Summary
Diese Arbeit stellt ein dreidimensionales virtuelles Simulationsexperiment für Materialverformung und -versagen vor, das visualisierte experimentelle Prozesse liefert. Durch eine Reihe von Experimenten können sich die Benutzer mit den Geräten vertraut machen und die Bedienung in einer immersiven und interaktiven Lernumgebung erlernen.
Abstract
Diese Arbeit stellt eine Reihe umfassender virtueller Experimente vor, um Materialverformungen und -versagen zu erkennen. Die in der Mechanik und in den Werkstoffdisziplinen am häufigsten verwendeten Geräte, wie z. B. eine metallographische Schneidemaschine und eine Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine, sind in ein webbasiertes System integriert, um den Benutzern verschiedene experimentelle Dienste in einer immersiven und interaktiven Lernumgebung anzubieten. Das Protokoll in dieser Arbeit ist in fünf Unterabschnitte unterteilt, nämlich die Vorbereitung der Materialien, das Formen der Probe, die Charakterisierung der Probe, die Probenbeladung, die Installation von Nanoindentern und REM-In-situ-Experimente , und dieses Protokoll zielt darauf ab, den Benutzern die Möglichkeit zu geben, verschiedene Geräte und die entsprechenden Vorgänge zu erkennen sowie das Laborbewusstsein zu verbessern. usw., unter Verwendung eines virtuellen Simulationsansatzes. Um eine klare Anleitung für das Experiment zu geben, hebt das System die im nächsten Schritt zu verwendende Ausrüstung/Probe hervor und markiert den Weg, der zum Gerät führt, mit einem auffälligen Pfeil. Um das praktische Experiment so genau wie möglich nachzuahmen, haben wir einen dreidimensionalen Laborraum, Geräte, Operationen und experimentelle Verfahren entworfen und entwickelt. Darüber hinaus berücksichtigt das virtuelle System auch interaktive Übungen und Registrierungen, bevor Chemikalien während des Experiments verwendet werden. Fehlerhafte Vorgänge sind ebenfalls zulässig, was zu einer Warnmeldung führt, die den Benutzer informiert. Das System kann Benutzern interaktive und visualisierte Experimente auf verschiedenen Ebenen zur Verfügung stellen.
Introduction
Die Mechanik ist eine der Grunddisziplinen des Ingenieurwesens, wie die Betonung der Grundlagen der mathematischen Mechanik und des theoretischen Wissens sowie die Aufmerksamkeit für die Kultivierung der praktischen Fähigkeiten der Studierenden zeigen. Mit dem rasanten Fortschritt der modernen Wissenschaft und Technologie haben Nanowissenschaften und -technologie einen enormen Einfluss auf das menschliche Leben und die Wirtschaft. Rita Colwell, die ehemalige Direktorin der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF), erklärte 2002, dass die nanoskalige Technologie einen ähnlichen Einfluss haben würde wie die industrielle Revolution1 und stellte fest, dass die Nanotechnologie wirklich ein Portal zu einer neuen Weltist 2. Die mechanischen Eigenschaften von Materialien auf der Nanoskala sind einer der grundlegendsten und notwendigsten Faktoren für die Entwicklung von High-Tech-Anwendungen, wie z. B. Nanobauelementen 3,4,5. Das mechanische Verhalten von Materialien auf der Nanoskala und die strukturelle Entwicklung unter Belastung sind zu wichtigen Themen in der aktuellen nanomechanischen Forschung geworden.
In den letzten Jahren haben die Entwicklung und Verbesserung der Nanoindentationstechnologie, der Elektronenmikroskopie, der Rastersondenmikroskopie usw. dazu geführt, dass "In-situ-Mechanik"-Experimente zu einer fortschrittlichen Testtechnik geworden sind, die für die Nanomechanik-Forschung wichtig ist 6,7. Offensichtlich ist es aus der Perspektive der Lehre und der wissenschaftlichen Forschung notwendig, experimentelle Grenztechniken in die traditionellen Lehrinhalte in Bezug auf mechanische Experimente einzuführen.
Experimente der mikroskopischen Mechanik unterscheiden sich jedoch signifikant von makroskopischen grundlegenden mechanischen Experimenten. Obwohl die entsprechenden Instrumente und Geräte in fast allen Hochschulen und Universitäten populär geworden sind, ist ihre Anzahl aufgrund des hohen Preises und der hohen Wartungskosten begrenzt. Kurzfristig ist es unmöglich, genügend Ausrüstung für den Offline-Unterricht zu kaufen. Selbst wenn finanzielle Ressourcen vorhanden sind, sind die Verwaltungs- und Wartungskosten von Offline-Experimenten zu hoch, da diese Art von Geräten hochpräzise Eigenschaften aufweist.
