全空間分布光度系統虛擬實驗平臺構建

曹 帆， 王博偉， 賀曉陽， 鄒念育

(大連工業大學 光子學研究所，遼寧 大連 116034)

0 引言

全空間分布光度系統是一種測量光源空間光色分布性能的測試儀器，具有靈活配置，測量速度快、精度高的特點[1]。“燈具空間光色參數測試實驗”對光源與照明專業的學生而言，是一門具有實驗技術基礎地位的實驗課程，通過實驗掌握全空間分布光度系統的結構、工作原理和使用方法[2～4]，加深光度學、色度學原理理論知識的理解，對培養學生的動手能力、實驗態度具有重要作用。

在傳統的實驗教學過程中，由于學生缺少有效的預習工具，只能依靠實驗教材預習實驗原理和抽象的光路圖，對實驗儀器、燈具缺乏直觀的認識，存在預習不充分的問題[5～8]。因此，在實驗教學實施過程中，為了令學生對實驗設備建立直觀印象，教師在課堂上需要花費時間用于儀器設備使用方法的講解，學生操作設備的時間相應減少。由于實操時間不夠充裕，學生只能以實驗教材為中心，按部就班地完成實驗，被動地驗證光學原理，缺少主動思考的過程。而且，由于預習不充分，學生的誤操作經常會導致儀器報警或設備損壞。

全空間分布光度系統屬于大型儀器，價格昂貴，無法批量購置供學生練習實驗，因此一般使用一套設備完成教學任務，學生以分組的方式完成實驗，當一組同學做實驗時，其他組的同學只能等待，浪費了寶貴的課上教學時間，需要設計一種有效的教學輔助工具利用這段學生的空閑時間，在一組同學實驗時，其他組的同學可以利用該教學輔助工具練習實驗的各個環節。

在一些特殊的情況下，教師與學生面對面的實踐課無法正常開展。如在新冠疫情蔓延的情況下，學校只能以線上課程的方式完成教學活動。虛擬實驗室這種教學方式可以在面對面的實踐課無法開展時保障實踐課以線上教學的方式開展。

由于以上在教學實踐中存在的問題，一種用于全空間分布光度系統的教學輔助工具呼之欲出。目前，通過虛擬仿真實驗的方式輔助開展全空間分布光度系統的實驗教學尚無成熟案例。現有的紙質教材存在沉浸感差、交互性差的問題，難以帶給學生對儀器、器件直觀的認識，只是將原理圖和公式展現給學生，由于學習曲線陡峭，難以激發學生的學習興趣[9～11]。本文設計的全空間分布光度系統虛擬實驗平臺可以很好的解決上述問題，實驗操作者可以身臨其境地去操作儀器和器件，產生更好的虛擬操作體驗，更具沉浸感和交互性，增強了學生的參與感，幫助學生進入實驗室前做好充分準備，避免不當操作引發的安全隱患。

1 設計方案

1.1 總體方案

全空間分布光度系統虛擬實驗平臺采用Unity3D開展開發工作。Unity3D是實時三維互動內容創作和運營平臺。開發者運用該平臺可實現包括游戲開發、美術、建筑、汽車設計、影視制作在內的各項工作，作品可在手機、平板電腦、PC、游戲主機、增強現實和虛擬現實設備上部署[9～15]。

在平臺的開發過程中，首先對系統進行整體設計，包括系統有哪些實驗構成，采集每個實驗涉及到的儀器設備及組件的三維模型參數，分析每個實驗的模塊構成等。利用三維建模軟件對實驗中用到的儀器及元器件進行建模、貼圖渲染，將三維模型導入Unity3D進行用戶交互功能的設計和編程[12～15]。設計完成后，通過軟件發布平臺發布，學生可以通過網絡下載到手機上，仿真實踐教學過程中的所有元素，包括查看實驗原理、實驗步驟、實驗設備、虛擬操作、觀察實驗現象、記錄實驗數據并填寫電子實驗報告。

“燈具空間光色參數測試實驗”是由一組實驗組合而成的大型實驗課程，目的是為了訓練學生掌握如下四組知識點或技能：一、燈具的發光面與燈具結構之間的關系；二、燈具的空間光色分布的概念；三、全空間分布光度計的工作原理和操作方法；四、實驗數據的處理和測試報告的編寫。

根據實驗指導書中實驗目的、實驗步驟、實驗數據、實驗報告的內容，設定兩類共六項互動內容：一、知識點解釋類：空間光強/亮度/色度分布、全空間分布光度計的原理，如圖1所示；二、實踐操作類：實驗前的準備工作、燈具的一般參數的測定、燈具在設備上的安裝、燈具光色特性參數的測量和測試報告的編寫。

