基于STEM的水质光学综合测量虚拟仿真实验

忻 静，孙 可，邓 莉，方 颖，李素龙，崔雯雯，景培书，胡炳文，孙妍妍

(华东师范大学 a.物理与电子科学学院; b.教育学部，上海 200241)

STEM教育理念最早起源于20世纪80年代的美国，重点是培养人才创新、合作与解决实际问题的能力，以满足信息化与知识经济时代对跨学科人才的迫切需求[1]. STEM教育理念迅速发展，逐渐被英国、澳大利亚、德国、加拿大等发达国家引用[2-4]. 2017年，教育部将STEM教育列为国家课程标准的重点之一，中国教育科学研究院发布的《2017年中国STEM教育白皮书》中提出了中国STEM创新行动计划[5]. 目前，在中国经济发达地区中小学的物理、生物、英语、地理等学科纷纷融入了STEM的教育理念[6-9]，以培养学生跨学科运用的实践能力与解决实际问题的创新思维. 中国大学生的STEM教育培养较为匮乏[10-11]，尤其是师范院校应该为中小学STEM教育培养合格的教师人才，因此可以在物理、计算机、数学、生物等领域广泛开展STEM教育，以满足当今中国社会对于STEM教育人才的迫切需求.

华东师范大学作为全国师范人才培养的重要基地，积极引入STEM教育理念，建设STEM实验室，以解决水质判断工程项目为导向，虚拟仿真实验为载体，引导学生综合运用地理、物理、数学、计算机等跨学科知识，研发集约型水质光学综合测量虚拟仿真实验. 基于光学方法对水质的折射率、浊度、表面张力、含氧量的测量原理，运用Unity编程创建虚拟仿真实验场景，通过C#语言编程模拟实验操作，利用LabVIEW模拟DIS实验数据的动态采集展示与数据信息提取过程，最终完成对水质的判断. 该虚拟仿真实验的开发充分融入了STEM理念，以水质诊断为导向，进行设计、研发、实践、优化，综合运用物理、地理的理论知识做指导，集合Unity，Matlab，LabVIEW等软件优势，实现虚拟仿真实验搭建、数据动态采集、水质信息提取等操作. 学生通过水质光学综合测量虚拟仿真实验的开发，形成了STEM思维，善于从社会热点问题中寻找研究课题，并综合运用跨学科知识解决问题. 该软件用户不仅可以掌握水质物理测量的理论知识、光路搭建、数据采集、信息分析过程，还可以了解水质判断的依据. 通过该虚拟仿真实验项目的开发，不仅培养了参与研发学生的STEM思维和综合运用跨学科知识解决问题的能力[12]，同时还可以传播STEM理念，该模式的尝试为师范院校培养具有STEM教育理念的师范人才提供了参考.

1 虚拟仿真实验的整体设计思路

STEM的核心是以工程项目为导向，综合运用跨学科知识解决问题. 工程设计过程强调以下步骤：定义问题、研究(收集信息)、想象(头脑风暴)、计划、创造、测试与评价、重新设计、交流. 基于如图1所示的STEM执行过程的ADDLE模型，将人们关注的热点环境水质问题作为研究对象，通过调研，发现目前测量水质的方法主要集中在化学测量与生物测量，物理测量相对较少. 折射率、浊度、表面张力系数和含氧量4个物理量可以用来表征液体的性质，在普通物理实验中，这4个实验各自独立，其测量方法涉及光学、电学等，设备彼此不兼容. 因此，本文设计研发了集约型水质物理参量光学综合测量虚拟仿真实验系统，利用Unity软件创造虚拟仿真实验环境，Matlab软件模拟迈克耳孙干涉仪的干涉条纹动态变化， LabVIEW演示DIS数据动态采集.

水质光学综合测量虚拟仿真实验项目的设计思路如图2所示，实验内容为利用光学方法测量液体的折射率、浊度、表面张力系数和含氧量，用来表征液体的性质. 使用者根据不同的测量内容在虚拟仿真实验平台上搭建不同的实验光路，通过电脑控制光学平台的移动实现不同实验光路的切换，CCD展示其实验现象，内嵌LabVIEW动态显示数据的采集与分析. 该虚拟仿真实验的设计充分体现了集约性、交互性和可视性.

图2 虚拟仿真实验的总体设计思路

2 虚拟仿真实验的主界面

主界面分为2部分：UI操作界面(二维)和虚拟实验场景(三维).

2.1 UI界面介绍

在UI界面里，利用Unity中自带的软件进行如下设置：

1)界面的开启与关闭功能：右上角的相同位置设置2个按钮，在2个button组件中分别添加如图3(a)所示的On Click()功能，即可实现无仪器库时的开启功能和有仪器库时的关闭功能.

