基于Unity 3D《電磁場與電磁波》虛擬仿真實驗的教學(xué)

杜鳴笛

摘? 要：利用Unity 3D虛擬仿真實驗系統(tǒng)，采用三維可視化技術(shù)，運用 3D max模型、Unity 3D動畫及控制 GUI 界面，完成電磁場與電磁波的實驗。這樣打破時間、空間的局限，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)本地下載，利用手持式設(shè)備（ 平板電腦和手機等） 進行移動式、開放式實驗。學(xué)生可以清楚看到電場與磁場的分布，并且可以進行動態(tài)仿真，使學(xué)生對課程中的概念有更深入的理解。

1前言

目前隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)的迅猛發(fā)展，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了挑戰(zhàn)[1-3]。電磁場與電磁波作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能源之一，同時電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類社會發(fā)布和獲取信息、探測未知世界的一種重要手段[4-6]。

利用Unity 3D虛擬仿真實驗系統(tǒng)，采用三維可視化技術(shù)，運用 3D max模型、Unity 3D動畫及控制 GUI 界面，完成電磁場與電磁波的實驗。這樣打破時間、空間的局限，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)本地下載，利用手持式設(shè)備（ 平板電腦和手機等） 進行移動式、開放式實驗。

通過虛擬仿真技術(shù)和教育科學(xué)的有機融合，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，同時為工科專業(yè)教師以及其他專業(yè)教師實施虛擬仿真教學(xué)實踐提供可參考的研究視角和建設(shè)性建議，為學(xué)校建設(shè)省級一流課程提供成果支持。

2、教學(xué)內(nèi)容

（1）設(shè)計教學(xué)方案。以《電磁場與電磁波》實驗課程內(nèi)容為導(dǎo)向，依據(jù)實驗相關(guān)教育理論和Unity 3D虛擬仿真平臺特點，強化3D動感實驗項目設(shè)計，結(jié)合雨課堂軟件，采用靈活的實驗方式。

（2）完善實驗內(nèi)容。根據(jù)本課程實驗教學(xué)大綱和課程標(biāo)準(zhǔn)以及Unity 3D虛擬仿真平臺的特征，更新實驗內(nèi)容，選擇體系結(jié)構(gòu)合理、邏輯結(jié)構(gòu)有序、難點重點清晰、內(nèi)容擴展性好的實驗。對基礎(chǔ)性實驗和驗證型實驗進行精簡并且優(yōu)化組合，構(gòu)建設(shè)計性實驗和綜合性實驗，并重新編寫實驗指導(dǎo)書。

（3）采用“Unity 3D虛擬仿真+雨課堂”實驗教學(xué)模式。本項目將構(gòu)建好的基于Unity 3D虛擬仿真實驗教學(xué)模式應(yīng)用于《電磁場與電磁波實驗》的實際課程教學(xué)中，課程結(jié)束后將通過及“雨課堂”平臺的后臺數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，總結(jié)這種新型教學(xué)模式的實施效果及存在的不足之處。

（4）建立新的評分體系。采用實驗系統(tǒng)自動評分（ 占總分70% ） 與教師評分（ 占總分 30% ） 的復(fù)合評價方式。實驗系統(tǒng)自動評分體系：實驗平臺記錄實驗的全過程，監(jiān)控指導(dǎo)學(xué)生的實驗步驟，或?qū)嶒炏到y(tǒng)發(fā)開階段對實驗各環(huán)節(jié)進行考核設(shè)計，設(shè)置實驗操作每一步的詳細評分細則。教師評分：實驗教師根據(jù)學(xué)生提交的電子版實驗報告、網(wǎng)絡(luò)在線統(tǒng)計數(shù)據(jù)（如學(xué)生完成時長、完成次數(shù)、最高分、最低分等） 、平時表現(xiàn)（ 包括實體實驗部分的出勤率、交流答疑、小組團隊表現(xiàn)等） ，綜合評定給出。

3、實施過程

教學(xué)過程中主要按照準(zhǔn)備階段、設(shè)計階段、實驗階段和總結(jié)四個階段。

（1）準(zhǔn)備階段：對學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、自主學(xué)習(xí)能力進行分析;確定團隊分工，并準(zhǔn)備好軟硬件條件。

（2）設(shè)計階段：在前一步調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，分別對“Unity 3D”虛擬仿真線上線下實驗教學(xué)內(nèi)容、方法進行設(shè)計;以及完成學(xué)習(xí)活動的設(shè)計、過程監(jiān)控設(shè)計，學(xué)習(xí)效果測評設(shè)計。

（3）實踐階段：教師利用“雨課堂”建立并錄入實驗課程信息、班級信息，課前發(fā)布實驗具體要求，發(fā)布實驗任務(wù)。學(xué)生登錄“雨課堂”及“Unity 3D”軟平臺，按要求依次進行電磁波的傳播、電磁波的反射、電磁場波的極化實驗等實驗，將實驗數(shù)據(jù)和圖片依次上傳兩平臺，配合實驗分析和實驗體會等自動形成完整的實驗報告，學(xué)生在“Unity 3D”平臺上傳自己的實驗報告。教師可以通過雨課堂和Unity 3D管理平臺，可隨時監(jiān)控到每個學(xué)生的整個實驗過程，驗收實驗結(jié)果，教師課后在線完成實驗報告批閱并及時反饋給學(xué)生。

（4）總結(jié)階段：在實驗教學(xué)實踐結(jié)束之后，本項目將設(shè)計應(yīng)用效果評價方法，通過問卷調(diào)查法和訪談法進行實踐效果評價、分析。同時，將試點班與對照班的線上線下學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、成績等進行對比分析，最后進行總結(jié)和教學(xué)反思。

對于實驗階段管理員、教師和學(xué)生在“Unity 3D”平臺的實施方案。利用信息化技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)化終端訪問平臺，設(shè)計老師管理入口、學(xué)生實驗入口;學(xué)生實驗入口三個登陸端口。學(xué)生實驗過程按照實驗準(zhǔn)備、搭建實驗、實驗仿真、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)編輯、報告整理流程執(zhí)行。學(xué)生利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)實驗資源，將實驗成績直接提交至網(wǎng)絡(luò)化終端訪問平臺。教師和管理員將實驗指導(dǎo)、實驗操作、在線交流、實驗報告、成績查詢等實驗內(nèi)容集成在一起。

4、結(jié)束語

Unity 3D實驗教學(xué)模式不僅豐富了實驗內(nèi)容，還提高了學(xué)生對實驗的參與度和實驗的靈活性。它極大地增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，顯著提高學(xué)生的動手能力、工程意識和創(chuàng)新思維，這符合新工科與工程教育專業(yè)認證的要求。

參考文獻

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