Виртуальные лабораторные работы при изучении курса «Материаловедение»
ART 85558
Я.
А. СексяеваБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Сексяева
Я.
А.,
Попёнова
Л.
И.,
Лисовский
Р.
А.,
Радионова
Л.
В. Виртуальные лабораторные работы при изучении курса «Материаловедение» // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2015. – Т. 13. – С.
2786–2790. – URL:
http://e-koncept.ru/2015/85558.htm.
Аннотация. В данной статье приведено описание виртуальных лабораторных работ «Построение диаграммы свинец-сурьма термическим методом», «Построение изотермической диаграммы распада переохлажденного аустенита», «Макродефекты сталей», интерактивной диаграммы «Железо-цементит» и электронного альбома микроструктур сталей и сплавов, используемых при изучении дисциплины «Материаловедение» в техническихвузах и учреждениях СПО как при аудиторном, так и при дистанционном образовании. Подробно описана методика проведения виртуальной лабораторной работы по построению диаграммы состояния свинец-сурьма термическим методом, реализованная в виде программного продукта в среде Unity3d.
Ключевые слова:
материаловедение, виртуальная лабораторная работа, диаграмма состояния, дистанционное образование.
Текст статьи
Сексяева Яна Александровна, магистрантФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет”(национальный исследовательский университет), г. Челябинскyanaa68@mail.ru
ПопёноваЛюдмила Ивановна,
магистрантФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет” (национальный исследовательский университет), г. ЧелябинскLyudmila.popenova@mail.ru
Лисовский Роман Андреевич, магистрантФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет” (национальный исследовательский университет), г. Челябинскjohnkoffee.work@gmail.com
Радионова Людмила Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры машины и технологии обработки материалов давлением ФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет” (национальный исследовательский университет), г. Челябинскradionovalv@rambler.ru
Виртуальныелабораторные работыпри изучении курса “Материаловедение”
Аннотация.Вданной статье приведено описание виртуальных лабораторных работ “Построение диаграммы свинецсурьма термическим методом”, “Построение изотермической диаграммы распада переохлажденногоаустенита”, “Макродефекты сталей”, интерактивной диаграммы “Железоцементит” и электронного альбома микроструктур сталей и сплавов, используемых при изучении дисциплины “Материаловедение” в технических ВУЗах и учреждениях СПО как при аудиторном, так и придистанционном образовании. Подробно описанаметодика проведения виртуальной лабораторной работы по построению диаграммы состояния свинецсурьма термическим методом,реализованная в виде программного продукта в среде Unity3d. Ключевые слова: материаловедение, виртуальная лабораторная работа, диаграмма состояния,дистанционное образование.
С развитием компьютерных технологий обучения все больше дискутируется вопрос о необходимости создания виртуальных лабораторных работ и частичном или полномпереводе практикумов из лабораторий в компьютерные классы [1]. Виртуальная лабораторная работа это информационная система, которая интерактивно моделирует реальный технический объект и предоставляет прекрасную возможность изучения его свойств посредством компьютерной визуализации.
На наш взгляд подход к проблеме создания виртуальных лабораторных работ и их внедрения в учебный процесс должен быть дифференцированным. Нельзя сводить подготовку особенно технических специалистов к виртуальному обучению, к ситуации, когда студент не имеет возможности потрогать оборудование и материалы своими руками. Однако, не стоит и пренебрегать возможностями компьютерного 3Dмоделирования, что особенно положительно воспринимается, когда это органично встроено в процесс обучения и несет в себе не только дань моде, но и глубокий смысл и необходимость. В учебных планах технических вузов, колледжей и техникумов большое внимание уделяется курсу “Материаловедение”, который в предыдущих поколениях ГОСов носил название “Металловедение”и “Физическое металловедение”. Одной из ключевых тем данного курса является изучение двойных диаграмм сплавов. Традиционно для понимания студентами принципа работы с такими диаграммами и условий при которых они были построены проводится одна из показательных лабораторных работ, а именно “Построение диаграммы состояния свинецсурьматермическим методом”[2,3]. Выполнение лабораторной работы включаетв себя проведение экспериментальных исследований, в ходе которых изучается процесс кристаллизации пяти сплавов свинецсурьма с разной концентрацией, а также кристаллизация чистого свинца и сурьмы. При выполнении работы сплавы расплавляются в тигельной печи и затем спомощью термопары фиксируется изменение температуры сплава во времени, что в дальнейшем позволяетпостроить кривые охлаждения этих сплавови диаграмму состояния [4,5]. Однако, с недавних пор в силу сокращения аудиторных часов,отведенных для изучения данного предмета, а также изза ужесточения санитарногигиенических требований (СанПиН 2.4.2.282110)к учебным кабинетам методику выполнения данной работы пришлось существенно пересмотреть, а именно исключить первую часть работы в которой расплавляли и кристаллизовали исследуемые сплавы. Это привело к тому, что преподаватель вынужденобъяснять студентам первую часть работы “на пальцах”, а затем выдать результаты замеров, по которым студенты уже и строили графики кривых охлаждения идиаграмму состояния.