(a)开启和关闭仪器库的按钮的功能实现

2)建立“仪器库”：创建Panel组件，在最上面创建text组件，命名为“仪器库”，如图3(b)所示. 在激光器、光学器件、信号处理装置、其他仪器的4种界面最上方各自创建text组件，并根据所需仪器的数量，创建仪器格子. 仪器格子由Panel，Image，text组成，Panel用来存放显示仪器的照片即Image，text显示仪器名称，如图3(c)所示，并创建4个按钮分别开启不同种类的仪器. 仪器库界面简洁明了，体现了本项目的集约性特点，用户可以在较短时间内调用目标仪器，高效搭建实验光路.

2.2 水质光学综合测量虚拟仿真实验的场景展示与功能介绍

在三维虚拟仿真主场景中，三维十字交叉的导轨可以实现仪器集约型安装与不同实验光路间的转换. 按下鼠标左键将仪器库中的仪器拖至右侧导轨二维平面图中的正确位置，同时左侧三维空间的导轨相应位置上出现仪器，如图4(a)所示. 图4(b)为具备测量折射率、浊度、表面张力、含氧量测量功能的完整仪器的虚拟仿真实验效果图. 为了尽可能地节约空间与仪器资源，本实验采用拼搭式双层结构，其核心实验器件仅包含激光器、探测器、移动平移台、反射镜4类器件. 当仪器出现在三维空间内后，通过控制鼠标右键，可以360°全方位观察屏幕内的仪器模型；按住鼠标滚轮，可以在平面内上下左右观测模型；滚动滚轮，则可以放大缩小观察界面；鼠标左键可以实现部分仪器的调节. 以激光器为例，鼠标左键单击空间内的激光器模型，会弹出激光器细调的界面，点击激光器开关调节不同颜色的激光，如图5(a)所示；当鼠标左键按住平台，便可以拖动平台与其上的仪器到正确位置. 用户可以通过鼠标控制、调节空间中的仪器，极大程度上实现了人机交互，还原真实实验场景，在视觉上给用户以真实感. 由于整个实验中运用到的仪器数目较多，为了方便用户快速了解与使用这些仪器，设置了关于仪器的提示信息. 当鼠标移到相应位置的仪器上时，便可以显示出仪器的名称、用途或者相关操作，比如激光器的提示信息如图5(b)所示.

(a) 仪器拖拽功能

(a)激光器开关功能实现

2.3 搭建光路的程序逻辑实现

搭建光路的逻辑关系如图6所示. 在UI界面的仪器库中，创建仪器格子，每个格子中存放对应固定ID与仪器的模型图片和名称. 在右侧导轨二维界面中摆放仪器，根据实验情况，在某些特定的位置创建格子，并设置相对应的ID. 图片的拖拽功能主要由3个函数(OnBeginDrag，OnDrag，OnEndDrag)实现. 根据ID是否相同，来判断仪器是否摆到正确的位置上，如果ID不同，仪器图片无法放置在右侧二维界面中；位置摆放正确立即执行PutItem函数，在三维空间内呈现相对应的仪器.

图6 搭建光路的逻辑关系图

3 虚拟仿真实验中物理参量的测量

3.1 折射率测量模块

实验装置原理如图7所示[13]，G1为分光镜，M1和M2为反射镜，G1与M1和M2呈45°，C为比色皿(盛放待测溶液)，S为线阵CCD平面，Q为电脑. 以He-Ne激光为光源，光线经过分光镜G1，分成2束强度相同但方向不同的光束a和b.透射光a穿过比色皿C中的溶液，被M1反射后，再次穿过比色皿，并被分光镜中的半透膜反射到线阵CCD. 反射光b被M2反射后，穿过G1，到达S，与透射光a发生干涉. 比色皿中有溶液时，可计算出待测溶液的折射率

(1)

图7 迈克耳孙干涉实验装置

其中，Δx为动臂移动距离，d为光透过溶液的厚度.

在实验中还可以观察不同颜色激光的迈克耳孙动态等倾、等厚干涉图样. 利用Matlab软件的数据图像拟合功能，模拟迈克耳孙干涉的全过程；然后导出为exe执行文件；最后，在Unity中创建C#代码，点击图中的CCD，以便调用该exe文件，观察干涉图像. 操作者可以通过改变迈克耳孙干涉仪两臂的光程差观察等倾干涉变为等厚干涉的过程，并能观察到白光的等厚干涉条纹. 将CCD放置在干涉光路上，通过移动M1和M2来改变光程差，利用LabVIEW编辑的DIS测量界面动态演示干涉条纹与光程差的关系，并获取激光波长信息及液体折射率信息，如图8所示.

