萬(wàn) 棣， 范 懿

(中國(guó)民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院， 天津 300300)

電磁場(chǎng)與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

萬(wàn) 棣， 范 懿

(中國(guó)民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院， 天津 300300)

電磁場(chǎng)與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，其目的是能有效地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程時(shí)遇到的困難。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用了Matlab、AE、Cinema4D、3Dmax以及Director多種軟件，進(jìn)行物理過(guò)程的仿真和系統(tǒng)的發(fā)布。該虛擬仿真系統(tǒng)能提供生動(dòng)形象的圖像和視頻，有效地輔助了課堂教學(xué)，達(dá)到了提高教學(xué)效果的目的。在調(diào)查問(wèn)卷中，反饋和評(píng)價(jià)表明，學(xué)生比較樂(lè)于接受這種全方位的多媒體形式的教學(xué)方式，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。

電磁場(chǎng)與電磁波；虛擬仿真；教學(xué)方式

0 引言

“電磁場(chǎng)與電磁波”作為通信工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課之一，其特點(diǎn)是: 理論性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，概念抽象，而且數(shù)學(xué)公式繁多、形式復(fù)雜。這給初學(xué)者帶來(lái)了概念理解和數(shù)學(xué)運(yùn)算上的雙重困難，很容易使他們產(chǎn)生厭學(xué)、畏學(xué)等情緒。

如何在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握并能應(yīng)用“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的基本理論和分析方法，是教學(xué)實(shí)踐中的一個(gè)突出問(wèn)題。

為了解決這一問(wèn)題，針對(duì)該課程的教學(xué)特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了電磁場(chǎng)與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)，通過(guò)生動(dòng)形象的視頻課件輔助課堂教學(xué)，達(dá)到了提高教學(xué)效果的目的[1，2]。

1 虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

1.1 內(nèi)容的梳理和框架的設(shè)計(jì)

在人類(lèi)接受的信息來(lái)源中，視覺(jué)信息占70%, 聽(tīng)覺(jué)信息占20%。因此，任課教師通過(guò)現(xiàn)代化的軟件，結(jié)合先進(jìn)的教育思想，利用文字、圖形圖像、動(dòng)畫(huà)、聲音、視頻等教育教學(xué)資源制作成虛擬仿真系統(tǒng)，進(jìn)行多媒體教學(xué)是很有必要的[3]。

根據(jù)“電磁場(chǎng)與電磁波“課程的教學(xué)大綱，我們通過(guò)仔細(xì)梳理教學(xué)內(nèi)容，建立教學(xué)系統(tǒng)的框架，把難點(diǎn)和重點(diǎn)進(jìn)行“可視化”，借助能進(jìn)行直接演示和放映的教學(xué)資源，開(kāi)發(fā)和制作了虛擬仿真教學(xué)演示系統(tǒng)[4]。在該系統(tǒng)中，主要圍繞“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的三個(gè)專(zhuān)題，設(shè)計(jì)了三個(gè)專(zhuān)題的核心內(nèi)容：恒定電磁場(chǎng)、時(shí)變電磁場(chǎng)和電磁波的理論和應(yīng)用。根據(jù)信息組塊原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括18個(gè)模塊，每個(gè)模塊覆蓋一個(gè)或多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。圖1便是電磁場(chǎng)與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 電磁場(chǎng)與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)框架

1.2 多媒體技術(shù)的選擇

我們?cè)诮ㄔO(shè)和開(kāi)發(fā)電磁場(chǎng)與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)過(guò)程中，通過(guò)詳細(xì)分析多媒體視頻制作工具，力求在利用這些多媒體課件的制作技術(shù)時(shí)，以教學(xué)性、科學(xué)性、技術(shù)性、藝術(shù)性和使用性為設(shè)計(jì)原則，突出“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，由于Matlab、AE、Cinema4D、3Dmax四種軟件各有所長(zhǎng)，因此被選擇用來(lái)制作系統(tǒng)中所需的演示圖形和視頻。以下分析這四種軟件的優(yōu)缺點(diǎn)并且進(jìn)行綜合對(duì)比。

Matlab由于本身具有強(qiáng)大的函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠高效地進(jìn)行矩陣和數(shù)組運(yùn)算，但圖形和圖像的表現(xiàn)力較差，很難表現(xiàn)出電磁場(chǎng)理論的物理現(xiàn)象的具體過(guò)程是怎么發(fā)生的。而AE、Cinema4D、3DMax能對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波物理規(guī)律的特點(diǎn)進(jìn)行仿真，而且表現(xiàn)力較強(qiáng)。

