基于Unity 3D《電磁場與電磁波》虛擬仿真實驗的教學

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，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，學生通過網絡本地下載，利用手持式設備（ 平板電腦和手機等） 進行移動式、開放式實驗。學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，使學生對課程中的概念有更深入的理解。

1前言

目前隨著大數據、云計算、人工智能、網絡安全等技術的迅猛發(fā)展，以新技術、新業(yè)態(tài)、新模式、新產業(yè)為代表的新經濟領域對傳統(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，是當今世界最重要的能源之一，同時電磁波作為信息傳輸的載體，成為當今人類社會發(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，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，學生通過網絡本地下載，利用手持式設備（ 平板電腦和手機等） 進行移動式、開放式實驗。

通過虛擬仿真技術和教育科學的有機融合，激發(fā)學生的主觀能動性和學習興趣，提高學習效率，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實踐提供可參考的研究視角和建設性建議，為學校建設省級一流課程提供成果支持。

2、教學內容

（1）設計教學方案。以《電磁場與電磁波》實驗課程內容為導向，依據實驗相關教育理論和Unity 3D虛擬仿真平臺特點，強化3D動感實驗項目設計，結合雨課堂軟件，采用靈活的實驗方式。

（2）完善實驗內容。根據本課程實驗教學大綱和課程標準以及Unity 3D虛擬仿真平臺的特征，更新實驗內容，選擇體系結構合理、邏輯結構有序、難點重點清晰、內容擴展性好的實驗。對基礎性實驗和驗證型實驗進行精簡并且優(yōu)化組合，構建設計性實驗和綜合性實驗，并重新編寫實驗指導書。

（3）采用“Unity 3D虛擬仿真+雨課堂”實驗教學模式。本項目將構建好的基于Unity 3D虛擬仿真實驗教學模式應用于《電磁場與電磁波實驗》的實際課程教學中，課程結束后將通過及“雨課堂”平臺的后臺數據進行統(tǒng)計分析，總結這種新型教學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)控指導學生的實驗步驟，或實驗系統(tǒng)發(fā)開階段對實驗各環(huán)節(jié)進行考核設計，設置實驗操作每一步的詳細評分細則。教師評分：實驗教師根據學生提交的電子版實驗報告、網絡在線統(tǒng)計數據（如學生完成時長、完成次數、最高分、最低分等） 、平時表現（ 包括實體實驗部分的出勤率、交流答疑、小組團隊表現等） ，綜合評定給出。

3、實施過程

教學過程中主要按照準備階段、設計階段、實驗階段和總結四個階段。

（1）準備階段：對學生的學習需求、自主學習能力進行分析;確定團隊分工，并準備好軟硬件條件。

（2）設計階段：在前一步調查分析的基礎上，分別對“Unity 3D”虛擬仿真線上線下實驗教學內容、方法進行設計;以及完成學習活動的設計、過程監(jiān)控設計，學習效果測評設計。

（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。學生登錄“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，將實驗數據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)控到每個學生的整個實驗過程，驗收實驗結果，教師課后在線完成實驗報告批閱并及時反饋給學生。

（4）總結階段：在實驗教學實踐結束之后，本項目將設計應用效果評價方法，通過問卷調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習數據、成績等進行對比分析，最后進行總結和教學反思。

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

4、結束語

Unity 3D實驗教學模式不僅豐富了實驗內容，還提高了學生對實驗的參與度和實驗的靈活性。它極大地增強了學生學習的自主性，顯著提高學生的動手能力、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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[3] 顧佩華.新工科與新范式：概念、框架和實施路徑[J].高等工程教育研究， 2017，（6）：1-13.

[4] 管愛紅《電磁場與電磁波》課程教學思考[J].教育教學論壇，2015，（14）：227-228.

[5] 王波云“電磁場與電磁波”課程教學改革思考與探索[J].科技與創(chuàng)新，2021（9）：46-47

[6]“新工科”背景下《電磁場與電磁波》教學新思考[J]. 梁快，胡順仁，鄭大青，李雙，劉偉. 電腦知識與技術，2018（14）：36，