电磁场与电磁波虚拟仿真系统的设计与开发

万 棣， 范 懿

(中国民航大学 电子信息与自动化学院， 天津 300300)

电磁场与电磁波虚拟仿真系统的设计与开发

万 棣， 范 懿

(中国民航大学 电子信息与自动化学院， 天津 300300)

电磁场与电磁波虚拟仿真系统的设计和开发，其目的是能有效地解决学生在学习“电磁场与电磁波”课程时遇到的困难。在该系统的设计过程中，使用了Matlab、AE、Cinema4D、3Dmax以及Director多种软件，进行物理过程的仿真和系统的发布。该虚拟仿真系统能提供生动形象的图像和视频，有效地辅助了课堂教学，达到了提高教学效果的目的。在调查问卷中，反馈和评价表明，学生比较乐于接受这种全方位的多媒体形式的教学方式，有利于提高教学质量。

电磁场与电磁波；虚拟仿真；教学方式

0 引言

“电磁场与电磁波”作为通信工程专业的基础课之一，其特点是: 理论性强，结构严谨，概念抽象，而且数学公式繁多、形式复杂。这给初学者带来了概念理解和数学运算上的双重困难，很容易使他们产生厌学、畏学等情绪。

如何在有限的课时内让学生掌握并能应用“电磁场与电磁波”课程的基本理论和分析方法，是教学实践中的一个突出问题。

为了解决这一问题，针对该课程的教学特点，我们设计和开发了电磁场与电磁波虚拟仿真系统，通过生动形象的视频课件辅助课堂教学，达到了提高教学效果的目的[1，2]。

1 虚拟仿真系统的设计思想

1.1 内容的梳理和框架的设计

在人类接受的信息来源中，视觉信息占70%, 听觉信息占20%。因此，任课教师通过现代化的软件，结合先进的教育思想，利用文字、图形图像、动画、声音、视频等教育教学资源制作成虚拟仿真系统，进行多媒体教学是很有必要的[3]。

根据“电磁场与电磁波“课程的教学大纲，我们通过仔细梳理教学内容，建立教学系统的框架，把难点和重点进行“可视化”，借助能进行直接演示和放映的教学资源，开发和制作了虚拟仿真教学演示系统[4]。在该系统中，主要围绕“电磁场与电磁波”课程的三个专题，设计了三个专题的核心内容：恒定电磁场、时变电磁场和电磁波的理论和应用。根据信息组块原则进行设计，包括18个模块，每个模块覆盖一个或多个知识点。图1便是电磁场与电磁波虚拟仿真系统的结构图。

图1 电磁场与电磁波虚拟仿真系统框架

1.2 多媒体技术的选择

我们在建设和开发电磁场与电磁波虚拟仿真系统过程中，通过详细分析多媒体视频制作工具，力求在利用这些多媒体课件的制作技术时，以教学性、科学性、技术性、艺术性和使用性为设计原则，突出“电磁场与电磁波”课程教学内容的特点。在设计系统时，由于Matlab、AE、Cinema4D、3Dmax四种软件各有所长，因此被选择用来制作系统中所需的演示图形和视频。以下分析这四种软件的优缺点并且进行综合对比。

Matlab由于本身具有强大的函数数据库，能够高效地进行矩阵和数组运算，但图形和图像的表现力较差，很难表现出电磁场理论的物理现象的具体过程是怎么发生的。而AE、Cinema4D、3DMax能对电磁场与电磁波物理规律的特点进行仿真，而且表现力较强。

如果利用Matlab软件仿真一个电磁波的发射的动态过程就需要一大堆程序，而如果要使这个仿真结果用其他软件打开，又需要重新编写一个保存AVI格式视频的程序，可想而知工作量巨大，但是如果直接用AE、Cinema4D、3DMax仿真就十分简洁并且呈现效果好，因为它们是直接通过绘图来完成仿真的，而且保存的格式多样，后期可以直接用多媒体平台打开，在实际教学过程中，相当方便而且效果良好。表1 将Matlab、AE、Cinema4D和3DMax这四个软件各自的优缺点进行了小结。

表1 四个软件的优缺点对比

2 模块内容的仿真

在虚拟仿真系统的设计过程中，由于系统的每个模块所描述的物理规律各不相同，其物理过程仿真要分别进行，因此我们针对不同电磁场与电磁波，选择不同的仿真软件。我们分别利用Matlab、AE、Cinema4D和3Dmax软件，有效地进行了的电磁场与电磁波仿真实践，总结如下：

(1) 对于课程内容中的点电荷的电场分布、运动电荷的磁场分布、旋转导体棒的电动势、平板电容器的位移电流、电磁波的发射、平面波的传播、波的叠加原理等这些项目都要求将一个数据结果可视化，所以选择用Matlab进行仿真是非常适合的[5]。因为Matlab自身具备函数数据库，可以进行快速准确的计算并且可以将解算结果以图片或者动画形式展现出来。如图2所示。

图2 Matlab仿真

(2) 对于课程内容中所述的横波和纵波、波的叠加原理、平面波的极化过程、垂直入射和斜入射、衍射和干涉等这些项目都有一个共同的特点就是要求在平面上将物理过程表现出来，所以选择用AE进行仿真。因为AE在制作平面动画上非常简便而且可以充分将一个物理过程以视频方式展现出来。如图3所示。