Лабораторная работа“Построение диаграммы свинецсурьматермическим методом”на наш взгляд как раз тот случай, когда органично можно сочетать новые компьютерные технологии и традиционный подход к обучению.Целью настоящей работы является показать на примере виртуальнореальной лабораторной работы “Построениедиаграммы свинецсурьматермическим методом”возможность и целесообразность применения современных компьютерных технологий при изучении традиционных технических дисциплин на новом уровне.
В качестве среды для реализации проекта нами был использован игровой движок Unity3d. Выбор был сделан в пользу данного мультиплатформенногоинструмента поскольку это хорошо зарекомендовавший себя инструмент для разработкидвухитрёхмерныхприложений и игр, работающий под операционными системамиWindowsиOS X.Также как один из положительных моментов при выборе среды для реализации проекта стоит отметить, что Unity3dраспространяется бесплатно.При реализации виртуальной версии лабораторных работ необходимо достаточное внимание уделять идентичности виртуального и реального оборудования. Поэтому “прорисовке” оборудования и приборов нами было уделено большое внимание. Также нужно отметить, что виртуальная лабораторная работа также, как и реальная должна иметь подробные методические указания к ее выполнению. Выполнение виртуальной лабораторной работы должно также начинаться со знакомства с методическими указаниями, хотя понятно, что никакой реальной опасной ситуации при неправильном выполнении последовательности действий возникнуть не может, а о виртуальных опасностях нас предупредят сообщения, предусмотренные программным обеспечением и выводимые на экран компьютера.Также программным обеспечением предусмотрена возможность получения описания и подсказок, для чего достаточно нажать клавишу “H” и подвести курсор к интересующему вас предмету. В экспериментальной частилабораторной работы осуществляется кристаллизация сплавов свинецсурьма с различной концентрацией, а именно 5, 13, 25, 50 и 75 % сурьмы, а также двух чистых компонентов 100% свинца и 100% сурьмы. Виртуальная лаборатория в которой выполняются исследования включает в себя все необходимое оборудование и материалыпредставлена на рис.1.
Рис 1. Виртуальная лаборатория:1 электрическая печь; 2 тигель; 3 термопара; 4 образцы исследуемых сплавов; 5 клавиши управления температурой нагревания; 6 подставка из огнеупорного материала; 7 устройство для фиксации температурыво времени;8 клавишиуправления термопарой; 9 панели управления скоростью отображения результатов моделирования процессов нагревания и охлаждения
С помощью компьютерной мыши студент выбирает нужный по химическому составу сплав,помещает его в тигель и вместе с тиглем в электрическую печь.Закрывает крышку печи и выбирает требуемую температуру нагрева.Для экономии аудиторного времени при проведении эксперимента программой предусмотрена возможность ускорения процесса нагрева образца. Переключениемклавиш можно ускорить процесс нагрева в 10, 50 или 100 раз (см. рис.1). По истечении времени нагрева тигель вместе с образцом вынимается из печи и устанавливается на подставку из огнеупорного материала. При этом программное обеспечение визуализирует нам высокую температуру нагрева образца путем окрашивания в соответствующий цвет (рис. 2). Термопара помещается в тигель и осуществляется замер температуры сплава через каждые 15 с. Также,как и при нагреве программа позволяет ускорить процесс охлаждения сплава, но в данном случае в 5, 15 и 30 раз.
