全空間分布光度系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

曹 帆， 王博偉， 賀曉陽(yáng)， 鄒念育

(大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034)

0 引言

全空間分布光度系統(tǒng)是一種測(cè)量光源空間光色分布性能的測(cè)試儀器，具有靈活配置，測(cè)量速度快、精度高的特點(diǎn)[1]。“燈具空間光色參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)”對(duì)光源與照明專業(yè)的學(xué)生而言，是一門具有實(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)地位的實(shí)驗(yàn)課程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握全空間分布光度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法[2～4]，加深光度學(xué)、色度學(xué)原理理論知識(shí)的理解，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)態(tài)度具有重要作用。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，由于學(xué)生缺少有效的預(yù)習(xí)工具，只能依靠實(shí)驗(yàn)教材預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理和抽象的光路圖，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、燈具缺乏直觀的認(rèn)識(shí)，存在預(yù)習(xí)不充分的問(wèn)題[5～8]。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，為了令學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備建立直觀印象，教師在課堂上需要花費(fèi)時(shí)間用于儀器設(shè)備使用方法的講解，學(xué)生操作設(shè)備的時(shí)間相應(yīng)減少。由于實(shí)操時(shí)間不夠充裕，學(xué)生只能以實(shí)驗(yàn)教材為中心，按部就班地完成實(shí)驗(yàn)，被動(dòng)地驗(yàn)證光學(xué)原理，缺少主動(dòng)思考的過(guò)程。而且，由于預(yù)習(xí)不充分，學(xué)生的誤操作經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致儀器報(bào)警或設(shè)備損壞。

全空間分布光度系統(tǒng)屬于大型儀器，價(jià)格昂貴，無(wú)法批量購(gòu)置供學(xué)生練習(xí)實(shí)驗(yàn)，因此一般使用一套設(shè)備完成教學(xué)任務(wù)，學(xué)生以分組的方式完成實(shí)驗(yàn)，當(dāng)一組同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時(shí)，其他組的同學(xué)只能等待，浪費(fèi)了寶貴的課上教學(xué)時(shí)間，需要設(shè)計(jì)一種有效的教學(xué)輔助工具利用這段學(xué)生的空閑時(shí)間，在一組同學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，其他組的同學(xué)可以利用該教學(xué)輔助工具練習(xí)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

在一些特殊的情況下，教師與學(xué)生面對(duì)面的實(shí)踐課無(wú)法正常開展。如在新冠疫情蔓延的情況下，學(xué)校只能以線上課程的方式完成教學(xué)活動(dòng)。虛擬實(shí)驗(yàn)室這種教學(xué)方式可以在面對(duì)面的實(shí)踐課無(wú)法開展時(shí)保障實(shí)踐課以線上教學(xué)的方式開展。

由于以上在教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題，一種用于全空間分布光度系統(tǒng)的教學(xué)輔助工具呼之欲出。目前，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式輔助開展全空間分布光度系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)尚無(wú)成熟案例?，F(xiàn)有的紙質(zhì)教材存在沉浸感差、交互性差的問(wèn)題，難以帶給學(xué)生對(duì)儀器、器件直觀的認(rèn)識(shí)，只是將原理圖和公式展現(xiàn)給學(xué)生，由于學(xué)習(xí)曲線陡峭，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[9～11]。本文設(shè)計(jì)的全空間分布光度系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以很好的解決上述問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)操作者可以身臨其境地去操作儀器和器件，產(chǎn)生更好的虛擬操作體驗(yàn)，更具沉浸感和交互性，增強(qiáng)了學(xué)生的參與感，幫助學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前做好充分準(zhǔn)備，避免不當(dāng)操作引發(fā)的安全隱患。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體方案

全空間分布光度系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Unity3D開展開發(fā)工作。Unity3D是實(shí)時(shí)三維互動(dòng)內(nèi)容創(chuàng)作和運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。開發(fā)者運(yùn)用該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)包括游戲開發(fā)、美術(shù)、建筑、汽車設(shè)計(jì)、影視制作在內(nèi)的各項(xiàng)工作，作品可在手機(jī)、平板電腦、PC、游戲主機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備上部署[9～15]。

