Summary
В этой работе представлен трехмерный виртуальный имитационный эксперимент по деформации и разрушению материала, который обеспечивает визуализированные экспериментальные процессы. С помощью ряда экспериментов пользователи могут ознакомиться с оборудованием и изучить операции в иммерсивной и интерактивной учебной среде.
Abstract
В данной работе представлен комплекс комплексных виртуальных экспериментов по обнаружению деформации и разрушения материала. Наиболее часто используемые единицы оборудования в механике и материаловедении, такие как металлографический режущий станок и высокотемпературная универсальная машина для испытания на ползучесть, интегрированы в веб-систему для предоставления различных экспериментальных услуг пользователям в иммерсивной и интерактивной учебной среде. Протокол в этой работе разделен на пять подразделов, а именно: подготовка материалов, формование образца, характеристика образца, загрузка образца, установка наноиндентора и эксперименты SEM in situ , и этот протокол направлен на предоставление пользователям возможности в отношении распознавания различного оборудования и соответствующих операций, а также повышение осведомленности лаборатории, и т. д., используя подход виртуального моделирования. Чтобы обеспечить четкое руководство для эксперимента, система выделяет оборудование/образец, который будет использоваться на следующем этапе, и отмечает путь, ведущий к оборудованию, заметной стрелкой. Чтобы максимально точно имитировать практический эксперимент, мы спроектировали и разработали трехмерную лабораторную комнату, оборудование, операции и экспериментальные процедуры. Кроме того, виртуальная система также учитывает интерактивные упражнения и регистрацию перед использованием химических веществ во время эксперимента. Также допускаются некорректные операции, что приводит к появлению предупреждающего сообщения, информирующего пользователя. Система может предоставлять интерактивные и визуализированные эксперименты пользователям на разных уровнях.
Introduction
Механика является одной из основных дисциплин в технике, о чем свидетельствует акцент, сделанный на основе математической механики и теоретических знаний, а также внимание, уделяемое развитию практических способностей студентов. С быстрым развитием современной науки и техники нанонаука и технологии оказали огромное влияние на жизнь человека и экономику. Рита Колвелл, бывший директор Национального научного фонда США (NSF), заявила в 2002 году, что наноразмерные технологии окажут влияние, равное промышленной революции1, и отметила, что нанотехнологии действительно являются порталом в новый мир2. Механические свойства материалов на наноуровне являются одним из наиболее фундаментальных и необходимых факторов для развития высокотехнологичных приложений, таких как наноустройства 3,4,5. Механическое поведение материалов на наноуровне и структурная эволюция под напряжением стали важными вопросами в современных наномеханических исследованиях.
В последние годы развитие и совершенствование технологии наноиндентирования, технологии электронной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии и т. д. сделали эксперименты по «механике in situ» передовым методом тестирования, важным в исследованиях наномеханики 6,7. Очевидно, что с точки зрения преподавания и научных исследований необходимо ввести передовые экспериментальные методы в традиционное содержание обучения механическим экспериментам.
Однако эксперименты по микроскопической механике существенно отличаются от экспериментов по макроскопической базовой механике. С одной стороны, хотя соответствующие инструменты и оборудование популяризированы практически во всех колледжах и университетах, их количество ограничено из-за высокой цены и стоимости обслуживания. В ближайшей перспективе невозможно закупить достаточное количество оборудования для офлайн-обучения. Даже при наличии финансовых ресурсов затраты на управление и обслуживание оффлайн-экспериментов слишком высоки, так как данный вид оборудования обладает высокоточными характеристиками.
С другой стороны, эксперименты по механике in situ, такие как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), являются очень всеобъемлющими, с высокими эксплуатационными требованиями и чрезвычайно длительным периодом эксперимента 8,9. Автономные эксперименты требуют от учащихся высокой концентрации в течение длительного времени, а неправильная работа может повредить инструмент. Даже с очень квалифицированными людьми для успешного эксперимента требуется несколько дней, от подготовки квалифицированных образцов до загрузки образцов для механических экспериментов на месте. Поэтому эффективность автономного экспериментального обучения крайне низка.