Рис. 2. Визуализация процесса охлаждения
Автоматически в программе осуществляется фиксация изменения температуры сплава во времени вплоть до падения температуры докомнатной. Полученный массив данных доступен студенту для копирования в буфер обмена (рис. 3).
Рис. 3. Фиксирование измерений температуры во времени
На этом виртуальная часть работы закончена и студент, скопировав данные в буфер обмена, переходит к расчетнографической ее части, а именно выгружает полученные данные в таблицу Excelили любую другую и может приступать к их обработке.В расчетнографический части работы студентам необходимо построить графики изменения температуры во времени для всех исследованных химических составов сплавов и чистых компонентов и найти на них критические точки (рис. 4). Зная значения критических точек для разных сплавов, студент заполняет таблицу и графически получает диаграмму состояния системы свинецсурьма (рис. 5). Построив диаграмму сплавов свинецсурьма, студент переходит к изучению микроструктуры полученных сплавов.
Рис. 4. Обработка полученных данных
Таблица 2Критические точки сплавов
№ п/пСостав сплава, %(по массе)Температура начала кристаллизации,
т.1°СТемпература конца кристаллизации, т.2 °ССурьмаСвинец1595……21387……3208028024645050……57525……60100……71000……
В зависимости от того при аудиторном или дистанционном обучении выполняется данная лабораторная работа предусмотрено два сценария изучения микроструктуры характерных сплавов (доэвтектического, эвтектического и заэвтектического). При выполнении работы в лаборатории микроструктуру изучают с помощью оптического микроскопа на заранее изготовленных и протравленных образцах 5, 13 и 25 % сплавов. Работа с микроскопом и образцами позволяет избежать виртуализации лабораторной работы там, где в этом нет необходимостии позволит студентам развить навыки работы с микроскопом и микрошлифами. Если же данная работа используется при дистанционном образовании, то и заключительная часть работы может быть выполнена виртуально, а именно изучение микроструктуры сплавов осуществляется по заранее сделанным фотографиям микроструктур тех же характерных сплавов. Помимо подробно рассмотренной выше виртуальнореальной лабораторной работы “Построениедиаграммы свинецсурьма термическим методом”нами разработаны и внедрены в учебный процесс в условиях ФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет” (национальныйисследовательский университет)при изучении дисциплины “Материаловедение”и другие интерактивные и виртуальные лабораторные практикумы.
Рис. 5. Построение диаграммы состояния сплавов свинецсурьма
Лабораторная работа “Построение изотермической диаграммы распада переохлажденного аустенита”является еще более сложной с технической точки зрения для выполнения в реальных условиях лаборатории. Поэтому во многих учебных заведениях от ее выполнения полностью отказались. Однако применение компьютерных технологий способно вернуть ее в учебный процесс. Аналогично описанной выше лабораторной работе нами было написано программное обеспечение, позволяющее выполнить эти исследования в виртуальной лаборатории. В данной работе мы посчитали необходимым включить в состав виртуальной лаборатории и микроскоп, что позволяет изучатьмикроструктуры сталипо заранее сделанным фотографиям. Не менее актуальным стал и вопрос разработки интерактивного комплекса “Макродефекты сталей”. Комплекс представляет из себя базу данных в которой систематизированы различные макродефекты сталей.Собрать коллекцию образцов с наличием в них характерных макродефектов в настоящее время достаточно сложно. Связано это с переходом в частную собственность металлургических и машиностроительных предприятий и повышением уровня безопасности и сохранности имущества предприятий. В тоже время на разных кафедрах и в разных ВУЗах еще сохранились отдельные образцы коллекции макродефектов сталей. Собрав из нескольких источников фотографии этих образцов нами была составлена достаточно полная и представительная база данных помакродефектам сталей. Каждому макродефекту соответствует его фотография, выполненная в хорошем разрешении с натурных образцов, а также дано определение и описание при каких условиях данный дефект может иметь место.
