水質(zhì)物理參量測(cè)量DIS演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

周科衛(wèi),鄧 莉,忻 靜,成 琳,梅怡楠,趙國汝,秦菱澤,景培書

(華東師范大學(xué) a.物理與電子科學(xué)學(xué)院;b.孟憲承書院 物理系，上海 200241)

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)水資源的需求不斷增加，引發(fā)的生態(tài)環(huán)境水資源污染問題也愈發(fā)嚴(yán)重. 保護(hù)水資源，需要對(duì)環(huán)境生態(tài)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)跟蹤、綜合治理. 隨著人們對(duì)水資源保護(hù)的重視程度越來越高，相關(guān)科普推廣工作已經(jīng)在全世界范圍有條不紊地開展. 1993年的第47屆聯(lián)合國大會(huì)將每年的3月22日定為“世界水日”；不同地區(qū)開展豐富多彩的“保護(hù)水資源，公益你我行”的公益活動(dòng)；中小學(xué)開設(shè)水質(zhì)檢測(cè)科普課程. 在水資源保護(hù)過程中，生態(tài)環(huán)境水質(zhì)的檢測(cè)發(fā)揮著排頭兵的重要作用. 水質(zhì)檢測(cè)，是檢查測(cè)定水體中污染物的種類、濃度及變化趨勢(shì)，評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況的過程. 反映水質(zhì)狀況檢測(cè)指標(biāo)有：色度、濁度、pH值、電導(dǎo)率、懸浮物、溶解氧、化學(xué)需氧量和生化需氧量等[1]. 目前市場(chǎng)上已經(jīng)很多商用測(cè)量水質(zhì)物理參量指標(biāo)的檢測(cè)儀器，如測(cè)定水濁度的濁度儀[2-3]，測(cè)定色度所用的濾光光度計(jì)[4-6]，測(cè)定電導(dǎo)率用電導(dǎo)率儀[7-8]，使用簡(jiǎn)便、易攜帶. 從水質(zhì)物理檢測(cè)的層面來看，目前商用儀器封裝嚴(yán)密，而且測(cè)量參量單一，因此需要開發(fā)新的技術(shù)手段，以便開展更廣泛水質(zhì)物理檢測(cè)的科普推廣工作.

融合數(shù)字化信息系統(tǒng)DIS(digital information system)技術(shù)的發(fā)展，為物理量測(cè)量注入了新活力，從傳統(tǒng)的人工使用物理器材進(jìn)行測(cè)量、讀取、處理數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變?yōu)槔脗鞲衅鳒y(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器將測(cè)量結(jié)果導(dǎo)入電腦，直觀、形象、實(shí)時(shí)顯示被測(cè)物理量的變化，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行圖像繪制和擬合、求導(dǎo)、積分、平均值等分析處理.

虛擬仿真技術(shù)作為一門新興的綜合性信息技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)學(xué)、機(jī)械制造、教育等領(lǐng)域[9-12]. 基于Python編程語言，融合DIS技術(shù)，開發(fā)了“水質(zhì)物理參量測(cè)量DIS演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件”， 展示液體的表面張力系數(shù)、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、折射率和pH值水質(zhì)物理參量的動(dòng)態(tài)測(cè)量過程. 該軟件形象、生動(dòng)地展示水質(zhì)物理測(cè)量的物理原理、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，交互性強(qiáng)，可以提升使用者的學(xué)習(xí)興趣，適用于大學(xué)物理理論與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，也可以作為中小學(xué)科普拓展輔助工具.

1 軟件的設(shè)計(jì)思路

1.1 軟件整體構(gòu)架

本軟件在系統(tǒng)功能上采用總分結(jié)構(gòu)模式，如圖1所示. 在水質(zhì)物理檢測(cè)的總框架下，設(shè)計(jì)了6個(gè)物理參量測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K：液體表面張力系數(shù)、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、折射率和pH值. 每個(gè)模塊包含：實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)公式、數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)判斷等功能，每個(gè)功能按鍵被點(diǎn)擊后，可以展示相應(yīng)內(nèi)容. 這種分級(jí)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模塊間關(guān)系明確，實(shí)驗(yàn)展示邏輯性強(qiáng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰，較好地符合用戶的學(xué)習(xí)認(rèn)知過程.

