Summary
עבודה זו מציגה ניסוי סימולציה וירטואלית תלת מימדית לעיוות וכשל חומרי, המספק תהליכי ניסוי חזותיים. באמצעות סדרה של ניסויים, משתמשים יכולים להכיר את הציוד וללמוד את הפעולות בסביבת למידה immersive ואינטראקטיבי.
Abstract
עבודה זו מציגה סדרה של ניסויים וירטואליים מקיפים כדי לזהות עיוות וכישלון חומר. חלקי הציוד הנפוצים ביותר בתחומי המכניקה והחומרים, כגון מכונת חיתוך מטלוגרפית ומכונת בדיקת זחילה אוניברסלית בטמפרטורה גבוהה, משולבים במערכת מבוססת אינטרנט כדי לספק שירותים ניסיוניים שונים למשתמשים בסביבת למידה אימרסיבית ואינטראקטיבית. הפרוטוקול בעבודה זו מחולק לחמישה תתי סעיפים, דהיינו, הכנת החומרים, יציקת הדגימה, אפיון הדגימה, העמסת דגימות, התקנת ננו-אינדנטר וניסויי SEM באתרם , ופרוטוקול זה נועד לספק הזדמנות למשתמשים לגבי זיהוי ציוד שונה והפעולות המתאימות, כמו גם שיפור המודעות למעבדה, וכו', בגישת סימולציה וירטואלית. כדי לספק הנחיות ברורות לניסוי, המערכת מדגישה את הציוד/הדגימה שישמשו בשלב הבא ומסמנת את המסלול המוביל לציוד בחץ בולט. כדי לחקות את הניסוי המעשי ככל האפשר, תכננו ופיתחנו חדר מעבדה תלת ממדי, ציוד, פעולות ונהלי ניסוי. יתר על כן, המערכת הווירטואלית שוקלת גם תרגילים אינטראקטיביים ורישום לפני השימוש בכימיקלים במהלך הניסוי. פעולות שגויות מותרות גם, וכתוצאה מכך הודעת אזהרה ליידע את המשתמש. המערכת יכולה לספק ניסויים אינטראקטיביים וויזואליים למשתמשים ברמות שונות.
Introduction
מכניקה היא אחת הדיסציפלינות הבסיסיות בהנדסה, כפי שמראה הדגש שהושם על יסודות המכניקה המתמטית והידע התיאורטי ותשומת הלב הניתנת לטיפוח היכולות המעשיות של התלמידים. עם ההתקדמות המהירה של המדע והטכנולוגיה המודרניים, לננו-מדע ולטכנולוגיה הייתה השפעה עצומה על חיי האדם והכלכלה. ריטה קולוול, לשעבר מנהלת הקרן הלאומית למדע של ארה"ב (NSF), הצהירה בשנת 2002 כי לטכנולוגיה ננומטרית תהיה השפעה שווה לזו של המהפכה התעשייתית1 וציינה כי ננוטכנולוגיה היא באמת שער לעולם חדש2. התכונות המכניות של חומרים בקנה מידה ננומטרי הן אחד הגורמים הבסיסיים והנחוצים ביותר לפיתוח יישומי היי-טק, כגון ננו-התקנים 3,4,5. ההתנהגות המכנית של חומרים בקנה מידה ננומטרי והאבולוציה המבנית תחת לחץ הפכו לנושאים חשובים במחקר הננומכני הנוכחי.
בשנים האחרונות, הפיתוח והשיפור של טכנולוגיית ננו-הזחה, טכנולוגיית מיקרוסקופ אלקטרונים, מיקרוסקופ בדיקה סורק ועוד, הפכו את ניסויי "מכניקת באתרם" לטכניקת בדיקה מתקדמת החשובה במחקר ננומכניקה 6,7. כמובן, מנקודת המבט של הוראה ומחקר מדעי, יש צורך להכניס טכניקות ניסוי גבול לתוך תוכן ההוראה המסורתי לגבי ניסויים מכניים.
עם זאת, ניסויים במכניקה מיקרוסקופית שונים באופן משמעותי מניסויים במכניקה בסיסית מקרוסקופית. מצד אחד, למרות שהמכשירים והציוד הרלוונטיים זכו לפופולריות כמעט בכל המכללות והאוניברסיטאות, מספרם מוגבל בגלל המחיר הגבוה ועלות התחזוקה. בטווח הקצר, אי אפשר לרכוש מספיק ציוד להוראה לא מקוונת. גם אם יש משאבים כספיים, עלויות הניהול והתחזוקה של ניסויים לא מקוונים גבוהות מדי, שכן סוג זה של ציוד יש מאפיינים דיוק גבוה.
