曹 帆， 王博偉， 賀曉陽， 鄒念育

(大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034)

0 引言

全空間分布光度系統(tǒng)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(shù)測試實驗”對光源與照明專業(yè)的學(xué)生而言，是一門具有實驗技術(shù)基礎(chǔ)地位的實驗課程，通過實驗掌握全空間分布光度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法[2～4]，加深光度學(xué)、色度學(xué)原理理論知識的理解，對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、實驗態(tài)度具有重要作用。

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程中，由于學(xué)生缺少有效的預(yù)習(xí)工具，只能依靠實驗教材預(yù)習(xí)實驗原理和抽象的光路圖，對實驗儀器、燈具缺乏直觀的認(rèn)識，存在預(yù)習(xí)不充分的問題[5～8]。因此，在實驗教學(xué)實施過程中，為了令學(xué)生對實驗設(shè)備建立直觀印象，教師在課堂上需要花費時間用于儀器設(shè)備使用方法的講解，學(xué)生操作設(shè)備的時間相應(yīng)減少。由于實操時間不夠充裕，學(xué)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(xué)原理，缺少主動思考的過程。而且，由于預(yù)習(xí)不充分，學(xué)生的誤操作經(jīng)常會導(dǎo)致儀器報警或設(shè)備損壞。

全空間分布光度系統(tǒng)屬于大型儀器，價格昂貴，無法批量購置供學(xué)生練習(xí)實驗，因此一般使用一套設(shè)備完成教學(xué)任務(wù)，學(xué)生以分組的方式完成實驗，當(dāng)一組同學(xué)做實驗時，其他組的同學(xué)只能等待，浪費了寶貴的課上教學(xué)時間，需要設(shè)計一種有效的教學(xué)輔助工具利用這段學(xué)生的空閑時間，在一組同學(xué)實驗時，其他組的同學(xué)可以利用該教學(xué)輔助工具練習(xí)實驗的各個環(huán)節(jié)。

在一些特殊的情況下，教師與學(xué)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(xué)校只能以線上課程的方式完成教學(xué)活動。虛擬實驗室這種教學(xué)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(xué)的方式開展。

由于以上在教學(xué)實踐中存在的問題，一種用于全空間分布光度系統(tǒng)的教學(xué)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(tǒng)的實驗教學(xué)尚無成熟案例?，F(xiàn)有的紙質(zhì)教材存在沉浸感差、交互性差的問題，難以帶給學(xué)生對儀器、器件直觀的認(rèn)識，只是將原理圖和公式展現(xiàn)給學(xué)生，由于學(xué)習(xí)曲線陡峭，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[9～11]。本文設(shè)計的全空間分布光度系統(tǒng)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(chǎn)生更好的虛擬操作體驗，更具沉浸感和交互性，增強了學(xué)生的參與感，幫助學(xué)生進(jìn)入實驗室前做好充分準(zhǔn)備，避免不當(dāng)操作引發(fā)的安全隱患。

1 設(shè)計方案

1.1 總體方案

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

在平臺的開發(fā)過程中，首先對系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計，包括系統(tǒng)有哪些實驗構(gòu)成，采集每個實驗涉及到的儀器設(shè)備及組件的三維模型參數(shù)，分析每個實驗的模塊構(gòu)成等。利用三維建模軟件對實驗中用到的儀器及元器件進(jìn)行建模、貼圖渲染，將三維模型導(dǎo)入Unity3D進(jìn)行用戶交互功能的設(shè)計和編程[12～15]。設(shè)計完成后，通過軟件發(fā)布平臺發(fā)布，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)下載到手機上，仿真實踐教學(xué)過程中的所有元素，包括查看實驗原理、實驗步驟、實驗設(shè)備、虛擬操作、觀察實驗現(xiàn)象、記錄實驗數(shù)據(jù)并填寫電子實驗報告。

“燈具空間光色參數(shù)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(xùn)練學(xué)生掌握如下四組知識點或技能：一、燈具的發(fā)光面與燈具結(jié)構(gòu)之間的關(guān)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(shù)據(jù)的處理和測試報告的編寫。

根據(jù)實驗指導(dǎo)書中實驗?zāi)康?、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)、實驗報告的內(nèi)容，設(shè)定兩類共六項互動內(nèi)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(zhǔn)備工作、燈具的一般參數(shù)的測定、燈具在設(shè)備上的安裝、燈具光色特性參數(shù)的測量和測試報告的編寫。

圖1 全空間分布光度計系統(tǒng)原理圖

實施步驟如下：一、分析研究其中每一個互動內(nèi)容所需的儀器和零件，進(jìn)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(dǎo)入到Unity3D各場景中。二、編制交互流程。首先，學(xué)生登錄系統(tǒng)后，進(jìn)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(nèi)容，在各互動內(nèi)容場景中，實現(xiàn)控制主界面和子界面的跳轉(zhuǎn)和調(diào)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(huán)節(jié)