圖1 軟件設(shè)計(jì)總體構(gòu)架

1.2 數(shù)據(jù)處理流程

為了加深用戶對(duì)水質(zhì)物理參量測(cè)量過程的理解，實(shí)現(xiàn)DIS動(dòng)態(tài)、形象、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的仿真模擬效果，按照如圖2所示的流程圖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)取、處理、展示功能. 首先，建立了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，用以存儲(chǔ)以上6個(gè)物理水質(zhì)物理參量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)板塊，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的調(diào)取，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理擬合，根據(jù)擬合結(jié)果，判斷水質(zhì)的優(yōu)劣.

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

用戶使用數(shù)據(jù)采集功能時(shí)，在部分物理參量測(cè)量的模塊內(nèi)設(shè)置了用戶輸入功能，以提高軟件的人機(jī)交互性, 引導(dǎo)使用者輸入正確的物理參量，從而獲得正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 比如在“表面張力”測(cè)量模塊，以生活用水中含有的CaCl2成分的濃度作為研究對(duì)象，通過測(cè)量表面張力獲取溶液中CaCl2濃度信息. 數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，用戶可以根據(jù)提示，輸入希望調(diào)取的溶液濃度，系統(tǒng)則導(dǎo)入對(duì)應(yīng)CaCl2濃度的溶液表面張力系數(shù)的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)表面張力系數(shù)的計(jì)算，獲得不同濃度的表面張力系數(shù)的曲線，以獲得可視化效果.

2 軟件的Python編程實(shí)現(xiàn)

“水質(zhì)物理參量測(cè)量DIS演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件”基于Python程序設(shè)計(jì)語言編寫，主要運(yùn)用Tkinter庫、Matplotlib庫、Pandas庫分別實(shí)現(xiàn)虛擬仿真的創(chuàng)建圖形化界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、讀取數(shù)據(jù)、繪制圖像功能，如圖3所示.

圖3 基于Python編程的數(shù)據(jù)庫使用

2.1 首界面的創(chuàng)建

利用Tkinter庫中的tk函數(shù)創(chuàng)建主窗口，在窗口上放置控件，并合理布局. 用Tkinter庫中的canvas函數(shù)創(chuàng)建1塊幕布控件，其尺寸為整個(gè)窗口的橫縱像素值，將6個(gè)物理參量的圖片依此放置在幕布的6個(gè)位置，如圖4所示. 利用Button函數(shù)創(chuàng)建6個(gè)大小一致的按鈕，按鈕文本設(shè)置為6個(gè)水質(zhì)物理參量的名稱，然后將按鈕放置在對(duì)應(yīng)圖片位置處. 自定義6個(gè)以物理參量名稱命名的函數(shù)，函數(shù)的具體設(shè)置步驟為：

1)使用tk.Toplevel( )創(chuàng)建次級(jí)窗口，實(shí)現(xiàn)該物理參量的仿真功能，其功能子程序則被封裝在該函數(shù)內(nèi)部.

2)將首界面里的按鈕綁定物理參量對(duì)應(yīng)的具體函數(shù)，用戶點(diǎn)擊時(shí)，觸發(fā)函數(shù)響應(yīng)，進(jìn)入該物理參量的仿真窗口.

3)在首界面中央放置“水質(zhì)物理檢測(cè)DIS虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”字樣的按鈕，創(chuàng)建次級(jí)窗口，用以對(duì)水質(zhì)物理檢測(cè)的意義及該軟件內(nèi)容作簡(jiǎn)要介紹.

4)使用canvas中的create_line函數(shù)，在幕布上創(chuàng)建6條直線，將中間的水質(zhì)檢測(cè)按鈕與6個(gè)物理參量按鈕相連接，從而完成圖形化的創(chuàng)建.