Auf der anderen Seite sind in situ mechanische Experimente wie die Rasterelektronenmikroskopie (REM) sehr umfangreich, mit hohen Betriebsanforderungen und einer extrem langen Versuchsdauer 8,9. Offline-Experimente erfordern, dass die Schüler über einen längeren Zeitraum hochkonzentriert sind, und eine Fehlbedienung kann das Instrument beschädigen. Selbst mit sehr erfahrenen Personen dauert ein erfolgreiches Experiment einige Tage, von der Vorbereitung qualifizierter Proben bis zum Laden der Proben für mechanische In-situ-Experimente. Daher ist die Effizienz des experimentellen Offline-Unterrichts äußerst gering.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, kann eine virtuelle Simulation verwendet werden. Die Entwicklung des Unterrichts in virtuellen Simulationsexperimenten kann den Kosten- und Mengenengpass von In-situ-Mechanik-Versuchsgeräten beheben und es den Schülern so ermöglichen, verschiedene fortschrittliche Geräte problemlos zu verwenden, ohne High-Tech-Instrumente zu beschädigen. Die Lehre von Simulationsexperimenten ermöglicht es den Studierenden zudem, jederzeit und überall über das Internet auf die virtuelle Simulationsexperimentplattform zuzugreifen. Selbst bei einigen kostengünstigen Instrumenten können die Schüler virtuelle Instrumente im Voraus für Training und Praxis verwenden, was die Unterrichtseffizienz verbessern kann.
Unter Berücksichtigung der Zugänglichkeit und Verfügbarkeit webbasierter Systeme10 stellen wir in dieser Arbeit ein webbasiertes virtuelles Simulationsexperimentiersystem vor, das eine Reihe von Experimenten im Zusammenhang mit grundlegenden Operationen in Mechanik und Materialien bereitstellen kann, wobei der Schwerpunkt auf dem In-situ-Mechanik-Experiment liegt.
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Protocol
In dieser Arbeit werden die Verfahren des Mikrocantilever-Strahlbruchexperiments mit Rissen wie folgt diskutiert, das über http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd frei zugänglich ist. Alle Schritte werden im Online-System auf Basis des virtuellen Simulationsansatzes durchgeführt. Die Genehmigung des Institutional Review Board war für diese Studie nicht erforderlich. Die Zustimmung der studentischen Freiwilligen, die an dieser Studie teilgenommen haben, wurde eingeholt.
1. Zugriff auf das System und Aufrufen der Schnittstelle
- Öffnen Sie einen Webbrowser und geben Sie die URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd ein, um auf das System zuzugreifen.
HINWEIS: Auf die angegebene URL kann über einen gängigen Webbrowser ohne Benutzername und Passwort zugegriffen werden. - Suchen Sie die virtuelle Simulationsschnittstelle über die vertikale Bildlaufleiste.
HINWEIS: Die virtuelle Szene ist in das Web eingebettet. - Klicken Sie auf das Vollbildsymbol in der unteren rechten Ecke, um eine Vollbildoberfläche zu aktivieren.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment starten, um zu starten .
- Klicken Sie auf die Eingabetaste, um den Anweisungen für Anfänger zu folgen, oder klicken Sie auf die Schaltfläche Überspringen, um diesen Schritt zu überspringen .
HINWEIS: Der Benutzer kann wählen, ob er folgen (Eingabetaste ) oder überspringen (Schaltfläche Überspringen ) möchte. Die Anleitung für Einsteiger bietet Beschreibungen des gesamten Systems. Die Benutzeroberfläche hebt auch die Betriebsanweisungen Schritt für Schritt zur Durchführung der beabsichtigten Vorgänge oder Geräte hervor. Abbildung 1 zeigt die im Experiment verwendeten Geräte, darunter sieben Arten von Geräten in den Disziplinen Mechanik und Material. Anfängern wird empfohlen, diese Anleitung zu befolgen.
2. Vorbereitung der Materialien
- Starten Sie das Experiment nach Abschluss des Anfängertrainings. Befolgen Sie die Anweisungen auf der Benutzeroberfläche, um in die Nähe des Labortisches zu gehen, der die Siliziumwafer enthält, überprüfen Sie die Unterschiede zwischen den Siliziumwafern vom Normaltyp und dem Risstyp und wählen Sie die Rissvorlage aus.
HINWEIS: Rufen Sie die Experimentschnittstelle auf, und führen Sie Experimente gemäß der hervorgehobenen Pfadanleitung durch. Die hervorgehobenen Leitlinien werden während des gesamten Prozesses bereitgestellt, um eine klare Anleitung für das Experimentieren zu bieten. - Wählen Sie ein Material aus der bereitgestellten Materialliste aus.
