基于Unity 3D《电磁场与电磁波》虚拟仿真实验的教学

杜鸣笛

摘  要：利用Unity 3D虚拟仿真实验系统，采用三维可视化技术，运用 3D max模型、Unity 3D动画及控制 GUI 界面，完成电磁场与电磁波的实验。这样打破时间、空间的局限，学生通过网络本地下载，利用手持式设备（ 平板电脑和手机等） 进行移动式、开放式实验。学生可以清楚看到电场与磁场的分布，并且可以进行动态仿真，使学生对课程中的概念有更深入的理解。

1前言

目前随着大数据、云计算、人工智能、网络安全等技术的迅猛发展，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济领域对传统工程专业人才培养提出了挑战[1-3]。电磁场与电磁波作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能源之一，同时电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和获取信息、探测未知世界的一种重要手段[4-6]。

利用Unity 3D虚拟仿真实验系统，采用三维可视化技术，运用 3D max模型、Unity 3D动画及控制 GUI 界面，完成电磁场与电磁波的实验。这样打破时间、空间的局限，学生通过网络本地下载，利用手持式设备（ 平板电脑和手机等） 进行移动式、开放式实验。

通过虚拟仿真技术和教育科学的有机融合，激发学生的主观能动性和学习兴趣，提高学习效率，同时为工科专业教师以及其他专业教师实施虚拟仿真教学实践提供可参考的研究视角和建设性建议，为学校建设省级一流课程提供成果支持。

2、教学内容

（1）设计教学方案。以《电磁场与电磁波》实验课程内容为导向，依据实验相关教育理论和Unity 3D虚拟仿真平台特点，强化3D动感实验项目设计，结合雨课堂软件，采用灵活的实验方式。

（2）完善实验内容。根据本课程实验教学大纲和课程标准以及Unity 3D虚拟仿真平台的特征，更新实验内容，选择体系结构合理、逻辑结构有序、难点重点清晰、内容扩展性好的实验。对基础性实验和验证型实验进行精简并且优化组合，构建设计性实验和综合性实验，并重新编写实验指导书。

（3）采用“Unity 3D虚拟仿真+雨课堂”实验教学模式。本项目将构建好的基于Unity 3D虚拟仿真实验教学模式应用于《电磁场与电磁波实验》的实际课程教学中，课程结束后将通过及“雨课堂”平台的后台数据进行统计分析，总结这种新型教学模式的实施效果及存在的不足之处。

（4）建立新的评分体系。采用实验系统自动评分（ 占总分70% ） 与教师评分（ 占总分 30% ） 的复合评价方式。实验系统自动评分体系：实验平台记录实验的全过程，监控指导学生的实验步骤，或实验系统发开阶段对实验各环节进行考核设计，设置实验操作每一步的详细评分细则。教师评分：实验教师根据学生提交的电子版实验报告、网络在线统计数据（如学生完成时长、完成次数、最高分、最低分等） 、平时表现（ 包括实体实验部分的出勤率、交流答疑、小组团队表现等） ，综合评定给出。

3、实施过程

教学过程中主要按照准备阶段、设计阶段、实验阶段和总结四个阶段。

（1）准备阶段：对学生的学习需求、自主学习能力进行分析;确定团队分工，并准备好软硬件条件。

（2）设计阶段：在前一步调查分析的基础上，分别对“Unity 3D”虚拟仿真线上线下实验教学内容、方法进行设计;以及完成学习活动的设计、过程监控设计，学习效果测评设计。

（3）实践阶段：教师利用“雨课堂”建立并录入实验课程信息、班级信息，课前发布实验具体要求，发布实验任务。学生登录“雨课堂”及“Unity 3D”软平台，按要求依次进行电磁波的传播、电磁波的反射、电磁场波的极化实验等实验，将实验数据和图片依次上传两平台，配合实验分析和实验体会等自动形成完整的实验报告，学生在“Unity 3D”平台上传自己的实验报告。教师可以通过雨课堂和Unity 3D管理平台，可随时监控到每个学生的整个实验过程，验收实验结果，教师课后在线完成实验报告批阅并及时反馈给学生。

（4）总结阶段：在实验教学实践结束之后，本项目将设计应用效果评价方法，通过问卷调查法和访谈法进行实践效果评价、分析。同时，将试点班与对照班的线上线下学习数据、成绩等进行对比分析，最后进行总结和教学反思。

对于实验阶段管理员、教师和学生在“Unity 3D”平台的实施方案。利用信息化技术建立网络化终端访问平台，设计老师管理入口、学生实验入口;学生实验入口三个登陆端口。学生实验过程按照实验准备、搭建实验、实验仿真、数据获取、数据编辑、报告整理流程执行。学生利用虚拟仿真技术开发实验资源，将实验成绩直接提交至网络化终端访问平台。教师和管理员将实验指导、实验操作、在线交流、实验报告、成绩查询等实验内容集成在一起。

4、结束语

Unity 3D实验教学模式不仅丰富了实验内容，还提高了学生对实验的参与度和实验的灵活性。它极大地增强了学生学习的自主性，显著提高学生的动手能力、工程意识和创新思维，这符合新工科与工程教育专业认证的要求。

参考文献

[1] 吳爱华， 杨秋波， 郝杰. 以“新工科”建设引领高等教育创新变革[J]. 高等工程教育研究， 2019（1）：1-8.

[2] 林健. 新工科专业课程体系改革和课程建设[J]. 高等工程教育研究， 2020（1）：1-8.

[3] 顾佩华.新工科与新范式：概念、框架和实施路径[J].高等工程教育研究， 2017，（6）：1-13.

[4] 管爱红《电磁场与电磁波》课程教学思考[J].教育教学论坛，2015，（14）：227-228.

[5] 王波云“电磁场与电磁波”课程教学改革思考与探索[J].科技与创新，2021（9）：46-47

[6]“新工科”背景下《电磁场与电磁波》教学新思考[J]. 梁快，胡顺仁，郑大青，李双，刘伟. 电脑知识与技术，2018（14）：36，