Summary
本研究では、材料の変形・破壊に関する3次元仮想シミュレーション実験を行い、可視化された実験プロセスを提供します。一連の実験を通じて、ユーザーは機器に精通し、没入型のインタラクティブな学習環境で操作を学ぶことができます。
Abstract
この作業では、材料の変形と破壊を検出するための一連の包括的な仮想実験を提示します。金属組織切断機や高温ユニバーサルクリープ試験機など、力学および材料分野で最も一般的に使用される機器は、Webベースのシステムに統合され、没入型のインタラクティブな学習環境でユーザーにさまざまな実験サービスを提供します。この作業のプロトコルは、材料の準備、標本の成形、標本の特性評価、標本のローディング、ナノインデンターの設置、およびSEM のin situ 実験の5つのサブセクションに分かれており、このプロトコルは、さまざまな機器の認識と対応する操作、および実験室の意識の向上に関する機会をユーザーに提供することを目的としています。 など、仮想シミュレーションアプローチを使用します。実験の明確なガイダンスを提供するために、システムは次のステップで使用する機器/標本を強調表示し、機器につながる経路を目立つ矢印でマークします。実践的な実験を可能な限り模倣するために、3次元の実験室、機器、操作、および実験手順を設計および開発しました。さらに、仮想システムは、実験中に化学物質を使用する前に、インタラクティブな演習と登録も考慮します。誤った操作も許可され、ユーザーに通知する警告メッセージが表示されます。システムは、さまざまなレベルのユーザーにインタラクティブで視覚化された実験を提供できます。
Introduction
力学は工学の基礎学問の一つであり、数理力学と理論知識の基礎に重点が置かれ、学生の実践力の育成に注意が払われています。現代の科学技術の急速な進歩に伴い、ナノ科学技術は人間の生活と経済に大きな影響を与えてきました。米国国立科学財団(NSF)の元所長であるリタ・コルウェルは、2002年にナノスケール技術が産業革命1に匹敵する影響を与えると宣言し、ナノテクノロジーは本当に新しい世界へのポータルであると述べました2。ナノスケールでの材料の機械的特性は、ナノデバイス3,4,5などのハイテクアプリケーションの開発にとって最も基本的で必要な要素の1つです。ナノスケールでの材料の力学的挙動と応力下での構造進化は、現在のナノメカニカル研究において重要な課題となっています。
近年、ナノインデンテーション技術、電子顕微鏡技術、走査プローブ顕微鏡などの開発と改善により、「in situ力学」実験はナノメカニクス研究において重要な高度な試験技術となっています6,7。明らかに、教育と科学研究の観点から、機械実験に関する伝統的な教育内容に最先端の実験技術を導入する必要があります。
しかし、微視的力学の実験は、巨視的な基礎力学の実験とは大きく異なります。一方では、関連する機器や機器はほとんどすべての大学で普及していますが、価格とメンテナンスコストが高いため、その数は限られています。短期的には、オフライン教育に十分な機器を購入することは不可能です。財源があっても、このタイプの機器は高精度の特性を備えているため、オフライン実験の管理および保守コストが高すぎます。
一方、走査型電子顕微鏡(SEM)などのin situ力学実験は非常に包括的であり、高い運用要件と非常に長い実験期間があります8,9。オフライン実験では、学生は長時間集中する必要があり、誤操作は機器を損傷する可能性があります。非常に熟練した個人であっても、実験を成功させるには、適格な標本の準備から、その場力学実験のための標本のロードまで、完了するまでに数日かかります。したがって、オフライン実験教育の効率は非常に低いです。
上記の問題に対処するために、仮想シミュレーションを利用することができます。仮想シミュレーション実験教育の開発は、 in situ 力学実験機器のコストと量のボトルネックに対処できるため、学生はハイテク機器に損傷を与えることなく、さまざまな高度な機器を簡単に使用できます。また、シミュレーション実験実習では、いつでもどこでもインターネット を介して 仮想シミュレーション実験プラットフォームにアクセスすることができます。一部の低コストの楽器でも、学生は事前に仮想楽器を使用してトレーニングや練習を行うことができるため、教育効率が向上する可能性があります。