HINWEIS: Die bereitgestellte Materialliste umfasst Gold, Silber, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, Polyetheretherketon (PEEK) und Polymethylmethacrylat (PMMA). - Laden Sie das ausgewählte Material mit einem Klick auf das markierte Material auf die Fräserklemme. Klicken Sie auf die hervorgehobene EIN/AUS-Taste (auf der rechten Seite), um die Schneidklemme einzuschalten, klicken Sie auf die Schaltfläche Geschwindigkeit (auf der linken Seite) und stellen Sie die Geschwindigkeit der metallografischen Schneidemaschine in einer Popup-Oberfläche ein.
HINWEIS: Der Benutzer kann eine geeignete Geschwindigkeit nach Belieben einstellen. Sobald die Geschwindigkeit vom Benutzer eingestellt wurde, wird die Schneidklemme aktiviert und der Rohstab wird in dünne Scheiben geschnitten. - Stapeln Sie die Form, das Blech und das Deckblech nacheinander, indem Sie auf das markierte Objekt klicken und es ziehen, wie in der Benutzeroberfläche beschrieben.
HINWEIS: Nach dem Schneiden des Materials ist dieser Montageschritt vor dem Nanoformguss erforderlich.
3. Formen der Probe
- Gehen Sie virtuell zur Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine, indem Sie der in Abbildung 2 gezeigten Anleitung folgen, und platzieren Sie die gestapelten Proben virtuell zwischen den Plattenklemmen der Universal-Kriechprüfmaschine.
HINWEIS: Nach diesem Schritt wird der virtuelle Computer auf der linken Seite der Hochtemperatur-Universal-Zeitstandprüfmaschine hervorgehoben. - Klicken Sie auf den virtuellen Computer und stellen Sie das Prüfschema auf dem Steuerrechner der universellen Zeitstandprüfmaschine ein.
HINWEIS: Nach diesem Schritt wird die Zusatzausrüstung der Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine zum Heizen und Vakuumpumpen hervorgehoben, um dem Benutzer eine Anleitung zu geben. - Klicken Sie auf die markierte Heiz- und Vakuumpumpausrüstung und schalten Sie die Stromversorgung ein. Öffnen Sie die virtuelle mechanische Pumpe und das Vorlaufventil in der Benutzeroberfläche, indem Sie auf die hervorgehobenen Schaltflächen klicken.
HINWEIS: Dieser Schritt vervollständigt die Einstellungen für die Systemvakuumsteuerung im Vakuumsteuerungssystem der universellen Zeitstandprüfmaschine. - Klicken Sie auf die Schaltfläche Löschen auf dem Bedienfeld der Universal-Zeitstandprüfmaschine, um die Daten zu löschen. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen auf dem Bedienfeld der universellen Zeitstandprüfmaschine, um den Versuch abzuschließen, bei dem das Muster auf der Form unter Verwendung des Parallelplattenformpressverfahrens auf das Blech kopiert wird.
HINWEIS: Nachdem der Formguss abgeschlossen ist, entfernen Sie die Probe und schließen Sie das Vorventil und die mechanische Pumpe usw. der Heiz- und Vakuumpumpenausrüstung, indem Sie nach Bedarf nacheinander auf die Tasten klicken (bei echten Heiz- und Vakuumpumpgeräten kann die umgekehrte Reihenfolge dazu führen, dass die Molekularpumpe durchbrennt). - Klicken Sie erneut auf den virtuellen Computer und überprüfen Sie die Versuchsdaten auf dem Steuerrechner der universellen Zeitstandprüfmaschine.
- Öffnen Sie die Abdeckplatte der metallographischen Probeneinlegemaschine und legen Sie die Probe ein.
- Klicken Sie auf das markierte PMMA-Pulver, um das vorbereitete Pulver zu gießen, und klicken Sie auf die hervorgehobene Form, um es auf das PMMA-Pulver zu legen.
- Klicken Sie auf das markierte Handrad, um die Position der Form anzupassen, die die Abdeckplatte automatisch abdeckt. Klicken Sie auf die EIN/AUS-Taste , um die Einlegemaschine einzuschalten. Nehmen Sie die PMMA-Intarsienprobe nach dem Abkühlen heraus.
HINWEIS: Die geformte Probe sollte in der richtigen Richtung auf der Einlegemaschine montiert werden, wie in Abbildung 3 gezeigt, in der das thermoplastische Material PMMA im Experiment verwendet wird. Stellen Sie sicher, dass das PMMA-Pulver schmilzt und an der Oberfläche der Probe haftet. Die untere linke Ecke von Abbildung 4 veranschaulicht die richtige Richtung, nachdem der Benutzer die in Abbildung 3 gezeigte Auswahl bestätigt hat.
- Betreten Sie den Raum zum Polieren und Korrosion gemäß der Wegführung, wie in Abbildung 5 gezeigt. Suchen Sie die markierte Poliermaschine und klicken Sie auf den Greifer der Poliermaschine, um die eingelegte Probe am Greifer zu befestigen. Stellen Sie die Geschwindigkeit ein, um die Probe zu schleifen und zu polieren, um das geformte Materialsubstrat zu entfernen.
