電磁場與微波技術多媒體動畫教學研究

導語：電磁場與微波技術多媒體動畫教學研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一軟件設計工具與相關技術

本套教學演示軟件采用面向對象語言Python進行編寫與開發，調用了Python自帶的軟件庫及Numpy、WxPython、Matplotlib等對其進行設計，并使用wxFormBuilder、FlashCS6、pyinstaller、enigmavirtualbox等應用軟件對程序進行輔助設計[8]。系統實現功能的重點包括：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]。針對以上的功能實現，使用輔助工具wxFormBuilder和手動編寫WxPython代碼對整體GUI進行結構上的布局，使用Numpy和Matplotlib對仿真過程中的無耗傳輸線方程進行計算求解，以及傳輸線上電壓和電流波形的動態演示，使用FlashCS6對素材進行整合和裁剪，利用pyinstaller和enigmavirtualbox對源代碼文件和素材進行打包，并封裝成單獨可執行文件，以達到易用性的目的[10]。

二軟件需求分析與設計流程

在電子信息類課程的教學中，電磁場與微波技術的教學是其中一個重點也是難點。目前的微波技術教學主要采用文字、靜態圖像資料或PPT來進行教學，從而導致教學過程中存在以下難點：（1）教學資源稀少，目前書本中提供的電磁場與微波圖例較少且抽象；（2）圖案不夠形象，傳統書本教材所提供的圖例都為靜態圖片，如果沒有對電磁學有一定深入的理解，很難從靜態圖片中體會到電磁學中物理量的動態變化，而這一缺點是采用書本教學無法避免的。（3）電磁學的理論較為抽象，并且復雜，單純的使用圖像和文本板書的形式不僅加大了學生對這些理論的認知難度，同時也難以提高學生的興趣。采用多媒體技術輔助教學是有效提高教學效果的重要途徑，通過播放電磁場與微波技術課程中的演示動畫，理論與實踐相結合，使學生自發地理解和掌握課本知識。同時，有利于提升學生的學習效率，深入理解課程內容。基于以上考慮，對電磁場與微波技術多媒體動畫演示軟件的開發需求就顯得十分重要，通過整理微波技術的教學資源，并利用動態圖像，動畫，視頻等多媒體資源來對枯燥的電磁學公式進行解釋，把課本上一些復雜的理論知識，通過多媒體的形式表現出來，從而有利于加深學生對相關理論的直觀感受，從而幫助學生對微波技術專業知識的理解，取得更好的教學效果。因此，基于多媒體技術的電磁場與微波技術教學軟件的開發，具有十分重要的現實意義。（一）演示界面切換需求。在電磁場與微波技術多媒體教學演示軟件系統中，主界面為微波技術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，另一種則是控制仿真程序啟動和暫停的按鍵。軟件具備的按鍵控制功能為：根據用戶點擊的轉換按鍵分別展示不同的傳輸線電路圖和不同的參數輸入框；根據用戶點擊的顯示和隱藏按鍵，分別展示所要求展示的波形；根據用戶點擊的啟動和暫停按鍵，決定動態波形的演示和暫停。（二）參數輸入輸出控制需求。參數輸入控制是結合按鍵控制功能中“傳輸線類型轉換按鍵”來設計的。根據設定不同的傳輸線類型更換不同的參數輸入控制，默認只允許用戶自定義輸入輸出阻抗，并且選擇性地根據傳輸線類型開放和鎖定輸出阻抗的不同輸入框。默認鎖定禁止用戶定義傳輸線的特征參數的輸出結果，并且初值為空。當輸入參數完畢后，按下開始按鍵，軟件會根據給定的輸入參數計算得到輸出結果，并將計算結果反饋到輸出框上。（三）菜單控制需求。在該軟件系統中，菜單的主要作用是控制Flash動畫的窗口彈出，為下一步播放作準備。菜單內容主要分為五個部分：波導、波投射、極化波、其他應用及版權信息等。波導菜單用來演示不同波導形式內部電磁場分布的動態效果；波投射用來演示均勻平面波在不同介質中的反射、透射情況，以及平面電磁波在介質中的傳播和衰減情況；極化波用來演示不同極化波的合成過程，及其在空間的動態傳播過程動畫；其他菜單用來演示電磁場與微波技術在現實生活當中的應用領域，以及展示軟件的作者和版權信息。（四）圖形圖像需求及Flash動畫需求。圖形和圖像抽象化程度相比于文字較低，它能通過豐富的圖案和層次感表達出有用信息，具有能夠反應客觀世界的屬性，并且能夠承載更多的信息量。本文的目標是通過所設計軟件的主界面電路示意圖，能夠清晰地確定正在仿真的傳輸線類型。Flash動畫能夠模擬客觀事件的變化及運動過程，從而突出變化的事物在運動過程中的本質規律，更加生動形象地展示和傳遞信息。同時，使用Flash動畫能夠提高學生的興趣，獲得較好的教學效果。本設計中，Flash動畫素材占據大多數的多媒體演示，包括波導的場分布，均勻平面波的投射，極化波的動態展示，以及微波技術在實際生活當中的應用等。基于以上需求分析，本文所采用的軟件設計流程及思路如圖2所示。