本研究では、Webベースのシステム10のアクセシビリティと可用性を考慮して、in situ 力学実験を中心に、力学と材料の基本操作に関連する一連の実験を提供できるWebベースの仮想シミュレーション実験システムを提示します。
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Protocol
本研究では、亀裂を伴うマイクロカンチレバービーム破壊実験の手順を以下のように説明し、http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd を介して無料でアクセスできます。すべてのステップは、仮想シミュレーションアプローチに基づいてオンラインシステムで実行されます。この研究には治験審査委員会の承認は必要ありませんでした。この研究に参加した学生ボランティアから同意を得た。
1.システムにアクセスしてインターフェースに入る
- Web ブラウザーを開き、システムにアクセスするための URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd を入力します。
注:提供されたURLは、ユーザー名とパスワードなしで主流のWebブラウザからアクセスできます。 - 垂直スクロールバーを使用して仮想シミュレーションインターフェイスを見つけます。
注: 仮想シーンは Web に埋め込まれています。 - 右下隅にあるフルスクリーンアイコンをクリックして、 フルスクリーン インターフェイスを有効にします。
- [ 実験の開始] ボタンをクリックして開始します。
- Enterボタンをクリックして初心者向けのガイダンスに従うか、[スキップ]ボタンをクリックしてこの手順をスキップします。
注: ユーザーは、フォロー (Enter ボタン) またはスキップ ([スキップ] ボタン) を選択できます。初心者向けのガイダンスでは、システム全体の説明を提供します。インターフェースはまた、意図した操作または機器を実行するための操作指示を段階的に強調表示します。 図1 は、機械と材料分野の7種類の機器を含む、実験に使用した機器を示しています。初心者はこのガイダンスに従うことをお勧めします。
2.材料の準備
- 初心者レベルのトレーニングを完了した後、実験を開始します。インターフェイスのプロンプトに従って、シリコンウェーハを含むラボテーブルの近くを「歩き」、通常タイプとクラックタイプのシリコンウェーハの違いを確認して、クラックテンプレートを選択します。
注意: 実験インターフェースに入り、強調表示された経路ガイダンスに従って実験を実施します。強調表示されたガイダンスは、実験のための明確なガイダンスを提供するためにプロセス全体で提供されます。 - 表示された材料リストから材料を選択します。
注意: 提供されている材料リストには、金、銀、PtCuNiP、ZrTiCuNiBe、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、およびポリメチルメタクリレート(PMMA)が含まれています。 - ハイライトされた材料をクリックして、選択した材料をカッタークランプにロードします。強調表示された ON / OFF ボタン(右側)をクリックしてカッタークランプをオンにし、[ 速度 ]ボタン(左側)をクリックして、ポップアップインターフェイスで金属組織切断機の速度を設定します。
注意: ユーザーは必要に応じて適切な速度を設定できます。ユーザーが速度を設定すると、カッタークランプがアクティブになり、生のバーが薄いスライスにカットされます。 - 金型、金属シート、カバーシートを順番に積み重ねるには、ハイライト表示されたオブジェクトをユーザーインターフェイスの指示に従ってクリックしてドラッグします。
注意: 材料を切断した後、この組み立てステップはナノモールド鋳造の前に必要です。
3. 試料の成形
- 図2に示すガイダンスに従って、高温万能クリープ試験機まで仮想的に歩き、積み重ねた試験片を万能クリープ試験機のプレートクランプの間に仮想的に置きます。
注意: この手順の後、高温ユニバーサルクリープ試験機の左側にある仮想コンピューターが強調表示されます。 - 仮想コンピューターをクリックし、ユニバーサルクリープ試験機の制御コンピューターでテストスキームを設定します。