如果利用Matlab軟件仿真一個(gè)電磁波的發(fā)射的動(dòng)態(tài)過(guò)程就需要一大堆程序，而如果要使這個(gè)仿真結(jié)果用其他軟件打開(kāi)，又需要重新編寫(xiě)一個(gè)保存AVI格式視頻的程序，可想而知工作量巨大，但是如果直接用AE、Cinema4D、3DMax仿真就十分簡(jiǎn)潔并且呈現(xiàn)效果好，因?yàn)樗鼈兪侵苯油ㄟ^(guò)繪圖來(lái)完成仿真的，而且保存的格式多樣，后期可以直接用多媒體平臺(tái)打開(kāi)，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，相當(dāng)方便而且效果良好。表1 將Matlab、AE、Cinema4D和3DMax這四個(gè)軟件各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了小結(jié)。

表1 四個(gè)軟件的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2 模塊內(nèi)容的仿真

在虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于系統(tǒng)的每個(gè)模塊所描述的物理規(guī)律各不相同，其物理過(guò)程仿真要分別進(jìn)行，因此我們針對(duì)不同電磁場(chǎng)與電磁波，選擇不同的仿真軟件。我們分別利用Matlab、AE、Cinema4D和3Dmax軟件，有效地進(jìn)行了的電磁場(chǎng)與電磁波仿真實(shí)踐，總結(jié)如下：

(1) 對(duì)于課程內(nèi)容中的點(diǎn)電荷的電場(chǎng)分布、運(yùn)動(dòng)電荷的磁場(chǎng)分布、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體棒的電動(dòng)勢(shì)、平板電容器的位移電流、電磁波的發(fā)射、平面波的傳播、波的疊加原理等這些項(xiàng)目都要求將一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果可視化，所以選擇用Matlab進(jìn)行仿真是非常適合的[5]。因?yàn)镸atlab自身具備函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以進(jìn)行快速準(zhǔn)確的計(jì)算并且可以將解算結(jié)果以圖片或者動(dòng)畫(huà)形式展現(xiàn)出來(lái)。如圖2所示。

圖2 Matlab仿真

(2) 對(duì)于課程內(nèi)容中所述的橫波和縱波、波的疊加原理、平面波的極化過(guò)程、垂直入射和斜入射、衍射和干涉等這些項(xiàng)目都有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是要求在平面上將物理過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)，所以選擇用AE進(jìn)行仿真。因?yàn)锳E在制作平面動(dòng)畫(huà)上非常簡(jiǎn)便而且可以充分將一個(gè)物理過(guò)程以視頻方式展現(xiàn)出來(lái)。如圖3所示。

圖3 AE仿真

(3) 對(duì)于課程內(nèi)容所述的無(wú)限長(zhǎng)通電導(dǎo)線、電偶極子、通電螺線管和運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)，用Cinema4D進(jìn)行仿真實(shí)踐比較合適。因?yàn)镃inema4D是一款用于制作三維動(dòng)畫(huà)的軟件，可以通過(guò)制作三維視頻去演示這些現(xiàn)象。如圖4所示。

通電圓環(huán)的磁場(chǎng) 電偶極子電場(chǎng) 電介質(zhì)的極化

通電螺線管磁場(chǎng) 運(yùn)動(dòng)電荷的磁場(chǎng)圖4 Cinema4D仿真

(4) 對(duì)于課程內(nèi)容所述的點(diǎn)電荷電場(chǎng)、順磁質(zhì)的磁化現(xiàn)象、電磁感應(yīng)現(xiàn)象、平行板電容器間的位移電流，需要表現(xiàn)場(chǎng)景的物理變化過(guò)程，這些都可以通過(guò)3DMax建模進(jìn)行仿真，因?yàn)?DMax具有復(fù)雜建模的能力，且動(dòng)畫(huà)效果逼真。如圖5所示。

點(diǎn)電荷電場(chǎng) 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體棒的電動(dòng)勢(shì) 電介質(zhì)的極化

自感的磁化 順磁質(zhì)的磁化圖5 3DMax仿真

3 仿真系統(tǒng)建立

電磁場(chǎng)與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)主要服務(wù)于“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)，為了達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)水平，使教學(xué)對(duì)象易于理解。因此在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，其整體結(jié)構(gòu)、界面、交互、導(dǎo)航四個(gè)方面都要進(jìn)行精心考慮和設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)分析使用軟件包工具Director進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，便具有以下5個(gè)方面的特點(diǎn)：

(1) 強(qiáng)大的功能，友好的界面，能滿足用戶實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的需求；

(2) 便于學(xué)習(xí)，易于上手，能在短時(shí)間內(nèi)掌握多媒體制作技術(shù)；

(3) 支持?jǐn)U展，可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，能夠容許使用者利用提供的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言完成更好的作品，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的功能；

