$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mechanika jest jedną z podstawowych dyscyplin inżynierii, co widać poprzez nacisk położony na podstawy mechaniki matematycznej i wiedzy teoretycznej oraz uwagę poświęconą kultywowaniu praktycznych umiejętności uczniów. Wraz z szybkim postępem nowoczesnej nauki i technologii, nanonauka i technologia wywarły ogromny wpływ na życie ludzkie i gospodarkę. Rita Colwell, była dyrektorka amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (NSF), oświadczyła w 2002 roku, że technologia nanoskalowa będzie miała wpływ równy rewolucji przemysłowej1 i zauważyła, że nanotechnologia jest naprawdę portalem do nowego świata2. Właściwości mechaniczne materiałów w nanoskali są jednym z najbardziej podstawowych i niezbędnych czynników dla rozwoju zaawansowanych technologicznie zastosowań, takich jak nanourządzenia3,4,5. Mechaniczne zachowanie materiałów w nanoskali i ewolucja strukturalna pod wpływem naprężeń stały się ważnymi zagadnieniami w obecnych badaniach nanomechanicznych.
W ostatnich latach, rozwój i udoskonalenie technologii nanoindentacji, technologii mikroskopii elektronowej, mikroskopii skaningowej itp., sprawiło, że eksperymenty z "mechaniką in situ" stały się zaawansowaną techniką testowania ważną w badaniach nanomechaniki6,7. Oczywiście, z punktu widzenia dydaktyki i badań naukowych, konieczne jest wprowadzenie pionierskich technik eksperymentalnych do tradycyjnych treści nauczania dotyczących eksperymentów mechanicznych.
Jednakże, eksperymenty mechaniki mikroskopowej znacznie różnią się od makroskopowych eksperymentów z mechaniki podstawowej. Z jednej strony, chociaż odpowiednie instrumenty i sprzęt zostały spopularyzowane w prawie wszystkich szkołach wyższych i uniwersytetach, ich liczba jest ograniczona ze względu na wysoką cenę i koszty utrzymania. W perspektywie krótkoterminowej niemożliwe jest zakupienie wystarczającej ilości sprzętu do nauczania offline. Nawet jeśli istnieją środki finansowe, koszty zarządzania i utrzymania eksperymentów offline są zbyt wysokie, ponieważ tego typu sprzęt ma wysoką precyzję.
Z drugiej strony, eksperymenty z mechaniką in situ, takie jak skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM), są bardzo wszechstronne, z wysokimi wymaganiami operacyjnymi i niezwykle długim okresem eksperymentalnym8,9. Eksperymenty offline wymagają od uczniów dużej koncentracji przez długi czas, a niewłaściwa obsługa może spowodować uszkodzenie instrumentu. Nawet w przypadku bardzo wykwalifikowanych osób, udany eksperyment wymaga kilku dni, aby go ukończyć, od przygotowania wykwalifikowanych próbek do załadowania próbek do eksperymentów mechanicznych in situ. W związku z tym efektywność eksperymentalnego nauczania offline jest niezwykle niska.
Aby rozwiązać powyższe problemy, można wykorzystać wirtualną symulację. Rozwój nauczania wirtualnych eksperymentów symulacyjnych może rozwiązać problem wąskiego gardła kosztów i ilości sprzętu eksperymentalnego do mechaniki in situ, a tym samym umożliwić uczniom łatwe korzystanie z różnych zaawansowanych elementów wyposażenia bez uszkadzania zaawansowanych technologicznie instrumentów. Nauczanie eksperymentów symulacyjnych umożliwia również uczniom dostęp do wirtualnej platformy eksperymentów symulacyjnych za pośrednictwem Internetu w dowolnym miejscu i czasie. Nawet w przypadku niektórych tanich instrumentów uczniowie mogą z wyprzedzeniem korzystać z wirtualnych instrumentów do szkolenia i praktyki, co może poprawić efektywność nauczania.
Biorąc pod uwagę dostępność i dostępność systemów internetowych10, w tej pracy prezentujemy internetowy system eksperymentów z wirtualną symulacją, który może dostarczyć zestaw eksperymentów związanych z podstawowymi operacjami w mechanice i materiałach, z naciskiem na eksperyment z mechaniką in situ.