Summary
Detta arbete presenterar ett tredimensionellt virtuellt simuleringsexperiment för materialdeformation och misslyckande som ger visualiserade experimentella processer. Genom en uppsättning experiment kan användarna bekanta sig med utrustningen och lära sig operationerna i en uppslukande och interaktiv inlärningsmiljö.
Abstract
Detta arbete presenterar en uppsättning omfattande virtuella experiment för att upptäcka materialdeformation och fel. De vanligaste utrustningarna inom mekanik och materialdiscipliner, såsom en metallografisk skärmaskin och en universell kryptestmaskin med hög temperatur, integreras i ett webbaserat system för att tillhandahålla olika experimentella tjänster till användare i en uppslukande och interaktiv inlärningsmiljö. Protokollet i detta arbete är uppdelat i fem underavsnitt, nämligen beredning av materialen, gjutning av provet, provkarakterisering, provbelastning, nanoindenterinstallation och SEM in situ-experiment , och detta protokoll syftar till att ge användarna möjlighet att känna igen olika utrustningar och motsvarande operationer samt förbättra laboratoriemedvetenheten, etc., med hjälp av en virtuell simuleringsmetod. För att ge tydlig vägledning för experimentet markerar systemet utrustningen/provet som ska användas i nästa steg och markerar vägen som leder till utrustningen med en iögonfallande pil. För att efterlikna det praktiska experimentet så nära som möjligt designade och utvecklade vi ett tredimensionellt laboratorierum, utrustning, operationer och experimentella procedurer. Dessutom tar det virtuella systemet hänsyn till interaktiva övningar och registrering innan kemikalier används under experimentet. Felaktiga åtgärder är också tillåtna, vilket resulterar i ett varningsmeddelande som informerar användaren. Systemet kan tillhandahålla interaktiva och visualiserade experiment till användare på olika nivåer.
Introduction
Mekanik är en av de grundläggande disciplinerna inom teknik, vilket framgår av betoningen på grunden för matematisk mekanik och teoretisk kunskap och uppmärksamheten på odlingen av elevernas praktiska förmågor. Med den snabba utvecklingen av modern vetenskap och teknik har nanovetenskap och teknik haft en enorm inverkan på människors liv och ekonomin. Rita Colwell, tidigare chef för US National Science Foundation (NSF), förklarade 2002 att nanoskala teknik skulle ha en inverkan som motsvarar den industriella revolutionen1 och noterade att nanoteknik verkligen är en portal till en ny värld2. De mekaniska egenskaperna hos material på nanonivå är en av de mest grundläggande och nödvändiga faktorerna för utvecklingen av högteknologiska tillämpningar, såsom nano-enheter 3,4,5. Det mekaniska beteendet hos material på nanoskala och den strukturella utvecklingen under stress har blivit viktiga frågor i nuvarande nanomekanisk forskning.
Under de senaste åren har utvecklingen och förbättringen av nanoindentationsteknik, elektronmikroskopiteknik, svepprobmikroskopi etc. gjort "in situ-mekanik" -experiment till en avancerad testteknik som är viktig inom nanomekanikforskning 6,7. Ur ett undervisnings- och forskningsperspektiv är det naturligtvis nödvändigt att införa avancerade experimentella tekniker i det traditionella undervisningsinnehållet om mekaniska experiment.
Experiment med mikroskopisk mekanik skiljer sig emellertid signifikant från makroskopiska grundläggande mekaniska experiment. Å ena sidan, även om relevanta instrument och utrustning har populariserats i nästan alla högskolor och universitet, är deras antal begränsat på grund av det höga priset och underhållskostnaden. På kort sikt är det omöjligt att köpa tillräckligt med utrustning för offlineundervisning. Även om det finns ekonomiska resurser är hanterings- och underhållskostnaderna för offline-experiment för höga, eftersom denna typ av utrustning har hög precisionsegenskaper.
Å andra sidan är in situ-mekaniska experiment som svepelektronmikroskopi (SEM) mycket omfattande, med höga operativa krav och en extremt lång experimentperiod 8,9. Offline-experiment kräver att eleverna är mycket fokuserade under lång tid, och felaktig användning kan skada instrumentet. Även med mycket skickliga individer kräver ett framgångsrikt experiment några dagar att slutföra, från att förbereda kvalificerade prover till att ladda proverna för in situ-mekaniska experiment. Därför är effektiviteten hos offline experimentell undervisning extremt låg.