图3 AE仿真

(3) 对于课程内容所述的无限长通电导线、电偶极子、通电螺线管和运动电荷产生的磁场，用Cinema4D进行仿真实践比较合适。因为Cinema4D是一款用于制作三维动画的软件，可以通过制作三维视频去演示这些现象。如图4所示。

通电圆环的磁场 电偶极子电场 电介质的极化

通电螺线管磁场 运动电荷的磁场图4 Cinema4D仿真

(4) 对于课程内容所述的点电荷电场、顺磁质的磁化现象、电磁感应现象、平行板电容器间的位移电流，需要表现场景的物理变化过程，这些都可以通过3DMax建模进行仿真，因为3DMax具有复杂建模的能力，且动画效果逼真。如图5所示。

点电荷电场 旋转导体棒的电动势 电介质的极化

自感的磁化 顺磁质的磁化图5 3DMax仿真

3 仿真系统建立

电磁场与电磁波虚拟仿真系统主要服务于“电磁场与电磁波”课程教学，为了达到教学目标，优化教学内容，提高教学水平，使教学对象易于理解。因此在设计该系统时，其整体结构、界面、交互、导航四个方面都要进行精心考虑和设计。经过分析使用软件包工具Director进行系统设计，便具有以下5个方面的特点：

(1) 强大的功能，友好的界面，能满足用户实现设计方案的需求；

(2) 便于学习，易于上手，能在短时间内掌握多媒体制作技术；

(3) 支持扩展，可进行二次开发，能够容许使用者利用提供的开发语言完成更好的作品，实现更强的功能；

(4)兼容性强，包容性好，适用于电磁场与电磁波课件制作过程中用到的教学视频不同类型的格式。

(5) 能生成可执行文件用于课件软件的发布、推广和普及。

在建立系统时，利用AE，Cinema4D、3Dmax软件制作好的图像和视频结果(共计60多个仿真视频)添加音频进行语音说明，然后用软件包工具将其包装起来。图6是该系统的仿真截图，该系统从主界面到导航目录页，再到视频介绍页面采用了线性结构，在下一级的视频介绍页面、视频播放页面、视频相关内容页面使用的是树状结构。

在实际使用时，由于发布的“电磁场与电磁波”视频课件相对较小，方便携带、存储，可大规模应用于教学，并且只需要点击相应文字即可出现相关的仿真结果，这样可以极大的方便教师教学，增加课堂教学的趣味性，激发学生学习电磁场与电磁波的热情。

图6 电磁场与电磁波虚拟仿真系统截图

4 教学效果和学生评价

在电磁场与电磁波虚拟仿真系统前期的试用过程中，我们听取了部分2012级、2013级本科生的意见和建议并逐步完善。目前该系统已在2014级通信专业的本科生的课程教学中开始正式使用。为了了解该系统的教学效果和广大同学的评价，我们让上述三个年级的近60名学生都填写了调查问卷。学生反映能感受到这一系统的在多媒体教学方面的优势，能够有利于电磁场理论的学习和了解，比较乐于接受这一新颖的教学模式，认为有利于提高教学质量，降低了学习难度。例如，2014级通信工程专业的学生的反馈意见和建议包括：

(1) 系统中将3D动画引入到教学中，使得一些抽象的难以理解的概念、现象具体化了，让我们更容易理解。

(2) 系统丰富的多媒体手段，让我们直观地理解了课本中的抽象概念，对于学习起到了很大的帮助作用，希望增加互动环节，效果会更好。

(3) 视频图像很多都是原创的，制作得很用心，概念讲解清晰易懂，课程内容显得丰富有趣。

5 结语

电磁场与电磁波虚拟仿真系统的设计和开发，能有效地解决学生在学习“电磁场与电磁波”课程时的困难，帮助其理解抽象概念，有利于在有限的课时内让学生掌握并能应用基本理论和分析方法。在该系统中，生动形象的图像和视频课件辅助了课堂教学，达到了提高教学效果和教学质量的目的。

[1] 蒋云晨,袁立和.计算机辅助电磁波实验系统的研制与应用[J].北京:实验技术与管理,1999,16(1):4-6.

[2] 方进.建设有特色的工程电磁场教学体系促进学生创新能力培养[J].安徽:安徽师范大学学报 (自然科学版),2011,34(1):42-45.

[3] 田雨波,张贞凯,解志斌.基于Matlab的电磁场理论之可视化教学研究[J].西安:现代电子技术,2011,34(20):90-92.

[4] 李芒,蔡旻君,蒋科蔚,王妍莉.可视化教学设计方法与应用[J].兰州:电化教学研究,2013,3:16-22.

[5] 周群益,侯兆阳,刘让苏.MATLAB可视化大学物理学[M].清华大学出版社,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

中国民航大学教育教学改革研究一般课题: "电磁场与电磁波"虚拟仿真系统的开发与实现(项目号D06-0807)

万 棣(1968-)，女，学士，副教授，主要从事图像处理教学工作，Email:544515368@qq.com

G642.0

A

1008-0686(2017)04-0141-04