注意: このステップの後、加熱および真空ポンプ用の高温ユニバーサルクリープ試験機の補助装置が強調表示され、ユーザーにガイダンスが提供されます。 - 強調表示された 加熱および真空ポンプ装置をクリックし、電源をオンにします。強調表示されたボタンをクリックして、インターフェースの仮想機械式ポンプとバッキングバルブを開きます。
注意: この手順により、ユニバーサルクリープ試験機の真空制御システムのシステム真空制御設定が完了します。 - ユニバーサルクリープ試験機のコントロールパネルにあるクリアボタンをクリックして、データをクリアします。万能クリープ試験機のコントロールパネルにある[実行]ボタンをクリックして実験を完了し、平行平板圧縮成形法を使用して金型のパターンを金属シートにコピーします。
注:金型鋳造が完了したら、試料を取り出し、必要に応じてボタンを順番にクリックして、加熱および真空ポンプ装置のバッキングバルブとメカニカルポンプなどを閉じます(実際の加熱および真空ポンプ装置では、逆の順序により分子ポンプが焼損する可能性があります)。 - 仮想コンピュータを再度クリックし、ユニバーサルクリープ試験機の制御 コンピュータ で実験データを確認します。
- 金属組織試料象嵌機のカバープレートを開き、試験片を配置します。
- 強調表示されたPMMA粉末をクリックして準備した粉末を注ぎ、強調表示された型をクリックしてPMMA粉末の上に置きます。
- 強調表示されたハンドホイールをクリックして金型の位置を調整すると、カバープレートが自動的に覆われます。 ON / OFF ボタンをクリックして、象眼細工の電源を入れます。冷却後、PMMA象眼細工の試験片を取り出します。
注意: 成形された試験片は、 図3に示すように、実験で熱可塑性材料PMMAが使用されている正しい方向に象眼細工機に取り付ける必要があります。PMMA粉末が溶けて試験片の表面に付着していることを確認してください。図 4 の左下隅は、ユーザーが 図 3 に示す選択を確認した後の正しい方向を示しています。
- 図5に示すように、経路ガイダンスに従って研磨と腐食のために部屋に入ります。強調表示された研磨機を見つけ、研磨機のグリッパーをクリックして、象眼細工の試験片をグリッパーに取り付けます。成形材料基板を除去するために試験片を研削および研磨する速度を設定します。
注意: 金型のパターンが露出するまで、金型の片側で金型を研磨します。
4. 試験片の特性評価
- 化学薬品を使用する前に電子ノートに登録してください。化学薬品保管キャビネットを開き、固体KOHとアセトン溶液を取り出します。強調表示されたビーカーをクリックして、アセトン溶液を使用して標本を洗浄します。腐食液調製用の別の強調表示されたビーカーと固体KOHをクリックして、10%KOH溶液を調製します。強調表示されたKOH溶液と試験片をクリックして、試験片を金属組織試験片に腐食させます。
注:この実験では、シリコンモールドを除去するために、通常、6 mol / L KOH溶液を調製し、試験片を調製溶液に入れ、腐食溶液と試験片を含むビーカーをホットプレートに置いて加熱し、腐食速度を加速します。 - シリコン基板を取り外した後、試験片を洗浄し、光学顕微鏡下で準備した試験片で特性試験を実行します。
注意: 研削および腐食後の試験片の完全性を判断することを忘れないでください。
5. 試料の装填とナノインデンターの設置
- 試料をナノインデンターの試料ステージにロードします。コーン圧子を選択して、マイクロおよびナノメカニクス試験システムのドライバーに取り付けます。強調表示されたドライブをクリックして、ナノインデンターに接続します。
注意: 圧子を取り付けるときは、「ピン」をドライブシャフトに挿入する必要があり、ドライブシャフトは細いバーであるため、ねじ端のある圧子をドライブにねじ込むときにラッチがドライブシャフトを損傷するのを防ぎます。
6. SEM のその場 実験
- ナノインデンターの圧子を取り付け、5.1の説明に従って試料をロードした後、SEM制御ソフトウェアの ベント ボタンをクリックします。
- 真空を破った後SEMチャンバーを開き、SEM試料台にナノインデンターを設置し、ワイヤーを接続します(図6 は、ワイヤーの1つを接続した例を示しています)。
- ナノインデンターの制御ソフトウェアを開き、 ロードされた圧子範囲を選択し>、実験プロトコルを選択して>初期化*(サンプルステージの初期化)>コントローラーを起動します。
