導(dǎo)語：電磁場與微波技術(shù)多媒體動畫教學(xué)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一軟件設(shè)計工具與相關(guān)技術(shù)

本套教學(xué)演示軟件采用面向?qū)ο笳Z言Python進(jìn)行編寫與開發(fā)，調(diào)用了Python自帶的軟件庫及Numpy、WxPython、Matplotlib等對其進(jìn)行設(shè)計，并使用wxFormBuilder、FlashCS6、pyinstaller、enigmavirtualbox等應(yīng)用軟件對程序進(jìn)行輔助設(shè)計[8]。系統(tǒng)實現(xiàn)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(xiàn)，使用輔助工具wxFormBuilder和手動編寫WxPython代碼對整體GUI進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的布局，使用Numpy和Matplotlib對仿真過程中的無耗傳輸線方程進(jìn)行計算求解，以及傳輸線上電壓和電流波形的動態(tài)演示，使用FlashCS6對素材進(jìn)行整合和裁剪，利用pyinstaller和enigmavirtualbox對源代碼文件和素材進(jìn)行打包，并封裝成單獨可執(zhí)行文件，以達(dá)到易用性的目的[10]。

二軟件需求分析與設(shè)計流程

在電子信息類課程的教學(xué)中，電磁場與微波技術(shù)的教學(xué)是其中一個重點也是難點。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來進(jìn)行教學(xué)，從而導(dǎo)致教學(xué)過程中存在以下難點：（1）教學(xué)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(tǒng)書本教材所提供的圖例都為靜態(tài)圖片，如果沒有對電磁學(xué)有一定深入的理解，很難從靜態(tài)圖片中體會到電磁學(xué)中物理量的動態(tài)變化，而這一缺點是采用書本教學(xué)無法避免的。（3）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)生對這些理論的認(rèn)知難度，同時也難以提高學(xué)生的興趣。采用多媒體技術(shù)輔助教學(xué)是有效提高教學(xué)效果的重要途徑，通過播放電磁場與微波技術(shù)課程中的演示動畫，理論與實踐相結(jié)合，使學(xué)生自發(fā)地理解和掌握課本知識。同時，有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，深入理解課程內(nèi)容。基于以上考慮，對電磁場與微波技術(shù)多媒體動畫演示軟件的開發(fā)需求就顯得十分重要，通過整理微波技術(shù)的教學(xué)資源，并利用動態(tài)圖像，動畫，視頻等多媒體資源來對枯燥的電磁學(xué)公式進(jìn)行解釋，把課本上一些復(fù)雜的理論知識，通過多媒體的形式表現(xiàn)出來，從而有利于加深學(xué)生對相關(guān)理論的直觀感受，從而幫助學(xué)生對微波技術(shù)專業(yè)知識的理解，取得更好的教學(xué)效果。因此，基于多媒體技術(shù)的電磁場與微波技術(shù)教學(xué)軟件的開發(fā)，具有十分重要的現(xiàn)實意義。（一）演示界面切換需求。在電磁場與微波技術(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(jù)用戶點擊的轉(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)用戶點擊的啟動和暫停按鍵，決定動態(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”來設(shè)計的。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)鎖定禁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，軟件會根據(jù)給定的輸入?yún)?shù)計算得到輸出結(jié)果，并將計算結(jié)果反饋到輸出框上。（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)容主要分為五個部分：波導(dǎo)、波投射、極化波、其他應(yīng)用及版權(quán)信息等。波導(dǎo)菜單用來演示不同波導(dǎo)形式內(nèi)部電磁場分布的動態(tài)效果；波投射用來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；極化波用來演示不同極化波的合成過程，及其在空間的動態(tài)傳播過程動畫；其他菜單用來演示電磁場與微波技術(shù)在現(xiàn)實生活當(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(dá)出有用信息，具有能夠反應(yīng)客觀世界的屬性，并且能夠承載更多的信息量。本文的目標(biāo)是通過所設(shè)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(zhì)規(guī)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(xué)生的興趣，獲得較好的教學(xué)效果。本設(shè)計中，F(xiàn)lash動畫素材占據(jù)大多數(shù)的多媒體演示，包括波導(dǎo)的場分布，均勻平面波的投射，極化波的動態(tài)展示，以及微波技術(shù)在實際生活當(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)計流程及思路如圖2所示。