在平臺(tái)的開發(fā)過(guò)程中，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)有哪些實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，采集每個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及到的儀器設(shè)備及組件的三維模型參數(shù)，分析每個(gè)實(shí)驗(yàn)的模塊構(gòu)成等。利用三維建模軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)中用到的儀器及元器件進(jìn)行建模、貼圖渲染，將三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行用戶交互功能的設(shè)計(jì)和編程[12～15]。設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)軟件發(fā)布平臺(tái)發(fā)布，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載到手機(jī)上，仿真實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的所有元素，包括查看實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、虛擬操作、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并填寫電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

“燈具空間光色參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)”是由一組實(shí)驗(yàn)組合而成的大型實(shí)驗(yàn)課程，目的是為了訓(xùn)練學(xué)生掌握如下四組知識(shí)點(diǎn)或技能：一、燈具的發(fā)光面與燈具結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；二、燈具的空間光色分布的概念；三、全空間分布光度計(jì)的工作原理和操作方法；四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和測(cè)試報(bào)告的編寫。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容，設(shè)定兩類共六項(xiàng)互動(dòng)內(nèi)容：一、知識(shí)點(diǎn)解釋類：空間光強(qiáng)/亮度/色度分布、全空間分布光度計(jì)的原理，如圖1所示；二、實(shí)踐操作類：實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作、燈具的一般參數(shù)的測(cè)定、燈具在設(shè)備上的安裝、燈具光色特性參數(shù)的測(cè)量和測(cè)試報(bào)告的編寫。

圖1 全空間分布光度計(jì)系統(tǒng)原理圖

實(shí)施步驟如下：一、分析研究其中每一個(gè)互動(dòng)內(nèi)容所需的儀器和零件，進(jìn)行三維模型的建模。包含暗室、全空間分布光度計(jì)的各組成零件、交/直流電源、總控制箱等，導(dǎo)入到Unity3D各場(chǎng)景中。二、編制交互流程。首先，學(xué)生登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入主界面(圖2)。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面

在主界面可以開啟各互動(dòng)內(nèi)容，在各互動(dòng)內(nèi)容場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)控制主界面和子界面的跳轉(zhuǎn)和調(diào)用。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能流程圖如圖3所示。

圖3 功能流程圖

1.2 知識(shí)點(diǎn)解釋類互動(dòng)環(huán)節(jié)

知識(shí)點(diǎn)解釋類互動(dòng)環(huán)節(jié)應(yīng)用在學(xué)生預(yù)習(xí)、課上教學(xué)和復(fù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程中。除了向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)步驟中知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容外，還需要對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用做出展示，應(yīng)用展示被設(shè)計(jì)為小游戲的方式，小游戲分不同難度的關(guān)卡，以提升學(xué)生的挑戰(zhàn)欲望。學(xué)生通過(guò)玩小游戲，由淺入深的演練應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)，從而從感性和理性兩個(gè)方面對(duì)知識(shí)點(diǎn)做到有效把握，提升學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的接受度。

以知識(shí)點(diǎn)“空間光強(qiáng)分布”為例，對(duì)該項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)有兩個(gè)層級(jí)：平方反比定律和空間光強(qiáng)分布。如圖4所示：小游戲的第一關(guān)的設(shè)計(jì)為在宇宙里點(diǎn)亮太陽(yáng)(點(diǎn)光源)，設(shè)置面向太陽(yáng)的衛(wèi)星(照度計(jì))測(cè)量與太陽(yáng)不同距離處的照度，在界面上展示平方反比定律公式中各參數(shù)在不同的位置上值的變化。在第二關(guān)，衛(wèi)星(照度計(jì))可設(shè)計(jì)為在以太陽(yáng)(點(diǎn)光源)為球心的球面的軌道上運(yùn)動(dòng)，學(xué)生通過(guò)控制球體的半徑和衛(wèi)星的位置，在界面上繪制出太陽(yáng)的空間光強(qiáng)分布。