注意: ナノインデンターサンプルステージの位置初期化プロセスは、ナノインデンターサンプルステージの初期化プロセスがSEM電子出口ポートの極に当たらないように、SEMキャビティが開いた状態で実行する必要があります。 - SEMチャンバーを閉じ、SEM制御ソフトウェアの ポンプ ボタンをクリックします。
- SEM制御ソフトウェアの[ 上 へ]または [下 ]ボタンをクリックして、測定するサンプルがSEM視野に入るようにサンプルステージの位置を調整します。[ OK ]ボタンをクリックして位置を修正します。強調表示されたEHTボタンをクリックして、電子銃をオンにします。 カメラ ボタンをクリックし、電子顕微鏡観察モードに切り替えます。
注意: ナノインデンターの圧子は、測定するサンプルに徐々に近づくように観察モードで制御する必要があります。 - ナノインデンターの制御ソフトウェアの[ 実行 ]ボタンをクリックします。
注:実験中は、試験片の装填プロセス中の変形特性と故障プロセスを観察および記録し、実験が完了した後、データをプロットおよびエクスポートするために、実験の元のデータをデータ分析ウィンドウで開く必要があります。 - ナノインデンターの制御ソフトウェアの 停止 ボタンをクリックして、実験を終了します。
注: 仮想シミュレーション実験はここで終了します。ユーザーは、実験後に仮想インターフェイスでオンライン試験演習を完了するように求められます。
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Representative Results
システムは、ユーザーの操作に関する明確なガイダンスを提供します。まず、ユーザーがシステムに入ると、初心者レベルのトレーニングが統合されます。次に、次のステップの操作に使用する機器と実験室が強調表示されます。
このシステムは、さまざまなレベルの学生に対して、いくつかの異なる教育目的に使用できます。たとえば、図1には、機械および材料の分野で最も一般的に使用される7つのタイプの機器、すなわち、金属組織切断機、高温万能クリープ試験機、金属組織試料象眼細工機、研磨機、光学顕微鏡、SEM、およびマイクロおよびナノメカニクス試験システムが含まれています。初心者向けのガイダンスでは、実験で使用したすべての機器の説明について学ぶことができます。次に、すべての機器を1つずつ使用して実験を完了します。学生は、操作スキルを習得するまで、繰り返し実験するための機器を選択できます。
図3と図4は、システムが実験操作と組み合わせた実験スキームの設計を強化できることも示しており、これにより即座に検証できます。図3では、成形された試験片を作成するために、試験片を正しい方向に配置することを選択する必要があります。図4は、金属組織試料象嵌め細工機を使用するためのインターフェースを示しており、図3に示すように、ユーザーが選択を確認した後の前のステップの結果(図4の左下隅に示されている)も示しています。図7は、予め設定された亀裂を有するマイクロカンチレバービームのin situ力学実験結果を示す。結果の分析を通じて、ユーザーは結果がどのように得られたかを判断できます。
このプロトコルは、学生が準備する試験片の長さと直径の比率に従って平行平板のレオロジー実験の荷重サイズと荷重時間を評価する必要があるシナリオをシミュレートします。実験者は、円筒穴型に流入する粘性流体の長さと直径の比、圧力p0、および一定圧力p0の作用下での直径dの時間tの関係を分析する必要があります。この関係を以下に示します。
ここで、Lは長さ、dは円筒穴金型の直径、p0は一定圧力、ηは材料粘度、tは荷重時間です。p0、η、およびL / dが与えられると、tを計算できます。L / dが2倍になると、読み込み時間は以前の4倍になります。 図8は、金型穴に流入する金属ガラスの長さ対直径比と時間の関係を示す。
実際の実験では、学生は試行錯誤のアプローチ、つまり必要なサンプルが最終的に作成されるまで負荷サイズまたは負荷時間を絶えず調整することが多いことがわかりました。このプロトコルでは、理論的知識を検証するためのインタラクティブなインターフェースが提供され、ロード時間は提供されたパラメータ値(材料の粘度、初期サンプルサイズ、および荷重サイズ)に従って決定されます。「金属ガラスは、ダイカスト実験温度で η = 107 Pa·sの粘度を持つニュートン流体です。流体は金型接触境界でスリップしません。長さと直径の比率が5の円筒形の試験片を準備する必要があります。実験で100MPaの大量の圧力を加えることができる場合、装填時間はどのくらいにする必要がありますか?長さと直径の比率を1倍にすると、読み込み時間は何倍になりますか?」生徒は答えを見つけ出し、それに応じてテストスキームを設定してから、実験を行う必要があります。