HINWEIS: Schleifen Sie die Form auf einer Seite der Form, bis das Muster auf der Form freigelegt ist.
4. Charakterisierung der Proben
- Registrieren Sie sich im E-Notebook, bevor Sie eine Chemikalie verwenden. Öffnen Sie den Vorratsschrank für Chemikalien und nehmen Sie die feste KOH- und Acetonlösung heraus. Klicken Sie auf das markierte Becherglas, um die Acetonlösung zum Reinigen der Probe zu verwenden. Klicken Sie auf ein weiteres hervorgehobenes Becherglas und festes KOH für die Vorbereitung von Korrosionsflüssigkeiten, um eine 10% ige KOH-Lösung herzustellen. Klicken Sie auf die markierte KOH-Lösung und die Probe, um die Probe zu einer metallographischen Probe zu korrodieren.
HINWEIS: In diesem Experiment wird zum Entfernen der Siliziumform üblicherweise eine 6 mol/l KOH-Lösung hergestellt, die Probe wird in die Präparationslösung gegeben, und das Becherglas, das die Korrosionslösung und die Probe enthält, wird auf eine heiße Platte gelegt, um sich zu erhitzen, um die Korrosionsrate zu beschleunigen. - Reinigen Sie die Probe, nachdem Sie das Siliziumsubstrat entfernt haben, und führen Sie einen charakterisierten Test mit der vorbereiteten Probe unter einem optischen Mikroskop durch.
HINWEIS: Denken Sie daran, die Unversehrtheit der Probe nach dem Schleifen und Korrosion zu bestimmen.
5. Probenbeladung und Nanoindenter-Installation
- Laden Sie die Probe auf den Probentisch des Nanoindenters. Wählen Sie den Eindringkörper, um ihn auf dem Treiber des mikro- und nanomechanischen Prüfsystems zu montieren. Klicken Sie auf das markierte Laufwerk, um es mit dem Nanoindenter zu verbinden.
HINWEIS: Der "Stift" muss beim Einbau des Eindringkörpers in die Antriebswelle eingeführt werden, und da die Antriebswelle eine schlanke Stange ist, vermeidet die Verriegelung eine Beschädigung der Antriebswelle, wenn der Eindringkörper mit einem Gewindeende in den Antrieb geschraubt wird.
6. REM-In-situ-Experiment
- Klicken Sie in der REM-Steuerungssoftware auf die Schaltfläche Entlüftung, nachdem Sie den Eindringkörper des Nanoindenters installiert und die Probe wie in 5.1 beschrieben geladen haben.
- Öffnen Sie die REM-Kammer, nachdem Sie das Vakuum unterbrochen haben, installieren Sie den Nanoindenter auf dem REM-Probentisch und schließen Sie die Drähte an (Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für den Anschluss eines der Drähte).
- Öffnen Sie die Steuerungssoftware des Nanoindenters und wählen Sie Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization) aus.
HINWEIS: Der Positionsinitialisierungsprozess der Nanoindenter-Probenstufe muss in dem Zustand durchgeführt werden, in dem der REM-Hohlraum geöffnet ist, um zu vermeiden, dass der Initialisierungsprozess der Nanoindenter-Probenstufe auf den Pol des REM-Elektronenauslassanschlusses trifft. - Schließen Sie die REM-Kammer und klicken Sie in der REM-Steuerungssoftware auf die Schaltfläche Pumpe .
- Klicken Sie in der REM-Steuerungssoftware auf die Schaltfläche Nach oben oder Nach unten , um die Position des Probentisches so einzustellen, dass die zu messende Probe in das REM-Sichtfeld fällt. Klicken Sie auf die Schaltfläche OK , um die Position zu korrigieren. Klicken Sie auf die markierte EHT-Schaltfläche, um die Elektronenkanone einzuschalten. Klicken Sie auf die Schaltfläche Kamera und wechseln Sie in den Elektronenmikroskopie-Beobachtungsmodus.
HINWEIS: Der Eindringkörper des Nanoeindringkörpers sollte im Beobachtungsmodus gesteuert werden, um sich allmählich der zu messenden Probe zu nähern. - Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen in der Steuerungssoftware des Nanoindenters.
HINWEIS: Während des Experiments ist es notwendig, die Verformungseigenschaften und den Versagensprozess während des Ladevorgangs der Probe zu beobachten und aufzuzeichnen und die Originaldaten des Experiments nach Abschluss des Experiments im Datenanalysefenster zu öffnen, um die Daten aufzuzeichnen und zu exportieren. - Klicken Sie auf die Schaltfläche Stopp in der Steuerungssoftware des Nanoindenters, um das Experiment zu beenden.