圖1 全空間分布光度計系統原理圖

實施步驟如下：一、分析研究其中每一個互動內容所需的儀器和零件，進行三維模型的建模。包含暗室、全空間分布光度計的各組成零件、交/直流電源、總控制箱等，導入到Unity3D各場景中。二、編制交互流程。首先，學生登錄系統后，進入主界面(圖2)。

圖2 虛擬實驗平臺主界面

在主界面可以開啟各互動內容，在各互動內容場景中，實現控制主界面和子界面的跳轉和調用。虛擬實驗平臺功能流程圖如圖3所示。

圖3 功能流程圖

1.2 知識點解釋類互動環節

知識點解釋類互動環節應用在學生預習、課上教學和復習知識點的過程中。除了向學生展示實驗目的、實驗步驟中知識點的內容外，還需要對相關知識點的應用做出展示，應用展示被設計為小游戲的方式，小游戲分不同難度的關卡，以提升學生的挑戰欲望。學生通過玩小游戲，由淺入深的演練應用知識點，從而從感性和理性兩個方面對知識點做到有效把握，提升學生對知識點的接受度。

以知識點“空間光強分布”為例，對該項知識點的學習有兩個層級：平方反比定律和空間光強分布。如圖4所示：小游戲的第一關的設計為在宇宙里點亮太陽(點光源)，設置面向太陽的衛星(照度計)測量與太陽不同距離處的照度，在界面上展示平方反比定律公式中各參數在不同的位置上值的變化。在第二關，衛星(照度計)可設計為在以太陽(點光源)為球心的球面的軌道上運動，學生通過控制球體的半徑和衛星的位置，在界面上繪制出太陽的空間光強分布。

在課后復習環節，為了幫助學生重溫授課內容，采用以啟發式的方法向學生提問與知識點相關的問題，引導學生復習和思考理論課學習過的知識，并把理論和實踐聯系起來。教師可以通過在后臺系統收集學生復習測試成績來評估課堂教學效果。

圖4 “衛星測量照度”小游戲

1.3 實踐操作類互動環節

實踐操作類交互環節應用到學生學習操作儀器設備的技能環節中，將實驗中用到的儀器虛擬化，安裝到實驗場景中。學生可以直觀體會真實的實驗場景，根據全空間分布光度計的工作原理圖完成實驗前的準備工作，燈具一般參數的測定，燈具在設備上的安裝，燈具光色特性參數的測量，光色特性參數的數據處理等實踐環節。

知識點“燈具在設備上的安裝”互動環節，在虛擬暗室內安裝全空間分布光度計等相關儀器，學生可以在這一環節操作設備安裝燈具，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用的夾具類型、不同供電方式的燈具如何連接導線等，如圖5所示。

圖5 安裝燈具互動環節

知識點“燈具光色特性參數的測量”互動環節，學生可以在這一環節操作設備測量軟件零位，控制主軸和自由軸旋轉，觀察燈具的空間光強分布的測量過程。如圖6所示，隨著設備的運轉，學生可以在界面里觀察空間光強分布曲線的繪制過程。

圖6 測量空間光強分布互動環節

2 教學效果分析

在疫情期間，由于學校實行線上授課，很多實踐課程無法開出，該系統作為實驗教學輔助工具，為在特殊情況下實踐教學工作的實施提供了一個選項。由于無法實現在課堂觀察各教學環節的方式分析教學效果，教學效果分析工作以線上調查問卷的方式完成。將軟件和調查問卷分發給學生(共60人，30人使用軟件，30人不使用軟件)，收集對軟件的使用體驗。調查結果如表1所示。

表1 軟件使用體驗調查結果

通過調查結果可知，虛擬實驗平臺在教學過程中的應用，起到了提升教學效果的作用。在課前預習環節，學生能夠被互動內容的游戲性吸引，對知識產生興趣。在課中階段，由于學生在課前預習階段通過互動內容虛擬操作了儀器，在實際操作時對儀器沒有生疏感，敢于上手操作。在課后復習階段，學生被互動內容的游戲性吸引，愿意通過使用軟件的方式復習知識點，鞏固了學到的知識。

3 結語

在“燈具空間光色參數測試實驗”實踐教學中利用全空間分布光度系統虛擬實驗平臺作為輔助工具，發揮了良好的輔助教學作用。虛擬仿真的實驗過程令人具有身臨其境的感覺，這種新型的實驗教學模式依托計算機仿真、計算機圖形學、人機接口、多媒體技術以及傳感技術發展，必將成為未來的發展趨勢，具有很好的現實意義。