実験後、学生は、穴埋めの質問や単一回答/複数回答の多肢選択問題(MCQ)など、理論的知識と実験を強化するために仮想シミュレーション実験中の重要なステップに焦点を当てた、さまざまな種類のいくつかの質問に答えるよう求められます。 表1 は、実験後のオンライン試験演習の質問例を示しています。統合された演習により、ユーザーは実験のプロセス全体を体系的にレビューし、理論を実験に結び付けることができます。
提案された仮想シミュレーションの実装によって提供される一連の実験は、次の視覚化されたインタラクティブな知識強化およびスキル強化エクスペリエンスを提供できることを意味します:1)ユーザーが実験室のレイアウトと各機器の詳細を「歩き回って」理解できる没入型の仮想学習環境。2)操作スキルを習得するための、機械的および材料分野のさまざまな典型的な機器の操作。3)誤った操作や警告による安全意識の向上。4)実験期間の代わりに反復実験とより短い時間の実験。5)仮想環境でもユーザーが手順と「すべきこと」と「すべきでないこと」に慣れることができるように、従来のラボのプロトコルに可能な限り忠実に従います。
従来、機器が限られていることや、研究目的で大学院生が占めていたため、学部生が物理的な機器を使って実験を行う機会はほとんどありませんでした。さまざまなタイプの機器を統合する仮想シミュレーションシステムは、同時にアクセス可能で再現可能な実験を提供して、実験室のスキルを向上させるのに役立ちます。展開後、仮想システムは、工学力学のバックグラウンドを持つ学生のために、2020年と2021年の学年度の秋学期に適用されました。 表2 は、平均完了時間、完了時間の標準偏差、および異なる年の平均スコアを含む実験の結果を示しています。平均スコア(合計100)は、実験の評価(70%、システムによって評価)とWeb上の実験室レポート(30%、教師によって評価)に基づいて計算されます。その結果、学生はWebブラウザを使用して平均~73分で実験を完了でき、時間効率が良く、仮想シミュレーションアプローチに基づいてWebベースのシステムの効率を検証します。2022年には、提案されたプロトコルの効率を実証するための調査を実施しました。工学力学のバックグラウンドを持つ2つのクラス(同じ教師と同じクラスモジュールを持つ2つのクラス、クラスのサイズの都合で2つのクラスに分けられた)の学生は、2つのグループ(各グループに1つのクラス)に分けられました。第1班の学生は物理実験室に通い、教員から理論知識の習得と操作の見学を行い、第2班の学生は物理実験室をベースに開発した仮想インターフェース(レイアウトや機器を含む)を実験に使用しました。 表3 は、仮想インターフェイスエクスペリエンスがない学生(グループ1)と仮想インターフェイスエクスペリエンスのある学生(グループ2)のオンライン試験結果(合計スコア10)を示しています。仮想インターフェースの経験を持つ学生は、経験のない学生よりも優れた成績を収めたと結論付けることができます。
図1:実験中に使用した開発された3次元装置。 この仮想シミュレーション実験を通じて、ユーザーは機械および材料の分野で最も一般的に使用される機器に精通するように訓練することができると結論付けることができます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:仮想シミュレーション実験室でハイライトされた高温ユニバーサルクリープ試験機。 前のステップ(試験片の切断)を完了すると、次のステップが自動的に生成され、機械(機械が近くにある場合)または機械につながる経路(機械が近くにない場合)が強調表示されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:試験片の配置方向を選択するためのインターフェース。 次のステップに進むには、試験片の正しい配置方向を選択する必要があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:金属組織試料象嵌機を使用するためのインターフェース。 