För att ta itu med ovanstående problem kan virtuell simulering användas. Utvecklingen av virtuell simuleringsexperimentundervisning kan ta itu med kostnads- och kvantitetsflaskhalsen för experimentell utrustning på plats och därmed låta eleverna enkelt använda olika avancerade utrustningar utan att skada högteknologiska instrument. Simuleringsexperimentundervisning gör det också möjligt för studenter att komma åt den virtuella simuleringsexperimentplattformen via internet när som helst och var som helst. Även för vissa billiga instrument kan eleverna använda virtuella instrument i förväg för utbildning och övning, vilket kan förbättra undervisningseffektiviteten.
Med tanke på tillgängligheten och tillgängligheten av webbaserade system10 presenterar vi i detta arbete ett webbaserat virtuellt simuleringsexperimentsystem som kan ge en uppsättning experiment relaterade till grundläggande operationer inom mekanik och material, med fokus på in situ-mekanikexperimentet .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
I detta arbete diskuteras procedurerna för mikrocantileverstrålfrakturexperimentet med sprickor enligt följande, vilket är öppet för fri tillgång via http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Alla steg utförs i onlinesystemet baserat på den virtuella simuleringsmetoden. Godkännande från den institutionella granskningsnämnden krävdes inte för denna studie. Samtycke erhölls från de frivilliga studenter som deltog i denna studie.
1. Åtkomst till systemet och in i gränssnittet
- Öppna en webbläsare och ange URL-adressen http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd för att komma åt systemet.
OBS: Den angivna webbadressen kan nås via en vanlig webbläsare utan användarnamn och lösenord. - Hitta det virtuella simuleringsgränssnittet med hjälp av den vertikala rullningslisten.
OBS: Den virtuella scenen är inbäddad i webben. - Klicka på ikonen Fullskärm längst ned till höger för att aktivera ett helskärmsgränssnitt.
- Klicka på knappen Starta experiment för att starta.
- Klicka på Enter-knappen för att följa vägledningen för nybörjare, eller klicka på knappen Hoppa över för att hoppa över det här steget.
OBS: Användaren kan välja att följa (Enter-knappen ) eller hoppa över (Skip-knappen ). Vägledningen för nybörjare ger beskrivningar av hela systemet. Gränssnittet belyser också bruksanvisningen steg för steg för att utföra de avsedda operationerna eller utrustningen. Figur 1 visar den utrustning som används i experimentet, inklusive sju typer av utrustning inom mekaniska och materiella discipliner. Nybörjare rekommenderas att följa denna vägledning.
2. Beredning av materialen
- Starta experimentet efter avslutad utbildning på nybörjarnivå. Följ anvisningarna i gränssnittet för att "gå" nära laboratorietabellen som innehåller kiselskivorna, granska skillnaderna mellan kiselskivor av normal typ och spricktyp och välj sprickmallen.
Gå in i experimentgränssnittet och utför experiment enligt den markerade vägvägledningen. Den markerade vägledningen ges under hela processen för att ge tydlig vägledning för experiment. - Välj ett material från den medföljande materiallistan.
OBS: Den tillhandahållna materiallistan innehåller guld, silver, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, polyeter-eter-keton (PEEK) och polymetylmetakrylat (PMMA). - Ladda det valda materialet på skärklämman med ett klick på det markerade materialet. Klicka på den markerade ON / OFF-knappen (på höger sida) för att slå på skärklämman, klicka på hastighetsknappen (på vänster sida) och ställ in hastigheten på den metallografiska skärmaskinen i ett popup-gränssnitt.
OBS: Användaren kan ställa in en korrekt hastighet som de vill. När hastigheten har ställts in av användaren aktiveras skärklämman och råstången skärs i tunna skivor. - Stapla formen, metallplåten och försättsfolien tillsammans i tur och ordning genom att klicka och dra det markerade objektet enligt anvisningarna i användargränssnittet.
OBS: Efter skärning av materialet är detta monteringssteg nödvändigt före nanoformgjutning.
3. Forma provet
- Gå praktiskt taget till den universella kryptestmaskinen med hög temperatur enligt vägledningen som visas i figur 2 och placera praktiskt taget de staplade proverna mellan plattklämmorna på universalkryptestmaskinen.