Для решения вышеуказанных проблем можно использовать виртуальное моделирование. Развитие обучения виртуальным симуляционным экспериментам может решить проблему стоимости и количества экспериментального оборудования для механики in situ и, таким образом, позволить учащимся легко использовать различные передовые элементы оборудования, не повреждая высокотехнологичные инструменты. Преподавание симуляционных экспериментов также позволяет учащимся получить доступ к виртуальной платформе симуляционного эксперимента через Интернет в любое время и в любом месте. Даже для некоторых недорогих инструментов студенты могут заранее использовать виртуальные инструменты для обучения и практики, что может повысить эффективность обучения.
Учитывая доступность и доступность веб-систем10, в этой работе мы представляем веб-систему виртуальных имитационных экспериментов, которая может обеспечить набор экспериментов, связанных с фундаментальными операциями в механике и материалах, с акцентом на эксперимент по механике in situ .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
В данной работе рассматриваются следующие методики эксперимента по разрушению микрокантилевера пучка с трещинами, который открыт для свободного доступа через http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Все этапы проводятся в онлайн-системе на основе подхода виртуального моделирования. Для этого исследования не требовалось одобрения Институционального наблюдательного совета. Согласие было получено от студентов-добровольцев, принявших участие в этом исследовании.
1. Доступ к системе и вход в интерфейс
- Откройте веб-браузер и введите URL-адрес, http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd для доступа к системе.
ПРИМЕЧАНИЕ: Доступ к предоставленному URL-адресу можно получить через основной веб-браузер без имени пользователя и пароля. - Найдите интерфейс виртуального моделирования с помощью вертикальной полосы прокрутки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Виртуальная сцена встроена в сеть. - Нажмите на полноэкранный значок в правом нижнем углу, чтобы включить полноэкранный интерфейс.
- Нажмите кнопку « Начать эксперимент », чтобы начать.
- Нажмите кнопку « Ввод », чтобы следовать инструкциям для начинающих, или нажмите кнопку «Пропустить», чтобы пропустить этот шаг.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователь может выбрать подписку (кнопка Enter ) или пропуск (кнопка Skip ). Руководство для начинающих содержит описание всей системы. Интерфейс также выделяет пошаговые инструкции по эксплуатации для выполнения предполагаемых операций или оборудования. На рисунке 1 показано оборудование, использованное в эксперименте, в том числе семь типов оборудования в механических и материаловедческих дисциплинах. Новичкам рекомендуется следовать этому руководству.
2. Подготовка материалов
- Начните эксперимент после завершения обучения начального уровня. Следуйте инструкциям в интерфейсе, чтобы «подойти» к лабораторному столу, содержащему кремниевые пластины, просмотреть различия между кремниевыми пластинами нормального типа и кремниевых пластин типа трещин и выбрать шаблон трещины.
ПРИМЕЧАНИЕ: Войдите в интерфейс эксперимента и проведите эксперименты в соответствии с выделенными указаниями по пути. Выделенное руководство предоставляется на протяжении всего процесса, чтобы предложить четкое руководство для экспериментов. - Выберите материал из предоставленного списка материалов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Предоставленный список материалов включает золото, серебро, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, полиэфир-эфир-кетон (PEEK) и полиметилметакрилат (ПММА). - Загрузите выбранный материал на зажим фрезы, щелкнув по выделенному материалу. Нажмите на выделенную кнопку ВКЛ/ВЫКЛ (с правой стороны), чтобы включить зажим фрезы, нажмите кнопку «Скорость » (слева) и установите скорость станка для металлографической резки во всплывающем интерфейсе.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователь может установить правильную скорость по своему усмотрению. Как только скорость будет установлена пользователем, зажим резака будет активирован, и необработанный стержень будет нарезан тонкими ломтиками. - Сложите форму, металлический лист и обложку по очереди, щелкнув и перетащив выделенный объект в соответствии с инструкциями в пользовательском интерфейсе.
ПРИМЕЧАНИЕ: После резки материала этот этап сборки необходим перед литьем в наноформу.
3. Формовка образца
- Виртуально подойдите к высокотемпературной универсальной машине для испытания на ползучесть, следуя указаниям, показанным на рисунке 2, и виртуально поместите сложенные образцы между пластинчатыми зажимами универсальной машины для испытания на ползучесть.
ПРИМЕЧАНИЕ: После этого шага виртуальный компьютер с левой стороны высокотемпературной универсальной машины для испытания на ползучесть будет выделен. - Нажмите на Виртуальный компьютер и установите тестовую схему на управляющем компьютере универсальной машины для испытания на ползучесть.