מצד שני, ניסויים במכניקה באתרם כגון מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) הם מקיפים מאוד, עם דרישות תפעוליות גבוהות ותקופת ניסוי ארוכה מאוד 8,9. ניסויים לא מקוונים דורשים מהתלמידים להיות ממוקדים מאוד במשך זמן רב, והפעלה שגויה עלולה להזיק למכשיר. אפילו עם אנשים מיומנים מאוד, ניסוי מוצלח דורש כמה ימים כדי להשלים, החל מהכנת דגימות מתאימות ועד העמסת הדגימות לניסויים מכניים באתרם. לכן, היעילות של הוראה ניסויית לא מקוונת היא נמוכה ביותר.
כדי לטפל בבעיות הנ"ל, ניתן להשתמש בסימולציה וירטואלית. פיתוח הוראת ניסויי סימולציה וירטואלית יכול לתת מענה לצוואר הבקבוק של העלות והכמות של ציוד ניסויי מכניקה באתרו , ובכך לאפשר לתלמידים להשתמש בקלות בפריטי ציוד מתקדמים שונים מבלי לפגוע במכשירים משוכללים. הוראת ניסוי סימולציה מאפשרת לתלמידים גם לגשת לפלטפורמת ניסוי הסימולציה הווירטואלית דרך האינטרנט בכל זמן ובכל מקום. אפילו עבור כמה מכשירים בעלות נמוכה, התלמידים יכולים להשתמש במכשירים וירטואליים מראש לאימון ולתרגול, מה שעשוי לשפר את יעילות ההוראה.
בהתחשב בנגישות ובזמינות של מערכות מבוססות אינטרנט10, בעבודה זו, אנו מציגים מערכת ניסויי סימולציה וירטואלית מבוססת אינטרנט שיכולה לספק סדרה של ניסויים הקשורים לפעולות בסיסיות במכניקה ובחומרים, עם דגש על ניסוי מכניקה באתר .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
בעבודה זו, ההליכים של ניסוי שבר קרן microcantilever עם סדקים נדונים כדלקמן, אשר פתוח לגישה חופשית באמצעות http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. כל השלבים מתבצעים במערכת המקוונת על בסיס גישת הסימולציה הווירטואלית. לא נדרש אישור ועדת ביקורת מוסדית למחקר זה. ההסכמה התקבלה מהסטודנטים המתנדבים שהשתתפו במחקר זה.
1. גישה למערכת וכניסה לממשק
- פתח דפדפן אינטרנט והזן את כתובת ה- URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd כדי לגשת למערכת.
הערה: ניתן לגשת לכתובת ה-URL שסופקה דרך דפדפן אינטרנט רגיל ללא שם משתמש וסיסמה. - מצא את ממשק הסימולציה הווירטואלית באמצעות פס הגלילה האנכי.
הערה: הסצנה הווירטואלית מוטמעת באינטרנט. - לחץ על סמל FullScreen בפינה השמאלית התחתונה כדי לאפשר ממשק מסך מלא.
- לחץ על התחל ניסוי כפתור כדי להתחיל.
- לחץ על כפתור Enter כדי לעקוב אחר ההדרכה למתחילים, או לחץ על כפתור דלג כדי לדלג על שלב זה.
הערה: המשתמש יכול לבחור לעקוב (לחצן Enter ) או לדלג (לחצן דלג ). ההדרכה למתחילים מספקת תיאורים של המערכת כולה. הממשק גם מדגיש את הוראות הפעולה שלב אחר שלב לביצוע הפעולות או הציוד המיועד. איור 1 מראה את הציוד ששימש בניסוי, כולל שבעה סוגי ציוד בתחומי המכניקה והחומר. למתחילים מומלץ לעקוב אחר הדרכה זו.
2. הכנת החומרים
- התחל את הניסוי לאחר השלמת האימון ברמת מתחילים. עקוב אחר ההנחיות בממשק כדי "ללכת" קרוב לשולחן המעבדה המכיל את פרוסות הסיליקון, סקור את ההבדלים בין פרוסות הסיליקון מסוג רגיל לפלים מסוג סדק, ובחר את תבנית הסדק.
הערה: היכנס לממשק הניסוי וערוך ניסויים בהתאם להנחיות המסלול המסומן. ההדרכה המודגשת ניתנת לאורך כל התהליך כדי להציע הנחיות ברורות לניסויים. - בחר חומר מרשימת החומרים שסופקו.