图8 折射率的测量界面

3.2 浊度测量模块

利用光透射法测量浊度实验[14]，搭建了如图9所示的实验装置图，G2为半反半透镜，C为比色皿，里面盛放待测溶液，S1和S2为2个线阵CCD，Q为电脑. 根据朗伯比尔定律

(2)

(a)浊度测量虚拟仿真实验场景

其中，A为吸光度，Ii为反射光强度，It为入射光强度，k为吸收系数，C为待测溶液的浊度，L为吸收层的厚度.通过测量浊度可以读取液体浓度的有效信息.

3.3 表面张力系数测量模块

采用激光插板法测量表面张力系数[15]，其虚拟仿真实验装置原理如图10(a)所示，G3为可旋转反射镜，G4为扩束镜，G5为玻璃板，W为装有待测溶液的水缸，S3线阵CCD，Q为电脑. 将玻璃板竖直插入装有待测溶液的水缸里，由于液体的浸润和表面张力的存在，液面与玻璃板处会形成弯曲面. 上层的激光通过G3，传播方向改变，垂直入射到弯月面上，反射光线的位置变化利用沿轨道移动的CCD探测到的光斑信号进行测量，其测量界面如图10(b)所示. 通过激光经液面反射后的光斑移动距离，计算出液体的表面张力系数

(3)

(a)表面张力虚拟仿真实验场景

其中，ρ为液体密度，g为重力加速度，x2-x1为激光束宽度，φ1和φ2为与光斑移动距离相关的角度函数，推算出表面张力系数的大小，从而获取液体溶质信息.

3.4 含氧量测量模块

实验装置如图11(a)所示[16]，L为光源，G为气体流量控制器，W为装有待测溶液的水缸，P为光纤氧传感器，S为光纤光谱仪，Q为电脑. 利用斯特恩-沃尔默方程计算含氧量

(4)

(a)含氧量测量的虚拟仿真场景

其中，Io为无氧状态下的荧光强度，I为有氧条件下的荧光强度，K为与荧光物质有关的常量，c为氧气浓度. 图11(b)为含氧量测量界面，打开电脑，点击电脑模型，出现电脑界面；点击“水质测量软件”，将直接打开其测量界面.

3.5 水质测量综合判断

折射率、浊度、表面张力系数、含氧量是描述水质的4个物理量. 其中折射率与浊度都与溶液的纯净度和均匀度有关，折射率会随着溶液的种类不同而有所区别，而浊度则与溶液的浑浊程度呈正相关，浊度越大，则溶液越浑浊，纯净度与均匀度越低. 生活饮用水的浊度不能超过1 NTU(浊度测量单位，1 NTU相当于1 L蒸馏水中有7.5 mg硅藻土). 液体的表面张力系数与溶质有关，表面张力系数越高，说明其中无机盐离子的浓度越高，否则有机化合物浓度越高. 含氧量表示水质中氧气的含量，一般来说是越高越好，但是具体需看水的用途，比如水产养殖用水，含氧量越高越好，饮用水需适量，且不得超过3 mg/L，否则会导致水质氧化而变质.

4 结束语

STEM理念始终贯穿水质光学综合测量虚拟仿真实验设计的全过程，对于开发者而言，了解社会关注的水质问题，掌握物理、地理、计算机编程等跨学科知识，在Unity平台内，使用C#语言编程实现功能，利用Matlab实现对图像的动态模拟，运用LabVIEW编辑界面对实验数据动态采集与分析，从而实现水质测量虚拟仿真实验的研发；操作者通过该虚拟仿真实验，了解了物理理论、水质判断、实验测量、数据分析的综合型跨学科知识，实现了STEM思维的培养. 本虚拟仿真实验重点突出了交互性、可视性与集约性：用户通过鼠标左右键和滚轮进行实验控制，模拟真实实验场景，此外还可以使用电脑采集、分析数据，直观了解实验结果；三维模型形象逼真，二维实验现象真实清晰，一维实验数据图像简洁直观，从而丰富与完善用户的视觉体验；将多个不同的实验融合起来，实现资源的最少配置，在界面设计部分尽量简洁明了，方便用户选择使用. 本项目除了可以用于生态水质的保护宣传，还可以用于大学物理实验的学习. 以项目导向为核心，培养大学生STEM的合作、创新能力，还可以辅助中学的课外教学，培养中学生的兴趣与爱好，拓展关于物理与地理方面的知识.