Не менее интересной и полезной для учебного процесса является и интерактивная диаграмма “Железоцементит”, реализованная также в среде Unity3d. Цветная диаграмма состояния позволяетизучить положение критических точек, линий превращений, а также изменения в кривых охлаждения в зависимости от содержания углерода. Познакомиться и изучить структурные изменения происходящие при изменении температуры и химического состава железоуглеродистого сплава. Изучив диаграмму состояния “Железоцементит”, студент или преподаватель может проверить и оценить уровень полученных знанийуровень путем ответов на тестовые вопросы. Электронный альбом микроструктур сталей и сплавов широко используется не только на практических и лабораторных занятиях, но и оказался востребованным в лекционных занятиях. Более 100 фотографий различных марок сталей и сплавов в равновесном и неравновесном состоянии, после термической и химикотермической обработки, с указанием структурных составляющих, в хорошем качестве и разрешении позволяют наглядно показать и объяснить студентам все отличия в микроструктурах и как следствие свойствах материалов. Таким образом, на примере одной из классических и востребованных в рамках изучения дисциплины “Материаловедение”лабораторной работы “Построениедиаграммы свинецсурьма термическим методом”показано, как могут быть использованы современные информационные технологиив образовательном процессе. Разработанная в среде Unity3dпрограмма, позволяет виртуализировать сложную с технической точки зренияи опасную для здоровья лабораторную работу,без снижения уровня и качества подготовки студентов технических направлений.Разработанныенами виртуальные лабораторныеработы“Построениедиаграммы свинецсурьма термическим методом”, “Построение изотермической диаграммы распада переохлажденного аустенита”, “Макродефекты сталей”, интерактивная диаграмма “Железоцементит”и электронный альбом микроструктур сталей и сплавов нашли широкое применение при изучении дисциплины “Материаловедение”при очнойи заочной формах обученияв условиях ФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет” (национальный исследовательский университет). Кроме того, эти работы могут быть использованы при реализации дистанционной формы обучения как в ВУЗах, так и учреждения СПО.
Ссылки на источники1.Егоров П. Н. Методика применения виртуальных лабораторий в учебном процессе вуза // Концепт. 2013. № 07 (июль). ART 13140. 0,4 п. л. URL: http://ekoncept.ru/2013/13140.htm. Гос. рег. Эл № ФС 7749965. ISSN 2304120X.[Дата обращения 27.04.2015]2.Материаловедение: Учеб. для сред. профессион. образования/ А.М. Адаскин, Ю.Е. Седов, А.К. Онегина, В.Н. Климов; под ред Ю.М. Соломонцева. М.: Высш.шк., 2005. 456 с.3.Радионова Л.В., Шекунов Е.В. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие. Магнитогорск: ГОУ ВПО “МГТУ”, 2010. 217 с.4.Материаловедение. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: лаб. практикум / Л. А. Быконя, Е. А. Астафьева, Ю. П. Королева, О. Ю. Фоменко. Электрон. дан. (10 Мб).Красноярск : ИПК СФУ, 2008. 5.Методические указания к лабораторным работам по дисциплине ©Физикохимические основы литейного производства. Физическая химия систем и процессовª / Владим. гос. унт;сост. Е.В. Сидоров. Владимир: Издво Владим. гос. унта, 2010. 44 с.
ПопёноваЛюдмила Ивановна,
магистрантФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет” (национальный исследовательский университет), г. ЧелябинскLyudmila.popenova@mail.ru
Лисовский Роман Андреевич, магистрантФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет” (национальный исследовательский университет), г. Челябинскjohnkoffee.work@gmail.com
Радионова Людмила Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры машины и технологии обработки материалов давлением ФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет” (национальный исследовательский университет), г. Челябинскradionovalv@rambler.ru
Виртуальныелабораторные работыпри изучении курса “Материаловедение”
Аннотация.Вданной статье приведено описание виртуальных лабораторных работ “Построение диаграммы свинецсурьма термическим методом”, “Построение изотермической диаграммы распада переохлажденногоаустенита”, “Макродефекты сталей”, интерактивной диаграммы “Железоцементит” и электронного альбома микроструктур сталей и сплавов, используемых при изучении дисциплины “Материаловедение” в технических ВУЗах и учреждениях СПО как при аудиторном, так и придистанционном образовании. Подробно описанаметодика проведения виртуальной лабораторной работы по построению диаграммы состояния свинецсурьма термическим методом,реализованная в виде программного продукта в среде Unity3d. Ключевые слова: материаловедение, виртуальная лабораторная работа, диаграмма состояния,дистанционное образование.