在課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)，為了幫助學(xué)生重溫授課內(nèi)容，采用以啟發(fā)式的方法向?qū)W生提問(wèn)與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)和思考理論課學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)，并把理論和實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)。教師可以通過(guò)在后臺(tái)系統(tǒng)收集學(xué)生復(fù)習(xí)測(cè)試成績(jī)來(lái)評(píng)估課堂教學(xué)效果。

圖4 “衛(wèi)星測(cè)量照度”小游戲

1.3 實(shí)踐操作類互動(dòng)環(huán)節(jié)

實(shí)踐操作類交互環(huán)節(jié)應(yīng)用到學(xué)生學(xué)習(xí)操作儀器設(shè)備的技能環(huán)節(jié)中，將實(shí)驗(yàn)中用到的儀器虛擬化，安裝到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中。學(xué)生可以直觀體會(huì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，根據(jù)全空間分布光度計(jì)的工作原理圖完成實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，燈具一般參數(shù)的測(cè)定，燈具在設(shè)備上的安裝，燈具光色特性參數(shù)的測(cè)量，光色特性參數(shù)的數(shù)據(jù)處理等實(shí)踐環(huán)節(jié)。

知識(shí)點(diǎn)“燈具在設(shè)備上的安裝”互動(dòng)環(huán)節(jié)，在虛擬暗室內(nèi)安裝全空間分布光度計(jì)等相關(guān)儀器，學(xué)生可以在這一環(huán)節(jié)操作設(shè)備安裝燈具，熟悉各種類型的燈具的光心的判斷方法，在燈具架上安裝燈具時(shí)用的夾具類型、不同供電方式的燈具如何連接導(dǎo)線等，如圖5所示。

圖5 安裝燈具互動(dòng)環(huán)節(jié)

知識(shí)點(diǎn)“燈具光色特性參數(shù)的測(cè)量”互動(dòng)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以在這一環(huán)節(jié)操作設(shè)備測(cè)量軟件零位，控制主軸和自由軸旋轉(zhuǎn)，觀察燈具的空間光強(qiáng)分布的測(cè)量過(guò)程。如圖6所示，隨著設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，學(xué)生可以在界面里觀察空間光強(qiáng)分布曲線的繪制過(guò)程。

圖6 測(cè)量空間光強(qiáng)分布互動(dòng)環(huán)節(jié)

2 教學(xué)效果分析

在疫情期間，由于學(xué)校實(shí)行線上授課，很多實(shí)踐課程無(wú)法開出，該系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助工具，為在特殊情況下實(shí)踐教學(xué)工作的實(shí)施提供了一個(gè)選項(xiàng)。由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)在課堂觀察各教學(xué)環(huán)節(jié)的方式分析教學(xué)效果，教學(xué)效果分析工作以線上調(diào)查問(wèn)卷的方式完成。將軟件和調(diào)查問(wèn)卷分發(fā)給學(xué)生(共60人，30人使用軟件，30人不使用軟件)，收集對(duì)軟件的使用體驗(yàn)。調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 軟件使用體驗(yàn)調(diào)查結(jié)果

通過(guò)調(diào)查結(jié)果可知，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用，起到了提升教學(xué)效果的作用。在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠被互動(dòng)內(nèi)容的游戲性吸引，對(duì)知識(shí)產(chǎn)生興趣。在課中階段，由于學(xué)生在課前預(yù)習(xí)階段通過(guò)互動(dòng)內(nèi)容虛擬操作了儀器，在實(shí)際操作時(shí)對(duì)儀器沒(méi)有生疏感，敢于上手操作。在課后復(fù)習(xí)階段，學(xué)生被互動(dòng)內(nèi)容的游戲性吸引，愿意通過(guò)使用軟件的方式復(fù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，鞏固了學(xué)到的知識(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

在“燈具空間光色參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)”實(shí)踐教學(xué)中利用全空間分布光度系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為輔助工具，發(fā)揮了良好的輔助教學(xué)作用。虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)過(guò)程令人具有身臨其境的感覺(jué)，這種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式依托計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)發(fā)展，必將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。