ПРИМЕЧАНИЕ: После этого шага вспомогательное оборудование высокотемпературной универсальной машины для испытания на ползучесть для нагрева и вакуумной откачки будет выделено, чтобы предоставить пользователю рекомендации. - Нажмите на выделенное отопительное и вакуумное насосное оборудование, и включите питание. Откройте виртуальный механический насос и форвакуумный клапан в интерфейсе, нажав на выделенные кнопки.
ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе завершаются настройки управления вакуумом в системе управления вакуумом универсальной машины для испытания на ползучесть. - Нажмите кнопку «Очистить» на панели управления универсальной машины для испытания на ползучесть, чтобы очистить данные. Нажмите кнопку «Выполнить» на панели управления универсальной машины для испытания на ползучесть, чтобы завершить эксперимент, который копирует рисунок на форме на металлический лист методом компрессионного формования параллельной пластины.
ПРИМЕЧАНИЕ: После завершения литья в форму извлеките образец и закройте форвакуумный клапан, механический насос и т. Д. Нагревательного и вакуумного насосного оборудования, нажимая кнопки по очереди по мере необходимости (в реальном нагревательном и вакуумном насосном оборудовании обратный порядок может привести к сгоранию молекулярного насоса). - Снова нажмите на виртуальный компьютер и проверьте экспериментальные данные на управляющем компьютере универсальной машины для испытания на ползучесть.
- Откройте крышку на машине для инкрустации металлографическими образцами и поместите образец.
- Нажмите на выделенный порошок ПММА, чтобы насыпать подготовленный порошок, и нажмите на выделенную форму, чтобы поместить ее поверх порошка ПММА.
- Нажмите на выделенный маховик, чтобы отрегулировать положение формы, которая автоматически покроет крышку. Нажмите кнопку ВКЛ/ВЫКЛ, чтобы включить инкрустатор. Выньте инкрустированный образец из ПММА после охлаждения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Формованный образец должен быть установлен на прокладочной машине в правильном направлении, как показано на рисунке 3, в котором в эксперименте используется термопластичный материал ПММА. Убедитесь, что порошок ПММА расплавился и прилип к поверхности образца. Нижний левый угол рисунка 4 иллюстрирует правильное направление после того, как пользователь подтвердит выбор, показанный на рисунке 3.
- Войдите в помещение для полировки и коррозии, следуя указаниям по пути, как показано на рисунке 5. Найдите выделенную полировальную машину и нажмите на захват полировальной машины, чтобы установить инкрустированный образец на захват. Установите скорость шлифовки и полировки образца, чтобы удалить подложку из формованного материала.
ПРИМЕЧАНИЕ: Шлифуйте форму с одной стороны формы, пока не обнажится рисунок на форме.
4. Характеристика образцов
- Зарегистрируйтесь в электронной записной книжке перед использованием химического вещества. Откройте шкаф для хранения химикатов и извлеките твердый раствор КОН и ацетона. Нажмите на выделенный стакан, чтобы использовать раствор ацетона для очистки образца. Нажмите на другой выделенный стакан и твердый KOH для приготовления коррозионной жидкости, чтобы приготовить 10% раствор KOH. Нажмите на выделенный раствор KOH и образец, чтобы разъесть образец в металлографический образец.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте для удаления кремниевой формы обычно готовят раствор KOH 6 моль/л, образец помещают в раствор для приготовления, а стакан, содержащий раствор для коррозии и образец, помещают на горячую плиту для нагрева для ускорения скорости коррозии. - Очистите образец после удаления кремниевой подложки и проведите характерное тестирование с подготовленным образцом под оптическим микроскопом.
ПРИМЕЧАНИЕ: Не забудьте определить целостность образца после шлифовки и коррозии.
5. Загрузка образцов и установка наноиндентора
- Загрузите образец на предметный столик наноиндентора. Выберите конусный индентор, чтобы установить его на драйвер системы тестирования микро- и наномеханики. Нажмите на выделенный диск, чтобы соединить его с наноиндентором.
ПРИМЕЧАНИЕ: «Штифт» должен быть вставлен в приводной вал при установке индентора, а поскольку приводной вал представляет собой тонкий стержень, защелка позволяет избежать повреждения приводного вала при ввинчивании индентора с резьбовым концом в привод.