OBS: Efter detta steg markeras den virtuella datorn på vänster sida av den universella kryptestmaskinen med hög temperatur. - Klicka på den virtuella datorn och ställ in testschemat på styrdatorn för den universella kryptestmaskinen.
OBS: Efter detta steg kommer hjälputrustningen för den universella kryptestmaskinen med hög temperatur för uppvärmning och vakuumpumpning att markeras för att ge vägledning till användaren. - Klicka på den markerade värme- och vakuumpumputrustningen och slå på strömförsörjningen. Öppna den virtuella mekaniska pumpen och backventilen i gränssnittet genom att klicka på de markerade knapparna.
OBS: Detta steg slutför systemets vakuumkontrollinställningar i vakuumkontrollsystemet på universalkryptestmaskinen. - Klicka på knappen Rensa på kontrollpanelen på den universella kryptestmaskinen för att rensa data. Klicka på knappen Kör på kontrollpanelen på den universella kryptestmaskinen för att slutföra experimentet, som kopierar mönstret på formen till metallplåten med hjälp av parallellplattans kompressionsformningsmetod.
OBS: När formgjutningen är klar, ta bort provet och stäng stödventilen och den mekaniska pumpen etc. på värme- och vakuumpumputrustningen genom att klicka på knapparna i tur och ordning efter behov (i verklig värme- och vakuumpumputrustning kan omvänd ordning orsaka att molekylpumpen brinner ut). - Klicka på den virtuella datorn igen och kontrollera experimentella data på styrdatorn på den universella kryptestmaskinen.
- Öppna täckplattan på den metallografiska provinläggningsmaskinen och placera provet.
- Klicka på det markerade PMMA-pulvret för att hälla det beredda pulvret och klicka på den markerade formen för att placera den ovanpå PMMA-pulvret.
- Klicka på det markerade handhjulet för att justera formens position, som automatiskt täcker täckplattan. Klicka på ON / OFF-knappen för att slå på inläggsmaskinen. Ta ut PMMA-inläggningsprovet efter kylning.
OBS: Det gjutna provet ska monteras på inläggsmaskinen i rätt riktning, som visas i figur 3, där det termoplastiska materialet PMMA används i experimentet. Se till att PMMA-pulvret smälter och fäster vid provets yta. Det nedre vänstra hörnet av figur 4 illustrerar rätt riktning efter att användaren har bekräftat valet som visas i figur 3.
- Gå in i rummet för polering och korrosion enligt vägvägledningen, som visas i figur 5. Hitta den markerade polermaskinen och klicka på gripdonet på polermaskinen för att montera det inlagda provet på gripdonet. Ställ in hastigheten för att slipa och polera provet för att ta bort det gjutna materialsubstratet.
OBS: Mal formen på ena sidan av formen tills mönstret på formen exponeras.
4. Karakterisering av prover
- Registrera dig i e-anteckningsboken innan du använder en kemikalie. Öppna kemikalieförvaringsskåpet och ta ut den fasta KOH- och acetonlösningen. Klicka på den markerade bägaren för att rengöra acetonlösningen för att rengöra provet. Klicka på en annan markerad bägare och fast KOH för korrosionsvätskeberedning för att förbereda en 10% KOH-lösning. Klicka på den markerade KOH-lösningen och provet för att korrodera provet till ett metallografiskt prov.
OBS: I detta experiment, för att avlägsna kiselformen, framställs vanligtvis en 6 mol / L KOH-lösning, provet placeras i beredningslösningen och bägaren som innehåller korrosionslösningen och provet placeras på en värmeplatta för att värma upp för att påskynda korrosionshastigheten. - Rengör provet efter avlägsnande av kiselsubstratet och kör en karakteriserad testning med det beredda provet under ett optiskt mikroskop.
OBS: Kom ihåg att bestämma provets integritet efter slipning och korrosion.
5. Provladdning och nanoindenterinstallation
- Ladda provet på nanoindenterns provsteg. Välj konindentern för att montera den på drivrutinen för mikro- och nanomekaniktestsystemet. Klicka på den markerade enheten för att ansluta den till nanoindenter.
OBS: "Stiftet" måste sättas in i drivaxeln när indentern installeras, och eftersom drivaxeln är en smal stång undviker spärren att skada drivaxeln när du skruvar indentern med en gängad ände i enheten.
