電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體動(dòng)畫教學(xué)演示軟件開發(fā)

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體動(dòng)畫教學(xué)演示軟件開發(fā)〔〕:

摘要：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)課程是電子信息學(xué)科中的一類重要專業(yè)課程，其內(nèi)容廣泛，信息量大，理論性強(qiáng)，學(xué)好該課程需要較強(qiáng)的抽象思維才能和空間想象才能。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是基于板書或者繪制靜止圖案來(lái)解釋電磁場(chǎng)與微波知識(shí)，學(xué)生只能通過(guò)靜止圖片和文字來(lái)理解課程中的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，非常抽象。文章采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，使用wxpython設(shè)計(jì)庫(kù)和布局輔助工具wxFormBuilder構(gòu)建GUI界面，設(shè)計(jì)了一款電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體動(dòng)畫教學(xué)演示軟件，有效進(jìn)步了課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)；微波技術(shù)；多媒體；面向?qū)ο?；軟件設(shè)計(jì)

本文引用格式：張海.電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體動(dòng)畫教學(xué)演示軟件開發(fā)[J].教育現(xiàn)代化，2022，6〔31〕：103-107+124.

隨著信息技術(shù)的飛速開展，作為信息主要載體的電磁場(chǎng)與微波，不僅在衛(wèi)星通信、挪動(dòng)通信、雷達(dá)、微波遙感等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且深化到了各行各業(yè)，甚至步入到人們的日常生活中【1】。因此，對(duì)于電子與通信專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，?電磁場(chǎng)?、?微波技術(shù)?與?天線設(shè)計(jì)?等超高頻技術(shù)類課程的學(xué)習(xí)顯得尤為重要。此類課程涉及到電磁場(chǎng)理論、微波器件以及天線技術(shù)，內(nèi)容廣泛，信息量大，理論性強(qiáng)，所用的物理學(xué)、高等數(shù)學(xué)、電磁場(chǎng)理論等根底知識(shí)比擬多，要求學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)根底，是電子信息類專業(yè)課程中比擬難學(xué)的核心課程【2】。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是基于黑板書寫或者畫出靜止圖案來(lái)解釋電磁場(chǎng)與微波知識(shí)，由于課程內(nèi)容的抽象性，只能看著場(chǎng)分布的靜止圖像來(lái)理解微波課程中的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，這無(wú)論是對(duì)教師或是學(xué)生，都是非常低效的。多媒體應(yīng)用教學(xué)是指師生在教學(xué)輔導(dǎo)課程過(guò)程中，根據(jù)教學(xué)目的和教學(xué)對(duì)象的特性，通過(guò)現(xiàn)代化多媒體教學(xué)的合理使用以及傳統(tǒng)教學(xué)方法的組合教學(xué)過(guò)程。多媒體應(yīng)用教學(xué)需要師生一起參與，通過(guò)多媒體信息技術(shù)及合理的教育方法為學(xué)生形成高效的教學(xué)過(guò)程，到達(dá)良好的教學(xué)效果【3】。假設(shè)將抽象的公式和文字通過(guò)多媒體技術(shù)一起使用，那么可使教學(xué)過(guò)程變得相對(duì)高效和簡(jiǎn)單【4】。例如在微波傳輸線的教學(xué)過(guò)程中，假設(shè)可以通過(guò)動(dòng)畫演示，展示不同狀態(tài)下傳輸線上電壓、電流波形的變化情況，就能使得學(xué)生對(duì)傳輸線不同工作狀態(tài)變化情況一目了然【5】。此外，微波技術(shù)中有關(guān)波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)分布也是教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)較為抽象的局部。假設(shè)能將波導(dǎo)中場(chǎng)的分布與軟件技術(shù)結(jié)合展現(xiàn)，那么不但可使學(xué)生加深對(duì)理論的理解，同時(shí)也可進(jìn)步學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情【6】。

本文就是基于以上背景，設(shè)計(jì)了一款電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體教學(xué)演示軟件，整個(gè)系統(tǒng)的功能包括：均勻傳輸線的仿真及工作參數(shù)求解【7】，繪制各種狀態(tài)下傳輸線上的動(dòng)態(tài)波形，波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)分布情況演示，平面波的投射、反射與折射，波的極化以及微波技術(shù)學(xué)科在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中的應(yīng)用表達(dá)等。軟件詳細(xì)的功能框架如圖1所示。

一軟件設(shè)計(jì)工具與相關(guān)技術(shù)

