基于STEM的水質(zhì)光學(xué)綜合測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

忻 靜，孫 可，鄧 莉，方 穎，李素龍，崔雯雯，景培書，胡炳文，孫妍妍

(華東師范大學(xué) a.物理與電子科學(xué)學(xué)院; b.教育學(xué)部，上海 200241)

STEM教育理念最早起源于20世紀(jì)80年代的美國，重點(diǎn)是培養(yǎng)人才創(chuàng)新、合作與解決實(shí)際問題的能力，以滿足信息化與知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代對跨學(xué)科人才的迫切需求[1]. STEM教育理念迅速發(fā)展，逐漸被英國、澳大利亞、德國、加拿大等發(fā)達(dá)國家引用[2-4]. 2017年，教育部將STEM教育列為國家課程標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)之一，中國教育科學(xué)研究院發(fā)布的《2017年中國STEM教育白皮書》中提出了中國STEM創(chuàng)新行動計(jì)劃[5]. 目前，在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)中小學(xué)的物理、生物、英語、地理等學(xué)科紛紛融入了STEM的教育理念[6-9]，以培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科運(yùn)用的實(shí)踐能力與解決實(shí)際問題的創(chuàng)新思維. 中國大學(xué)生的STEM教育培養(yǎng)較為匱乏[10-11]，尤其是師范院校應(yīng)該為中小學(xué)STEM教育培養(yǎng)合格的教師人才，因此可以在物理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、生物等領(lǐng)域廣泛開展STEM教育，以滿足當(dāng)今中國社會對于STEM教育人才的迫切需求.

華東師范大學(xué)作為全國師范人才培養(yǎng)的重要基地，積極引入STEM教育理念，建設(shè)STEM實(shí)驗(yàn)室，以解決水質(zhì)判斷工程項(xiàng)目為導(dǎo)向，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為載體，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用地理、物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等跨學(xué)科知識，研發(fā)集約型水質(zhì)光學(xué)綜合測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn). 基于光學(xué)方法對水質(zhì)的折射率、濁度、表面張力、含氧量的測量原理，運(yùn)用Unity編程創(chuàng)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場景，通過C#語言編程模擬實(shí)驗(yàn)操作，利用LabVIEW模擬DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)采集展示與數(shù)據(jù)信息提取過程，最終完成對水質(zhì)的判斷. 該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)充分融入了STEM理念，以水質(zhì)診斷為導(dǎo)向，進(jìn)行設(shè)計(jì)、研發(fā)、實(shí)踐、優(yōu)化，綜合運(yùn)用物理、地理的理論知識做指導(dǎo)，集合Unity，Matlab，LabVIEW等軟件優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)搭建、數(shù)據(jù)動態(tài)采集、水質(zhì)信息提取等操作. 學(xué)生通過水質(zhì)光學(xué)綜合測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，形成了STEM思維，善于從社會熱點(diǎn)問題中尋找研究課題，并綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識解決問題. 該軟件用戶不僅可以掌握水質(zhì)物理測量的理論知識、光路搭建、數(shù)據(jù)采集、信息分析過程，還可以了解水質(zhì)判斷的依據(jù). 通過該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)，不僅培養(yǎng)了參與研發(fā)學(xué)生的STEM思維和綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識解決問題的能力[12]，同時(shí)還可以傳播STEM理念，該模式的嘗試為師范院校培養(yǎng)具有STEM教育理念的師范人才提供了參考.

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)思路

STEM的核心是以工程項(xiàng)目為導(dǎo)向，綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識解決問題. 工程設(shè)計(jì)過程強(qiáng)調(diào)以下步驟：定義問題、研究(收集信息)、想象(頭腦風(fēng)暴)、計(jì)劃、創(chuàng)造、測試與評價(jià)、重新設(shè)計(jì)、交流. 基于如圖1所示的STEM執(zhí)行過程的ADDLE模型，將人們關(guān)注的熱點(diǎn)環(huán)境水質(zhì)問題作為研究對象，通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前測量水質(zhì)的方法主要集中在化學(xué)測量與生物測量，物理測量相對較少. 折射率、濁度、表面張力系數(shù)和含氧量4個(gè)物理量可以用來表征液體的性質(zhì)，在普通物理實(shí)驗(yàn)中，這4個(gè)實(shí)驗(yàn)各自獨(dú)立，其測量方法涉及光學(xué)、電學(xué)等，設(shè)備彼此不兼容. 因此，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了集約型水質(zhì)物理參量光學(xué)綜合測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用Unity軟件創(chuàng)造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，Matlab軟件模擬邁克耳孫干涉儀的干涉條紋動態(tài)變化， LabVIEW演示DIS數(shù)據(jù)動態(tài)采集.