HINWEIS: Das virtuelle Simulationsexperiment endet hier. Der Benutzer wird aufgefordert, die Online-Prüfungsübung nach dem Experimentieren in der virtuellen Oberfläche zu absolvieren.
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Representative Results
Das System bietet eine klare Anleitung für die Bedienung des Benutzers. Zunächst wird ein Training auf Anfängerniveau integriert, wenn ein Benutzer das System betritt. Zweitens werden die Geräte und der Laborraum hervorgehoben, die für den nächsten Schritt der Operation verwendet werden sollen.
Das System kann für verschiedene Bildungszwecke für verschiedene Schülerstufen verwendet werden. Zum Beispiel enthält Abbildung 1 sieben der am häufigsten verwendeten Gerätetypen in den mechanischen und materiellen Disziplinen, nämlich die metallographische Schneidemaschine, die Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine, die metallographische Probeneinlegemaschine, die Poliermaschine, das optische Mikroskop, das REM und das mikro- und nanomechanische Prüfsystem. In der Anleitung für Anfänger kann der Benutzer die Beschreibungen aller im Experiment verwendeten Geräte kennenlernen. Dann wird die gesamte Ausrüstung nacheinander verwendet, um das Experiment abzuschließen. Die Schüler können die Ausrüstung für sich wiederholende Experimente auswählen, bis sie die Bedienfähigkeiten beherrschen.
Abbildung 3 und Abbildung 4 zeigen auch, dass das System das Design des experimentellen Schemas in Kombination mit den experimentellen Operationen verbessern kann, was eine sofortige Validierung ermöglichen kann. In Abbildung 3 sollte der Benutzer die Probe in der richtigen Richtung platzieren, um eine geformte Probe zu erstellen. Abbildung 4 zeigt die Schnittstelle für die Verwendung der metallographischen Probeneinlegemaschine, die auch die Ergebnisse (wie in der unteren linken Ecke von Abbildung 4 angegeben) des vorherigen Schritts anzeigt, nachdem der Benutzer die Auswahl bestätigt hat, wie in Abbildung 3 gezeigt. Abbildung 7 zeigt die in situ mechanischen Versuchsergebnisse des Mikro-Cantilever-Balkens mit voreingestellten Rissen. Durch die Analyse der Ergebnisse kann der Benutzer feststellen, wie die Ergebnisse erzielt wurden.
Dieses Protokoll simuliert das Szenario, in dem die Studenten die Belastungsgröße und die Belastungszeit des rheologischen Experiments der parallelen Platte anhand des Längen-Durchmesser-Verhältnisses der herzustellenden Probe bewerten müssen. Der Experimentator muss das Verhältnis des Längen-zu-Durchmesser-Verhältnisses der viskosen Flüssigkeit, die in eine zylindrische Lochform fließt, des Drucks p 0 und der Zeit t mit einem Durchmesser von d unter der Wirkung eines konstanten Drucks p0 analysieren. Diese Beziehung ist unten dargestellt:
wobei L die Länge, d der Durchmesser der zylindrischen Lochform, p0 der konstante Druck, η die Materialviskosität und t die Beladungszeit ist. Sobald p0, η und L/d gegeben sind, kann t berechnet werden. Wenn sich L/d verdoppelt, ist die Ladezeit viermal so lang wie zuvor. Abbildung 8 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von Metallglas, das in das Formloch fließt, und der Zeit.
In realen Experimenten wurde festgestellt, dass die Schüler häufig einen Trial-and-Error-Ansatz verwendeten, d. h. die Belastungsgröße oder die Belastungsdauer ständig anpassten, bis schließlich die erforderliche Probe hergestellt wurde. In diesem Protokoll wird eine interaktive Schnittstelle bereitgestellt, um das theoretische Wissen zu validieren, und die Ladezeit wird gemäß den bereitgestellten Parameterwerten (Materialviskosität, anfängliche Probengröße und Beladungsgröße) bestimmt. Eine Leitfrage lautet wie folgt: "Metallglas ist eine newtonsche Flüssigkeit mit einer Viskosität von η = 107 Pa·s bei der Druckguss-Versuchstemperatur. Die Flüssigkeit hat keinen Schlupf an der Formkontaktgrenze. Es ist notwendig, eine zylindrische Probe mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 5 herzustellen. Wenn das Experiment einen großen Druck von 100 MPa ausüben kann, wie lang sollte die Ladezeit sein? Wenn das Verhältnis von Länge zu Durchmesser um das 1-fache erhöht wird, um wie oft erhöht sich die Ladezeit?" Die Schüler sollten die Antworten herausfinden, das Testschema entsprechend einstellen und dann ihre Experimente durchführen.