圖4 軟件首界面

2.2 水質(zhì)物理參量測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

“水質(zhì)物理參量測(cè)量DIS演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件”對(duì)液體表面張力系數(shù)、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、折射率和pH值6個(gè)水質(zhì)物理參量的測(cè)量過程進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)，基于使用者學(xué)習(xí)規(guī)律，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理、裝置、數(shù)據(jù)、模擬進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并設(shè)置水質(zhì)判斷模塊，使用者根據(jù)物理參量直觀獲得水質(zhì)信息.

2.2.1 表面張力測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

本軟件采用拉脫法測(cè)量液體的表面張力. 利用tkinter.Toplevel語句創(chuàng)建如圖5(a)所示的次級(jí)窗口作為表面張力實(shí)驗(yàn)的仿真窗口，在窗口左側(cè)創(chuàng)建 “實(shí)驗(yàn)原理”、“實(shí)驗(yàn)裝置”、“數(shù)據(jù)采集”等按鈕，自定義函數(shù)綁定各個(gè)按鈕，其內(nèi)容顯示表面張力實(shí)驗(yàn)信息，點(diǎn)擊按鈕實(shí)現(xiàn)原理展示、數(shù)據(jù)調(diào)取、結(jié)果處理等功能. 在窗口中右側(cè)創(chuàng)建canvas幕布，放置表面張力實(shí)驗(yàn)裝置與原理演示的圖片和文字元素.

根據(jù)圖2所示數(shù)據(jù)處理流程，使用tk.entry語句創(chuàng)建如圖5(a)所示的輸入框，再用entry.get語句獲取用戶輸入的CaCl2溶液濃度參量，根據(jù)該濃度從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相應(yīng)濃度溶液的數(shù)據(jù)表格文件(Excel文件)，采用DIS測(cè)量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模式，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、直觀并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、擬合、繪圖等操作，測(cè)量結(jié)果如圖5(b)所示. 根據(jù)表面張力系數(shù)的公式計(jì)算該濃度溶液的表面張力系數(shù)α：

(1)

其中，α為表面張力系數(shù)，F(xiàn)max為拉力最大值，F(xiàn)min為拉力最小值，D為圓環(huán)外直徑，d為圓環(huán)內(nèi)直徑.

在數(shù)據(jù)庫中以溶液濃度命名數(shù)據(jù)文件，將用戶輸入溶液濃度值與文件名相匹配，使用pandas庫中read函數(shù)，讀取對(duì)應(yīng)文件，將拉力以及時(shí)間數(shù)據(jù)分別存放在2個(gè)列表內(nèi)，分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，利用matplotlib.pyplot模擬DIS實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)繪制表面張力系數(shù)的拉力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)采集曲線，在拉力列表中找到拉脫前的最大值Fmax和拉脫后的平均值作為最小值Fmin，輸入圓環(huán)的內(nèi)、外直徑參量D和d，計(jì)算得到表面張力系數(shù)α，并顯示在圖像上方，如圖5(b)所示. 將不同濃度CaCl2溶液的表面張力繪制成如圖5(c)所示的不同濃度CaCl2溶液的表面張力系數(shù)變化曲線. 從該圖中可以看出，通過表面張力的測(cè)量可以獲得水質(zhì)中雜質(zhì)濃度，也可以同時(shí)了解黏度、雜質(zhì)等性質(zhì).

(a)表面張力實(shí)驗(yàn)界面

(b)濃度為0的溶液表面張力DIS模擬圖

(c)不同濃度CaCl2溶液的表面張力系數(shù)曲線圖5 表面張力的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.2.2 濁度測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

本軟件中濁度的測(cè)量是通過紫外光光度法實(shí)現(xiàn)的，同表面張力模塊界面設(shè)計(jì)相同，使用tkinter.Toplevel創(chuàng)建次級(jí)窗口，設(shè)置按鈕與幕布，放置仿真內(nèi)容，在界面最右側(cè)添加text文本顯示控件，顯示實(shí)驗(yàn)原理及水質(zhì)判斷的文字內(nèi)容，如圖6(a)所示. 在濁度的數(shù)據(jù)采集仿真功能中，使用pandas.read函數(shù)讀取數(shù)據(jù)庫中的吸光度與溶液濃度關(guān)系表，用matplotlib.pyplot繪制圖像，如圖6(b)所示. 可以看出，在液層厚度不變的實(shí)驗(yàn)條件下，溶液吸光度與其濃度成正比關(guān)系，完全符合朗伯-比爾定律. 通過測(cè)量液體濁度，可以反映液體中溶質(zhì)或雜質(zhì)的濃度.

