水質物理參量測量DIS演示虛擬仿真實驗

周科衛,鄧 莉,忻 靜,成 琳,梅怡楠,趙國汝,秦菱澤,景培書

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

隨著社會的飛速發展，人們對水資源的需求不斷增加，引發的生態環境水資源污染問題也愈發嚴重. 保護水資源，需要對環境生態水質進行實時檢測、動態跟蹤、綜合治理. 隨著人們對水資源保護的重視程度越來越高，相關科普推廣工作已經在全世界范圍有條不紊地開展. 1993年的第47屆聯合國大會將每年的3月22日定為“世界水日”；不同地區開展豐富多彩的“保護水資源，公益你我行”的公益活動；中小學開設水質檢測科普課程. 在水資源保護過程中，生態環境水質的檢測發揮著排頭兵的重要作用. 水質檢測，是檢查測定水體中污染物的種類、濃度及變化趨勢，評價水質狀況的過程. 反映水質狀況檢測指標有：色度、濁度、pH值、電導率、懸浮物、溶解氧、化學需氧量和生化需氧量等[1]. 目前市場上已經很多商用測量水質物理參量指標的檢測儀器，如測定水濁度的濁度儀[2-3]，測定色度所用的濾光光度計[4-6]，測定電導率用電導率儀[7-8]，使用簡便、易攜帶. 從水質物理檢測的層面來看，目前商用儀器封裝嚴密，而且測量參量單一，因此需要開發新的技術手段，以便開展更廣泛水質物理檢測的科普推廣工作.

融合數字化信息系統DIS(digital information system)技術的發展，為物理量測量注入了新活力，從傳統的人工使用物理器材進行測量、讀取、處理數據，轉變為利用傳感器測量數據，數據采集器將測量結果導入電腦，直觀、形象、實時顯示被測物理量的變化，并對測量結果進行圖像繪制和擬合、求導、積分、平均值等分析處理.

虛擬仿真技術作為一門新興的綜合性信息技術已經被廣泛應用于電子、醫學、機械制造、教育等領域[9-12]. 基于Python編程語言，融合DIS技術，開發了“水質物理參量測量DIS演示虛擬仿真實驗軟件”， 展示液體的表面張力系數、濁度、溶解氧、電導率、折射率和pH值水質物理參量的動態測量過程. 該軟件形象、生動地展示水質物理測量的物理原理、實驗測量和數據分析，交互性強，可以提升使用者的學習興趣，適用于大學物理理論與實驗課教學，也可以作為中小學科普拓展輔助工具.

1 軟件的設計思路

1.1 軟件整體構架

本軟件在系統功能上采用總分結構模式，如圖1所示. 在水質物理檢測的總框架下，設計了6個物理參量測量虛擬仿真實驗模塊：液體表面張力系數、濁度、溶解氧、電導率、折射率和pH值. 每個模塊包含：實驗原理、實驗裝置、實驗公式、數據采集、水質判斷等功能，每個功能按鍵被點擊后，可以展示相應內容. 這種分級式的結構設計，模塊間關系明確，實驗展示邏輯性強設計結構清晰，較好地符合用戶的學習認知過程.

圖1 軟件設計總體構架

1.2 數據處理流程

為了加深用戶對水質物理參量測量過程的理解，實現DIS動態、形象、實時數據采集的仿真模擬效果，按照如圖2所示的流程圖實現數據的調取、處理、展示功能. 首先，建立了實驗數據庫，用以存儲以上6個物理水質物理參量的實驗數據，在虛擬仿真實驗板塊，進行實驗數據的調取，根據實驗原理，對數據進行處理擬合，根據擬合結果，判斷水質的優劣.

圖2 數據處理流程

用戶使用數據采集功能時，在部分物理參量測量的模塊內設置了用戶輸入功能，以提高軟件的人機交互性, 引導使用者輸入正確的物理參量，從而獲得正確的實驗數據. 比如在“表面張力”測量模塊，以生活用水中含有的CaCl2成分的濃度作為研究對象，通過測量表面張力獲取溶液中CaCl2濃度信息. 數據導入后，用戶可以根據提示，輸入希望調取的溶液濃度，系統則導入對應CaCl2濃度的溶液表面張力系數的原始實驗數據，經過數據表面張力系數的計算，獲得不同濃度的表面張力系數的曲線，以獲得可視化效果.

2 軟件的Python編程實現

“水質物理參量測量DIS演示虛擬仿真實驗軟件”基于Python程序設計語言編寫，主要運用Tkinter庫、Matplotlib庫、Pandas庫分別實現虛擬仿真的創建圖形化界面實現人機交互、讀取數據、繪制圖像功能，如圖3所示.