Nach dem Experiment werden die Schüler gebeten, einige Fragen unterschiedlicher Art zu beantworten, wie z. B. Fill-in-the-Blank-Fragen und Single-Answer/Multi-Answer-Multiple-Choice-Fragen (MCQ), die sich auf die wichtigsten Schritte während des virtuellen Simulationsexperiments konzentrieren, um ihr theoretisches Wissen und ihre Experimente zu erweitern. Tabelle 1 zeigt die Fragebeispiele für die Online-Prüfungsübung nach dem Experimentieren. Mit integrierten Übungen können Benutzer den gesamten Prozess des Experiments systematisch überprüfen und die Theorie mit dem Experiment verbinden.
Die Reihe von Experimenten, die durch die Implementierung der vorgeschlagenen virtuellen Simulation angeboten werden, bedeutet, dass die folgenden visualisierten und interaktiven wissens- und fähigkeitserweiterten Erfahrungen bereitgestellt werden können: 1) eine immersive virtuelle Lernumgebung, in der Benutzer durch die Anordnung der Laborräume und die Details jedes Geräts "gehen" und diese verstehen können; 2) Operationen an verschiedenen typischen Ausrüstungsgegenständen in den mechanischen und materiellen Disziplinen, um die Bedienfähigkeiten zu beherrschen; 3) Verbesserung des Sicherheitsbewusstseins durch falsche Bedienung und Warnungen; 4) sich wiederholende Experimente und kürzere Experimente anstelle der Dauer von Experimenten; 5) Befolgen Sie das Protokoll herkömmlicher Labore so genau wie möglich, damit die Benutzer auch in der virtuellen Umgebung mit den Verfahren und den "DoS" und "Don'nots" vertraut sind.
Aufgrund der begrenzten Menge an Ausrüstung und der Beschäftigung von Doktoranden zu Forschungszwecken haben Studenten im Grundstudium selten die Möglichkeit, Experimente mit physischen Geräten durchzuführen. Das virtuelle Simulationssystem, das verschiedene Arten von Geräten integriert, kann dazu beitragen, gleichzeitig zugängliche und wiederholbare Experimente bereitzustellen, um ihre Laborfähigkeiten zu verbessern. Nach dem Einsatz wurde das virtuelle System in den Herbstsemestern der Studienjahre 2020 und 2021 für Studierende mit ingenieurmechanischem Hintergrund eingesetzt. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des Experiments, zu denen die mittlere Abschlusszeit, die Standardabweichung der Abschlusszeit und die Durchschnittswerte der verschiedenen Jahre gehören. Die durchschnittliche Punktzahl (insgesamt 100) wird auf der Grundlage der Auswertung des Experiments (70%, vom System ausgewertet) und des Laborberichts im Internet (30%, vom Lehrer bewertet) berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Studierenden das Experiment im Durchschnitt in ~73 Minuten mit einem Webbrowser abschließen können, was zeiteffizient ist und die Effizienz des webbasierten Systems auf der Grundlage des virtuellen Simulationsansatzes überprüft. Im Jahr 2022 haben wir eine Studie durchgeführt, um die Effizienz des vorgeschlagenen Protokolls zu demonstrieren. Schülerinnen und Schüler aus zwei Klassen mit technisch-mechanischem Hintergrund (zwei Klassen mit demselben Lehrer und den gleichen Klassenmodulen, aus Gründen der Klassengröße in zwei Klassen aufgeteilt) wurden in zwei Gruppen eingeteilt (eine Klasse für jede Gruppe). Die Schüler der Gruppe 1 besuchten das physikalische Labor, um das theoretische Wissen zu erlernen und die Operationen vom Lehrer zu beobachten, während die Schüler der Gruppe 2 die virtuelle Schnittstelle nutzten, die auf der Grundlage des physikalischen Labors (einschließlich des Layouts und der Ausrüstung) für ihr Experiment entwickelt wurde. Tabelle 3 zeigt die Online-Prüfungsergebnisse (mit einer Gesamtpunktzahl von 10) für die Studierenden ohne (Gruppe 1) und mit (Gruppe 2) der virtuellen Schnittstellenerfahrung. Es kann gefolgert werden, dass die Schüler mit der Erfahrung der virtuellen Schnittstelle besser abschnitten als diejenigen ohne die Erfahrung.