水質(zhì)光學(xué)綜合測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路如圖2所示，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為利用光學(xué)方法測量液體的折射率、濁度、表面張力系數(shù)和含氧量，用來表征液體的性質(zhì). 使用者根據(jù)不同的測量內(nèi)容在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上搭建不同的實(shí)驗(yàn)光路，通過電腦控制光學(xué)平臺的移動實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)光路的切換，CCD展示其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，內(nèi)嵌LabVIEW動態(tài)顯示數(shù)據(jù)的采集與分析. 該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了集約性、交互性和可視性.

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的總體設(shè)計(jì)思路

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主界面

主界面分為2部分：UI操作界面(二維)和虛擬實(shí)驗(yàn)場景(三維).

2.1 UI界面介紹

在UI界面里，利用Unity中自帶的軟件進(jìn)行如下設(shè)置：

1)界面的開啟與關(guān)閉功能：右上角的相同位置設(shè)置2個(gè)按鈕，在2個(gè)button組件中分別添加如圖3(a)所示的On Click()功能，即可實(shí)現(xiàn)無儀器庫時(shí)的開啟功能和有儀器庫時(shí)的關(guān)閉功能.

(a)開啟和關(guān)閉儀器庫的按鈕的功能實(shí)現(xiàn)

2)建立“儀器庫”：創(chuàng)建Panel組件，在最上面創(chuàng)建text組件，命名為“儀器庫”，如圖3(b)所示. 在激光器、光學(xué)器件、信號處理裝置、其他儀器的4種界面最上方各自創(chuàng)建text組件，并根據(jù)所需儀器的數(shù)量，創(chuàng)建儀器格子. 儀器格子由Panel，Image，text組成，Panel用來存放顯示儀器的照片即Image，text顯示儀器名稱，如圖3(c)所示，并創(chuàng)建4個(gè)按鈕分別開啟不同種類的儀器. 儀器庫界面簡潔明了，體現(xiàn)了本項(xiàng)目的集約性特點(diǎn)，用戶可以在較短時(shí)間內(nèi)調(diào)用目標(biāo)儀器，高效搭建實(shí)驗(yàn)光路.

2.2 水質(zhì)光學(xué)綜合測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的場景展示與功能介紹

在三維虛擬仿真主場景中，三維十字交叉的導(dǎo)軌可以實(shí)現(xiàn)儀器集約型安裝與不同實(shí)驗(yàn)光路間的轉(zhuǎn)換. 按下鼠標(biāo)左鍵將儀器庫中的儀器拖至右側(cè)導(dǎo)軌二維平面圖中的正確位置，同時(shí)左側(cè)三維空間的導(dǎo)軌相應(yīng)位置上出現(xiàn)儀器，如圖4(a)所示. 圖4(b)為具備測量折射率、濁度、表面張力、含氧量測量功能的完整儀器的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果圖. 為了盡可能地節(jié)約空間與儀器資源，本實(shí)驗(yàn)采用拼搭式雙層結(jié)構(gòu)，其核心實(shí)驗(yàn)器件僅包含激光器、探測器、移動平移臺、反射鏡4類器件. 當(dāng)儀器出現(xiàn)在三維空間內(nèi)后，通過控制鼠標(biāo)右鍵，可以360°全方位觀察屏幕內(nèi)的儀器模型；按住鼠標(biāo)滾輪，可以在平面內(nèi)上下左右觀測模型；滾動滾輪，則可以放大縮小觀察界面；鼠標(biāo)左鍵可以實(shí)現(xiàn)部分儀器的調(diào)節(jié). 以激光器為例，鼠標(biāo)左鍵單擊空間內(nèi)的激光器模型，會彈出激光器細(xì)調(diào)的界面，點(diǎn)擊激光器開關(guān)調(diào)節(jié)不同顏色的激光，如圖5(a)所示；當(dāng)鼠標(biāo)左鍵按住平臺，便可以拖動平臺與其上的儀器到正確位置. 用戶可以通過鼠標(biāo)控制、調(diào)節(jié)空間中的儀器，極大程度上實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景，在視覺上給用戶以真實(shí)感. 由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用到的儀器數(shù)目較多，為了方便用戶快速了解與使用這些儀器，設(shè)置了關(guān)于儀器的提示信息. 當(dāng)鼠標(biāo)移到相應(yīng)位置的儀器上時(shí)，便可以顯示出儀器的名稱、用途或者相關(guān)操作，比如激光器的提示信息如圖5(b)所示.

