基于STEM的水質光學綜合測量虛擬仿真實驗

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 a.物理與電子科學學院; b.教育學部，上海 200241)

STEM教育理念最早起源于20世紀80年代的美國，重點是培養人才創新、合作與解決實際問題的能力，以滿足信息化與知識經濟時代對跨學科人才的迫切需求[1]. STEM教育理念迅速發展，逐漸被英國、澳大利亞、德國、加拿大等發達國家引用[2-4]. 2017年，教育部將STEM教育列為國家課程標準的重點之一，中國教育科學研究院發布的《2017年中國STEM教育白皮書》中提出了中國STEM創新行動計劃[5]. 目前，在中國經濟發達地區中小學的物理、生物、英語、地理等學科紛紛融入了STEM的教育理念[6-9]，以培養學生跨學科運用的實踐能力與解決實際問題的創新思維. 中國大學生的STEM教育培養較為匱乏[10-11]，尤其是師范院校應該為中小學STEM教育培養合格的教師人才，因此可以在物理、計算機、數學、生物等領域廣泛開展STEM教育，以滿足當今中國社會對于STEM教育人才的迫切需求.

華東師范大學作為全國師范人才培養的重要基地，積極引入STEM教育理念，建設STEM實驗室，以解決水質判斷工程項目為導向，虛擬仿真實驗為載體，引導學生綜合運用地理、物理、數學、計算機等跨學科知識，研發集約型水質光學綜合測量虛擬仿真實驗. 基于光學方法對水質的折射率、濁度、表面張力、含氧量的測量原理，運用Unity編程創建虛擬仿真實驗場景，通過C#語言編程模擬實驗操作，利用LabVIEW模擬DIS實驗數據的動態采集展示與數據信息提取過程，最終完成對水質的判斷. 該虛擬仿真實驗的開發充分融入了STEM理念，以水質診斷為導向，進行設計、研發、實踐、優化，綜合運用物理、地理的理論知識做指導，集合Unity，Matlab，LabVIEW等軟件優勢，實現虛擬仿真實驗搭建、數據動態采集、水質信息提取等操作. 學生通過水質光學綜合測量虛擬仿真實驗的開發，形成了STEM思維，善于從社會熱點問題中尋找研究課題，并綜合運用跨學科知識解決問題. 該軟件用戶不僅可以掌握水質物理測量的理論知識、光路搭建、數據采集、信息分析過程，還可以了解水質判斷的依據. 通過該虛擬仿真實驗項目的開發，不僅培養了參與研發學生的STEM思維和綜合運用跨學科知識解決問題的能力[12]，同時還可以傳播STEM理念，該模式的嘗試為師范院校培養具有STEM教育理念的師范人才提供了參考.

1 虛擬仿真實驗的整體設計思路

STEM的核心是以工程項目為導向，綜合運用跨學科知識解決問題. 工程設計過程強調以下步驟：定義問題、研究(收集信息)、想象(頭腦風暴)、計劃、創造、測試與評價、重新設計、交流. 基于如圖1所示的STEM執行過程的ADDLE模型，將人們關注的熱點環境水質問題作為研究對象，通過調研，發現目前測量水質的方法主要集中在化學測量與生物測量，物理測量相對較少. 折射率、濁度、表面張力系數和含氧量4個物理量可以用來表征液體的性質，在普通物理實驗中，這4個實驗各自獨立，其測量方法涉及光學、電學等，設備彼此不兼容. 因此，本文設計研發了集約型水質物理參量光學綜合測量虛擬仿真實驗系統，利用Unity軟件創造虛擬仿真實驗環境，Matlab軟件模擬邁克耳孫干涉儀的干涉條紋動態變化， LabVIEW演示DIS數據動態采集.

水質光學綜合測量虛擬仿真實驗項目的設計思路如圖2所示，實驗內容為利用光學方法測量液體的折射率、濁度、表面張力系數和含氧量，用來表征液體的性質. 使用者根據不同的測量內容在虛擬仿真實驗平臺上搭建不同的實驗光路，通過電腦控制光學平臺的移動實現不同實驗光路的切換，CCD展示其實驗現象，內嵌LabVIEW動態顯示數據的采集與分析. 該虛擬仿真實驗的設計充分體現了集約性、交互性和可視性.

圖2 虛擬仿真實驗的總體設計思路

2 虛擬仿真實驗的主界面

主界面分為2部分：UI操作界面(二維)和虛擬實驗場景(三維).

2.1 UI界面介紹

在UI界面里，利用Unity中自帶的軟件進行如下設置：

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

(a)開啟和關閉儀器庫的按鈕的功能實現

2)建立“儀器庫”：創建Panel組件，在最上面創建text組件，命名為“儀器庫”，如圖3(b)所示. 在激光器、光學器件、信號處理裝置、其他儀器的4種界面最上方各自創建text組件，并根據所需儀器的數量，創建儀器格子. 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，并創建4個按鈕分別開啟不同種類的儀器. 儀器庫界面簡潔明了，體現了本項目的集約性特點，用戶可以在較短時間內調用目標儀器，高效搭建實驗光路.

