В современной системе образования наблюдается постепенное внедрение электронных технологий. Одним из подобных электронных инструментов являются электронные симуляторы, которые могут быть использованы для обучения как студентов медицинских, так и инженерных направлений. К преимуществам использования электронных симуляторов можно отнести возможность их использования при дистанционном обучении, более свободный доступ студентов к моделируемому оборудованию, исследование аварийных или экстремальных ситуаций без дополнительного риска, снижение потенциальных затрат на приобретение физического оборудования [1].

В данной работе представлен процесс проектирования и разработки одной из трех виртуальных лабораторий по исследованию электромагнитных волн в направляющих системах, разработанных в рамках одного интерактивного приложения-симулятора для студентов, обучающихся на кафедре радиоэлектроники и телекоммуникаций ИРИТ-РТФ. Разработка производилась в мультиплатформенной среде Unity с применением языка программирования C#, т. к. финальный результат должен быть выпущен одновременно в виде настольного приложения для персональных компьютеров и WebGL приложения для его применения на электронной образовательной площадке elearn.

В рамках рассматриваемой лабораторной работы пользователь исследует основную волну и высшую волну в круглом волноводе. Стенд данной лабораторной работы(рисунок 1) состоит из генератора СВЧ, измерительного усилителя, круглого волновода с вращающейся секцией со штырем для измерения амплитуды радиальной составляющей электрического поля, малый прямоугольный волновод, подсоединенный с помощью кабеля к генератору СВЧ и двух сменяемых переходов от прямоугольного волновода к круглому. Первый переход является плавным и имеет изогнутую в плоскости вектора электрического поля 𝐸 секцию(данный переход подключен к круглому волноводу на рисунке 1), второй переход является скачкообразным, содержит внутри диэлектрическую втулку для уменьшения поля волны и выполняет роль возбудителя двухволнового режима работы установки(данный переход на рисунке 1 отключен от установки и лежит на столе рядом с ней).

Рис. 1. Фотография моделируемой лабораторной установки

Выполнение лабораторной работы поделено на два этапа. На первом этапе при подключенном изогнутом плавном переходе к круглому волноводу, пользователь занимается исследованием волны в одноволновом режиме. Для этого вначале, поворачивая вращающуюся секцию определяются одно значения угла поворота, при котором напряженность магнитного поля равно максимуму. При этом зафиксированном положении вращающейся секции, путем перемещения поршня, определяются узлы амплитуды, т. е. значения смещения поршня, при которых напряженность магнитного поля равна нулю. На основе этих значений вычисляется длина волны в волноводе. После путем перемещения поршня с шагом 2–3мм составляется зависимость напряженности квадрата магнитного поля от положения поршня. После установки поршня в положение, в котором амплитуда электромагнитной волны максимальна, путем поворота вращающейся секции волновода с шагом 15° снимается зависимость напряженности магнитного поля от положения вращающейся секции. На втором этапе плавный переход к круглому волноводу заменяется на возбудитель двухволнового режима. Вращательная секция устанавливается в положение, в котором значение напряженности магнитного поля основной волны равно нулю. Путем перемещения поршня определяют и записывают два положения поршня, при котором значение напряженности магнитного поля высшей волны равно нулю. На основе этого вычисляется значение длины волне . Аналогично первому этапу работы путем перемещений поршня и вращающейся секции волновода снимаются зависимости значения напряженности магнитного поля от измеренных положений.

На основе описанного алгоритма выполнения лабораторной работы можно выделить отдельные элементы имитационной модели, которые должны быть доступны пользователю для взаимодействия (рисунок 2). Меняя состояния данных компонентов на трехмерных моделях внутри симулятора, пользователь будет менять значения переменных, которые влияют на значение волны, принимаемой измерительным усилителем.

Рис. 2. Диаграмма компонентов имитационной модели лабораторной установки

На основе полученной диаграммы компонентов и теоретических материалов об исследуемых нами физических процессов [2], была построена математическая модель, определяющая значение уровня сигнала на приемнике. Используемые в математическом описании переменные и константы представлены в таблицах 1 и 2. Диапазоны числовых значений были экспериментально взяты на основе лабораторной установки, используемой в ИРИТ-РТФ. Математическое описание волны, распространяемой в круглом волноводе представлено в формулах 1–5.