6. Эксперимент SEM in situ
- Нажмите кнопку «Вентиляция » в управляющем программном обеспечении SEM после установки индентора наноиндентора и загрузки образца, как описано в 5.1.
- Откройте камеру SEM после разрыва вакуума, установите наноиндентор на столик образца SEM и подключите провода (на рисунке 6 показан пример подключения одного из проводов).
- Откройте управляющее программное обеспечение наноиндентора и выберите Loaded Indenter Range > выберите Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization)).
ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс инициализации положения ступени образца наноиндентора должен выполняться в состоянии, в котором полость СЭМ открыта, чтобы избежать процесса инициализации этапа образца наноиндентора, ударяющегося о полюс выходного порта электрона СЭМ. - Закройте камеру SEM и нажмите кнопку « Насос » в программном обеспечении управления SEM.
- Нажмите кнопку « Вверх » или « Вниз » в управляющем программном обеспечении SEM, чтобы отрегулировать положение предметного столика образца таким образом, чтобы измеряемый образец попадал в поле зрения SEM. Нажмите на кнопку ОК , чтобы зафиксировать положение. Нажмите на выделенную кнопку EHT, чтобы включить электронную пушку. Нажмите кнопку « Камера » и переключитесь в режим наблюдения электронной микроскопии.
ПРИМЕЧАНИЕ: Индентор наноиндентора следует контролировать в режиме наблюдения, чтобы постепенно приближаться к измеряемому образцу. - Нажмите кнопку «Выполнить» на управляющем программном обеспечении наноиндентора.
ПРИМЕЧАНИЕ: Во время эксперимента необходимо наблюдать и записывать деформационные характеристики и процесс разрушения во время процесса нагружения образца, а также открывать исходные данные эксперимента в окне анализа данных после завершения эксперимента для построения графика и экспорта данных. - Нажмите кнопку «Стоп » на управляющем программном обеспечении наноиндентора, чтобы завершить эксперимент.
ПРИМЕЧАНИЕ: На этом эксперимент по виртуальному моделированию заканчивается. Пользователю предлагается выполнить упражнение онлайн-экзамена в виртуальном интерфейсе после эксперимента.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Система обеспечивает четкое руководство по операциям пользователя. Во-первых, обучение начального уровня интегрируется, когда пользователь входит в систему. Во-вторых, выделяются оборудование и лабораторное помещение, которое будет использоваться для следующего этапа операции.
Система может быть использована для нескольких различных образовательных целей для разных уровней учащихся. Например, на рисунке 1 представлены семь наиболее часто используемых типов оборудования в механических и материаловедческих дисциплинах, а именно: металлографический режущий станок, высокотемпературная универсальная машина для испытания на ползучесть, металлографическая инкрустация образцами, полировальная машина, оптический микроскоп, СЭМ, а также микро- и наномеханическая испытательная система. В руководстве для начинающих пользователь может узнать об описаниях всего оборудования, используемого в эксперименте. Затем все оборудование используется одно за другим для завершения эксперимента. Студенты могут выбирать оборудование для повторяющихся экспериментов до тех пор, пока не освоят навыки работы.
На рисунках 3 и 4 также показано, что система может улучшить конструкцию экспериментальной схемы в сочетании с экспериментальными операциями, что может обеспечить мгновенную проверку. На рисунке 3 пользователь должен выбрать размещение образца в правильном направлении, чтобы создать формованный образец. На рисунке 4 показан интерфейс для использования металлографической машины для прокладки образцов, который также показывает результаты (как показано в левом нижнем углу рисунка 4) предыдущего шага после того, как пользователь подтвердит выбор, как показано на рисунке 3. На рисунке 7 показаны экспериментальные результаты механики in situ микроконсольной балки с заданными трещинами. Благодаря анализу результатов пользователь может определить, как были получены результаты.
Этот протокол имитирует сценарий, в котором учащиеся должны оценить размер нагрузки и время загрузки реологического эксперимента параллельной пластины в соответствии с отношением длины к диаметру образца, подлежащего приготовлению. Экспериментатору необходимо проанализировать соотношение отношения длины к диаметру вязкой жидкости, поступающей в цилиндрическую форму с отверстиями, давления p 0 и времени t с диаметром d под действием постоянного давления p 0. Это соотношение показано ниже:
где L — длина, d — диаметр формы с цилиндрическими отверстиями, p0 — постоянное давление, η — вязкость материала, t — время загрузки. После того, как p0, η и L/d даны, t может быть вычислено. Если L/d удваивается, время загрузки будет в четыре раза больше, чем раньше. На рисунке 8 показана взаимосвязь между отношением длины к диаметру металлического стекла, поступающего в отверстие формы, и временем.