הערה: רשימת החומרים שסופקה כוללת זהב, כסף, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, פוליאתר-אתר-קטון (PEEK) ופולימתיל מתקרילט (PMMA). - טען את החומר שנבחר על מהדק החותך בלחיצה על החומר המודגש. לחץ על כפתור ההפעלה / כיבוי המודגש (בצד ימין) כדי להפעיל את מהדק החותך, לחץ על כפתור מהירות (בצד שמאל), והגדר את מהירות מכונת החיתוך המטלוגרפית בממשק מוקפץ.
הערה: המשתמש יכול להגדיר מהירות מתאימה כרצונו. לאחר קביעת המהירות על ידי המשתמש, מהדק החותך יופעל, והבר הגולמי ייחתך לפרוסות דקות. - ערם את התבנית, גיליון המתכת וגיליון השער יחד בתורו על-ידי לחיצה וגרירה של האובייקט המסומן בהתאם להנחיות בממשק המשתמש.
הערה: לאחר חיתוך החומר, שלב הרכבה זה נחוץ לפני יציקת ננו-עובש.
3. יציקת הדגימה
- לכו וירטואלית אל מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית בטמפרטורה גבוהה בהתאם להנחיות המוצגות באיור 2, והניחו למעשה את הדגימות המוערמות בין מהדקי הלוחות של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית.
הערה: לאחר שלב זה, המחשב הווירטואלי בצד שמאל של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית בטמפרטורה גבוהה יסומן. - לחץ על המחשב הווירטואלי והגדר את ערכת הבדיקה במחשב הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית.
הערה: לאחר שלב זה, ציוד העזר של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית בטמפרטורה גבוהה לחימום ושאיבת ואקום יודגש כדי לספק הדרכה למשתמש. - לחץ על ציוד חימום ושאיבת ואקום מודגש והפעל את ספק הכוח. פתח את המשאבה המכנית הווירטואלית ואת שסתום הגיבוי בממשק על ידי לחיצה על הכפתורים המודגשים.
הערה: שלב זה משלים את הגדרות בקרת הוואקום של המערכת במערכת בקרת הוואקום של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית. - לחץ על נקה כפתור בלוח הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית כדי לנקות את הנתונים. לחץ על כפתור הפעלה בלוח הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית כדי להשלים את הניסוי, אשר מעתיק את התבנית על התבנית ליריעת המתכת באמצעות שיטת דחיסת לוחות מקבילים.
הערה: לאחר השלמת יציקת התבנית, הסר את הדגימה, סגור את שסתום הגיבוי ואת המשאבה המכנית וכו' של ציוד החימום ושאיבת הוואקום על ידי לחיצה על הכפתורים בתורו כנדרש (בציוד חימום ואקום אמיתי, הסדר ההפוך עלול לגרום למשאבה המולקולרית להישרף). - לחץ שוב על המחשב הווירטואלי ובדוק את נתוני הניסוי במחשב הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית.
- פתח את לוחית הכיסוי במכונת שיבוץ הדגימה המטלוגרפית, והנח את הדגימה.
- לחץ על אבקת PMMA המודגשת כדי לשפוך את האבקה המוכנה, ולחץ על התבנית המודגשת כדי להניח אותה על גבי אבקת PMMA.
- לחץ על גלגל היד המודגש כדי להתאים את מיקום התבנית, אשר תכסה את צלחת הכיסוי באופן אוטומטי. לחץ על כפתור ההפעלה / כיבוי כדי להפעיל את מכונת השיבוץ. הוציאו את הדגימה המשובצת PMMA לאחר הקירור.
הערה: הדגימה המעוצבת צריכה להיות מותקנת על מכונת השיבוץ בכיוון הנכון, כפי שמוצג באיור 3, שבו החומר התרמופלסטי PMMA משמש בניסוי. ודא שאבקת PMMA נמסה ונדבקת לפני השטח של הדגימה. הפינה השמאלית התחתונה של איור 4 מדגימה את הכיוון הנכון לאחר שהמשתמש מאשר את הבחירה המוצגת באיור 3.
- היכנסו לחדר הליטוש והקורוזיה בעקבות הנחיית המסלול, כפי שמוצג באיור 5. מצא את מכונת הליטוש המודגשת, ולחץ על ידית האחיזה של מכונת הליטוש כדי להרכיב את הדגימה המשובצת על האחיזה. הגדר את מהירות הטחינה והליטוש של הדגימה כדי להסיר את מצע החומר היצוק.
הערה: טוחנים את התבנית בצד אחד של התבנית עד לחשיפת התבנית שעל התבנית.