ユーザーが選択を確認した後の前の手順の結果 ( 図 3) が左下隅に表示されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:経路ガイダンスが強調表示されたインターフェース。 ユーザーは、試料の研磨と腐食のための部屋に入るように案内されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:SEMマシンの配線。 実験を続行するには、ユーザーはワイヤーを接続する必要があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図7:プリセット亀裂を有するマイクロカンチレバービームの その場 力学実験プロセス結果。 2つの曲線は、プリセットされた亀裂を有するマイクロカンチレバービームの その場 力学実験結果の例を示しています。(A)変位-時間曲線、(B)応力-ひずみ曲線。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図8:理論的知識に基づく計算。 金型穴に流入する金属ガラスの長さと直径の比率と時間の関係。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 9: 警告は、間違った操作によってスコープが損傷したことを示しています。 ユーザーはボタンをクリックして、SEM検出器をレベルアップ/レベルダウンできます。ただし、レベルアップしすぎると、SEM検出器が損傷します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図10:化学物質を使用する前のオンライン登録用の電子ノートブック。 腐食プロセスの前に、ユーザーはそれをノートブックに登録する必要がありますが、これは物理的な実験室での手順と同じです。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| 身分証明書 | 試験問題タイプ | 質問の詳細 | 選択肢を提供する |
| 1 | 穴埋めの質問 | この実験では、シリコンウェーハを腐食させるために__溶液を用いた。 | 何一つ |
| 2 | 単一回答 MCQ | 高温万能クリープ試験機を実験に使用した場合、次の材料のうちニュートン流体と見なすことができるのはどれですか? | ある。 従来の金属 |
| B. アモルファス合金 | |||
| 3 | 単一回答 MCQ | 試験片が60mNの最大力に耐えると推定される場合、範囲選択で、InForce 50またはInForce 1000を選択しますか? | ある。 インフォース50 |
| B. インフォース1000 | |||
| 4 | 複数回答 MCQ | ナノインデンターは測定に使用できますか? | ある。 硬度 |
| B. 弾性率 | |||
| C. 破壊靭性 | |||
| D.粘弾性 | |||
| 5 | 単一回答 MCQ | SEMはの略語です | ある。 光学顕微鏡 |
| B. 走査型電子顕微鏡 | |||
| C. 透過型電子顕微鏡 |
表1:実験後のオンライン試験演習の質問例。 ユーザーは、実験のプロセス全体を体系的にレビューし、理論を実験に結び付けることができるように、さまざまな種類の質問を完了する必要があります。
| 年 | 学生数 | 平均完了時間 | 完了時間の標準偏差 | 平均スコア |
| 2021 | 58 | 71分46秒 | 11分39.5秒 | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73分3秒 | 11分15.4秒 | 80.21 |
表2:異なる年の実験結果。 工学力学のバックグラウンドを持つ学生は、2つの異なる学年で実験を完了しました。
| グループ ID | 学生数 | 平均スコア | スコアの標準偏差 |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
表3:仮想インターフェイスエクスペリエンスがない学生(グループ1)と仮想インターフェイスエクスペリエンスがある学生(グループ2)のオンライン試験結果(合計スコア10)。 エンジニアリングメカニクスのバックグラウンドを持つ学生は、プロトコルの効率を実証するために、2022年に2つのグループに分けられました。