6. SEM in situ-experiment
- Klicka på ventilationsknappen i SEM-styrprogramvaran när du har installerat nanoindenterns indenter och laddat provet enligt beskrivningen i 5.1.
- Öppna SEM-kammaren efter att vakuumet har brutits, installera nanoindentern på SEM-provsteget och anslut ledningarna (figur 6 visar ett exempel på anslutning av en av ledningarna).
- Öppna nanoindenterns styrprogramvara och välj Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
OBS: Positionsinitieringsprocessen för nanoindenterprovsteget måste utföras i det tillstånd där SEM-kaviteten är öppen för att undvika att initieringsprocessen för nanoindenterprovsteget träffar polen på SEM-elektronutloppsporten. - Stäng SEM-kammaren och klicka på pumpknappen på SEM-styrprogramvaran.
- Klicka på knappen Upp eller Ner i SEM-kontrollprogramvaran för att justera provstegets position så att provet som ska mätas faller in i SEM-synfältet. Klicka på OK-knappen för att fixa positionen. Klicka på den markerade EHT-knappen för att slå på elektronkanonen. Klicka på kameraknappen och växla till observationsläget elektronmikroskopi.
OBS: Nanoindenterns indenter bör kontrolleras i observationsläge för att gradvis närma sig provet som ska mätas. - Klicka på knappen Kör på nanoindenterns styrprogramvara.
OBS: Under experimentet är det nödvändigt att observera och registrera deformationsegenskaperna och felprocessen under provets laddningsprocess och att öppna experimentets ursprungliga data i dataanalysfönstret efter att experimentet är klart för att plotta och exportera data. - Klicka på knappen Stopp på nanoindenterns kontrollprogramvara för att avsluta experimentet.
OBS: Det virtuella simuleringsexperimentet slutar här. Användaren ombeds att slutföra onlineprovövningen i det virtuella gränssnittet efter experimentet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Systemet ger tydlig vägledning för användarens verksamhet. För det första integreras utbildning på nybörjarnivå när en användare kommer in i systemet. För det andra markeras utrustningen och laboratorierummet som ska användas för nästa steg.
Systemet kan användas för flera olika utbildningsändamål för olika nivåer av studenter. Till exempel innehåller figur 1 sju av de vanligaste typerna av utrustning inom mekaniska och materialdiscipliner, nämligen metallografisk skärmaskin, universell kryptestmaskin med hög temperatur, metallografisk provinläggningsmaskin, polermaskin, optiskt mikroskop, SEM och mikro- och nanomekaniktestsystem. I vägledningen för nybörjare kan användaren lära sig om beskrivningarna av all utrustning som används i experimentet. Sedan används all utrustning en efter en för att slutföra experimentet. Eleverna kan välja utrustning för repetitiva experiment tills de behärskar driftsförmågan.
Figur 3 och figur 4 visar också att systemet kan förbättra utformningen av försöksschemat i kombination med försöksverksamheten, vilket kan ge omedelbar validering. I figur 3 bör användaren välja att placera provet i rätt riktning för att skapa ett gjutet prov. Figur 4 visar gränssnittet för användning av den metallografiska provinläggningsmaskinen, som också visar resultaten (som anges i det nedre vänstra hörnet av figur 4) i föregående steg efter att användaren har bekräftat valet, som visas i figur 3. Figur 7 illustrerar in situ-mekanikens experimentella resultat av mikroutskjutande strålen med förinställda sprickor. Genom analysen av resultaten kan användaren bestämma hur resultaten erhölls.
Detta protokoll simulerar scenariot där eleverna måste utvärdera laststorleken och laddningstiden för det reologiska experimentet med parallellplattan enligt förhållandet mellan längd och diameter för provet som ska förberedas. Experimenten behöver analysera förhållandet mellan längd-till-diameter-förhållandet för den viskösa vätskan som strömmar in i en cylindrisk hålform, trycket p 0 och tiden t med en diameter på d under verkan av konstant tryck p 0. Denna relation visas nedan:
där L är längden, d är diametern på den cylindriska hålformen, p0 är det konstanta trycket, η är materialviskositeten och t är laddningstiden. När p0, η och L / d har givits kan t beräknas. Om L/d fördubblas blir laddningstiden fyra gånger längre än tidigare. Figur 8 illustrerar förhållandet mellan förhållandet mellan längd och diameter av metallglas som strömmar in i formhålet och tiden.
