基于Unity 3D《電磁場(chǎng)與電磁波》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)

杜鳴笛

摘? 要：利用Unity 3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用三維可視化技術(shù)，運(yùn)用 3D max模型、Unity 3D動(dòng)畫及控制 GUI 界面，完成電磁場(chǎng)與電磁波的實(shí)驗(yàn)。這樣打破時(shí)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(jī)等） 進(jìn)行移動(dòng)式、開放式實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以清楚看到電場(chǎng)與磁場(chǎng)的分布，并且可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，使學(xué)生對(duì)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(jì)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(jì)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(chǎng)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(shí)電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類社會(huì)發(fā)布和獲取信息、探測(cè)未知世界的一種重要手段[4-6]。

利用Unity 3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用三維可視化技術(shù)，運(yùn)用 3D max模型、Unity 3D動(dòng)畫及控制 GUI 界面，完成電磁場(chǎng)與電磁波的實(shí)驗(yàn)。這樣打破時(shí)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(jī)等） 進(jìn)行移動(dòng)式、開放式實(shí)驗(yàn)。

通過虛擬仿真技術(shù)和教育科學(xué)的有機(jī)融合，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，同時(shí)為工科專業(yè)教師以及其他專業(yè)教師實(shí)施虛擬仿真教學(xué)實(shí)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(jí)一流課程提供成果支持。

2、教學(xué)內(nèi)容

（1）設(shè)計(jì)教學(xué)方案。以《電磁場(chǎng)與電磁波》實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容為導(dǎo)向，依據(jù)實(shí)驗(yàn)相關(guān)教育理論和Unity 3D虛擬仿真平臺(tái)特點(diǎn)，強(qiáng)化3D動(dòng)感實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，結(jié)合雨課堂軟件，采用靈活的實(shí)驗(yàn)方式。

（2）完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。根據(jù)本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和課程標(biāo)準(zhǔn)以及Unity 3D虛擬仿真平臺(tái)的特征，更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇體系結(jié)構(gòu)合理、邏輯結(jié)構(gòu)有序、難點(diǎn)重點(diǎn)清晰、內(nèi)容擴(kuò)展性好的實(shí)驗(yàn)。對(duì)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行精簡(jiǎn)并且優(yōu)化組合，構(gòu)建設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，并重新編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

（3）采用“Unity 3D虛擬仿真+雨課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。本項(xiàng)目將構(gòu)建好的基于Unity 3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式應(yīng)用于《電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)》的實(shí)際課程教學(xué)中，課程結(jié)束后將通過及“雨課堂”平臺(tái)的后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)這種新型教學(xué)模式的實(shí)施效果及存在的不足之處。

（4）建立新的評(píng)分體系。采用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分（ 占總分70% ） 與教師評(píng)分（ 占總分 30% ） 的復(fù)合評(píng)價(jià)方式。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分體系：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)記錄實(shí)驗(yàn)的全過程，監(jiān)控指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)步驟，或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)發(fā)開階段對(duì)實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)進(jìn)行考核設(shè)計(jì)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)操作每一步的詳細(xì)評(píng)分細(xì)則。教師評(píng)分：實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)學(xué)生提交的電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告、網(wǎng)絡(luò)在線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（如學(xué)生完成時(shí)長(zhǎng)、完成次數(shù)、最高分、最低分等） 、平時(shí)表現(xiàn)（ 包括實(shí)體實(shí)驗(yàn)部分的出勤率、交流答疑、小組團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)等） ，綜合評(píng)定給出。

3、實(shí)施過程

教學(xué)過程中主要按照準(zhǔn)備階段、設(shè)計(jì)階段、實(shí)驗(yàn)階段和總結(jié)四個(gè)階段。

（1）準(zhǔn)備階段：對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、自主學(xué)習(xí)能力進(jìn)行分析;確定團(tuán)隊(duì)分工，并準(zhǔn)備好軟硬件條件。

（2）設(shè)計(jì)階段：在前一步調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，分別對(duì)“Unity 3D”虛擬仿真線上線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法進(jìn)行設(shè)計(jì);以及完成學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)、過程監(jiān)控設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)效果測(cè)評(píng)設(shè)計(jì)。

（3）實(shí)踐階段：教師利用“雨課堂”建立并錄入實(shí)驗(yàn)課程信息、班級(jí)信息，課前發(fā)布實(shí)驗(yàn)具體要求，發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生登錄“雨課堂”及“Unity 3D”軟平臺(tái)，按要求依次進(jìn)行電磁波的傳播、電磁波的反射、電磁場(chǎng)波的極化實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖片依次上傳兩平臺(tái)，配合實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)驗(yàn)體會(huì)等自動(dòng)形成完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生在“Unity 3D”平臺(tái)上傳自己的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師可以通過雨課堂和Unity 3D管理平臺(tái)，可隨時(shí)監(jiān)控到每個(gè)學(xué)生的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師課后在線完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告批閱并及時(shí)反饋給學(xué)生。

（4）總結(jié)階段：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐結(jié)束之后，本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)方法，通過問卷調(diào)查法和訪談法進(jìn)行實(shí)踐效果評(píng)價(jià)、分析。同時(shí)，將試點(diǎn)班與對(duì)照班的線上線下學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、成績(jī)等進(jìn)行對(duì)比分析，最后進(jìn)行總結(jié)和教學(xué)反思。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)階段管理員、教師和學(xué)生在“Unity 3D”平臺(tái)的實(shí)施方案。利用信息化技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)化終端訪問平臺(tái)，設(shè)計(jì)老師管理入口、學(xué)生實(shí)驗(yàn)入口;學(xué)生實(shí)驗(yàn)入口三個(gè)登陸端口。學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程按照實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、搭建實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)仿真、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)編輯、報(bào)告整理流程執(zhí)行。學(xué)生利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源，將實(shí)驗(yàn)成績(jī)直接提交至網(wǎng)絡(luò)化終端訪問平臺(tái)。教師和管理員將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)操作、在線交流、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、成績(jī)查詢等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容集成在一起。

4、結(jié)束語(yǔ)

Unity 3D實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不僅豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的參與度和實(shí)驗(yàn)的靈活性。它極大地增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，顯著提高學(xué)生的動(dòng)手能力、工程意識(shí)和創(chuàng)新思維，這符合新工科與工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求。

參考文獻(xiàn)

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