemplo, o sistema poderia ser combinado com experimentos práticos. Os alunos poderiam conduzir experimentos de simulação virtual antes de realizar experimentos práticos em laboratórios convencionais. Em comparação com os métodos convencionais, o sistema é interativo e imersivo. Além dos benefícios proporcionados pela educação tradicional, o ensino experimental baseado em simulação virtual fornece uma gama completa de funções auxiliares, que podem exercitar a capacidade dos alunos de usar o conhecimento que aprenderam para resolver problemas práticos. Além disso, esse tipo de ensino também cultiva os interesses de pesquisa e o senso de inovação dos alunos, treinando-os para dominar as técnicas, métodos e princípios de teste de experimentos mecânicos avançados em micro e nanoescala e efetivamente ajuda os alunos a melhorar suas qualidades profissionais e abrangentes.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Este trabalho foi parcialmente apoiado pelos Fundos de Pesquisa Fundamental para as Universidades Centrais sob o Grant 2042022kf1059; a Fundação de Ciências da Natureza da Província de Hubei sob o Grant 2022CFB757; a Fundação de Ciência de Pós-doutorado da China sob Grant 2022TQ0244; o Financiamento do Projeto de Tecnologia de Experimentos da Universidade de Wuhan sob Grant WHU-2021-SYJS-11; os Projetos Provinciais de Ensino e Pesquisa nas Faculdades e Universidades da Província de Hubei em 2021 sob Grant 2021038; e o Projeto de Pesquisa de Laboratório Provincial nas Faculdades e Universidades da Província de Hubei sob o Grant HBSY2021-01.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Virtual interface | None | None | http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd |
References
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