知識點解釋類互動環(huán)節(jié)應(yīng)用在學(xué)生預(yù)習(xí)、課上教學(xué)和復(fù)習(xí)知識點的過程中。除了向?qū)W生展示實驗?zāi)康?、實驗步驟中知識點的內(nèi)容外，還需要對相關(guān)知識點的應(yīng)用做出展示，應(yīng)用展示被設(shè)計為小游戲的方式，小游戲分不同難度的關(guān)卡，以提升學(xué)生的挑戰(zhàn)欲望。學(xué)生通過玩小游戲，由淺入深的演練應(yīng)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(xué)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(xué)習(xí)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(guān)的設(shè)計為在宇宙里點亮太陽(點光源)，設(shè)置面向太陽的衛(wèi)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(shù)在不同的位置上值的變化。在第二關(guān)，衛(wèi)星(照度計)可設(shè)計為在以太陽(點光源)為球心的球面的軌道上運動，學(xué)生通過控制球體的半徑和衛(wèi)星的位置，在界面上繪制出太陽的空間光強分布。

在課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)，為了幫助學(xué)生重溫授課內(nèi)容，采用以啟發(fā)式的方法向?qū)W生提問與知識點相關(guān)的問題，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)和思考理論課學(xué)習(xí)過的知識，并把理論和實踐聯(lián)系起來。教師可以通過在后臺系統(tǒng)收集學(xué)生復(fù)習(xí)測試成績來評估課堂教學(xué)效果。

圖4 “衛(wèi)星測量照度”小游戲

1.3 實踐操作類互動環(huán)節(jié)

實踐操作類交互環(huán)節(jié)應(yīng)用到學(xué)生學(xué)習(xí)操作儀器設(shè)備的技能環(huán)節(jié)中，將實驗中用到的儀器虛擬化，安裝到實驗場景中。學(xué)生可以直觀體會真實的實驗場景，根據(jù)全空間分布光度計的工作原理圖完成實驗前的準(zhǔn)備工作，燈具一般參數(shù)的測定，燈具在設(shè)備上的安裝，燈具光色特性參數(shù)的測量，光色特性參數(shù)的數(shù)據(jù)處理等實踐環(huán)節(jié)。

知識點“燈具在設(shè)備上的安裝”互動環(huán)節(jié)，在虛擬暗室內(nèi)安裝全空間分布光度計等相關(guān)儀器，學(xué)生可以在這一環(huán)節(jié)操作設(shè)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(dǎo)線等，如圖5所示。

圖5 安裝燈具互動環(huán)節(jié)

知識點“燈具光色特性參數(shù)的測量”互動環(huán)節(jié)，學(xué)生可以在這一環(huán)節(jié)操作設(shè)備測量軟件零位，控制主軸和自由軸旋轉(zhuǎn)，觀察燈具的空間光強分布的測量過程。如圖6所示，隨著設(shè)備的運轉(zhuǎn)，學(xué)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(huán)節(jié)

2 教學(xué)效果分析

在疫情期間，由于學(xué)校實行線上授課，很多實踐課程無法開出，該系統(tǒng)作為實驗教學(xué)輔助工具，為在特殊情況下實踐教學(xué)工作的實施提供了一個選項。由于無法實現(xiàn)在課堂觀察各教學(xué)環(huán)節(jié)的方式分析教學(xué)效果，教學(xué)效果分析工作以線上調(diào)查問卷的方式完成。將軟件和調(diào)查問卷分發(fā)給學(xué)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(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 軟件使用體驗調(diào)查結(jié)果

通過調(diào)查結(jié)果可知，虛擬實驗平臺在教學(xué)過程中的應(yīng)用，起到了提升教學(xué)效果的作用。在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠被互動內(nèi)容的游戲性吸引，對知識產(chǎn)生興趣。在課中階段，由于學(xué)生在課前預(yù)習(xí)階段通過互動內(nèi)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(fù)習(xí)階段，學(xué)生被互動內(nèi)容的游戲性吸引，愿意通過使用軟件的方式復(fù)習(xí)知識點，鞏固了學(xué)到的知識。

3 結(jié)語

在“燈具空間光色參數(shù)測試實驗”實踐教學(xué)中利用全空間分布光度系統(tǒng)虛擬實驗平臺作為輔助工具，發(fā)揮了良好的輔助教學(xué)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(xué)模式依托計算機仿真、計算機圖形學(xué)、人機接口、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)發(fā)展，必將成為未來的發(fā)展趨勢，具有很好的現(xiàn)實意義。