С развитием компьютерных технологий обучения все больше дискутируется вопрос о необходимости создания виртуальных лабораторных работ и частичном или полномпереводе практикумов из лабораторий в компьютерные классы [1]. Виртуальная лабораторная работа это информационная система, которая интерактивно моделирует реальный технический объект и предоставляет прекрасную возможность изучения его свойств посредством компьютерной визуализации.
На наш взгляд подход к проблеме создания виртуальных лабораторных работ и их внедрения в учебный процесс должен быть дифференцированным. Нельзя сводить подготовку особенно технических специалистов к виртуальному обучению, к ситуации, когда студент не имеет возможности потрогать оборудование и материалы своими руками. Однако, не стоит и пренебрегать возможностями компьютерного 3Dмоделирования, что особенно положительно воспринимается, когда это органично встроено в процесс обучения и несет в себе не только дань моде, но и глубокий смысл и необходимость. В учебных планах технических вузов, колледжей и техникумов большое внимание уделяется курсу “Материаловедение”, который в предыдущих поколениях ГОСов носил название “Металловедение”и “Физическое металловедение”. Одной из ключевых тем данного курса является изучение двойных диаграмм сплавов. Традиционно для понимания студентами принципа работы с такими диаграммами и условий при которых они были построены проводится одна из показательных лабораторных работ, а именно “Построение диаграммы состояния свинецсурьматермическим методом”[2,3]. Выполнение лабораторной работы включаетв себя проведение экспериментальных исследований, в ходе которых изучается процесс кристаллизации пяти сплавов свинецсурьма с разной концентрацией, а также кристаллизация чистого свинца и сурьмы. При выполнении работы сплавы расплавляются в тигельной печи и затем спомощью термопары фиксируется изменение температуры сплава во времени, что в дальнейшем позволяетпостроить кривые охлаждения этих сплавови диаграмму состояния [4,5]. Однако, с недавних пор в силу сокращения аудиторных часов,отведенных для изучения данного предмета, а также изза ужесточения санитарногигиенических требований (СанПиН 2.4.2.282110)к учебным кабинетам методику выполнения данной работы пришлось существенно пересмотреть, а именно исключить первую часть работы в которой расплавляли и кристаллизовали исследуемые сплавы. Это привело к тому, что преподаватель вынужденобъяснять студентам первую часть работы “на пальцах”, а затем выдать результаты замеров, по которым студенты уже и строили графики кривых охлаждения идиаграмму состояния.
Лабораторная работа“Построение диаграммы свинецсурьматермическим методом”на наш взгляд как раз тот случай, когда органично можно сочетать новые компьютерные технологии и традиционный подход к обучению.Целью настоящей работы является показать на примере виртуальнореальной лабораторной работы “Построениедиаграммы свинецсурьматермическим методом”возможность и целесообразность применения современных компьютерных технологий при изучении традиционных технических дисциплин на новом уровне.
В качестве среды для реализации проекта нами был использован игровой движок Unity3d. Выбор был сделан в пользу данного мультиплатформенногоинструмента поскольку это хорошо зарекомендовавший себя инструмент для разработкидвухитрёхмерныхприложений и игр, работающий под операционными системамиWindowsиOS X.Также как один из положительных моментов при выборе среды для реализации проекта стоит отметить, что Unity3dраспространяется бесплатно.При реализации виртуальной версии лабораторных работ необходимо достаточное внимание уделять идентичности виртуального и реального оборудования. Поэтому “прорисовке” оборудования и приборов нами было уделено большое внимание. Также нужно отметить, что виртуальная лабораторная работа также, как и реальная должна иметь подробные методические указания к ее выполнению. Выполнение виртуальной лабораторной работы должно также начинаться со знакомства с методическими указаниями, хотя понятно, что никакой реальной опасной ситуации при неправильном выполнении последовательности действий возникнуть не может, а о виртуальных опасностях нас предупредят сообщения, предусмотренные программным обеспечением и выводимые на экран компьютера.Также программным обеспечением предусмотрена возможность получения описания и подсказок, для чего достаточно нажать клавишу “H” и подвести курсор к интересующему вас предмету. В экспериментальной частилабораторной работы осуществляется кристаллизация сплавов свинецсурьма с различной концентрацией, а именно 5, 13, 25, 50 и 75 % сурьмы, а также двух чистых компонентов 100% свинца и 100% сурьмы. Виртуальная лаборатория в которой выполняются исследования включает в себя все необходимое оборудование и материалыпредставлена на рис.1.