本套教學(xué)演示軟件采用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言Python進(jìn)展編寫與開發(fā)，調(diào)用了Python自帶的軟件庫(kù)及Numpy、WxPython、Matplotlib等對(duì)其進(jìn)展設(shè)計(jì)，并使用wxFormBuilder、FlashCS6、pyinstaller、enigmavirtualbox等應(yīng)用軟件對(duì)程序進(jìn)展輔助設(shè)計(jì)[8]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的重點(diǎn)包括：GUI布局、仿真程序的代碼編寫、素材的制作以及程序的易用性[9]。針對(duì)以上的功能實(shí)現(xiàn)，使用輔助工具wxFormBuilder和手動(dòng)編寫WxPython代碼對(duì)整體GUI進(jìn)展構(gòu)造上的布局，使用Numpy和Matplotlib對(duì)仿真過(guò)程中的無(wú)耗傳輸線方程進(jìn)展計(jì)算求解，以及傳輸線上電壓和電流波形的動(dòng)態(tài)演示，使用FlashCS6對(duì)素材進(jìn)展整合和裁剪，利用pyinstaller和enigmavirtualbox對(duì)源代碼文件和素材進(jìn)展打包，并封裝成單獨(dú)可執(zhí)行文件，以到達(dá)易用性的目的[10]。

二軟件需求分析與設(shè)計(jì)流程

在電子信息類課程的教學(xué)中，電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的教學(xué)是其中一個(gè)重點(diǎn)也是難點(diǎn)。目前的微波技術(shù)教學(xué)主要采用文字、靜態(tài)圖像資料或PPT來(lái)進(jìn)展教學(xué)，從而導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程中存在以下難點(diǎn)：〔1〕教學(xué)資源稀少，目前書本中提供的電磁場(chǎng)與微波圖例較少且抽象；〔2〕圖案不夠形象，傳統(tǒng)書本教材所提供的圖例都為靜態(tài)圖片，假設(shè)沒(méi)有對(duì)電磁學(xué)有一定深化的理解，很難從靜態(tài)圖片中體會(huì)到電磁學(xué)中物理量的動(dòng)態(tài)變化，而這一缺點(diǎn)是采用書本教學(xué)無(wú)法防止的?！?〕電磁學(xué)的理論較為抽象，并且復(fù)雜，單純的使用圖像和文本板書的形式不僅加大了學(xué)生對(duì)這些理論的認(rèn)知難度，同時(shí)也難以進(jìn)步學(xué)生的興趣。采用多媒體技術(shù)輔助教學(xué)是有效進(jìn)步教學(xué)效果的重要途徑，通過(guò)播放電磁場(chǎng)與微波技術(shù)課程中的演示動(dòng)畫，理論與理論相結(jié)合，使學(xué)生自發(fā)地理解和掌握課本知識(shí)。同時(shí)，有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，深化理解課程內(nèi)容。

基于以上考慮，對(duì)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體動(dòng)畫演示軟件的開發(fā)需求就顯得非常重要，通過(guò)整理微波技術(shù)的教學(xué)資源，并利用動(dòng)態(tài)圖像，動(dòng)畫，視頻等多媒體資源來(lái)對(duì)枯燥的電磁學(xué)公式進(jìn)展解釋，把課本上一些復(fù)雜的理論知識(shí)，通過(guò)多媒體的形式表現(xiàn)出來(lái)，從而有利于加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的直觀感受，從而幫助學(xué)生對(duì)微波技術(shù)專業(yè)知識(shí)的理解，獲得更好的教學(xué)效果。因此，基于多媒體技術(shù)的電磁場(chǎng)與微波技術(shù)教學(xué)軟件的開發(fā)，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

〔一〕演示界面切換需求

在電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體教學(xué)演示軟件系統(tǒng)中，主界面為微波技術(shù)理論中的傳輸線仿真界面。界面的按鍵主要分成三種：一種是轉(zhuǎn)換傳輸線類型的按鍵，一種是顯示和隱藏電壓、電流波形的按鍵，另一種那么是控制仿真程序啟動(dòng)和暫停的按鍵。軟件具備的按鍵控制功能為：根據(jù)用戶點(diǎn)擊的轉(zhuǎn)換按鍵分別展示不同的傳輸線電路圖和不同的參數(shù)輸入框；根據(jù)用戶點(diǎn)擊的顯示和隱藏按鍵，分別展示所要求展示的波形；根據(jù)用戶點(diǎn)擊的啟動(dòng)和暫停按鍵，決定動(dòng)態(tài)波形的演示和暫停。

〔二〕參數(shù)輸入輸出控制需求

參數(shù)輸入控制是結(jié)合按鍵控制功能中"傳輸線類型轉(zhuǎn)換按鍵";來(lái)設(shè)計(jì)的。根據(jù)設(shè)定不同的傳輸線類型更換不同的參數(shù)輸入控制，默認(rèn)只允許用戶自定義輸入輸出阻抗，并且選擇性地根據(jù)傳輸線類型開放和鎖定輸出阻抗的不同輸入框。默認(rèn)鎖定制止用戶定義傳輸線的特征參數(shù)的輸出結(jié)果，并且初值為空。當(dāng)輸入?yún)?shù)完畢后，按下開始按鍵，軟件會(huì)根據(jù)給定的輸入?yún)?shù)計(jì)算得到輸出結(jié)果，并將計(jì)算結(jié)果反響到輸出框上。