Длина создаваемой генератором волны в свободном пространстве:

Длина высшей волны Е ₀₁ в волноводе, м:

Длина основной волны H ₁₁ в волноводе, м:

— расстояние от штыря до КЗ поршня вдоль волновода, м,

Уровень сигнала на приемнике :

Таблица 1

Переменные, используемые в математической модели

Таблица 2

Константы, используемые в математической модели

В приложении данные формулы, описывающие построенную математическую модель, применяются в программном коде бэкендовой составляющей программы(рисунок 3) из нескольких классов и выводят результат вычислений на дисплей приемника в килогерцах.

Рис. 3. Архитектура компонентов на игровой сцене в Unity, где представлена модель лабораторной установки

Для настройки зависимых переменных используются трехмерные модели генератора, усилителя и круглого волновода, к интерактивным элементам которых привязаны частные реализации абстрактного класса Interactable, которые отвечают за поведение этих компонентов (регуляторов, выключателей, подвижного поршня, вращающейся секции волновода) в зависимости от проводимых пользователем операций. Пользователь взаимодействует с имитационной моделью с помощью компьютерной мыши, перемещение и изменение состояния кнопок которой отслеживается классом InputController. Данный класс взаимодействует с реализациями класса Interactable и CameraController, отвечающий за перемещение камеры и её приближение/отдаление, по паттерну поведения Publisher — Subscriber.

Для визуального представления лабораторной установки были созданы трехмерные модели применяемого оборудования с помощью программы Blender. Текстурирование готовых трехмерных моделей было выполнено в программе Adobe Substance 3D Painter в соответствии стандартом Universal Render Pipeline для Unity, в результате чего на каждую модель были созданы текстурные карты нормалей (отвечающую за рельефность поверхности), альбедо(отвечающую за базовый цвет поверхности) и металлической гладкости(отвечающую за отражение света поверхностью). Экран готового прототипа представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Экран разработанной виртуальной лаборатории

В ходе данной работы был произведен анализ методических материалов по исследованию электромагнитных волн в направляющих системах, построены диаграммы имитационной модели лабораторной установки и архитектуры сцены в среде Unity, построены трехмерные модели реального лабораторного оборудования и разработан прототип приложения для среды WebGL. Дальнейшее развитие проекта предполагает создание двух других лабораторных работ, касающихся электромагнитных волн, внутри одного приложения, которое будет передано на кафедру радиоэлектроники и телекоммуникаций ИРИТ-РТФ для обучения студентов.

Литература:

1. Сохатюк, Ю. В. Использование виртуальных лабораторий — фактор повышения качества и эффективности формирования профессиональных компетенций у студентов / Ю. В. Сохатюк. — Текст: непосредственный // Педагогика: традиции и инновации: материалы I Междунар. науч. конф. (г. Челябинск, октябрь 2011 г.). Т. 2. — Челябинск: Два комсомольца, 2011. — С. 146–150.
2. Соловьянова, И. П. Расчет и измерение параметров электромагнитных волн в направляющих системах и на естественных трассах: учебно-методическое пособие / И. П. Соловьянова, Ю. Е. Мительман. — Текст: непосредственный.
3. Козлов, А. В. Цифровизация обучения студентов технических специальностей / А. В. Козлов. — Текст: непосредственный // Современное педагогическое образование. — 2022. — № 10. — С. 201–205.
4. Кирюхина, Н. В. Иммерсивные технологии в обучении физике / Н. В. Кирюхина, Н. А. Плеханова. — Текст: непосредственный // Проблемы современного педагогического образования. — 2023. — № 79. — С. 133–136.
5. Корнеева, Н. Ю. Иммерсивные технологии в современном профессиональном образовании / Н. Ю. Корнеева, Н. В. Уварина. — Текст: непосредственный // Современное педагогическое образование. — 2022. — № 6. — С. 17–22.