Рис 1. Виртуальная лаборатория:1 электрическая печь; 2 тигель; 3 термопара; 4 образцы исследуемых сплавов; 5 клавиши управления температурой нагревания; 6 подставка из огнеупорного материала; 7 устройство для фиксации температурыво времени;8 клавишиуправления термопарой; 9 панели управления скоростью отображения результатов моделирования процессов нагревания и охлаждения
С помощью компьютерной мыши студент выбирает нужный по химическому составу сплав,помещает его в тигель и вместе с тиглем в электрическую печь.Закрывает крышку печи и выбирает требуемую температуру нагрева.Для экономии аудиторного времени при проведении эксперимента программой предусмотрена возможность ускорения процесса нагрева образца. Переключениемклавиш можно ускорить процесс нагрева в 10, 50 или 100 раз (см. рис.1). По истечении времени нагрева тигель вместе с образцом вынимается из печи и устанавливается на подставку из огнеупорного материала. При этом программное обеспечение визуализирует нам высокую температуру нагрева образца путем окрашивания в соответствующий цвет (рис. 2). Термопара помещается в тигель и осуществляется замер температуры сплава через каждые 15 с. Также,как и при нагреве программа позволяет ускорить процесс охлаждения сплава, но в данном случае в 5, 15 и 30 раз.
Рис. 2. Визуализация процесса охлаждения
Автоматически в программе осуществляется фиксация изменения температуры сплава во времени вплоть до падения температуры докомнатной. Полученный массив данных доступен студенту для копирования в буфер обмена (рис. 3).
Рис. 3. Фиксирование измерений температуры во времени
На этом виртуальная часть работы закончена и студент, скопировав данные в буфер обмена, переходит к расчетнографической ее части, а именно выгружает полученные данные в таблицу Excelили любую другую и может приступать к их обработке.В расчетнографический части работы студентам необходимо построить графики изменения температуры во времени для всех исследованных химических составов сплавов и чистых компонентов и найти на них критические точки (рис. 4). Зная значения критических точек для разных сплавов, студент заполняет таблицу и графически получает диаграмму состояния системы свинецсурьма (рис. 5). Построив диаграмму сплавов свинецсурьма, студент переходит к изучению микроструктуры полученных сплавов.
Рис. 4. Обработка полученных данных
Таблица 2Критические точки сплавов
№ п/пСостав сплава, %(по массе)Температура начала кристаллизации,
т.1°СТемпература конца кристаллизации, т.2 °ССурьмаСвинец1595……21387……3208028024645050……57525……60100……71000……
В зависимости от того при аудиторном или дистанционном обучении выполняется данная лабораторная работа предусмотрено два сценария изучения микроструктуры характерных сплавов (доэвтектического, эвтектического и заэвтектического). При выполнении работы в лаборатории микроструктуру изучают с помощью оптического микроскопа на заранее изготовленных и протравленных образцах 5, 13 и 25 % сплавов. Работа с микроскопом и образцами позволяет избежать виртуализации лабораторной работы там, где в этом нет необходимостии позволит студентам развить навыки работы с микроскопом и микрошлифами. Если же данная работа используется при дистанционном образовании, то и заключительная часть работы может быть выполнена виртуально, а именно изучение микроструктуры сплавов осуществляется по заранее сделанным фотографиям микроструктур тех же характерных сплавов. Помимо подробно рассмотренной выше виртуальнореальной лабораторной работы “Построениедиаграммы свинецсурьма термическим методом”нами разработаны и внедрены в учебный процесс в условиях ФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет” (национальныйисследовательский университет)при изучении дисциплины “Материаловедение”и другие интерактивные и виртуальные лабораторные практикумы.