Abbildung 1: Die entwickelten dreidimensionalen Geräte, die während der Experimente verwendet wurden. Daraus lässt sich schließen, dass der Benutzer durch dieses virtuelle Simulationsexperiment geschult werden kann, um sich mit den am häufigsten verwendeten Geräten in den mechanischen und materiellen Disziplinen vertraut zu machen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Hervorgehobene Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine im virtuellen Simulationslaborraum. Nach Abschluss des vorherigen Schritts (Schneiden der Probe) wird automatisch der nächste Schritt generiert, der entweder die Maschine (wenn sich die Maschine in der Nähe befindet) oder den Weg zur Maschine (wenn die Maschine nicht in der Nähe ist) hervorhebt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Die Schnittstelle zur Wahl der Platzierungsrichtung der Probe. Der Benutzer sollte die richtige Platzierungsrichtung der Probe wählen, um mit dem nächsten Schritt fortzufahren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Die Schnittstelle zur Verwendung der metallographischen Probeneinlegemaschine. Die Ergebnisse des vorherigen Schritts, nachdem der Benutzer die Auswahl bestätigt hat (in Abbildung 3), werden in der unteren linken Ecke angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Die Schnittstelle mit einer hervorgehobenen Pfadführung. Der Benutzer wird geführt, um einen Raum für das Polieren und Korrosion der Probe zu betreten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 6: Verkabelung für die REM-Maschine. Der Benutzer sollte die Drähte anschließen, um mit dem Experiment fortzufahren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7: In-situ-Mechanik experimentelle Prozessergebnisse des Mikro-Cantilever-Balkens mit voreingestellten Rissen. Die beiden Kurven zeigen ein Beispiel für die in situ mechanischen Versuchsergebnisse eines Mikro-Cantilever-Balkens mit voreingestellten Rissen. (A) Verschiebungs-Zeit-Kurve, (B) Spannungs-Dehnungs-Kurve. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 8: Berechnung auf der Grundlage theoretischer Erkenntnisse. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von Metallglas, das in das Formloch fließt, und der Zeit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 9: Die Warnung zeigt, dass ein falscher Vorgang das Oszilloskop beschädigt hat. Benutzer können auf die Schaltfläche klicken, um den REM-Melder nach oben / unten zu nivellieren. Wenn sie jedoch zu stark ansteigen, wird der REM-Detektor beschädigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 10: Das E-Notebook für die Online-Registrierung vor der Verwendung einer Chemikalie. Vor dem Korrosionsprozess muss der Benutzer es im Notebook registrieren, was dem Verfahren im physikalischen Labor entspricht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| ID | Art der Prüfungsfrage | Details zur Frage | Bieten Sie Wahlmöglichkeiten |
| 1 | Füllen Sie die leere Frage aus | In diesem Experiment wurde __-Lösung verwendet, um den Siliziumwafer zu korrodieren. | Nichts |
| 2 | MCQ mit einer Antwort | Wenn die Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine für das Experiment verwendet wird, welches der folgenden Materialien kann als Newtonsche Flüssigkeit angesehen werden? | Ein. Herkömmliches Metall |
| B. Amorphe Legierung | |||
| 3 | MCQ mit einer Antwort | Wenn geschätzt wird, dass eine Probe der maximalen Kraft von 60 mN standhält, wählen Sie dann bei der Bereichsauswahl InForce 50 oder InForce 1000? | Ein. InForce 50 |
| B. InForce 1000 | |||
| 4 | MCQ mit mehreren Antworten | Nanoindenter kann zum Messen verwendet werden? | Ein. Härte |
| B. Elastizitätsmodul | |||
| C. Bruchzähigkeit | |||
| D. Viskoelastizität | |||
| 5 | MCQ mit einer Antwort | Die Abkürzung SEM steht für | Ein. Lichtmikroskop |
| B. Rasterelektronenmikroskopie | |||
| C. Transmissionselektronenmikroskopie |
Tabelle 1: Fragebeispiele für die Online-Prüfungsübung nach dem Experimentieren. Die Benutzer müssen verschiedene Arten von Fragen beantworten, damit sie den gesamten Prozess des Experiments systematisch überprüfen und die Theorie mit dem Experiment verbinden können.
| Jahr | Anzahl der Studierenden | Durchschnittliche Fertigstellungszeit | Standardabweichung der Fertigstellungszeit | Durchschnittliche Punktzahl |
| 2021 | 58 | 71 min und 46 s | 11 min und 39,5 s | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 min und 3 s | 11 min und 15,4 s | 80.21 |
Tabelle 2: Die Ergebnisse der Experimente in verschiedenen Jahren. Studenten mit technisch-mechanischem Hintergrund absolvierten die Experimente in zwei verschiedenen Studienjahren.
| Gruppen-ID | Anzahl der Studierenden | Durchschnittliche Punktzahl | Standardabweichung der Punktzahl |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
Tabelle 3: Die Online-Prüfungsergebnisse (mit einer Gesamtpunktzahl von 10) für Studierende ohne (Gruppe 1) und mit (Gruppe 2) der virtuellen Schnittstellenerfahrung. Studierende mit technisch-mechanischem Hintergrund wurden 2022 in zwei Gruppen eingeteilt, um die Effizienz des Protokolls zu demonstrieren.