4. אפיון דגימות
- הירשם במחברת האלקטרונית לפני השימוש בכימיקל. פתחו את ארון האחסון הכימי והוציאו את תמיסת ה-KOH והאצטון המוצקים. לחץ על הכד המודגש כדי להשתמש בתמיסת אצטון כדי לנקות את הדגימה. לחץ על מודגשת נוספת ו- KOH מוצק להכנת נוזל קורוזיה להכנת תמיסת KOH 10%. לחץ על תמיסת KOH המודגשת ועל הדגימה כדי לכלות את הדגימה לדגימה מטלוגרפית.
הערה: בניסוי זה, כדי להסיר את תבנית הסיליקון, מכינים בדרך כלל תמיסת 6 mol/L KOH, הדגימה ממוקמת בתמיסת ההכנה, והכוס המכילה את תמיסת הקורוזיה והדגימה מונחת על פלטה חמה כדי להתחמם כדי להאיץ את קצב הקורוזיה. - נקו את הדגימה לאחר הסרת מצע הסיליקון, ובצעו בדיקה מאופיינת עם הדגימה המוכנה תחת מיקרוסקופ אופטי.
הערה: זכור לקבוע את שלמות הדגימה לאחר השחיקה והקורוזיה.
5. טעינת דגימות והתקנת ננו-אינדנטר
- טען את הדגימה לשלב הדגימה של הננו-אינדנטר. בחר את indenter החרוט כדי להרכיב אותו על הנהג של מערכת הבדיקה מיקרו וננומכניקה. לחץ על הכונן המסומן כדי לחבר אותו עם nanoindenter.
הערה: יש להכניס את ה- "PIN" לפיר הכונן בעת התקנת ה- indenter, ומכיוון שפיר הכונן הוא מוט דק, התפס נמנע מפגיעה בפיר הכונן בעת הברגת ה- indenter עם קצה מושחל לכונן.
6. ניסוי SEM באתרו
- לחץ על הלחצן Vent בתוכנת הבקרה SEM לאחר התקנת האינדנטור של הננו-indenter וטעינת הדגימה כמתואר ב-5.1.
- פתחו את תא ה-SEM לאחר שבירת הוואקום, התקינו את הננו-אינדנטר על שלב דגימת ה-SEM וחברו את החוטים (איור 6 מציג דוגמה לחיבור אחד החוטים).
- פתח את תוכנת הבקרה של nanoindenter, ובחר Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
הערה: תהליך אתחול המיקום של שלב דגימת הננו-אינדנטר חייב להתבצע במצב שבו חלל ה-SEM פתוח כדי למנוע מתהליך האתחול של שלב דגימת הננו-אינדנטר לפגוע בקוטב של יציאת יציאת האלקטרונים של ה-SEM. - סגור את תא ה- SEM ולחץ על כפתור המשאבה בתוכנת בקרת ה- SEM.
- לחץ על הלחצן למעלה או למטה בתוכנת בקרת SEM כדי להתאים את מיקום שלב הדגימה כך שהדגימה שתימדד תיפול לשדה הראייה של SEM. לחץ על בסדר כפתור כדי לתקן את המיקום. לחץ על כפתור EHT המודגש כדי להפעיל את אקדח האלקטרונים. לחץ על כפתור המצלמה ועבור למצב תצפית במיקרוסקופ אלקטרונים.
הערה: יש לשלוט באינדנדר של הננו-אינדנדר במצב תצפית כדי להתקרב בהדרגה לדגימה שיש למדוד. - לחץ על כפתור הפעלה על תוכנת הבקרה של nanoindenter.
הערה: במהלך הניסוי יש צורך לצפות ולתעד את מאפייני העיוות ותהליך הכשל במהלך תהליך הטעינה של הדגימה ולפתוח את הנתונים המקוריים של הניסוי בחלון ניתוח הנתונים לאחר השלמת הניסוי לצורך תכנון וייצוא הנתונים. - לחץ על הלחצן Stop בתוכנת הבקרה של nanoindenter כדי לסיים את הניסוי.
הערה: ניסוי הסימולציה הווירטואלית מסתיים כאן. המשתמש מתבקש להשלים את תרגיל המבחן המקוון בממשק הווירטואלי לאחר הניסוי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
המערכת מספקת הדרכה ברורה לפעולות המשתמש. ראשית, הדרכה ברמת מתחילים משולבת כאשר משתמש נכנס למערכת. שנית, הציוד וחדר המעבדה שישמשו לפעולה בשלב הבא מודגשים.