В реальных экспериментах было обнаружено, что студенты часто использовали метод проб и ошибок, то есть постоянно регулировали размер нагрузки или продолжительность загрузки до тех пор, пока не будет окончательно получен требуемый образец. В этом протоколе предусмотрен интерактивный интерфейс для проверки теоретических знаний, а время загрузки определяется в соответствии с предоставленными значениями параметров (вязкость материала, начальный размер образца и размер загрузки). Наводящий вопрос приводится следующим образом: «Металлическое стекло представляет собой ньютоновскую жидкость с вязкостью η = 107 Па·с при экспериментальной температуре литья под давлением. Жидкость не имеет проскальзывания на границе контакта пресс-формы. Необходимо подготовить цилиндрический образец с отношением длины к диаметру 5. Если эксперимент может применять большое давление 100 МПа, как долго должно быть время загрузки? Если отношение длины к диаметру увеличивается в 1 раз, во сколько раз увеличивается время загрузки? Учащиеся должны найти ответы, установить соответствующую схему тестирования, а затем провести свои эксперименты.
После эксперимента учащимся предлагается ответить на несколько вопросов разных типов, таких как вопросы с заполнением пробелов и вопросы с одним / несколькими ответами с несколькими вариантами ответов (MCQ), которые фокусируются на ключевых шагах во время виртуального симуляционного эксперимента, чтобы расширить свои теоретические знания и эксперименты. В таблице 1 приведены примеры вопросов для упражнения онлайн-экзамена после эксперимента. С помощью комплексных упражнений пользователи могут систематически просматривать весь процесс эксперимента и связывать теорию с экспериментом.
Набор экспериментов, предлагаемых реализацией предлагаемого виртуального моделирования, означает, что может быть предоставлен следующий визуализированный и интерактивный опыт, обогащенный знаниями и навыками: 1) иммерсивная виртуальная учебная среда, в которой пользователи могут «пройтись» и понять планировку лабораторных помещений и детали каждой единицы оборудования; 2) операции на различных типовых единицах оборудования в механических и материаловедческих дисциплинах для овладения навыками эксплуатации; 3) повышение осведомленности о безопасности за счет неправильных действий и предупреждений; 4) повторные эксперименты и эксперименты с меньшим временем вместо продолжительности экспериментов; 5) Как можно точнее следовать протоколу обычных лабораторий, чтобы пользователи могли быть знакомы с процедурами, а также с тем, что можно и чего нельзя делать, даже в виртуальной среде.
Обычно, из-за ограниченного количества оборудования и занятости аспирантов в исследовательских целях, студенты бакалавриата редко имеют возможность проводить эксперименты с физическим оборудованием. Виртуальная симуляционная система, объединяющая различные типы оборудования, может помочь обеспечить одновременную доступность и воспроизводимость экспериментов для повышения их лабораторных навыков. После развертывания виртуальная система применялась в осенних семестрах 2020 и 2021 учебного года для студентов с инженерно-механическим образованием. В таблице 2 приведены результаты эксперимента, которые включают среднее время завершения, стандартное отклонение времени завершения и средние баллы за разные годы. Средний балл (всего 100) рассчитывается на основе оценки эксперимента (70%, оцененной системой) и лабораторного отчета в Интернете (30%, оцененной преподавателем). Результаты показывают, что учащиеся могут в среднем завершить эксперимент за ~ 73 минуты с помощью веб-браузера, что экономит время и проверяет эффективность веб-системы, основанной на подходе виртуального моделирования. В 2022 году мы провели исследование, чтобы продемонстрировать эффективность предложенного протокола. Учащиеся из двух классов с инженерно-механическим образованием (два класса с одним и тем же учителем и одинаковыми модулями класса, разделенные на два класса по причинам размера класса) были разделены на две группы (по одному классу для каждой группы). Студенты из группы 1 посещали физическую лабораторию, чтобы получить теоретические знания и наблюдать за операциями от учителя, в то время как студенты из группы 2 использовали виртуальный интерфейс, который был разработан на основе физической лаборатории (включая макет и оборудование) для своего эксперимента. В таблице 3 показаны результаты онлайн-экзаменов (с общим баллом 10) для студентов без (группа 1) и с (группа 2) опытом работы с виртуальным интерфейсом. Можно сделать вывод, что студенты с опытом работы с виртуальным интерфейсом показали лучшие результаты, чем те, у кого нет опыта.