I verkliga experiment fann man att eleverna ofta använde en trial-and-error-metod, det vill säga ständigt justera laststorleken eller laddningstiden tills det önskade provet slutligen gjordes. I detta protokoll tillhandahålls ett interaktivt gränssnitt för att validera den teoretiska kunskapen och laddningstiden bestäms enligt de angivna parametervärdena (materialviskositet, initial provstorlek och laststorlek). En vägledande fråga ges enligt följande: "Metallglas är en newtonsk vätska med en viskositet på η = 107 Pa·s vid pressgjutningsexperimenttemperaturen. Vätskan har ingen glidning vid formkontaktgränsen. Det är nödvändigt att förbereda ett cylindriskt prov med ett längd-till-diameter-förhållande på 5. Om experimentet kan applicera en stor mängd tryck på 100 MPa, hur lång ska laddningstiden vara? Om förhållandet mellan längd och diameter ökas med 1x, hur många gånger ökar laddningstiden med? Eleverna ska räkna ut svaren, ställa in testschemat i enlighet därmed och sedan genomföra sina experiment.
Efter experimentet ombeds eleverna att svara på några frågor av olika slag, såsom fyll-i-tomrummet-frågor och enkelsvar/flersvarsfrågor (MCQ), som fokuserar på de viktigaste stegen under det virtuella simuleringsexperimentet för att förbättra deras teoretiska kunskaper och experiment. Tabell 1 visar frågeexemplen för onlineprovövningen efter experimentet. Med integrerade övningar kan användare systematiskt granska hela experimentprocessen och koppla teorin till experimentet.
Den uppsättning experiment som erbjuds genom genomförandet av den föreslagna virtuella simuleringen innebär att följande visualiserade och interaktiva kunskapsförbättrade och färdighetsförbättrade upplevelser kan tillhandahållas: 1) en uppslukande virtuell inlärningsmiljö där användare kan "gå" igenom och förstå laboratorierummens layout och detaljerna i varje utrustning; 2) operationer på olika typiska utrustningsdelar inom mekaniska och materiella discipliner för att behärska operativa färdigheter; 3) Ökad säkerhetsmedvetenhet genom felaktiga åtgärder och varningar. 4) repetitiva experiment och kortare tidsexperiment istället för experimentens varaktighet; 5) följa protokollet från konventionella laboratorier så nära som möjligt så att användarna kan känna till procedurerna och "dos" och "do nots" även i den virtuella miljön.
Konventionellt, på grund av den begränsade mängden utrustning och ockupationen av doktorander för forskningsändamål, har studenter sällan chansen att genomföra experiment med fysisk utrustning. Det virtuella simuleringssystemet som integrerar olika typer av utrustning kan hjälpa till att tillhandahålla samtidigt tillgängliga och repeterbara experiment för att förbättra deras laboratoriekunskaper. Efter införandet tillämpades det virtuella systemet under höstterminerna läsåren 2020 och 2021 för studenter med ingenjörsmekanikbakgrund. Tabell 2 visar resultaten av experimentet, som inkluderar den genomsnittliga slutförandetiden, standardavvikelsen för slutförandetiden och de genomsnittliga poängen för de olika åren. Den genomsnittliga poängen (totalt 100) beräknas utifrån utvärderingen av experimentet (70%, utvärderat av systemet) och laboratorierapporten på webben (30%, utvärderad av läraren). Resultaten visar att eleverna i genomsnitt kan slutföra experimentet på ~ 73 min med en webbläsare, vilket är tidseffektivt och verifierar effektiviteten i det webbaserade systemet baserat på den virtuella simuleringsmetoden. Under 2022 genomförde vi en studie för att visa effektiviteten hos det föreslagna protokollet. Studenter från två klasser med ingenjörsmekanikbakgrund (två klasser med samma lärare och samma klassmoduler, uppdelade i två klasser av klassstorleksskäl) delades in i två grupper (en klass för varje grupp). Eleverna från grupp 1 deltog i det fysiska laboratoriet för att lära sig den teoretiska kunskapen och titta på operationerna från läraren, medan eleverna från grupp 2 använde det virtuella gränssnittet som utvecklades baserat på det fysiska laboratoriet (inklusive layout och utrustning) för deras experiment. Tabell 3 visar resultaten från onlineproven (med en total poäng på 10) för studenterna utan (Grupp 1) och med (Grupp 2) den virtuella gränssnittsupplevelsen. Man kan dra slutsatsen att eleverna med den virtuella gränssnittsupplevelsen presterade bättre än de utan erfarenheten.