2.2 水質光學綜合測量虛擬仿真實驗的場景展示與功能介紹

在三維虛擬仿真主場景中，三維十字交叉的導軌可以實現儀器集約型安裝與不同實驗光路間的轉換. 按下鼠標左鍵將儀器庫中的儀器拖至右側導軌二維平面圖中的正確位置，同時左側三維空間的導軌相應位置上出現儀器，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驗效果圖. 為了盡可能地節約空間與儀器資源，本實驗采用拼搭式雙層結構，其核心實驗器件僅包含激光器、探測器、移動平移臺、反射鏡4類器件. 當儀器出現在三維空間內后，通過控制鼠標右鍵，可以360°全方位觀察屏幕內的儀器模型；按住鼠標滾輪，可以在平面內上下左右觀測模型；滾動滾輪，則可以放大縮小觀察界面；鼠標左鍵可以實現部分儀器的調節. 以激光器為例，鼠標左鍵單擊空間內的激光器模型，會彈出激光器細調的界面，點擊激光器開關調節不同顏色的激光，如圖5(a)所示；當鼠標左鍵按住平臺，便可以拖動平臺與其上的儀器到正確位置. 用戶可以通過鼠標控制、調節空間中的儀器，極大程度上實現了人機交互，還原真實實驗場景，在視覺上給用戶以真實感. 由于整個實驗中運用到的儀器數目較多，為了方便用戶快速了解與使用這些儀器，設置了關于儀器的提示信息. 當鼠標移到相應位置的儀器上時，便可以顯示出儀器的名稱、用途或者相關操作，比如激光器的提示信息如圖5(b)所示.

(a) 儀器拖拽功能

(a)激光器開關功能實現

2.3 搭建光路的程序邏輯實現

搭建光路的邏輯關系如圖6所示. 在UI界面的儀器庫中，創建儀器格子，每個格子中存放對應固定ID與儀器的模型圖片和名稱. 在右側導軌二維界面中擺放儀器，根據實驗情況，在某些特定的位置創建格子，并設置相對應的ID. 圖片的拖拽功能主要由3個函數(OnBeginDrag，OnDrag，OnEndDrag)實現. 根據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二維界面中；位置擺放正確立即執行PutItem函數，在三維空間內呈現相對應的儀器.

圖6 搭建光路的邏輯關系圖

3 虛擬仿真實驗中物理參量的測量

3.1 折射率測量模塊

實驗裝置原理如圖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，光線經過分光鏡G1，分成2束強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S，與透射光a發生干涉. 比色皿中有溶液時，可計算出待測溶液的折射率

(1)

圖7 邁克耳孫干涉實驗裝置

其中，Δx為動臂移動距離，d為光透過溶液的厚度.

在實驗中還可以觀察不同顏色激光的邁克耳孫動態等傾、等厚干涉圖樣. 利用Matlab軟件的數據圖像擬合功能，模擬邁克耳孫干涉的全過程；然后導出為exe執行文件；最后，在Unity中創建C#代碼，點擊圖中的CCD，以便調用該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為等厚干涉的過程，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測量界面動態演示干涉條紋與光程差的關系，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驗[14]，搭建了如圖9所示的實驗裝置圖，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個線陣CCD，Q為電腦. 根據朗伯比爾定律

(2)

(a)濁度測量虛擬仿真實驗場景

其中，A為吸光度，Ii為反射光強度，It為入射光強度，k為吸收系數，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 表面張力系數測量模塊

采用激光插板法測量表面張力系數[15]，其虛擬仿真實驗裝置原理如圖10(a)所示，G3為可旋轉反射鏡，G4為擴束鏡，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行測量，其測量界面如圖10(b)所示. 通過激光經液面反射后的光斑移動距離，計算出液體的表面張力系數

(3)

(a)表面張力虛擬仿真實驗場景

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的角度函數，推算出表面張力系數的大小，從而獲取液體溶質信息.

3.4 含氧量測量模塊

實驗裝置如圖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為無氧狀態下的熒光強度，I為有氧條件下的熒光強度，K為與熒光物質有關的常量，c為氧氣濃度. 圖11(b)為含氧量測量界面，打開電腦，點擊電腦模型，出現電腦界面；點擊“水質測量軟件”，將直接打開其測量界面.

3.5 水質測量綜合判斷

折射率、濁度、表面張力系數、含氧量是描述水質的4個物理量. 其中折射率與濁度都與溶液的純凈度和均勻度有關，折射率會隨著溶液的種類不同而有所區別，而濁度則與溶液的渾濁程度呈正相關，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相當于1 L蒸餾水中有7.5 mg硅藻土). 液體的表面張力系數與溶質有關，表面張力系數越高，說明其中無機鹽離子的濃度越高，否則有機化合物濃度越高. 含氧量表示水質中氧氣的含量，一般來說是越高越好，但是具體需看水的用途，比如水產養殖用水，含氧量越高越好，飲用水需適量，且不得超過3 mg/L，否則會導致水質氧化而變質.

4 結束語

STEM理念始終貫穿水質光學綜合測量虛擬仿真實驗設計的全過程，對于開發者而言，了解社會關注的水質問題，掌握物理、地理、計算機編程等跨學科知識，在Unity平臺內，使用C#語言編程實現功能，利用Matlab實現對圖像的動態模擬，運用LabVIEW編輯界面對實驗數據動態采集與分析，從而實現水質測量虛擬仿真實驗的研發；操作者通過該虛擬仿真實驗，了解了物理理論、水質判斷、實驗測量、數據分析的綜合型跨學科知識，實現了STEM思維的培養. 本虛擬仿真實驗重點突出了交互性、可視性與集約性：用戶通過鼠標左右鍵和滾輪進行實驗控制，模擬真實實驗場景，此外還可以使用電腦采集、分析數據，直觀了解實驗結果；三維模型形象逼真，二維實驗現象真實清晰，一維實驗數據圖像簡潔直觀，從而豐富與完善用戶的視覺體驗；將多個不同的實驗融合起來，實現資源的最少配置，在界面設計部分盡量簡潔明了，方便用戶選擇使用. 本項目除了可以用于生態水質的保護宣傳，還可以用于大學物理實驗的學習. 以項目導向為核心，培養大學生STEM的合作、創新能力，還可以輔助中學的課外教學，培養中學生的興趣與愛好，拓展關于物理與地理方面的知識.