?〔三〕菜單控制需求

在該軟件系統(tǒng)中，菜單的主要作用是控制Flash動(dòng)畫的窗口彈出，為下一步播放作準(zhǔn)備。菜單內(nèi)容主要分為五個(gè)局部：波導(dǎo)、波投射、極化波、其他應(yīng)用及版權(quán)信息等。波導(dǎo)菜單用來(lái)演示不同波導(dǎo)形式內(nèi)部電磁場(chǎng)分布的動(dòng)態(tài)效果；波投射用來(lái)演示均勻平面波在不同介質(zhì)中的反射、透射情況，以及平面電磁波在介質(zhì)中的傳播和衰減情況；極化波用來(lái)演示不同極化波的合成過(guò)程，及其在空間的動(dòng)態(tài)傳播過(guò)程動(dòng)畫；其他菜單用來(lái)演示電磁場(chǎng)與微波技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中的應(yīng)用領(lǐng)域，以及展示軟件的作者和版權(quán)信息。

〔四〕圖形圖像需求及Flash動(dòng)畫需求

圖形和圖像抽象化程度相比于文字較低，它能通過(guò)豐富的圖案和層次感表達(dá)出有用信息，具有可以反響客觀世界的屬性，并且可以承載更多的信息量。本文的目的是通過(guò)所設(shè)計(jì)軟件的主界面電路示意圖，可以明晰地確定正在仿真的傳輸線類型。Flash動(dòng)畫可以模擬客觀事件的變化及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而突出變化的事物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的本質(zhì)規(guī)律，更加生動(dòng)形象地展示和傳遞信息。同時(shí)，使用Flash動(dòng)畫可以進(jìn)步學(xué)生的興趣，獲得較好的教學(xué)效果。本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)lash動(dòng)畫素材占據(jù)大多數(shù)的多媒體演示，包括波導(dǎo)的場(chǎng)分布，均勻平面波的投射，極化波的動(dòng)態(tài)展示，以及微波技術(shù)在實(shí)際生活當(dāng)中的應(yīng)用等。基于以上需求分析，本文所采用的軟件設(shè)計(jì)流程及思路如圖2所示。

三軟件設(shè)計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)與效果展示

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體教學(xué)軟件的開發(fā)目的是為了在教學(xué)過(guò)程中，充分發(fā)揮多媒體素材的直觀性與交互性，動(dòng)態(tài)畫面的展示效果并且易于使用。因此，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)以及發(fā)布設(shè)計(jì)等三個(gè)方面[11]。

〔一〕界面設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體教學(xué)演示軟件的主界面如圖3所示，主要由窗口、菜單、按鈕、文本框等元素組成。界面的布局就是對(duì)系統(tǒng)組件的布置、擺放以及對(duì)不同的控件素材進(jìn)展整合與設(shè)計(jì)，從而使得多媒體教學(xué)軟件可以以適宜、科學(xué)的運(yùn)行狀態(tài)被用戶翻開，并且展示整個(gè)軟件的友好的交互界面[12]。界面的設(shè)計(jì)遵循簡(jiǎn)單、實(shí)用、風(fēng)格統(tǒng)一的原那么，程序的最頂部為功能菜單欄，用于完成主界面與副界面的交換。主界面為微波傳輸線的狀態(tài)分析仿真界面，副界面為Flash動(dòng)畫的展示。在主界面中，將內(nèi)容展示放在界面的正中心，以到達(dá)用戶的視覺(jué)中心及主體突出的效果。內(nèi)容展示分為兩局部，上半局部為波形的動(dòng)態(tài)仿真區(qū)域，用于顯示傳輸線上電壓和電流的波形仿真結(jié)果，即動(dòng)態(tài)展示行波、駐波、行駐波的效果。下半局部為傳輸線電路示意圖，可以通過(guò)該局部確定傳輸線的仿真類型以及波形與傳輸線位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在內(nèi)容展示下方設(shè)置主要交互界面，用于對(duì)展示的內(nèi)容進(jìn)展操作，包括切換傳輸線的負(fù)載類型，輸入負(fù)載參數(shù)，翻開或關(guān)閉電壓電流顯示選項(xiàng)，啟動(dòng)和暫停波形仿真，滿足用戶的操作習(xí)慣[13]。

〔二〕交互設(shè)計(jì)