המערכת יכולה לשמש למספר מטרות חינוכיות שונות עבור רמות שונות של תלמידים. לדוגמה, איור 1 כולל שבעה מסוגי הציוד הנפוצים ביותר בתחומי המכניקה והחומר, כלומר מכונת חיתוך מטלוגרפית, מכונה אוניברסלית לבדיקת זחילה בטמפרטורה גבוהה, מכונת שיבוץ דגימות מטלוגרפיות, מכונת ליטוש, מיקרוסקופ אופטי, SEM ומערכת בדיקות מיקרו וננו-מכניקה. בהדרכה למתחילים, המשתמש יכול ללמוד על התיאורים של כל הציוד המשמש בניסוי. לאחר מכן, כל הציוד משמש אחד אחד כדי להשלים את הניסוי. התלמידים יכולים לבחור את הציוד לניסויים חוזרים עד שהם שולטים במיומנויות ההפעלה.
איור 3 ואיור 4 גם מראים שהמערכת יכולה לשפר את התכנון של סכמת הניסוי בשילוב עם פעולות הניסוי, מה שיכול לספק אימות מיידי. באיור 3, המשתמש צריך לבחור למקם את הדגימה בכיוון הנכון כדי ליצור דגימה יצוקה. איור 4 מציג את הממשק לשימוש במכונה לשיבוץ דגימות מטלוגרפיות, אשר גם מראה את התוצאות (כפי שמצוין בפינה השמאלית התחתונה של איור 4) של השלב הקודם לאחר שהמשתמש מאשר את הבחירה, כפי שמוצג באיור 3. איור 7 מדגים את תוצאות הניסוי של מכניקת המיקרו-מכנה עם סדקים קבועים מראש. באמצעות ניתוח התוצאות, המשתמש יכול לקבוע כיצד הושגו התוצאות.
פרוטוקול זה מדמה את התרחיש שבו התלמידים נדרשים להעריך את גודל העומס וזמן הטעינה של הניסוי הריאולוגי של הלוח המקבילי על פי יחס אורך-קוטר של הדגימה שיש להכין. הנסיין צריך לנתח את היחס בין היחס בין אורך לקוטר של הנוזל הצמיגי הזורם לתוך תבנית חור גלילית, את הלחץ p 0, ואת הזמן t בקוטר של d תחת הפעולה של לחץ קבוע p 0. קשר זה מוצג להלן:
כאשר L הוא האורך, d הוא הקוטר של תבנית החור הגלילי, p0 הוא הלחץ הקבוע, η הוא צמיגות החומר ו - t הוא זמן הטעינה. ברגע שנותנים p0, η ו-L/d , ניתן לחשב t . אם L/d מכפיל את עצמו, זמן הטעינה יהיה גדול פי ארבעה מבעבר. איור 8 ממחיש את הקשר בין יחס אורך-קוטר של זכוכית מתכת הזורמת לתוך חור התבנית לבין הזמן.
בניסויים בעולם האמיתי, נמצא כי תלמידים השתמשו לעתים קרובות בגישה של ניסוי וטעייה - כלומר, התאמה מתמדת של גודל העומס או משך הטעינה עד שהדגימה הנדרשת נעשתה לבסוף. בפרוטוקול זה מסופק ממשק אינטראקטיבי לאימות הידע התיאורטי, וזמן הטעינה נקבע על פי ערכי הפרמטרים שסופקו (צמיגות החומר, גודל המדגם הראשוני וגודל העומס). שאלה מנחה מסופקת כדלקמן: "זכוכית מתכת היא נוזל ניוטוני עם צמיגות של η = 107 Pa·s בטמפרטורת הניסוי של יציקת המות. לנוזל אין החלקה בגבול מגע העובש. יש צורך להכין דגימה גלילית עם יחס אורך לקוטר של 5. אם הניסוי יכול להפעיל כמות גדולה של לחץ של 100 MPa, כמה זמן צריך להיות זמן הטעינה? אם היחס בין אורך לקוטר גדל פי 1, כמה פעמים זמן הטעינה מתארך?" התלמידים צריכים להבין את התשובות, להגדיר את ערכת הבדיקה בהתאם, ולאחר מכן לערוך את הניסויים שלהם.
לאחר הניסוי, התלמידים מתבקשים לענות על מספר שאלות מסוגים שונים, כגון שאלות השלם את החסר ושאלות אמריקאיות (MCQ), המתמקדות בשלבי המפתח במהלך ניסוי הסימולציה הווירטואלית כדי לשפר את הידע התיאורטי והניסוי שלהם. טבלה 1 מציגה את דוגמאות השאלות לתרגיל המבחן המקוון לאחר הניסוי. בעזרת תרגילים משולבים, המשתמשים יכולים לסקור באופן שיטתי את כל תהליך הניסוי ולחבר את התיאוריה עם הניסוי.