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Discussion
Einer der Vorteile virtueller Simulationsexperimente besteht darin, dass sie es den Benutzern ermöglichen, die Experimente durchzuführen, ohne befürchten zu müssen, das physische System zu beschädigen oder sich selbst Schaden zuzufügen11. Auf diese Weise können Benutzer beliebige Vorgänge ausführen, einschließlich richtiger oder falscher Vorgänge. Das System gibt dem Benutzer jedoch eine Warnmeldung, die in das interaktive Experiment integriert ist, um ihn bei einer falschen Operation zur korrekten Durchführung der Experimente anzuleiten. Auf diese Weise können Benutzer die richtigen Vorgänge erlernen. Wenn ein Benutzer beispielsweise Operationen am REM durchführt, wie in Abbildung 9 dargestellt, kann er den REM-Detektor zu stark ausrichten und ihn versehentlich beschädigen.
Ähnlich wie bei praktischen Experimenten in physischen Labors sollten auch Benutzer, die virtuelle Experimente durchführen, korrekte Verfahren befolgen, die möglicherweise ihr Experimentier- und Sicherheitsbewusstsein verbessern können. Wie in Abbildung 10 dargestellt, sollte sich der Benutzer beispielsweise bei der Herstellung einer KOH-Lösung für den Korrosionsprozess der Probe zu einer metallographischen Probe in einem Notizbuch registrieren, bevor er die Chemikalie verwendet.
Obwohl dieses System eine komplexe und umfassende virtuelle Umgebung für Materialverformungs- und Fehlerexperimente bietet, besteht die Haupteinschränkung darin, dass es derzeit keine Benutzeranpassungen gibt. Benutzer folgen den Schritten, um Experimente durchzuführen, und sie haben selten die Möglichkeit, ihre Ideen umzusetzen. Das System kann jedoch verbessert werden, um den Schülern mehr Freiheit zu geben, ihre Ideen umzusetzen und ihre eigenen Entwürfe und Implementierungen zu erstellen.
Die dreidimensionale virtuelle Simulation war in den letzten zehn Jahren weltweit ein wichtiges Thema, um immersive Schnittstellen für Engagement und Lernen bereitzustellen12,13. Studien zur virtuellen Simulation wurden in verschiedenen Disziplinen durchgeführt, wie z.B. in der Regelungstechnik14 für Sicherheitsbetrachtungen 15 und in der chemischen Verfahrenstechnik für die Produktionspraxis16. In der Disziplin Werkstoffe und Mechanik kann das System für die Ausbildung von Studenten in Bezug auf experimentelle Protokolle, die Verwendung von Geräten und die Überprüfung theoretischer Kenntnisse verwendet werden. Im Vergleich zu bestehenden Methoden kann der vorgeschlagene virtuelle Simulationsansatz von den Anwendern jederzeit und von überall aus aufgerufen werden, solange Internet und ein Webbrowser verfügbar sind, was bedeutet, dass dieser Ansatz kostengünstig und hocheffizient ist. Durch die Bereitstellung von sieben verschiedenen Arten von kostspieligen Geräten ermöglicht das Online-System den Benutzern, ihre Betriebs- und Laborfähigkeiten in diesem einzigen Online-System wiederholt zu verbessern.
Das System kann in Kombination mit traditionellem Lehren und Lernen in zukünftigen Anwendungen der Technik eingesetzt werden. Zum Beispiel könnte das System mit praktischen Experimenten kombiniert werden. Die Studierenden könnten virtuelle Simulationsexperimente durchführen, bevor sie praktische Experimente in konventionellen Labors durchführen. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden ist das System interaktiv und immersiv. Zusätzlich zu den Vorteilen, die die traditionelle Ausbildung bietet, bietet der virtuelle, simulationsbasierte experimentelle Unterricht eine ganze Reihe von Hilfsfunktionen, mit denen die Fähigkeit der Schüler geübt werden kann, das erlernte Wissen zur Lösung praktischer Probleme einzusetzen. Darüber hinaus fördert diese Art des Unterrichts auch die Forschungsinteressen und den Innovationssinn der Studierenden, indem sie sie darin schult, die Testtechniken, -methoden und -prinzipien fortgeschrittener mechanischer Experimente im Mikro- und Nanomaßstab zu beherrschen, und hilft den Studierenden effektiv, ihre professionellen und umfassenden Qualitäten zu verbessern.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde teilweise durch die Grundlagenforschungsfonds für die Zentraluniversitäten im Rahmen des Grants 2042022kf1059 unterstützt; die Nature Science Foundation der Provinz Hubei im Rahmen des Zuschusses 2022CFB757; die China Postdoctoral Science Foundation im Rahmen des Stipendiums 2022TQ0244; die Finanzierung des Wuhan University Experiment Technology Project im Rahmen des Stipendiums WHU-2021-SYJS-11; die Lehr- und Forschungsprojekte der Provinzen an den Hochschulen und Universitäten der Provinz Hubei im Jahr 2021 im Rahmen von Grant 2021038; und das Provincial Laboratory Research Project in den Colleges und Universitäten der Provinz Hubei im Rahmen des Stipendiums HBSY2021-01.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Virtual interface | None | None | http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd |
References
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