圖3 基于Python編程的數據庫使用

2.1 首界面的創建

利用Tkinter庫中的tk函數創建主窗口，在窗口上放置控件，并合理布局. 用Tkinter庫中的canvas函數創建1塊幕布控件，其尺寸為整個窗口的橫縱像素值，將6個物理參量的圖片依此放置在幕布的6個位置，如圖4所示. 利用Button函數創建6個大小一致的按鈕，按鈕文本設置為6個水質物理參量的名稱，然后將按鈕放置在對應圖片位置處. 自定義6個以物理參量名稱命名的函數，函數的具體設置步驟為：

1)使用tk.Toplevel( )創建次級窗口，實現該物理參量的仿真功能，其功能子程序則被封裝在該函數內部.

2)將首界面里的按鈕綁定物理參量對應的具體函數，用戶點擊時，觸發函數響應，進入該物理參量的仿真窗口.

3)在首界面中央放置“水質物理檢測DIS虛擬仿真實驗”字樣的按鈕，創建次級窗口，用以對水質物理檢測的意義及該軟件內容作簡要介紹.

4)使用canvas中的create_line函數，在幕布上創建6條直線，將中間的水質檢測按鈕與6個物理參量按鈕相連接，從而完成圖形化的創建.

圖4 軟件首界面

2.2 水質物理參量測量的虛擬仿真實驗的實現

“水質物理參量測量DIS演示虛擬仿真實驗軟件”對液體表面張力系數、濁度、溶解氧、電導率、折射率和pH值6個水質物理參量的測量過程進行了虛擬仿真實驗的實現，基于使用者學習規律，對每個實驗的原理、裝置、數據、模擬進行了詳細介紹，并設置水質判斷模塊，使用者根據物理參量直觀獲得水質信息.

2.2.1 表面張力測量的虛擬仿真實驗

本軟件采用拉脫法測量液體的表面張力. 利用tkinter.Toplevel語句創建如圖5(a)所示的次級窗口作為表面張力實驗的仿真窗口，在窗口左側創建 “實驗原理”、“實驗裝置”、“數據采集”等按鈕，自定義函數綁定各個按鈕，其內容顯示表面張力實驗信息，點擊按鈕實現原理展示、數據調取、結果處理等功能. 在窗口中右側創建canvas幕布，放置表面張力實驗裝置與原理演示的圖片和文字元素.

根據圖2所示數據處理流程，使用tk.entry語句創建如圖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，根據該濃度從數據庫中調取相應濃度溶液的數據表格文件(Excel文件)，采用DIS測量數據呈現模式，動態、實時、直觀并對數據進行計算、擬合、繪圖等操作，測量結果如圖5(b)所示. 根據表面張力系數的公式計算該濃度溶液的表面張力系數α：

(1)

其中，α為表面張力系數，Fmax為拉力最大值，Fmin為拉力最小值，D為圓環外直徑，d為圓環內直徑.

在數據庫中以溶液濃度命名數據文件，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，讀取對應文件，將拉力以及時間數據分別存放在2個列表內，分別作為縱坐標和橫坐標，利用matplotlib.pyplot模擬DIS實時、動態繪制表面張力系數的拉力隨時間變化的數據采集曲線，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，輸入圓環的內、外直徑參量D和d，計算得到表面張力系數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變化曲線. 從該圖中可以看出，通過表面張力的測量可以獲得水質中雜質濃度，也可以同時了解黏度、雜質等性質.

(a)表面張力實驗界面

(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曲線圖5 表面張力的虛擬仿真實驗

2.2.2 濁度測量的虛擬仿真實驗

本軟件中濁度的測量是通過紫外光光度法實現的，同表面張力模塊界面設計相同，使用tkinter.Toplevel創建次級窗口，設置按鈕與幕布，放置仿真內容，在界面最右側添加text文本顯示控件，顯示實驗原理及水質判斷的文字內容，如圖6(a)所示. 在濁度的數據采集仿真功能中，使用pandas.read函數讀取數據庫中的吸光度與溶液濃度關系表，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驗條件下，溶液吸光度與其濃度成正比關系，完全符合朗伯-比爾定律. 通過測量液體濁度，可以反映液體中溶質或雜質的濃度.

(a)濁度實驗界面

(b)溶液吸光度與濃度關系曲線圖6 濁度測量的虛擬仿真實驗

2.2.3 溶解氧測量的虛擬仿真實驗

采用熒光淬滅法測量溶解氧濃度，在溶解氧測量界面的實驗原理部分，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和熒光分子壽命，I和τ分別是有氧氣情況下的熒光光強和熒光分子壽命，無氧氣情況與有氧氣情況的熒光光強之比等于熒光分子壽命之比，且與環境中的氧氣濃度c成正比，比例系數為K，K由特定的熒光物質所決定. 從(2)式看出熒光猝滅的時間與溶解氧的濃度有關，因此可以通過測量熒光猝滅時間間接測量溶解氧濃度，如圖7(a)所示. 圖7(b)則展示了實驗裝置與實驗操作步驟，此實驗需要利用激光器、光纖探頭、分光計完成. 圖7(c)為采用DIS模式動態、直觀展示了溶解氧隨溫度變化的實驗曲線. 溶解氧反映液體中溶解氧氣的多少，可作為水質自凈能力的判斷依據.