מערך הניסויים המוצע על ידי יישום הסימולציה הווירטואלית המוצעת פירושו שניתן לספק את החוויות החזותיות והאינטראקטיביות הבאות משופרות ידע ומיומנות: 1) סביבת למידה וירטואלית אימרסיבית שבה משתמשים יכולים "לעבור" ולהבין את פריסת חדרי המעבדה ואת הפרטים של כל פיסת ציוד; 2) פעולות על חלקי ציוד אופייניים שונים בתחומי המכניקה והחומר כדי לשלוט במיומנויות הפעלה; 3) שיפור המודעות לבטיחות באמצעות פעולות ואזהרות שגויות; 4) ניסויים חוזרים ונשנים וניסויים קצרים יותר במקום משך הניסויים; 5) מעקב קפדני ככל האפשר אחר פרוטוקול המעבדות הקונבנציונליות, כך שהמשתמשים יוכלו להכיר את הנהלים ואת ה"עשה" וה"אל תעשה" גם בסביבה הווירטואלית.
באופן קונבנציונלי, בשל כמות מוגבלת של ציוד ואת העיסוק של סטודנטים לתואר שני למטרות מחקר, סטודנטים לתואר ראשון לעתים רחוקות יש את ההזדמנות לערוך ניסויים עם ציוד פיזי. מערכת הסימולציה הווירטואלית המשלבת סוגים שונים של ציוד יכולה לסייע לספק ניסויים נגישים וחוזרים בו זמנית כדי לשפר את כישורי המעבדה שלהם. לאחר פריסתה, המערכת הווירטואלית יושמה בסמסטרים הסתיו של שנות הלימודים 2020 ו-2021 עבור סטודנטים בעלי רקע במכניקה הנדסית. טבלה 2 מציגה את תוצאות הניסוי, הכוללות את זמן ההשלמה הממוצע, סטיית התקן של זמן ההשלמה והציונים הממוצעים של השנים השונות. הציון הממוצע (100 בסך הכל) מחושב על סמך הערכת הניסוי (70%, המוערך על ידי המערכת) ודוח המעבדה באינטרנט (30%, המוערך על ידי המורה). התוצאות מראות כי התלמידים יכולים, בממוצע, להשלים את הניסוי תוך ~73 דקות באמצעות דפדפן אינטרנט, שהוא חסכוני בזמן ומאמת את יעילות המערכת מבוססת האינטרנט בהתבסס על גישת הסימולציה הווירטואלית. בשנת 2022 ביצענו מחקר כדי להדגים את יעילות הפרוטוקול המוצע. תלמידים משתי כיתות עם רקע במכניקה הנדסית (שתי כיתות עם אותו מורה ואותם מודולי כיתה, שחולקו לשתי כיתות מטעמי גודל כיתה) חולקו לשתי קבוצות (כיתה אחת לכל קבוצה). התלמידים מקבוצה 1 הגיעו למעבדה הפיזית כדי ללמוד את הידע התיאורטי ולצפות בפעולות מהמורה, ואילו התלמידים מקבוצה 2 השתמשו בממשק הווירטואלי שפותח על בסיס המעבדה הפיזית (כולל הפריסה והציוד) לצורך הניסוי שלהם. טבלה 3 מציגה את תוצאות המבחנים המקוונים (עם ציון כולל של 10) לתלמידים ללא (קבוצה 1) ועם (קבוצה 2) חוויית הממשק הווירטואלי. ניתן להסיק כי התלמידים עם חווית הממשק הווירטואלי תפקדו טוב יותר מאלה ללא הניסיון.