(4)兼容性強(qiáng)，包容性好，適用于電磁場(chǎng)與電磁波課件制作過(guò)程中用到的教學(xué)視頻不同類(lèi)型的格式。

(5) 能生成可執(zhí)行文件用于課件軟件的發(fā)布、推廣和普及。

在建立系統(tǒng)時(shí)，利用AE，Cinema4D、3Dmax軟件制作好的圖像和視頻結(jié)果(共計(jì)60多個(gè)仿真視頻)添加音頻進(jìn)行語(yǔ)音說(shuō)明，然后用軟件包工具將其包裝起來(lái)。圖6是該系統(tǒng)的仿真截圖，該系統(tǒng)從主界面到導(dǎo)航目錄頁(yè)，再到視頻介紹頁(yè)面采用了線性結(jié)構(gòu)，在下一級(jí)的視頻介紹頁(yè)面、視頻播放頁(yè)面、視頻相關(guān)內(nèi)容頁(yè)面使用的是樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際使用時(shí)，由于發(fā)布的“電磁場(chǎng)與電磁波”視頻課件相對(duì)較小，方便攜帶、存儲(chǔ)，可大規(guī)模應(yīng)用于教學(xué)，并且只需要點(diǎn)擊相應(yīng)文字即可出現(xiàn)相關(guān)的仿真結(jié)果，這樣可以極大的方便教師教學(xué)，增加課堂教學(xué)的趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)與電磁波的熱情。

圖6 電磁場(chǎng)與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)截圖

4 教學(xué)效果和學(xué)生評(píng)價(jià)

在電磁場(chǎng)與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)前期的試用過(guò)程中，我們聽(tīng)取了部分2012級(jí)、2013級(jí)本科生的意見(jiàn)和建議并逐步完善。目前該系統(tǒng)已在2014級(jí)通信專(zhuān)業(yè)的本科生的課程教學(xué)中開(kāi)始正式使用。為了了解該系統(tǒng)的教學(xué)效果和廣大同學(xué)的評(píng)價(jià)，我們讓上述三個(gè)年級(jí)的近60名學(xué)生都填寫(xiě)了調(diào)查問(wèn)卷。學(xué)生反映能感受到這一系統(tǒng)的在多媒體教學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)，能夠有利于電磁場(chǎng)理論的學(xué)習(xí)和了解，比較樂(lè)于接受這一新穎的教學(xué)模式，認(rèn)為有利于提高教學(xué)質(zhì)量，降低了學(xué)習(xí)難度。例如，2014級(jí)通信工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生的反饋意見(jiàn)和建議包括：

(1) 系統(tǒng)中將3D動(dòng)畫(huà)引入到教學(xué)中，使得一些抽象的難以理解的概念、現(xiàn)象具體化了，讓我們更容易理解。

(2) 系統(tǒng)豐富的多媒體手段，讓我們直觀地理解了課本中的抽象概念，對(duì)于學(xué)習(xí)起到了很大的幫助作用，希望增加互動(dòng)環(huán)節(jié)，效果會(huì)更好。

(3) 視頻圖像很多都是原創(chuàng)的，制作得很用心，概念講解清晰易懂，課程內(nèi)容顯得豐富有趣。

5 結(jié)語(yǔ)

電磁場(chǎng)與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，能有效地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程時(shí)的困難，幫助其理解抽象概念，有利于在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握并能應(yīng)用基本理論和分析方法。在該系統(tǒng)中，生動(dòng)形象的圖像和視頻課件輔助了課堂教學(xué)，達(dá)到了提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的目的。

[1] 蔣云晨,袁立和.計(jì)算機(jī)輔助電磁波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,1999,16(1):4-6.

[2] 方進(jìn).建設(shè)有特色的工程電磁場(chǎng)教學(xué)體系促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].安徽:安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2011,34(1):42-45.

[3] 田雨波,張貞凱,解志斌.基于Matlab的電磁場(chǎng)理論之可視化教學(xué)研究[J].西安:現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(20):90-92.

[4] 李芒,蔡旻君,蔣科蔚,王妍莉.可視化教學(xué)設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[J].蘭州:電化教學(xué)研究,2013,3:16-22.

[5] 周群益,侯兆陽(yáng),劉讓蘇.MATLAB可視化大學(xué)物理學(xué)[M].清華大學(xué)出版社,2011.

Design and Development of the Virtual Simulation System for the Electromagnetic Fields and Electromagnetic Waves

WAN Di, FAN Yi

(CollegeofElectronicInformationandAutomation，CivilAviationUniversityofChina，Tianjin300300，China)

The Virtual simulation system for the electromagnetic fields and electromagnetic waves is designed in order to help students overcome the difficulties in their studies. In the virtual simulation system, a few kinds of software are used, such as Matlab, AE, Cinema4D, 3Dmax and Director. Including a lot of pictures and videos, the system is used to assist the classroom teaching, improving the teaching effects. In the questionnaire, the students express themselves that they accepte the omni-directional multimedia teaching mode with pleasure. They believed that this system can improve the quality of teaching.

electromagnetic fields and electromagnetic waves; virtual simulation; teaching mode

2016-07-29;

2017-02- 13

中國(guó)民航大學(xué)教育教學(xué)改革研究一般課題: "電磁場(chǎng)與電磁波"虛擬仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)(項(xiàng)目號(hào)D06-0807)

萬(wàn) 棣(1968-)，女，學(xué)士，副教授，主要從事圖像處理教學(xué)工作，Email:544515368@qq.com

G642.0

A

1008-0686(2017)04-0141-04