Рис. 5. Построение диаграммы состояния сплавов свинецсурьма
Лабораторная работа “Построение изотермической диаграммы распада переохлажденного аустенита”является еще более сложной с технической точки зрения для выполнения в реальных условиях лаборатории. Поэтому во многих учебных заведениях от ее выполнения полностью отказались. Однако применение компьютерных технологий способно вернуть ее в учебный процесс. Аналогично описанной выше лабораторной работе нами было написано программное обеспечение, позволяющее выполнить эти исследования в виртуальной лаборатории. В данной работе мы посчитали необходимым включить в состав виртуальной лаборатории и микроскоп, что позволяет изучатьмикроструктуры сталипо заранее сделанным фотографиям. Не менее актуальным стал и вопрос разработки интерактивного комплекса “Макродефекты сталей”. Комплекс представляет из себя базу данных в которой систематизированы различные макродефекты сталей.Собрать коллекцию образцов с наличием в них характерных макродефектов в настоящее время достаточно сложно. Связано это с переходом в частную собственность металлургических и машиностроительных предприятий и повышением уровня безопасности и сохранности имущества предприятий. В тоже время на разных кафедрах и в разных ВУЗах еще сохранились отдельные образцы коллекции макродефектов сталей. Собрав из нескольких источников фотографии этих образцов нами была составлена достаточно полная и представительная база данных помакродефектам сталей. Каждому макродефекту соответствует его фотография, выполненная в хорошем разрешении с натурных образцов, а также дано определение и описание при каких условиях данный дефект может иметь место.
Не менее интересной и полезной для учебного процесса является и интерактивная диаграмма “Железоцементит”, реализованная также в среде Unity3d. Цветная диаграмма состояния позволяетизучить положение критических точек, линий превращений, а также изменения в кривых охлаждения в зависимости от содержания углерода. Познакомиться и изучить структурные изменения происходящие при изменении температуры и химического состава железоуглеродистого сплава. Изучив диаграмму состояния “Железоцементит”, студент или преподаватель может проверить и оценить уровень полученных знанийуровень путем ответов на тестовые вопросы. Электронный альбом микроструктур сталей и сплавов широко используется не только на практических и лабораторных занятиях, но и оказался востребованным в лекционных занятиях. Более 100 фотографий различных марок сталей и сплавов в равновесном и неравновесном состоянии, после термической и химикотермической обработки, с указанием структурных составляющих, в хорошем качестве и разрешении позволяют наглядно показать и объяснить студентам все отличия в микроструктурах и как следствие свойствах материалов. Таким образом, на примере одной из классических и востребованных в рамках изучения дисциплины “Материаловедение”лабораторной работы “Построениедиаграммы свинецсурьма термическим методом”показано, как могут быть использованы современные информационные технологиив образовательном процессе. Разработанная в среде Unity3dпрограмма, позволяет виртуализировать сложную с технической точки зренияи опасную для здоровья лабораторную работу,без снижения уровня и качества подготовки студентов технических направлений.Разработанныенами виртуальные лабораторныеработы“Построениедиаграммы свинецсурьма термическим методом”, “Построение изотермической диаграммы распада переохлажденного аустенита”, “Макродефекты сталей”, интерактивная диаграмма “Железоцементит”и электронный альбом микроструктур сталей и сплавов нашли широкое применение при изучении дисциплины “Материаловедение”при очнойи заочной формах обученияв условиях ФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет” (национальный исследовательский университет). Кроме того, эти работы могут быть использованы при реализации дистанционной формы обучения как в ВУЗах, так и учреждения СПО.
Ссылки на источники1.Егоров П. Н. Методика применения виртуальных лабораторий в учебном процессе вуза // Концепт. 2013. № 07 (июль). ART 13140. 0,4 п. л. URL: http://ekoncept.ru/2013/13140.htm. Гос. рег. Эл № ФС 7749965. ISSN 2304120X.[Дата обращения 27.04.2015]2.Материаловедение: Учеб. для сред. профессион. образования/ А.М. Адаскин, Ю.Е. Седов, А.К. Онегина, В.Н. Климов; под ред Ю.М. Соломонцева. М.: Высш.шк., 2005. 456 с.3.Радионова Л.В., Шекунов Е.В. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие. Магнитогорск: ГОУ ВПО “МГТУ”, 2010. 217 с.4.Материаловедение. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: лаб. практикум / Л. А. Быконя, Е. А. Астафьева, Ю. П. Королева, О. Ю. Фоменко. Электрон. дан. (10 Мб).Красноярск : ИПК СФУ, 2008. 5.Методические указания к лабораторным работам по дисциплине ©Физикохимические основы литейного производства. Физическая химия систем и процессовª / Владим. гос. унт;сост. Е.В. Сидоров. Владимир: Издво Владим. гос. унта, 2010. 44 с.