Figur 1: Den utvecklade tredimensionella utrustningen som användes under experimenten. Man kan dra slutsatsen att genom detta virtuella simuleringsexperiment kan användaren utbildas för att vara bekant med den vanligaste utrustningen inom mekaniska och materiella discipliner. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Markerad universell kryptestmaskin med hög temperatur i det virtuella simuleringslaboratorierummet. Efter att ha slutfört föregående steg (skärning av provet) genereras nästa steg automatiskt, vilket antingen markerar maskinen (när maskinen är i närheten) eller vägen som leder till maskinen (när maskinen inte är i närheten). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Gränssnittet för att välja provets placeringsriktning. Användaren bör välja rätt placeringsriktning för provet för att fortsätta med nästa steg. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Gränssnittet för användning av den metallografiska provinläggningsmaskinen. Resultaten från föregående steg efter att användaren har bekräftat valet (i bild 3) visas i det nedre vänstra hörnet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Gränssnittet med en markerad vägvägledning. Användaren guidas att gå in i ett rum för polering och korrosion av provet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Ledningar för SEM-maskinen. Användaren bör ansluta ledningarna för att fortsätta med experimentet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: In situ-mekanikens experimentella processresultat för mikroutskjutande stråle med förinställda sprickor. De två kurvorna visar ett exempel på in situ-mekanikens experimentella resultat av en mikro-fribärande stråle med förinställda sprickor. (A) Förskjutning-tidskurva, (B) spännings-töjningskurva. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 8: Beräkning baserad på teoretisk kunskap. Förhållandet mellan förhållandet mellan längd och diameter av metallglas som strömmar in i formhålet och tiden. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 9: Varningen visar att en felaktig åtgärd har skadat omfattningen. Användare kan klicka på knappen för att höja / sänka SEM-detektorn. Men om de går upp för mycket kommer SEM-detektorn att skadas. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 10: E-anteckningsboken för onlineregistrering innan en kemikalie används. Innan korrosionsprocessen måste användaren registrera den i anteckningsboken, vilket är detsamma som proceduren i det fysiska laboratoriet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| ID | Typ av provfråga | Frågor detaljer | Ge valmöjligheter |
| 1 | Fyll i det som saknas-frågan | I detta experiment användes __ lösning för att korrodera kiselskivan. | Ingen |
| 2 | MCQ med ett svar | När den universella kryptestmaskinen med hög temperatur används för experimentet, vilket av följande material kan betraktas som newtonsk vätska? | A. Konventionell metall |
| B. Amorf legering | |||
| 3 | MCQ med ett svar | Om ett prov beräknas motstå den maximala kraften på 60mN, välj InForce 50 eller InForce 1000 i intervallvalet? | A. Kraft 50 |
| B. Kraft 1000 | |||
| 4 | Flersvarsfrågor | Nanoindenter kan användas för att mäta? | A. Hårdhet |
| B. Elasticitetsmodul | |||
| C. Frakturens seghet | |||
| D. Viskoelasticitet | |||
| 5 | MCQ med ett svar | SEM är en förkortning för | A. Optiskt mikroskop |
| B. Svepelektronmikroskopi | |||
| C. Transmissionselektronmikroskopi |
Tabell 1: Frågeexempel för onlineprovövningen efter experimentet. Användare måste fylla i olika typer av frågor så att de systematiskt kan granska hela experimentprocessen och koppla teorin till experimentet.
| År | Antal elever | Genomsnittlig slutförandetid | Standardavvikelse för färdigställandetiden | Genomsnittlig poäng |
| 2021 | 58 | 71 min och 46 s | 11 min och 39,5 s | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 min och 3 s | 11 min och 15,4 s | 80.21 |
Tabell 2: Resultaten av experiment under olika år. Studenter med ingenjörsmekanisk bakgrund genomförde experimenten under två olika läsår.