(a)濁度實(shí)驗(yàn)界面

(b)溶液吸光度與濃度關(guān)系曲線圖6 濁度測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.2.3 溶解氧測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

采用熒光淬滅法測(cè)量溶解氧濃度，在溶解氧測(cè)量界面的實(shí)驗(yàn)原理部分，展示了斯特恩-沃爾默公式，

(2)

其中，I0和τ0分別是無氧氣的熒光光強(qiáng)和熒光分子壽命，I和τ分別是有氧氣情況下的熒光光強(qiáng)和熒光分子壽命，無氧氣情況與有氧氣情況的熒光光強(qiáng)之比等于熒光分子壽命之比，且與環(huán)境中的氧氣濃度c成正比，比例系數(shù)為K，K由特定的熒光物質(zhì)所決定. 從(2)式看出熒光猝滅的時(shí)間與溶解氧的濃度有關(guān)，因此可以通過測(cè)量熒光猝滅時(shí)間間接測(cè)量溶解氧濃度，如圖7(a)所示. 圖7(b)則展示了實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)操作步驟，此實(shí)驗(yàn)需要利用激光器、光纖探頭、分光計(jì)完成. 圖7(c)為采用DIS模式動(dòng)態(tài)、直觀展示了溶解氧隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)曲線. 溶解氧反映液體中溶解氧氣的多少，可作為水質(zhì)自凈能力的判斷依據(jù).

(a)溶解氧實(shí)驗(yàn)界面

(b)實(shí)驗(yàn)操作步驟

(c)溶解氧濃度隨溫度變化關(guān)系曲線圖7 溶解氧測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.2.4 電導(dǎo)率測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

采用分壓法測(cè)量液體電導(dǎo)率，其實(shí)驗(yàn)界面如圖8(a)所示. 點(diǎn)擊“電導(dǎo)率與溫度關(guān)系”按鈕，下方顯示二級(jí)按鈕，點(diǎn)擊后動(dòng)態(tài)顯示電壓、電流、電導(dǎo)率與溫度的變化. 導(dǎo)電溶液中，液體電阻率和液體絕對(duì)溫度T的關(guān)系[8]為

(3)

其中，A和B為與液體特性有關(guān)常量. 根據(jù)式(3)擬合出電導(dǎo)率隨溫度的變化，如圖8(b)所示. 點(diǎn)擊二級(jí)按鈕，動(dòng)態(tài)顯示電壓、電流、電導(dǎo)率與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系. 溶液電導(dǎo)率σ和溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω關(guān)系的理論公式為[8]

σ=Kω,

(4)

當(dāng)液體溫度不變時(shí)，K為常量. 根據(jù)式(4)擬合了電導(dǎo)率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，如圖8(c)所示. 電導(dǎo)率可以反映液體中導(dǎo)電離子濃度大小.

(a)電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)界面

(b)NaCl溶液電導(dǎo)率與溫度變化關(guān)系與擬合曲線

(c)NaCl溶液電導(dǎo)率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化關(guān)系與擬合曲線圖8 電導(dǎo)率測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.2.5 折射率測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

本軟件介紹了3種測(cè)量折射率方法，分別是牛頓環(huán)法、最小偏向角法和光速測(cè)定儀法. 折射率虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面上設(shè)置3種測(cè)量方法按鈕，點(diǎn)擊每個(gè)按鈕，會(huì)展示3種測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)擬合，如圖9(a)所示. 分別點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)擬合”按鈕，可動(dòng)態(tài)顯示3種方法測(cè)量的溶液折射率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化關(guān)系，如圖9(b)、(c)、(d)所示. 從實(shí)驗(yàn)曲線可以看出3種不同方法測(cè)得的規(guī)律一致:溶液的折射率隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大.

