電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

萬 棣， 范 懿

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

電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

萬 棣， 范 懿

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

電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，其目的是能有效地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)“電磁場與電磁波”課程時遇到的困難。在該系統(tǒng)的設(shè)計過程中，使用了Matlab、AE、Cinema4D、3Dmax以及Director多種軟件，進(jìn)行物理過程的仿真和系統(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)查問卷中，反饋和評價表明，學(xué)生比較樂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。

電磁場與電磁波；虛擬仿真；教學(xué)方式

0 引言

“電磁場與電磁波”作為通信工程專業(yè)的基礎(chǔ)課之一，其特點是: 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。

如何在有限的課時內(nèi)讓學(xué)生掌握并能應(yīng)用“電磁場與電磁波”課程的基本理論和分析方法，是教學(xué)實踐中的一個突出問題。

為了解決這一問題，針對該課程的教學(xué)特點，我們設(shè)計和開發(fā)了電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)，通過生動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)計思想

1.1 內(nèi)容的梳理和框架的設(shè)計

在人類接受的信息來源中，視覺信息占70%, 聽覺信息占20%。因此，任課教師通過現(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、動畫、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)“電磁場與電磁波“課程的教學(xué)大綱，我們通過仔細(xì)梳理教學(xué)內(nèi)容，建立教學(xué)系統(tǒng)的框架，把難點和重點進(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“電磁場與電磁波”課程的三個專題，設(shè)計了三個專題的核心內(nèi)容：恒定電磁場、時變電磁場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，包括18個模塊，每個模塊覆蓋一個或多個知識點。圖1便是電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)框架

1.2 多媒體技術(shù)的選擇

我們在建設(shè)和開發(fā)電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)過程中，通過詳細(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，以教學(xué)性、科學(xué)性、技術(shù)性、藝術(shù)性和使用性為設(shè)計原則，突出“電磁場與電磁波”課程教學(xué)內(nèi)容的特點。在設(shè)計系統(tǒng)時，由于Matlab、AE、Cinema4D、3Dmax四種軟件各有所長，因此被選擇用來制作系統(tǒng)中所需的演示圖形和視頻。以下分析這四種軟件的優(yōu)缺點并且進(jìn)行綜合對比。

Matlab由于本身具有強(qiáng)大的函數(shù)數(shù)據(jù)庫，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)出電磁場理論的物理現(xiàn)象的具體過程是怎么發(fā)生的。而AE、Cinema4D、3DMax能對電磁場與電磁波物理規(guī)律的特點進(jìn)行仿真，而且表現(xiàn)力較強(qiáng)。

如果利用Matlab軟件仿真一個電磁波的發(fā)射的動態(tài)過程就需要一大堆程序，而如果要使這個仿真結(jié)果用其他軟件打開，又需要重新編寫一個保存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仿真就十分簡潔并且呈現(xiàn)效果好，因為它們是直接通過繪圖來完成仿真的，而且保存的格式多樣，后期可以直接用多媒體平臺打開，在實際教學(xué)過程中，相當(dāng)方便而且效果良好。表1 將Matlab、AE、Cinema4D和3DMax這四個軟件各自的優(yōu)缺點進(jìn)行了小結(jié)。

表1 四個軟件的優(yōu)缺點對比

2 模塊內(nèi)容的仿真

在虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計過程中，由于系統(tǒng)的每個模塊所描述的物理規(guī)律各不相同，其物理過程仿真要分別進(jìn)行，因此我們針對不同電磁場與電磁波，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)行了的電磁場與電磁波仿真實踐，總結(jié)如下：

(1) 對于課程內(nèi)容中的點電荷的電場分布、運(yùn)動電荷的磁場分布、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體棒的電動勢、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目都要求將一個數(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]。因為Matlab自身具備函數(shù)數(shù)據(jù)庫，可以進(jìn)行快速準(zhǔn)確的計算并且可以將解算結(jié)果以圖片或者動畫形式展現(xiàn)出來。如圖2所示。

圖2 Matlab仿真

(2) 對于課程內(nèi)容中所述的橫波和縱波、波的疊加原理、平面波的極化過程、垂直入射和斜入射、衍射和干涉等這些項目都有一個共同的特點就是要求在平面上將物理過程表現(xiàn)出來，所以選擇用AE進(jìn)行仿真。因為AE在制作平面動畫上非常簡便而且可以充分將一個物理過程以視頻方式展現(xiàn)出來。如圖3所示。

圖3 AE仿真

(3) 對于課程內(nèi)容所述的無限長通電導(dǎo)線、電偶極子、通電螺線管和運(yùn)動電荷產(chǎn)生的磁場，用Cinema4D進(jìn)行仿真實踐比較合適。因為Cinema4D是一款用于制作三維動畫的軟件，可以通過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 電偶極子電場 電介質(zhì)的極化

通電螺線管磁場 運(yùn)動電荷的磁場圖4 Cinema4D仿真

(4) 對于課程內(nèi)容所述的點電荷電場、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)場景的物理變化過程，這些都可以通過3DMax建模進(jìn)行仿真，因為3DMax具有復(fù)雜建模的能力，且動畫效果逼真。如圖5所示。

點電荷電場 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體棒的電動勢 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

電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)主要服務(wù)于“電磁場與電磁波”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)對象易于理解。因此在設(shè)計該系統(tǒng)時，其整體結(jié)構(gòu)、界面、交互、導(dǎo)航四個方面都要進(jìn)行精心考慮和設(shè)計。經(jīng)過分析使用軟件包工具Director進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，便具有以下5個方面的特點：

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

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

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

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

(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，利用AE，Cinema4D、3Dmax軟件制作好的圖像和視頻結(jié)果(共計60多個仿真視頻)添加音頻進(jìn)行語音說明，然后用軟件包工具將其包裝起來。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，再到視頻介紹頁面采用了線性結(jié)構(gòu)，在下一級的視頻介紹頁面、視頻播放頁面、視頻相關(guān)內(nèi)容頁面使用的是樹狀結(jié)構(gòu)。

在實際使用時，由于發(fā)布的“電磁場與電磁波”視頻課件相對較小，方便攜帶、存儲，可大規(guī)模應(yīng)用于教學(xué)，并且只需要點擊相應(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)電磁場與電磁波的熱情。

圖6 電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)截圖

4 教學(xué)效果和學(xué)生評價

在電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)前期的試用過程中，我們聽取了部分2012級、2013級本科生的意見和建議并逐步完善。目前該系統(tǒng)已在2014級通信專業(yè)的本科生的課程教學(xué)中開始正式使用。為了了解該系統(tǒng)的教學(xué)效果和廣大同學(xué)的評價，我們讓上述三個年級的近60名學(xué)生都填寫了調(diào)查問卷。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，能夠有利于電磁場理論的學(xué)習(xí)和了解，比較樂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級通信工程專業(yè)的學(xué)生的反饋意見和建議包括：

(1) 系統(tǒng)中將3D動畫引入到教學(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，對于學(xué)習(xí)起到了很大的幫助作用，希望增加互動環(huán)節(jié)，效果會更好。

(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

電磁場與電磁波虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，能有效地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)“電磁場與電磁波”課程時的困難，幫助其理解抽象概念，有利于在有限的課時內(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.計算機(jī)輔助電磁波實驗系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].北京:實驗技術(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 (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,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

中國民航大學(xué)教育教學(xué)改革研究一般課題: "電磁場與電磁波"虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)(項目號D06-0807)

萬 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