吳良美,倪梁方

(安徽工業(yè)大學 電氣信息學院，安徽 馬鞍山 243002)

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基于Matlab的動態(tài)電磁波可視化教學研究

吳良美,倪梁方

(安徽工業(yè)大學 電氣信息學院，安徽 馬鞍山 243002)

電磁場與電磁波是通信工程的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，概念抽象。可借助Matlab語言編程，采用增加動畫內(nèi)容，使學生對抽象的內(nèi)容有具體生動的認識，加深對概念的理解和掌握。

電磁場與電磁波；Matlab；動態(tài)化；可視化；教學

電磁場與電磁波課程是工科無線電、通信工程、電子信息等專業(yè)的一門主干課程。該課程對通信和電子類的人才培養(yǎng)至關(guān)重要。[1]Matlab基于矩陣運算，能根據(jù)計算結(jié)果提供相應(yīng)的圖形和動畫，從而形成逼真的可視化仿真環(huán)境。[2]教學實踐表明,借助動態(tài)仿真環(huán)境能把電磁場與電磁波的抽象概念變得清晰、直觀。這不僅提高了學生的學習興趣，更加深了他們對電磁場與電磁波的規(guī)律理解和掌握，從而使教學效果大為提高。

一、基于Matlab的三維動態(tài)電磁波的可視化

for x=-3*pi:0.1:3*pi;y=sin(x);z=0*x;plot3(x,y,z,'*r') ;z=sin(x);y=0*x;plot3(x,y,z,'db'); pause(0.1);hold on; end;

其中利用Matlab的延遲等待pause函數(shù)，隔0.1秒繪制出電場和磁場的矢量端點，利用hold on語句保持當前所繪圖形，從而較好地實現(xiàn)了三維動態(tài)電磁波的傳播動畫，如圖1所示。

圖1 均勻平面電磁波的傳播瞬間

二、基于Matlab的電磁波極化的動態(tài)可視化

電磁波電場在空間的取向稱為電磁波的極化，確切地說，傳播方向上任意固定點處的電場矢量端點隨時間變化所描繪的軌跡稱為極化。[4]極化可分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化波的合成電場的大小雖隨時間變化，但方向保持在一直線上，其動畫制作可在二維平面內(nèi)實現(xiàn)。圓極化波合成電場的大小不隨時間改變，但方向卻隨時間以恒定角速度旋轉(zhuǎn)；當面向電磁波傳播的方向，電場矢量是順時針方向旋轉(zhuǎn)的，這種波的極化稱為右旋圓極化波；反之，若電場矢量是反時針方向旋轉(zhuǎn)的，則稱為左旋圓極化波。左旋與右旋極化波的判定是極化教學內(nèi)容中的難點，學生在學習這部分內(nèi)容時僅依據(jù)概念和靜態(tài)圖形較難想象不同旋向極化波的傳播，而借助Matlab進行動畫演示可以幫助學生輕松地學習理解。橢圓極化波左旋與右旋極化的判斷與圓極化波相同，其動畫實現(xiàn)可通過修改圓極化程序中三角函數(shù)前的系數(shù)得到。

右旋圓極化的程序中循環(huán)體的具體語句如下：

for x=-4*pi:0.1:4*pi; y=-sin(x); z=cos(x); plot3(x,y,z,′*r′); line([x,x],[0,y],[0,z]); pause(0.1); hold on; end;程序運行結(jié)果如圖2所示。圖中，電場矢量以細線表示，電場矢量端點以星點表示，兩者同時呈右螺旋狀環(huán)繞傳播方向前進。

圖2 右旋圓極化波的傳播瞬間

通過修改右旋圓極化波的程序，可以很快得到左旋圓極化波的程序，只需將右旋圓極化波的y軸坐標添加一個負號(這里負負得正)。程序運行結(jié)果如圖3所示。

圖3 左旋圓極化波的傳播瞬間

此外，通過在循環(huán)體中加入Matlab的視頻操作函數(shù)getfram以獲取窗口內(nèi)圖像，在循環(huán)體外加入創(chuàng)建AVI影像函數(shù)movie2avi，可使動畫程序封裝為可脫離Matlab環(huán)境的獨立運行文件，使用ppt等媒體播放軟件可隨時播放，簡單方便。具體語句為：循環(huán)體內(nèi)加入語句：mov(i)=getframe;循環(huán)體外加入語句：movie2avi(mov,'左旋.avi','compression','None','fps',30)。

三、結(jié)語

電磁波的傳播以及電磁波的極化是電磁場與電磁波教學中的重點和難點，[5]它關(guān)系到是否能夠正確理解電磁波的發(fā)射和接收、是否能順利地進入后面的微波與天線課程學習。采用Matlab語言制作動畫程序，并實現(xiàn)與ppt的無縫連接，直觀形象地模擬和演示各種電磁現(xiàn)象，完成動態(tài)可視化教學。這樣不僅使學生對電磁波問題本身有一個科學而清晰的了解，對電磁波問題產(chǎn)生濃厚的興趣，激發(fā)他們的積極性和創(chuàng)造性，而且可以在此基礎(chǔ)上進一步研究電磁場與電磁波仿真實驗教學，鼓勵學生自己動手用Matlab解決電磁波問題，鍛煉他們使用計算機進行程序設(shè)計的能力，為本科畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)，這也正符合以提高學生綜合素質(zhì)為目的的教改需要。將Matlab應(yīng)用到電磁場與電磁波課程中，要求任課教師能夠熟練掌握該軟件，從教學實際出發(fā)，制定完整的教學計劃，合理安排教學活動的進程。

[1]教育部高等學校電子信息科學與工程類專業(yè)教學指導(dǎo)分委員會. 高等學校電子信息科學與工程類本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范(試行)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]張德豐. 詳解MATLAB圖形繪制技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]謝處方，饒克謹. 電磁場與電磁波[M].第4版. 北京：高等教育出版社，2006.

[4]郭輝萍，等. 電磁場與電磁波[M].第3版. 西安：西安電子科技大學出版社，2010.

[5]孫賢明，等. 電磁波在媒質(zhì)中傳播的動態(tài)模擬[J].電氣電子教學學報，2014，36(1)：113-114.

(責任編輯 文雙全)

Research on the Visual Teaching of Dynamic Electromagnetic Wave Based on MATLAB

WU Liang-mei, Ni Liang-fang

(School of Electrical Engineering and Information, AHUT, Maanshan 243002, Anhui, China)

Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave, abstract in concept, is considered as the core of the professional basic courses for the major Communication Engineering. The course can be taught in the way to add animation to it in the application of the program made by MATLAB language in order to make students have the visual and vivid understanding of those abstract contents and the detailed understanding and mastery of those concepts.

electromagnetic field and electromagnetic wave; MATLAB; dynamic; visual; teaching

2015-07-10

2013年安徽省教育科學研究重點項目：現(xiàn)代信息技術(shù)與信息類課程整合的研究與實踐

吳良美 (1973- ) ，女，安徽馬鞍山人，安徽工業(yè)大學電氣信息學院講師，碩士。 倪梁方(1965-)，男，江蘇無錫人，安徽工業(yè)大學電氣信息學院教授，博士后。

G642.0

A

1671-9247(2015)06-0103-02