全空间分布光度系统虚拟实验平台构建

2021-04-13王博伟贺晓阳邹念育

电气电子教学学报 2021年2期

曹帆，王博伟，贺晓阳，邹念育

(大连工业大学光子学研究所，辽宁大连 116034)

0 引言

全空间分布光度系统是一种测量光源空间光色分布性能的测试仪器，具有灵活配置，测量速度快、精度高的特点[1]。“灯具空间光色参数测试实验”对光源与照明专业的学生而言，是一门具有实验技术基础地位的实验课程，通过实验掌握全空间分布光度系统的结构、工作原理和使用方法[2～4]，加深光度学、色度学原理理论知识的理解，对培养学生的动手能力、实验态度具有重要作用。

在传统的实验教学过程中，由于学生缺少有效的预习工具，只能依靠实验教材预习实验原理和抽象的光路图，对实验仪器、灯具缺乏直观的认识，存在预习不充分的问题[5～8]。因此，在实验教学实施过程中，为了令学生对实验设备建立直观印象，教师在课堂上需要花费时间用于仪器设备使用方法的讲解，学生操作设备的时间相应减少。由于实操时间不够充裕，学生只能以实验教材为中心，按部就班地完成实验，被动地验证光学原理，缺少主动思考的过程。而且，由于预习不充分，学生的误操作经常会导致仪器报警或设备损坏。

全空间分布光度系统属于大型仪器，价格昂贵，无法批量购置供学生练习实验，因此一般使用一套设备完成教学任务，学生以分组的方式完成实验，当一组同学做实验时，其他组的同学只能等待，浪费了宝贵的课上教学时间，需要设计一种有效的教学辅助工具利用这段学生的空闲时间，在一组同学实验时，其他组的同学可以利用该教学辅助工具练习实验的各个环节。

在一些特殊的情况下，教师与学生面对面的实践课无法正常开展。如在新冠疫情蔓延的情况下，学校只能以线上课程的方式完成教学活动。虚拟实验室这种教学方式可以在面对面的实践课无法开展时保障实践课以线上教学的方式开展。

由于以上在教学实践中存在的问题，一种用于全空间分布光度系统的教学辅助工具呼之欲出。目前，通过虚拟仿真实验的方式辅助开展全空间分布光度系统的实验教学尚无成熟案例。现有的纸质教材存在沉浸感差、交互性差的问题，难以带给学生对仪器、器件直观的认识，只是将原理图和公式展现给学生，由于学习曲线陡峭，难以激发学生的学习兴趣[9～11]。本文设计的全空间分布光度系统虚拟实验平台可以很好的解决上述问题，实验操作者可以身临其境地去操作仪器和器件，产生更好的虚拟操作体验，更具沉浸感和交互性，增强了学生的参与感，帮助学生进入实验室前做好充分准备，避免不当操作引发的安全隐患。

1 设计方案

1.1 总体方案

全空间分布光度系统虚拟实验平台采用Unity3D开展开发工作。Unity3D是实时三维互动内容创作和运营平台。开发者运用该平台可实现包括游戏开发、美术、建筑、汽车设计、影视制作在内的各项工作，作品可在手机、平板电脑、PC、游戏主机、增强现实和虚拟现实设备上部署[9～15]。

在平台的开发过程中，首先对系统进行整体设计，包括系统有哪些实验构成，采集每个实验涉及到的仪器设备及组件的三维模型参数，分析每个实验的模块构成等。利用三维建模软件对实验中用到的仪器及元器件进行建模、贴图渲染，将三维模型导入Unity3D进行用户交互功能的设计和编程[12～15]。设计完成后，通过软件发布平台发布，学生可以通过网络下载到手机上，仿真实践教学过程中的所有元素，包括查看实验原理、实验步骤、实验设备、虚拟操作、观察实验现象、记录实验数据并填写电子实验报告。

“灯具空间光色参数测试实验”是由一组实验组合而成的大型实验课程，目的是为了训练学生掌握如下四组知识点或技能：一、灯具的发光面与灯具结构之间的关系；二、灯具的空间光色分布的概念；三、全空间分布光度计的工作原理和操作方法；四、实验数据的处理和测试报告的编写。