Рисунок 1: Разработанная трехмерная аппаратура, используемая во время экспериментов. Можно сделать вывод, что с помощью этого эксперимента по виртуальному моделированию пользователь может быть обучен знакомству с наиболее часто используемым оборудованием в механических и материаловедческих дисциплинах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Выделенная высокотемпературная универсальная машина для испытания на ползучесть в виртуальной лабораторной комнате моделирования. После завершения предыдущего шага (резка образца) автоматически генерируется следующий шаг, который либо выделяет станок (когда станок находится рядом), либо путь, ведущий к станку (когда станок не находится рядом). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Интерфейс для выбора направления размещения образца. Пользователь должен выбрать правильное направление размещения образца, чтобы перейти к следующему шагу. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Интерфейс для использования металлографического станка для инкрустации образцов. Результаты предыдущего шага после того, как пользователь подтвердит выбор (на рисунке 3), отображаются в левом нижнем углу. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Интерфейс с выделенным руководством по пути. Пользователю предлагается войти в помещение для полировки и коррозии образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Проводка для машины SEM. Пользователь должен подключить провода, чтобы продолжить эксперимент. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Результаты экспериментального процесса механики in situ микроконсольной балки с заданными трещинами. На двух кривых показан пример экспериментальных результатов механики in situ микроконсольной балки с заданными трещинами. (А) Кривая смещения-времени, (В) кривая напряжения-деформации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: Расчет на основе теоретических знаний. Взаимосвязь между отношением длины к диаметру металлического стекла, поступающего в отверстие формы, и временем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: Предупреждение показывает, что неправильная операция повредила область. Пользователи могут нажать кнопку, чтобы выровнять детектор SEM вверх / вниз. Однако, если они слишком сильно увеличатся, детектор SEM будет поврежден. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 10: Электронная тетрадь для онлайн-регистрации перед использованием химического вещества. Перед процессом коррозии пользователь должен зарегистрировать его в ноутбуке, что аналогично процедуре в физической лаборатории. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| ИДЕНТИФИКАТОР | Тип экзаменационного вопроса | Детали вопроса | Предоставьте выбор |
| 1 | Заполните пустой вопрос | В этом эксперименте раствор __ использовался для коррозии кремниевой пластины. | Никакой |
| 2 | MCQ с одним ответом | Когда для эксперимента используется высокотемпературная универсальная машина для испытания на ползучесть, какие из следующих материалов можно рассматривать как ньютоновскую жидкость? | A. Обычный металл |
| B. Аморфный сплав | |||
| 3 | MCQ с одним ответом | Если предполагается, что образец выдерживает максимальное усилие 60 мН, то при выборе диапазона выберите InForce 50 или InForce 1000? | A. InForce 50 |
| B. InForce 1000 | |||
| 4 | MCQ с несколькими ответами | Наноиндентор можно использовать для измерения? | A. Твёрдость |
| B. Модуль упругости | |||
| С. Вязкость разрушения | |||
| D. Вязкоупругость | |||
| 5 | MCQ с одним ответом | SEM - это аббревиатура от | A. Оптический микроскоп |
| B. Сканирующая электронная микроскопия | |||
| С. Просвечивающая электронная микроскопия |
Таблица 1: Примеры вопросов для упражнения онлайн-экзамена после эксперимента. Пользователи должны отвечать на различные типы вопросов, чтобы они могли систематически просматривать весь процесс эксперимента и связывать теорию с экспериментом.
| Год | Количество студентов | Среднее время завершения | Стандартное отклонение времени выполнения | Средний балл |
| 2021 | 58 | 71 мин и 46 с | 11 мин и 39.5 с | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 мин и 3 с | 11 мин и 15.4 с | 80.21 |
Таблица 2: Результаты экспериментов в разные годы. Студенты с инженерно-механическим образованием завершили эксперименты в два разных учебных года.