(a)折射率實(shí)驗(yàn)界面

(b)牛頓環(huán)法

(c)最小偏向角法

(d)光速測(cè)定儀法圖9 折射率測(cè)量虛擬仿真模擬實(shí)驗(yàn)

2.2.6 pH值測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

本軟件采用玻璃電極法測(cè)量溶液的pH值. pH值測(cè)量虛擬仿真的界面如圖10(a)所示，點(diǎn)擊相關(guān)按鈕，可以呈現(xiàn)pH計(jì)結(jié)構(gòu)、pH值測(cè)量原理、溶液pH值隨濃度變化關(guān)系. 圖10(b)和(c)分別動(dòng)態(tài)顯示了堿溶液NaOH和酸溶液HCl的pH值隨溶液濃度的變化規(guī)律：溶液濃度越大，pH值越高，但酸堿溶液的變化趨勢(shì)存在本質(zhì)不同. 利用pH值可以直接反應(yīng)水質(zhì)的酸堿度.

(a)pH值測(cè)量實(shí)驗(yàn)界面

(b)NaOH溶液pH值隨溶液濃度的變化

(c)HCl溶液pH值隨溶液濃度的變化圖10 pH值測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

3 軟件使用滿意度調(diào)查

邀請(qǐng)華東師范大學(xué)環(huán)境工程、環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)的34名在讀學(xué)生在完成大學(xué)物理理論與實(shí)驗(yàn)課程后，試用該軟件. 設(shè)計(jì)了該軟件使用滿意度調(diào)查問卷，就軟件的原理、操作、功能等進(jìn)行調(diào)研，如表1所示. 題干描述的內(nèi)容都是對(duì)軟件的正面評(píng)價(jià)，采用賦分方式進(jìn)行結(jié)果調(diào)查，每個(gè)問題設(shè)置5個(gè)選項(xiàng)，分別是非常同意、同意、一般、不同意、非常不同意，并對(duì)5個(gè)選項(xiàng)依次賦分，從5分遞減至1分. 問卷得分越高，說明用戶對(duì)該軟件的認(rèn)可度越高. 調(diào)查問卷發(fā)放了34份，回收31份有效問卷. 經(jīng)過問卷的回收統(tǒng)計(jì)，各題目得分情況如表1所示，從表1中各題目的得分情況可以看出，各題目普遍得分較高，平均值之和達(dá)到39.48，得分率為78.96%，說明用戶對(duì)該軟件使用滿意度較高.

表1 “水質(zhì)物理參量測(cè)量DIS演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”軟件滿意度調(diào)查問卷問題列表

4 結(jié)束語

基于Python編程語言，設(shè)計(jì)開發(fā)了水質(zhì)物理參量測(cè)量DIS演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件. 該軟件對(duì)液體表面張力系數(shù)、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、折射率和pH值6個(gè)水質(zhì)物理參量的測(cè)量過程進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，每個(gè)物理參量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)量界面分為實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、計(jì)算公式、數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)判斷等模塊. 在數(shù)據(jù)采集模塊，采用數(shù)字化信息系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的方式，將數(shù)據(jù)采集過程形象、直觀、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行呈現(xiàn)，提高用戶的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)采集、分析處理的理解. 該軟件有效實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，增強(qiáng)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的沉浸感，可以用于大學(xué)物理理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、中學(xué)物理課堂教學(xué)與課外拓展，拓展學(xué)生視野，激發(fā)物理學(xué)習(xí)興趣；該軟件也可用以環(huán)境生態(tài)水資源保護(hù)的科普宣傳，加深大眾對(duì)水質(zhì)物理檢測(cè)的理解. 該軟件在環(huán)境工程、環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)學(xué)生中試用，取得了較好滿意度評(píng)價(jià).