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體教學(xué)軟件的交互設(shè)計(jì)主要表達(dá)在用戶與仿真界面的交互，用戶與參數(shù)輸入輸出框的交互，及用戶與Flash動(dòng)畫的交互三個(gè)方面。用戶可通過(guò)仿真界面上的按鈕切換不同的傳輸線模型，從而進(jìn)展不同類型的傳輸線仿真。仿真界面擁有四個(gè)控制按鈕，分別用于仿真波形的啟動(dòng)、暫停，電壓電流的顯示開關(guān)，用戶可通過(guò)這四個(gè)按鈕進(jìn)展與仿真界面的交互。在用戶選擇傳輸線類型之后，參數(shù)的輸入輸出框會(huì)隨之改變以適應(yīng)模型，用戶可通過(guò)輸入框輸入合法參數(shù)，在點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕后程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算得出模型參數(shù)的計(jì)算結(jié)果并顯示在輸出框，從而到達(dá)用戶與參數(shù)輸入輸出框的交互。另外，通過(guò)菜單欄可啟用Flash動(dòng)畫演示功能，在彈出窗口中的Flash有內(nèi)嵌必要的交互按鈕，根據(jù)不同的Flash類型，交互按鈕有所不同。其主要功能有開始和暫停動(dòng)畫演示，必要的參數(shù)輸入輸出，及控制動(dòng)畫的播放速度等，用戶可通過(guò)這些按鈕實(shí)現(xiàn)與Flash演示動(dòng)畫的交互。

〔三〕發(fā)布設(shè)計(jì)

為了方便使用，本軟件采用了打包單文件形式發(fā)布。將編寫的程序源代碼利用pyinstaller進(jìn)展打包，生成單文件可執(zhí)行程序。再將該可執(zhí)行程序利用文件虛擬化技術(shù)，同所使用的資源文件一起再進(jìn)展打包，最終形成一個(gè)可直接解壓，無(wú)須依賴其他文件運(yùn)行的可執(zhí)行文件。Pyinstaller是一個(gè)用python編寫的打包文件工具，它具有將python工程封裝成單個(gè)文件的功能。由于python程序的運(yùn)行依賴于python的環(huán)境，在其他的操作系統(tǒng)上可能未擁有相應(yīng)的環(huán)境，再者本程序所使用的第三方工具包可能在不同環(huán)境下也有所不同，加之python系統(tǒng)版本差異等原因，所以要使python程序能在其他機(jī)器上運(yùn)行，將其打包發(fā)布是必要的。

〔四〕flash播放功能實(shí)現(xiàn)

在菜單欄中點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單工程，軟件可以從本地中獲取同名flash資源對(duì)其進(jìn)展播放。flash播放功能的實(shí)現(xiàn)，其過(guò)程為，按下按鍵后彈出一個(gè)wxpython新彈窗，加載系統(tǒng)的ActiveX控件播放相應(yīng)的flash視頻。窗口大小等按照傳入?yún)?shù)即文件名進(jìn)展讀取并啟用ActiveX進(jìn)展播放。圖4所示為橢圓極化波的flash動(dòng)畫演示，圖5所示為平面電磁波投射到兩層介質(zhì)分界面上的flash動(dòng)畫演示。

五結(jié)論

本文設(shè)計(jì)和開發(fā)了一款電磁場(chǎng)與微波技術(shù)多媒體動(dòng)畫教學(xué)演示軟件。首先，介紹了多媒體動(dòng)畫教學(xué)的開展歷史與現(xiàn)狀，同時(shí)根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，分析軟件的需求及重點(diǎn)與難點(diǎn)。其次，通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)該教學(xué)演示軟件，比擬直觀地展現(xiàn)了如何將多媒體教學(xué)素材和相關(guān)專業(yè)知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合，為其它的基于PC端的多媒體教學(xué)演示軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供參考。再次，將源程序文件與多媒體素材二次打包封裝，將本來(lái)依賴于編譯環(huán)境和素材資源的程序工程文件夾轉(zhuǎn)換成一個(gè)單文件的可執(zhí)行程序，為今后將桌面多文件程序封裝成單文件應(yīng)用程序提供借鑒。最后，通過(guò)本次設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，展現(xiàn)了采用Python語(yǔ)言開發(fā)的簡(jiǎn)便性；通過(guò)把電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的抽象知識(shí)轉(zhuǎn)化為詳細(xì)動(dòng)畫演示的過(guò)程也顯示了多媒體動(dòng)畫教學(xué)的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

【1】謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場(chǎng)與電磁波[M].高等教育出版社，2022,11.

【2】梁昌洪，謝擁軍，官伯然.簡(jiǎn)明微波[M].高等教育出版社，2022,7.

【3】鄭慶慶，吳謹(jǐn).電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)方法的探究與考慮[J].科技信息,2022(8):4-6.

【4】初建杰,王聰.開放互通式多媒體教學(xué)環(huán)境的智慧干預(yù)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2022/