| Идентификатор группы | Количество студентов | Средний балл | Стандартное отклонение балла |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
Таблица 3: Результаты онлайн-экзамена (с общим баллом 10) для студентов без (группа 1) и с (группа 2) опытом работы с виртуальным интерфейсом. В 2022 году студенты с инженерно-механическим образованием были разделены на две группы, чтобы продемонстрировать эффективность протокола.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Одним из преимуществ экспериментов по виртуальному моделированию является то, что они позволяют пользователям проводить эксперименты, не беспокоясь о повреждении физической системы или причинении какого-либо вреда себе11. Таким образом, пользователи могут проводить любые операции, в том числе как правильные, так и неправильные. Тем не менее, система выдает пользователю предупреждающее сообщение, которое интегрировано в интерактивный эксперимент, чтобы помочь ему правильно провести эксперименты при проведении неправильной операции. Таким образом, пользователи могут изучить правильные операции. Например, когда пользователь выполняет операции с SEM, как показано на рисунке 9, он может слишком сильно повысить уровень детектора SEM и случайно повредить его.
Как и в случае с практическими экспериментами в физических лабораториях, пользователи, проводящие виртуальные эксперименты, также должны следовать правильным процедурам, которые потенциально могут повысить их осведомленность о безопасности и экспериментах. Например, как показано на рисунке 10, при приготовлении раствора КОН для процесса коррозии образца в металлографический образец пользователь должен зарегистрироваться в блокноте перед использованием химического вещества.
Хотя эта система предоставляет сложную и всеобъемлющую виртуальную среду для экспериментов по деформации и разрушению материалов, основным ограничением является то, что в настоящее время в ней отсутствуют пользовательские настройки. Пользователи следуют шагам для проведения экспериментов, и у них редко есть шанс реализовать свои идеи. Тем не менее, система может быть улучшена, чтобы предоставить студентам больше свободы для реализации своих идей и создания собственных проектов и реализаций.
Трехмерное виртуальное моделирование было важной темой во всем мире в течение последнего десятилетия с точки зрения предоставления иммерсивных интерфейсов для взаимодействия и обучения12,13. Исследования, касающиеся виртуального моделирования, были проведены в различных дисциплинах, таких как техникауправления 14 для соображений безопасности15 и химическая инженерия для производственной практики16. В материаловедческой дисциплине система может быть использована для обучения студентов экспериментальным протоколам, использованию оборудования, проверке теоретических знаний. Что касается существующих методов, предлагаемый подход к виртуальному моделированию может быть доступен пользователям в любое время из любого места, если доступны Интернет и веб-браузер, что означает, что этот подход является экономически эффективным и высокоэффективным. Предоставляя семь различных типов дорогостоящего оборудования, онлайн-система позволяет пользователям многократно улучшать свои операционные и лабораторные навыки в этой единой онлайн-системе.
Система может быть использована в сочетании с традиционным преподаванием и обучением в будущих приложениях этой техники. Например, систему можно комбинировать с практическими экспериментами. Студенты могут проводить виртуальные симуляционные эксперименты, прежде чем проводить практические эксперименты в обычных лабораториях. По сравнению с традиционными методами, система интерактивна и иммерсивна. В дополнение к преимуществам, предоставляемым традиционным образованием, экспериментальное обучение на основе виртуального моделирования предоставляет полный спектр вспомогательных функций, которые могут тренировать способность учащихся использовать полученные знания для решения практических задач. Кроме того, этот тип обучения также развивает исследовательские интересы студентов и чувство инноваций, обучая их овладевать методами, методами и принципами тестирования передовых микро- и наномасштабных механических экспериментов и эффективно помогает студентам улучшить свои профессиональные и всесторонние качества.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам раскрывать нечего.
Acknowledgments
Работа выполнена при частичной поддержке Фондов фундаментальных исследований центральных университетов в рамках гранта 2042022kf1059; Фонд естественных наук провинции Хубэй в рамках гранта 2022CFB757; Китайский фонд постдокторантуры в рамках гранта 2022TQ0244; финансирование проекта экспериментальных технологий Уханьского университета в рамках гранта WHU-2021-SYJS-11; провинциальные учебные и исследовательские проекты в колледжах и университетах провинции Хубэй в 2021 году в рамках гранта 2021038; и Провинциальный лабораторный исследовательский проект в колледжах и университетах провинции Хубэй в рамках гранта 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).