三軟件設(shè)計的功能實現(xiàn)與效果展示

電磁場與微波技術(shù)多媒體教學(xué)軟件的開發(fā)目的是為了在教學(xué)過程中，充分發(fā)揮多媒體素材的直觀性與交互性，動態(tài)畫面的展示效果并且易于使用。因此，軟件系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容主要包括系統(tǒng)的界面設(shè)計、交互設(shè)計以及設(shè)計等三個方面[11]。（一）界面設(shè)計。本文所設(shè)計的電磁場與微波技術(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。界面的布局就是對系統(tǒng)組件的布置、擺放以及對不同的控件素材進(jìn)行整合與設(shè)計，從而使得多媒體教學(xué)軟件能夠以合適、科學(xué)的運行狀態(tài)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(shè)計遵循簡單、實用、風(fēng)格統(tǒng)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(tài)分析仿真界面，副界面為Flash動畫的展示。在主界面中，將內(nèi)容展示放在界面的正中心，以達(dá)到用戶的視覺中心及主體突出的效果。內(nèi)容展示分為兩部分，上半部分為波形的動態(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，即動態(tài)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(yīng)關(guān)系。在內(nèi)容展示下方設(shè)置主要交互界面，用于對展示的內(nèi)容進(jìn)行操作，包括切換傳輸線的負(fù)載類型，輸入負(fù)載參數(shù)，打開或關(guān)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(xí)慣[13]。（二）交互設(shè)計。電磁場與微波技術(shù)多媒體教學(xué)軟件的交互設(shè)計主要體現(xiàn)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(jìn)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(guān)，用戶可通過這四個按鈕進(jìn)行與仿真界面的交互。在用戶選擇傳輸線類型之后，參數(shù)的輸入輸出框會隨之改變以適應(yīng)模型，用戶可通過輸入框輸入合法參數(shù)，在點擊啟動按鈕后程序會自動計算得出模型參數(shù)的計算結(jié)果并顯示在輸出框，從而達(dá)到用戶與參數(shù)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(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畫演示，必要的參數(shù)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(xiàn)與Flash演示動畫的交互。（三）設(shè)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(jìn)行打包，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)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(zhí)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(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程序能在其他機器上運行，將其打包是必要的。（四）flash播放功能實現(xiàn)。在菜單欄中點擊相應(yīng)的菜單項目，軟件能夠從本地中獲取同名flash資源對其進(jìn)行播放。flash播放功能的實現(xiàn)，其過程為，按下按鍵后彈出一個wxpython新彈窗，加載系統(tǒng)的ActiveX控件播放相應(yīng)的flash視頻。窗口大小等依照傳入?yún)?shù)即文件名進(jìn)行讀取并啟用ActiveX進(jìn)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(zhì)分界面上的flash動畫演示。五結(jié)論本文設(shè)計和開發(fā)了一款電磁場與微波技術(shù)多媒體動畫教學(xué)演示軟件。首先，介紹了多媒體動畫教學(xué)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，同時根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，分析軟件的需求及重點與難點。其次，通過設(shè)計和實現(xiàn)該教學(xué)演示軟件，比較直觀地展現(xiàn)了如何將多媒體教學(xué)素材和相關(guān)專業(yè)知識點相結(jié)合，為其它的基于PC端的多媒體教學(xué)演示軟件的設(shè)計和實現(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，將原本依賴于編譯環(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，通過本次設(shè)計和實現(xiàn)，展現(xiàn)了采用Python語言開發(fā)的簡便性；通過把電磁場與微波技術(shù)的抽象知識轉(zhuǎn)化為具體動畫演示的過程也顯示了多媒體動畫教學(xué)的優(yōu)越性。

作者:張海 單位:華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院