三軟件設計的功能實現與效果展示

電磁場與微波技術多媒體教學軟件的開發目的是為了在教學過程中，充分發揮多媒體素材的直觀性與交互性，動態畫面的展示效果并且易于使用。因此，軟件系統的設計內容主要包括系統的界面設計、交互設計以及設計等三個方面[11]。（一）界面設計。本文所設計的電磁場與微波技術多媒體教學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。界面的布局就是對系統組件的布置、擺放以及對不同的控件素材進行整合與設計，從而使得多媒體教學軟件能夠以合適、科學的運行狀態被用戶打開，并且展示整個軟件的友好的交互界面[12]。界面的設計遵循簡單、實用、風格統一的原則，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分析仿真界面，副界面為Flash動畫的展示。在主界面中，將內容展示放在界面的正中心，以達到用戶的視覺中心及主體突出的效果。內容展示分為兩部分，上半部分為波形的動態仿真區域，用于顯示傳輸線上電壓和電流的波形仿真結果，即動態展示行波、駐波、行駐波的效果。下半部分為傳輸線電路示意圖，可以通過該部分確定傳輸線的仿真類型以及波形與傳輸線位置的對應關系。在內容展示下方設置主要交互界面，用于對展示的內容進行操作，包括切換傳輸線的負載類型，輸入負載參數，打開或關閉電壓電流顯示選項，啟動和暫停波形仿真，滿足用戶的操作習慣[13]。（二）交互設計。電磁場與微波技術多媒體教學軟件的交互設計主要體現在用戶與仿真界面的交互，用戶與參數輸入輸出框的交互，及用戶與Flash動畫的交互三個方面。用戶可通過仿真界面上的按鈕切換不同的傳輸線模型，從而進行不同類型的傳輸線仿真。仿真界面擁有四個控制按鈕，分別用于仿真波形的啟動、暫停，電壓電流的顯示開關，用戶可通過這四個按鈕進行與仿真界面的交互。在用戶選擇傳輸線類型之后，參數的輸入輸出框會隨之改變以適應模型，用戶可通過輸入框輸入合法參數，在點擊啟動按鈕后程序會自動計算得出模型參數的計算結果并顯示在輸出框，從而達到用戶與參數輸入輸出框的交互。另外，通過菜單欄可啟用Flash動畫演示功能，在彈出窗口中的Flash有內嵌必要的交互按鈕，根據不同的Flash類型，交互按鈕有所不同。其主要功能有開始和暫停動畫演示，必要的參數輸入輸出，及控制動畫的播放速度等，用戶可通過這些按鈕實現與Flash演示動畫的交互。（三）設計。為了方便使用，本軟件采用了打包單文件形式。將編寫的程序源代碼利用pyinstaller進行打包，生成單文件可執行程序。再將該可執行程序利用文件虛擬化技術，同所使用的資源文件一起再進行打包，最終形成一個可直接解壓，無須依賴其他文件運行的可執行文件。Pyinstaller是一個用python編寫的打包文件工具，它具有將python工程封裝成單個文件的功能。由于python程序的運行依賴于python的環境，在其他的操作系統上可能未擁有相應的環境，再者本程序所使用的第三方工具包可能在不同環境下也有所不同，加之python系統版本差異等原因，所以要使python程序能在其他機器上運行，將其打包是必要的。（四）flash播放功能實現。在菜單欄中點擊相應的菜單項目，軟件能夠從本地中獲取同名flash資源對其進行播放。flash播放功能的實現，其過程為，按下按鍵后彈出一個wxpython新彈窗，加載系統的ActiveX控件播放相應的flash視頻。窗口大小等依照傳入參數即文件名進行讀取并啟用ActiveX進行播放。圖4所示為橢圓極化波的flash動畫演示，圖5所示為平面電磁波投射到兩層介質分界面上的flash動畫演示。五結論本文設計和開發了一款電磁場與微波技術多媒體動畫教學演示軟件。首先，介紹了多媒體動畫教學的發展歷史與現狀，同時根據所要實現的功能，分析軟件的需求及重點與難點。其次，通過設計和實現該教學演示軟件，比較直觀地展現了如何將多媒體教學素材和相關專業知識點相結合，為其它的基于PC端的多媒體教學演示軟件的設計和實現提供參考。再次，將源程序文件與多媒體素材二次打包封裝，將原本依賴于編譯環境和素材資源的程序工程文件夾轉換成一個單文件的可執行程序，為今后將桌面多文件程序封裝成單文件應用程序提供借鑒。最后，通過本次設計和實現，展現了采用Python語言開發的簡便性；通過把電磁場與微波技術的抽象知識轉化為具體動畫演示的過程也顯示了多媒體動畫教學的優越性。

作者:張海 單位:華僑大學信息科學與工程學院