(a) 儀器拖拽功能

(a)激光器開關(guān)功能實(shí)現(xiàn)

2.3 搭建光路的程序邏輯實(shí)現(xiàn)

搭建光路的邏輯關(guān)系如圖6所示. 在UI界面的儀器庫中，創(chuàng)建儀器格子，每個(gè)格子中存放對應(yīng)固定ID與儀器的模型圖片和名稱. 在右側(cè)導(dǎo)軌二維界面中擺放儀器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，在某些特定的位置創(chuàng)建格子，并設(shè)置相對應(yīng)的ID. 圖片的拖拽功能主要由3個(gè)函數(shù)(OnBeginDrag，OnDrag，OnEndDrag)實(shí)現(xiàn). 根據(jù)ID是否相同，來判斷儀器是否擺到正確的位置上，如果ID不同，儀器圖片無法放置在右側(cè)二維界面中；位置擺放正確立即執(zhí)行PutItem函數(shù)，在三維空間內(nèi)呈現(xiàn)相對應(yīng)的儀器.

圖6 搭建光路的邏輯關(guān)系圖

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中物理參量的測量

3.1 折射率測量模塊

實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖7所示[13]，G1為分光鏡，M1和M2為反射鏡，G1與M1和M2呈45°，C為比色皿(盛放待測溶液)，S為線陣CCD平面，Q為電腦. 以He-Ne激光為光源，光線經(jīng)過分光鏡G1，分成2束強(qiáng)度相同但方向不同的光束a和b.透射光a穿過比色皿C中的溶液，被M1反射后，再次穿過比色皿，并被分光鏡中的半透膜反射到線陣CCD. 反射光b被M2反射后，穿過G1，到達(dá)S，與透射光a發(fā)生干涉. 比色皿中有溶液時(shí)，可計(jì)算出待測溶液的折射率

(1)

圖7 邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)裝置

其中，Δx為動臂移動距離，d為光透過溶液的厚度.

在實(shí)驗(yàn)中還可以觀察不同顏色激光的邁克耳孫動態(tài)等傾、等厚干涉圖樣. 利用Matlab軟件的數(shù)據(jù)圖像擬合功能，模擬邁克耳孫干涉的全過程；然后導(dǎo)出為exe執(zhí)行文件；最后，在Unity中創(chuàng)建C#代碼，點(diǎn)擊圖中的CCD，以便調(diào)用該exe文件，觀察干涉圖像. 操作者可以通過改變邁克耳孫干涉儀兩臂的光程差觀察等傾干涉變?yōu)榈群窀缮娴倪^程，并能觀察到白光的等厚干涉條紋. 將CCD放置在干涉光路上，通過移動M1和M2來改變光程差，利用LabVIEW編輯的DIS測量界面動態(tài)演示干涉條紋與光程差的關(guān)系，并獲取激光波長信息及液體折射率信息，如圖8所示.

圖8 折射率的測量界面

3.2 濁度測量模塊

利用光透射法測量濁度實(shí)驗(yàn)[14]，搭建了如圖9所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖，G2為半反半透鏡，C為比色皿，里面盛放待測溶液，S1和S2為2個(gè)線陣CCD，Q為電腦. 根據(jù)朗伯比爾定律

(2)

(a)濁度測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場景

其中，A為吸光度，Ii為反射光強(qiáng)度，It為入射光強(qiáng)度，k為吸收系數(shù)，C為待測溶液的濁度，L為吸收層的厚度.通過測量濁度可以讀取液體濃度的有效信息.