(a)溶解氧實驗界面

(b)實驗操作步驟

(c)溶解氧濃度隨溫度變化關系曲線圖7 溶解氧測量的虛擬仿真實驗

2.2.4 電導率測量的虛擬仿真實驗

采用分壓法測量液體電導率，其實驗界面如圖8(a)所示. 點擊“電導率與溫度關系”按鈕，下方顯示二級按鈕，點擊后動態顯示電壓、電流、電導率與溫度的變化. 導電溶液中，液體電阻率和液體絕對溫度T的關系[8]為

(3)

其中，A和B為與液體特性有關常量. 根據式(3)擬合出電導率隨溫度的變化，如圖8(b)所示. 點擊二級按鈕，動態顯示電壓、電流、電導率與質量分數的變化關系. 溶液電導率σ和溶液質量分數ω關系的理論公式為[8]

σ=Kω,

(4)

當液體溫度不變時，K為常量. 根據式(4)擬合了電導率隨質量分數的變化，如圖8(c)所示. 電導率可以反映液體中導電離子濃度大小.

(a)電導率實驗界面

(b)NaCl溶液電導率與溫度變化關系與擬合曲線

(c)NaCl溶液電導率隨質量分數變化關系與擬合曲線圖8 電導率測量的虛擬仿真實驗

2.2.5 折射率測量的虛擬仿真實驗

本軟件介紹了3種測量折射率方法，分別是牛頓環法、最小偏向角法和光速測定儀法. 折射率虛擬仿真實驗界面上設置3種測量方法按鈕，點擊每個按鈕，會展示3種測量方法的實驗原理、實驗儀器、實驗步驟、數據擬合，如圖9(a)所示. 分別點擊“數據擬合”按鈕，可動態顯示3種方法測量的溶液折射率隨質量分數變化關系，如圖9(b)、(c)、(d)所示. 從實驗曲線可以看出3種不同方法測得的規律一致:溶液的折射率隨溶液質量分數的增大而增大.

(a)折射率實驗界面

(b)牛頓環法

(c)最小偏向角法

(d)光速測定儀法圖9 折射率測量虛擬仿真模擬實驗

2.2.6 pH值測量的虛擬仿真實驗

本軟件采用玻璃電極法測量溶液的pH值. pH值測量虛擬仿真的界面如圖10(a)所示，點擊相關按鈕，可以呈現pH計結構、pH值測量原理、溶液pH值隨濃度變化關系. 圖10(b)和(c)分別動態顯示了堿溶液NaOH和酸溶液HCl的pH值隨溶液濃度的變化規律：溶液濃度越大，pH值越高，但酸堿溶液的變化趨勢存在本質不同. 利用pH值可以直接反應水質的酸堿度.

(a)pH值測量實驗界面

(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值測量的虛擬仿真實驗

3 軟件使用滿意度調查

邀請華東師范大學環境工程、環境生態工程專業的34名在讀學生在完成大學物理理論與實驗課程后，試用該軟件. 設計了該軟件使用滿意度調查問卷，就軟件的原理、操作、功能等進行調研，如表1所示. 題干描述的內容都是對軟件的正面評價，采用賦分方式進行結果調查，每個問題設置5個選項，分別是非常同意、同意、一般、不同意、非常不同意，并對5個選項依次賦分，從5分遞減至1分. 問卷得分越高，說明用戶對該軟件的認可度越高. 調查問卷發放了34份，回收31份有效問卷. 經過問卷的回收統計，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，平均值之和達到39.48，得分率為78.96%，說明用戶對該軟件使用滿意度較高.

表1 “水質物理參量測量DIS演示虛擬仿真實驗”軟件滿意度調查問卷問題列表

4 結束語

基于Python編程語言，設計開發了水質物理參量測量DIS演示虛擬仿真實驗軟件. 該軟件對液體表面張力系數、濁度、溶解氧、電導率、折射率和pH值6個水質物理參量的測量過程進行了虛擬仿真實驗的設計與實現，每個物理參量的虛擬仿真實驗測量界面分為實驗原理、實驗裝置、計算公式、數據采集、水質判斷等模塊. 在數據采集模塊，采用數字化信息系統采集數據的方式，將數據采集過程形象、直觀、動態地進行呈現，提高用戶的學習興趣，加深對實驗原理、數據采集、分析處理的理解. 該軟件有效實現人機交互，增強了虛擬仿真實驗的沉浸感，可以用于大學物理理論與實驗教學、中學物理課堂教學與課外拓展，拓展學生視野，激發物理學習興趣；該軟件也可用以環境生態水資源保護的科普宣傳，加深大眾對水質物理檢測的理解. 該軟件在環境工程、環境生態工程專業學生中試用，取得了較好滿意度評價.