איור 1: הציוד התלת-ממדי שפותח במהלך הניסויים. ניתן להסיק כי באמצעות ניסוי סימולציה וירטואלי זה, ניתן לאמן את המשתמש להכיר את הציוד הנפוץ ביותר בתחומי המכניקה והחומר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: מכונת בדיקת זחילה אוניברסלית מודגשת בטמפרטורה גבוהה בחדר מעבדת הסימולציה הווירטואלית. לאחר השלמת השלב הקודם (חיתוך הדגימה), השלב הבא נוצר באופן אוטומטי, אשר מדגיש את המכונה (כאשר המכונה נמצאת בקרבת מקום) או את הנתיב המוביל למכונה (כאשר המכונה אינה בקרבת מקום). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: הממשק לבחירת כיוון המיקום של הדגימה. על המשתמש לבחור את כיוון המיקום הנכון של הדגימה כדי להמשיך לשלב הבא. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: הממשק לשימוש במכונת שיבוץ הדגימות המטלוגרפיות. התוצאות של השלב הקודם לאחר שהמשתמש מאשר את הבחירה ( באיור 3) מוצגות בפינה השמאלית התחתונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: הממשק עם הנחיית מסלול מודגשת. המשתמש מונחה להיכנס לחדר ליטוש וקורוזיה של הדגימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: חיווט עבור מכונת SEM. המשתמש צריך לחבר את החוטים כדי להמשיך בניסוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: מכניקה באתרה תוצאות תהליך ניסויי של קרן מיקרו-קנטיל עם סדקים קבועים מראש. שתי העקומות מראות דוגמה לתוצאות הניסוי של מכניקת באתרו של קרן מיקרו-קנטיליוור עם סדקים קבועים מראש. (A) עקומת זמן תזוזה, (B) עקומת מתח-מתח. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
תרשים 8: חישוב המבוסס על ידע תיאורטי. הקשר בין יחס אורך-קוטר של זכוכית מתכת הזורמת לתוך חור התבנית לבין הזמן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
תרשים 9: האזהרה מראה כי פעולה שגויה פגעה בהיקף. משתמשים יכולים ללחוץ על הלחצן כדי לפלס למעלה/למטה את גלאי SEM. עם זאת, אם הם מתיישרים יותר מדי, גלאי SEM ייפגע. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 10: המחברת האלקטרונית לרישום מקוון לפני השימוש בכימיקל. לפני תהליך הקורוזיה, על המשתמש לרשום אותו במחברת, הזהה להליך במעבדה הפיזית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
| מזהה | סוג שאלת הבחינה | פרטי השאלה | ספק אפשרויות בחירה |
| 1 | השלם את השאלה החסרה | בניסוי זה, תמיסת __ שימשה כדי לשחוק את פרוסת הסיליקון. | ללא |
| 2 | MCQ בעל תשובה אחת | כאשר מכונת בדיקת זחילה אוניברסלית בטמפרטורה גבוהה משמשת לניסוי, איזה מהחומרים הבאים יכול להיחשב כנוזל ניוטוני? | A. מתכת קונבנציונלית |
| B. סגסוגת אמורפית | |||
| 3 | MCQ בעל תשובה אחת | אם מעריכים שהדגימה עומדת בכוח המרבי של 60mN, אז בבחירת הטווח, בחר InForce 50 או InForce 1000? | A. כוח 50 |
| B. InForce 1000 | |||
| 4 | MCQ מרובה תשובות | ננו-אינדנטר יכול לשמש למדידה? | A. קשיות |
| B. מודולוס של גמישות | |||
| ג. קשיחות השבר | |||
| ד. צמיגות | |||
| 5 | MCQ בעל תשובה אחת | SEM הוא קיצור של | A. מיקרוסקופ אופטי |
| B. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק | |||
| ג. מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת |
טבלה 1: דוגמאות שאלות לתרגיל המבחן המקוון לאחר הניסוי. המשתמשים נדרשים להשלים סוגים שונים של שאלות כדי שיוכלו לסקור באופן שיטתי את כל תהליך הניסוי ולקשר את התיאוריה עם הניסוי.
| שנה | מספר תלמידים | זמן השלמה ממוצע | סטיית תקן של זמן ההשלמה | ציון ממוצע |
| 2021 | 58 | 71 דקות ו-46 שניות | 11 דקות ו-39.5 שניות | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 דקות ו-3 שניות | 11 דקות ו-15.4 שניות | 80.21 |
טבלה 2: תוצאות ניסויים בשנים שונות. סטודנטים בעלי רקע במכניקה הנדסית השלימו את הניסויים בשתי שנים אקדמיות שונות.
| מזהה קבוצה | מספר תלמידים | ציון ממוצע | סטיית תקן של הציון |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
טבלה 3: תוצאות המבחנים המקוונים (עם ציון כולל של 10) לתלמידים ללא (קבוצה 1) ועם (קבוצה 2) חוויית הממשק הווירטואלי. סטודנטים בעלי רקע במכניקה הנדסית חולקו לשתי קבוצות בשנת 2022 כדי להדגים את יעילות הפרוטוקול.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
אחד היתרונות של ניסויי סימולציה וירטואליים הוא שהם מאפשרים למשתמשים לבצע את הניסויים ללא חשש מפגיעה במערכת הפיזית או גרימת נזק לעצמם11. לפיכך, משתמשים יכולים לבצע כל פעולה, כולל פעולות נכונות או שגויות. עם זאת, המערכת נותנת למשתמש הודעת אזהרה המשולבת בניסוי האינטראקטיבי כדי להנחות אותו לבצע את הניסויים בצורה נכונה כאשר מתבצעת פעולה שגויה. בדרך זו, משתמשים יכולים ללמוד את הפעולות הנכונות. לדוגמה, כאשר משתמש מבצע פעולות ב-SEM, כפי שמוצג באיור 9, הוא עלול להגביר את גלאי ה-SEM יותר מדי ולגרום לו נזק בטעות.