3.3 表面張力系數(shù)測量模塊

采用激光插板法測量表面張力系數(shù)[15]，其虛擬仿真實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖10(a)所示，G3為可旋轉(zhuǎn)反射鏡，G4為擴(kuò)束鏡，G5為玻璃板，W為裝有待測溶液的水缸，S3線陣CCD，Q為電腦. 將玻璃板豎直插入裝有待測溶液的水缸里，由于液體的浸潤和表面張力的存在，液面與玻璃板處會形成彎曲面. 上層的激光通過G3，傳播方向改變，垂直入射到彎月面上，反射光線的位置變化利用沿軌道移動的CCD探測到的光斑信號進(jìn)行測量，其測量界面如圖10(b)所示. 通過激光經(jīng)液面反射后的光斑移動距離，計(jì)算出液體的表面張力系數(shù)

(3)

(a)表面張力虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場景

其中，ρ為液體密度，g為重力加速度，x2-x1為激光束寬度，φ1和φ2為與光斑移動距離相關(guān)的角度函數(shù)，推算出表面張力系數(shù)的大小，從而獲取液體溶質(zhì)信息.

3.4 含氧量測量模塊

實(shí)驗(yàn)裝置如圖11(a)所示[16]，L為光源，G為氣體流量控制器，W為裝有待測溶液的水缸，P為光纖氧傳感器，S為光纖光譜儀，Q為電腦. 利用斯特恩-沃爾默方程計(jì)算含氧量

(4)

(a)含氧量測量的虛擬仿真場景

其中，Io為無氧狀態(tài)下的熒光強(qiáng)度，I為有氧條件下的熒光強(qiáng)度，K為與熒光物質(zhì)有關(guān)的常量，c為氧氣濃度. 圖11(b)為含氧量測量界面，打開電腦，點(diǎn)擊電腦模型，出現(xiàn)電腦界面；點(diǎn)擊“水質(zhì)測量軟件”，將直接打開其測量界面.

3.5 水質(zhì)測量綜合判斷

折射率、濁度、表面張力系數(shù)、含氧量是描述水質(zhì)的4個(gè)物理量. 其中折射率與濁度都與溶液的純凈度和均勻度有關(guān)，折射率會隨著溶液的種類不同而有所區(qū)別，而濁度則與溶液的渾濁程度呈正相關(guān)，濁度越大，則溶液越渾濁，純凈度與均勻度越低. 生活飲用水的濁度不能超過1 NTU(濁度測量單位，1 NTU相當(dāng)于1 L蒸餾水中有7.5 mg硅藻土). 液體的表面張力系數(shù)與溶質(zhì)有關(guān)，表面張力系數(shù)越高，說明其中無機(jī)鹽離子的濃度越高，否則有機(jī)化合物濃度越高. 含氧量表示水質(zhì)中氧氣的含量，一般來說是越高越好，但是具體需看水的用途，比如水產(chǎn)養(yǎng)殖用水，含氧量越高越好，飲用水需適量，且不得超過3 mg/L，否則會導(dǎo)致水質(zhì)氧化而變質(zhì).

4 結(jié)束語

STEM理念始終貫穿水質(zhì)光學(xué)綜合測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的全過程，對于開發(fā)者而言，了解社會關(guān)注的水質(zhì)問題，掌握物理、地理、計(jì)算機(jī)編程等跨學(xué)科知識，在Unity平臺內(nèi)，使用C#語言編程實(shí)現(xiàn)功能，利用Matlab實(shí)現(xiàn)對圖像的動態(tài)模擬，運(yùn)用LabVIEW編輯界面對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)動態(tài)采集與分析，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研發(fā)；操作者通過該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，了解了物理理論、水質(zhì)判斷、實(shí)驗(yàn)測量、數(shù)據(jù)分析的綜合型跨學(xué)科知識，實(shí)現(xiàn)了STEM思維的培養(yǎng). 本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)突出了交互性、可視性與集約性：用戶通過鼠標(biāo)左右鍵和滾輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景，此外還可以使用電腦采集、分析數(shù)據(jù)，直觀了解實(shí)驗(yàn)結(jié)果；三維模型形象逼真，二維實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象真實(shí)清晰，一維實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像簡潔直觀，從而豐富與完善用戶的視覺體驗(yàn)；將多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)融合起來，實(shí)現(xiàn)資源的最少配置，在界面設(shè)計(jì)部分盡量簡潔明了，方便用戶選擇使用. 本項(xiàng)目除了可以用于生態(tài)水質(zhì)的保護(hù)宣傳，還可以用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí). 以項(xiàng)目導(dǎo)向?yàn)楹诵?，培養(yǎng)大學(xué)生STEM的合作、創(chuàng)新能力，還可以輔助中學(xué)的課外教學(xué)，培養(yǎng)中學(xué)生的興趣與愛好，拓展關(guān)于物理與地理方面的知識.