根据实验指导书中实验目的、实验步骤、实验数据、实验报告的内容，设定两类共六项互动内容：一、知识点解释类：空间光强/亮度/色度分布、全空间分布光度计的原理，如图1所示；二、实践操作类：实验前的准备工作、灯具的一般参数的测定、灯具在设备上的安装、灯具光色特性参数的测量和测试报告的编写。

图1 全空间分布光度计系统原理图

实施步骤如下：一、分析研究其中每一个互动内容所需的仪器和零件，进行三维模型的建模。包含暗室、全空间分布光度计的各组成零件、交/直流电源、总控制箱等，导入到Unity3D各场景中。二、编制交互流程。首先，学生登录系统后，进入主界面(图2)。

图2 虚拟实验平台主界面

在主界面可以开启各互动内容，在各互动内容场景中，实现控制主界面和子界面的跳转和调用。虚拟实验平台功能流程图如图3所示。

图3 功能流程图

1.2 知识点解释类互动环节

知识点解释类互动环节应用在学生预习、课上教学和复习知识点的过程中。除了向学生展示实验目的、实验步骤中知识点的内容外，还需要对相关知识点的应用做出展示，应用展示被设计为小游戏的方式，小游戏分不同难度的关卡，以提升学生的挑战欲望。学生通过玩小游戏，由浅入深的演练应用知识点，从而从感性和理性两个方面对知识点做到有效把握，提升学生对知识点的接受度。

以知识点“空间光强分布”为例，对该项知识点的学习有两个层级：平方反比定律和空间光强分布。如图4所示：小游戏的第一关的设计为在宇宙里点亮太阳(点光源)，设置面向太阳的卫星(照度计)测量与太阳不同距离处的照度，在界面上展示平方反比定律公式中各参数在不同的位置上值的变化。在第二关，卫星(照度计)可设计为在以太阳(点光源)为球心的球面的轨道上运动，学生通过控制球体的半径和卫星的位置，在界面上绘制出太阳的空间光强分布。

在课后复习环节，为了帮助学生重温授课内容，采用以启发式的方法向学生提问与知识点相关的问题，引导学生复习和思考理论课学习过的知识，并把理论和实践联系起来。教师可以通过在后台系统收集学生复习测试成绩来评估课堂教学效果。

图4 “卫星测量照度”小游戏

1.3 实践操作类互动环节

实践操作类交互环节应用到学生学习操作仪器设备的技能环节中，将实验中用到的仪器虚拟化，安装到实验场景中。学生可以直观体会真实的实验场景，根据全空间分布光度计的工作原理图完成实验前的准备工作，灯具一般参数的测定，灯具在设备上的安装，灯具光色特性参数的测量，光色特性参数的数据处理等实践环节。

知识点“灯具在设备上的安装”互动环节，在虚拟暗室内安装全空间分布光度计等相关仪器，学生可以在这一环节操作设备安装灯具，熟悉各种类型的灯具的光心的判断方法，在灯具架上安装灯具时用的夹具类型、不同供电方式的灯具如何连接导线等，如图5所示。

图5 安装灯具互动环节

知识点“灯具光色特性参数的测量”互动环节，学生可以在这一环节操作设备测量软件零位，控制主轴和自由轴旋转，观察灯具的空间光强分布的测量过程。如图6所示，随着设备的运转，学生可以在界面里观察空间光强分布曲线的绘制过程。

图6 测量空间光强分布互动环节

2 教学效果分析

在疫情期间，由于学校实行线上授课，很多实践课程无法开出，该系统作为实验教学辅助工具，为在特殊情况下实践教学工作的实施提供了一个选项。由于无法实现在课堂观察各教学环节的方式分析教学效果，教学效果分析工作以线上调查问卷的方式完成。将软件和调查问卷分发给学生(共60人，30人使用软件，30人不使用软件)，收集对软件的使用体验。调查结果如表1所示。

表1 软件使用体验调查结果

通过调查结果可知，虚拟实验平台在教学过程中的应用，起到了提升教学效果的作用。在课前预习环节，学生能够被互动内容的游戏性吸引，对知识产生兴趣。在课中阶段，由于学生在课前预习阶段通过互动内容虚拟操作了仪器，在实际操作时对仪器没有生疏感，敢于上手操作。在课后复习阶段，学生被互动内容的游戏性吸引，愿意通过使用软件的方式复习知识点，巩固了学到的知识。