בדומה לניסויים מעשיים במעבדות פיזיות, משתמשים המבצעים ניסויים וירטואליים צריכים גם לעקוב אחר נהלים נכונים, אשר עשויים לשפר את הניסויים שלהם ואת המודעות לבטיחות. לדוגמה, כפי שמודגם באיור 10, בעת הכנת תמיסת KOH לתהליך הקורוזיה של הדגימה לדגימה מטלוגרפית, המשתמש צריך להירשם במחברת לפני השימוש בכימיקל.
למרות שמערכת זו מספקת סביבה וירטואלית מורכבת ומקיפה לניסויי עיוות וכשלים חומריים, המגבלה העיקרית היא שחסרות לה כרגע התאמות אישיות של משתמשים. משתמשים בצע את השלבים כדי לבצע ניסויים, ורק לעתים רחוקות יש להם סיכוי ליישם את הרעיונות שלהם. עם זאת, ניתן לשפר את המערכת כדי לספק לתלמידים חופש רב יותר ליישם את רעיונותיהם וליצור עיצובים ויישומים משלהם.
סימולציה וירטואלית תלת מימדית הייתה נושא חשוב ברחבי העולם בעשור האחרון מבחינת מתן ממשקים אימרסיביים למעורבות ולמידה12,13. מחקרים בנושא סימולציה וירטואלית נערכו בתחומים שונים, כגון בהנדסת בקרה14 משיקולי בטיחות 15 ובהנדסה כימית לפרקטיקה של ייצור16. בתחום החומרים והמכניקה, המערכת יכולה לשמש להכשרת תלמידים לגבי פרוטוקולים ניסיוניים, שימוש בציוד ואימות ידע תיאורטי. ביחס לשיטות הקיימות, גישת הסימולציה הווירטואלית המוצעת ניתנת לגישה על ידי משתמשים בכל עת ומכל מקום כל עוד האינטרנט ודפדפן האינטרנט זמינים, כלומר גישה זו היא חסכונית ויעילה ביותר. על ידי אספקת שבעה סוגים שונים של ציוד יקר, המערכת המקוונת מאפשרת למשתמשים לשפר שוב ושוב את פעולותיהם ואת כישורי המעבדה שלהם במערכת מקוונת יחידה זו.
המערכת יכולה לשמש בשילוב עם הוראה מסורתית ולמידה ביישומים עתידיים של הטכניקה. לדוגמה, המערכת יכולה להיות משולבת עם ניסויים מעשיים. התלמידים יכולים לערוך ניסויי סימולציה וירטואליים לפני שהם מבצעים ניסויים מעשיים במעבדות קונבנציונליות. בהשוואה לשיטות קונבנציונליות, המערכת אינטראקטיבית וסוחפת. בהמשך ליתרונות הניתנים על ידי החינוך המסורתי, הוראה ניסויית מבוססת סימולציה וירטואלית מספקת מגוון רחב של פונקציות עזר, אשר יכול לממש את יכולתם של התלמידים להשתמש בידע שלמדו כדי לפתור בעיות מעשיות. בנוסף, סוג זה של הוראה גם מטפח את תחומי המחקר של התלמידים ואת תחושת החדשנות על ידי הכשרתם לשלוט בטכניקות הבדיקה, שיטות ועקרונות של ניסויים מכניים מתקדמים בקנה מידה מיקרו וננומטרי ומסייע לתלמידים לשפר את התכונות המקצועיות והמקיפות שלהם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי קרנות המחקר הבסיסיות לאוניברסיטאות המרכזיות במסגרת מענק 2042022kf1059; הקרן למדעי הטבע של מחוז חוביי במסגרת מענק 2022CFB757; הקרן הסינית למדע פוסט-דוקטורט במסגרת מענק 2022TQ0244; מימון פרויקט טכנולוגיית הניסוי של אוניברסיטת ווהאן במסגרת מענק WHU-2021-SYJS-11; פרויקטי ההוראה והמחקר המחוזיים במכללות ובאוניברסיטאות של מחוז חוביי בשנת 2021 תחת מענק 2021038; ופרויקט מחקר המעבדה המחוזית במכללות ובאוניברסיטאות של מחוז חוביי תחת מענק 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).