| Grupp-ID | Antal elever | Genomsnittlig poäng | Standardavvikelse för poängen |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
Tabell 3: Resultaten från onlineprovet (med en total poäng på 10) för studenter utan (Grupp 1) och med (Grupp 2) den virtuella gränssnittsupplevelsen. Studenter med ingenjörsmekanisk bakgrund delades in i två grupper 2022 för att visa protokollets effektivitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En av fördelarna med virtuella simuleringsexperiment är att de tillåter användare att utföra experimenten utan oro för att skada det fysiska systemet eller skada sig själva11. Således kan användare utföra alla operationer, inklusive antingen korrekta eller felaktiga operationer. Systemet ger dock användaren ett varningsmeddelande som är integrerat i det interaktiva experimentet för att vägleda dem att utföra experimenten korrekt när en felaktig operation utförs. På detta sätt kan användare lära sig rätt operationer. Till exempel, när en användare utför operationer på SEM, som visas i figur 9, kan de höja SEM-detektorn för mycket och skada den av misstag.
I likhet med praktiska experiment i fysiska laboratorier bör användare som utför virtuella experiment också följa korrekta procedurer, vilket potentiellt kan förbättra deras experiment och säkerhetsmedvetenhet. Till exempel, som illustreras i figur 10, när man förbereder en KOH-lösning för korrosionsprocessen av provet i ett metallografiskt prov, bör användaren registrera sig i en anteckningsbok innan kemikalien används.
Även om detta system tillhandahåller en komplex och omfattande virtuell miljö för materialdeformation och felexperiment, är den största begränsningen att det för närvarande saknar användaranpassningar. Användare följer stegen för att genomföra experiment, och de har sällan en chans att genomföra sina idéer. Systemet kan dock förbättras för att ge eleverna mer frihet att genomföra sina idéer och skapa egna mönster och implementeringar.
Tredimensionell virtuell simulering har varit ett viktigt ämne över hela världen under det senaste decenniet när det gäller att tillhandahålla uppslukande gränssnitt för engagemang och lärande12,13. Studier avseende virtuell simulering har genomförts inom olika discipliner, såsom inom reglerteknik14 för säkerhetshänsyn 15 och inom kemiteknik för produktionspraxis16. Inom material- och mekanikdisciplinen kan systemet användas för utbildning av studenter om experimentella protokoll, användning av utrustning och verifiering av teoretisk kunskap. När det gäller befintliga metoder kan den föreslagna virtuella simuleringsmetoden nås av användare när som helst var som helst så länge internet och en webbläsare är tillgängliga, vilket innebär att detta tillvägagångssätt är kostnadseffektivt och mycket effektivt. Genom att tillhandahålla sju olika typer av dyr utrustning tillåter onlinesystemet användare att upprepade gånger förbättra sin verksamhet och laboratoriekunskaper i detta enda onlinesystem.
Systemet kan användas i kombination med traditionell undervisning och lärande i framtida tillämpningar av tekniken. Till exempel kan systemet kombineras med praktiska experiment. Eleverna kan genomföra virtuella simuleringsexperiment innan de utför praktiska experiment i konventionella laboratorier. Jämfört med konventionella metoder är systemet interaktivt och uppslukande. Utöver fördelarna med traditionell utbildning ger virtuell simuleringsbaserad experimentell undervisning ett komplett utbud av hjälpfunktioner, som kan utöva elevernas förmåga att använda den kunskap de har lärt sig för att lösa praktiska problem. Dessutom odlar denna typ av undervisning också elevernas forskningsintressen och känsla av innovation genom att träna dem för att behärska testtekniker, metoder och principer för avancerade mekaniska experiment i mikro- och nanoskala och effektivt hjälper eleverna att förbättra sina professionella och omfattande kvaliteter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes delvis av grundforskningsfonderna för de centrala universiteten under bidrag 2042022kf1059; Nature Science Foundation i Hubei-provinsen under bidrag 2022CFB757; China Postdoctoral Science Foundation under bidrag 2022TQ0244; Wuhan University Experiment Technology Project Finansiering under bidrag WHU-2021-SYJS-11; provinsiella undervisnings- och forskningsprojekt i Hubeiprovinsens högskolor och universitet 2021 under bidrag 2021038; och Provincial Laboratory Research Project i Hubei-provinsens högskolor och universitet under bidrag 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).