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Discussion
仮想シミュレーション実験の利点の1つは、ユーザーが物理システムの損傷や自分自身への危害を心配することなく実験を実行できることです11。したがって、ユーザーは、正しい操作または間違った操作を含む任意の操作を実行できます。ただし、システムは、インタラクティブな実験に統合された警告メッセージをユーザーに提供し、間違った操作が行われたときに実験を正しく実施するようにガイドします。このようにして、ユーザーは正しい操作を学ぶことができます。例えば、 図9のようにSEMの操作を行うと、SEM検出器をレベルアップしすぎて、誤って破損してしまうことがあります。
物理実験室での実践的な実験と同様に、仮想実験を行うユーザーも正しい手順に従う必要があり、実験と安全意識を高める可能性があります。たとえば、 図10に示すように、金属組織試験片に試験片の腐食プロセス用のKOH溶液を調製する場合、ユーザーは化学薬品を使用する前にノートに登録する必要があります。
このシステムは、材料の変形と破壊実験のための複雑で包括的な仮想環境を提供しますが、主な制限は、現在、ユーザーのカスタマイズが不足していることです。ユーザーは手順に従って実験を行い、アイデアを実装する機会はほとんどありません。ただし、システムを改善して、学生がアイデアを実装し、独自の設計と実装を作成する自由度を高めることができます。
3次元仮想シミュレーションは、エンゲージメントと学習のための没入型インターフェースを提供するという点で、過去10年間、世界中で重要なトピックでした12,13。仮想シミュレーションに関する研究は、安全配慮のための制御工学14、生産実習のための化学工学16など、さまざまな分野で行われています。材料力学の分野では、実験プロトコルに関する学生のトレーニング、機器の使用、理論的知識の検証に使用できます。既存の手法に対して、提案する仮想シミュレーション手法は、インターネットとWebブラウザが利用できれば、いつでもどこからでもアクセスできるため、費用対効果が高く、効率も高い。7種類の高価な機器を提供することで、ユーザーはこの単一のオンラインシステムで操作とラボのスキルを繰り返し向上させることができます。
このシステムは、技術の将来のアプリケーションで従来の教育および学習と組み合わせて使用 できます。たとえば、このシステムは実践的な実験と組み合わせることができます。学生は、従来の実験室で実践的な実験を行う前に、仮想シミュレーション実験を行うことができます。従来の方法と比較して、システムはインタラクティブで没入型です。従来の教育によって提供される利点に加えて、仮想シミュレーションベースの実験教育は、実践的な問題を解決するために学んだ知識を使用する学生の能力を行使できる、あらゆる補助機能を提供します。さらに、このタイプの教育は、高度なマイクロおよびナノスケールの機械実験のテスト技術、方法、および原理を習得するように訓練することにより、学生の研究関心と革新の感覚を育成し、学生が専門的で包括的な資質を向上させるのを効果的に支援します。
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Disclosures
著者は開示するものは何もありません。
Acknowledgments
この作業は、助成金2042022kf1059に基づく中央大学の基礎研究基金によって部分的にサポートされました。助成金2022CFB757に基づく湖北省自然科学財団。助成金2022TQ0244の下の中国ポスドク科学財団;助成金WHU-2021-SYJS-11に基づく武漢大学実験技術プロジェクト資金。助成金の下で2021年に湖北省の大学と大学での州の教育および研究プロジェクト2021038。助成金HBSY2021-01の下で湖北省の大学における州の実験室研究プロジェクト。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Virtual interface | None | None | http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd |
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