Modelling electromagnetic waves in Matlab as a tool for developing students' technical thinking

Abstract

ENG : This article addresses the challenges of developing the technical thinking of higher education students through computational modelling of electromagnetic waves in the Matlab environment. Modern engineering requires specialists not only deep theoretical knowledge but also the ability to apply it in practice, particularly in electrodynamics, where abstract concepts benefit from visualization. The study analyses the role of computer modelling in the study of electrodynamics and its impact on the understanding of physical concepts. Two examples of modelling are presented: electromagnetic wave interference and propagation through different materials. For each example, a mathematical model, a description of the Matlab code, visualization of the results, and possible directions for extending the models for students' independent work are provided. The study proposes methods for numerical analysis, visualizing fields, and estimating the reflection and transmission coefficients of electromagnetic waves through various materials. The study demonstrates that modelling electromagnetic waves in Matlab contributes to a deeper understanding of the principles of their propagation, interaction, and superposition. Students can observe constructive and destructive interference, analyze electric and magnetic field behavior, and create dynamic animations. Modelling wave propagation through different materials allows for the analysis of wave interaction with multilayer structures, which is useful for understanding wave behavior and developing devices like filters or anti-reflective coatings. The obtained results confirm the effectiveness of using Matlab in the educational process, enhancing student motivation and developing practical skills. Prospects for further research include the integration of Matlab with machine learning libraries to predict wave process characteristics. This article is valuable for physics and engineering educators, as well as students interested in computational modelling of physical phenomena. UKR : У статті розглянуто актуальні проблеми розвитку технічного мислення здобувачів вищої освіти шляхом використання чисельного моделювання електромагнітних хвиль у середовищі Matlab. Сучасна інженерія вимагає від фахівців не лише глибоких теоретичних знань, але й уміння застосовувати їх на практиці, особливо в галузі електродинаміки, де абстрактні поняття потребують наочної візуалізації. В дослідженні проаналізовано роль комп’ютерного моделювання у вивченні електродинаміки та показано його вплив на засвоєння фізичних концепцій. Наведено два приклади моделювання: інтерференції електромагнітних хвиль та їхнього поширення через різні матеріали. Для кожного прикладу наводиться математична модель, опис програмного коду Matlab, візуалізація результатів, можливі напрямки розширення моделей для виконання самостійної роботи студентами. Запропоновано алгоритми реалізації чисельного аналізу, візуалізації полів та оцінки коефіцієнтів відбиття і пропускання електромагнітних хвиль крізь різні матеріали. Дослідження показує, що моделювання електромагнітних хвиль у Matlab сприяє глибшому розумінню принципів їх поширення, взаємодії та суперпозиції. Студенти можуть спостерігати зони конструктивної та деструктивної інтерференції, аналізувати поведінку електричного та магнітного полів, а також будувати динамічні анімації. Моделювання поширення електромагнітних хвиль через різні матеріали дозволяє аналізувати, як хвилі взаємодіють з багатошаровими структурами, що є корисним для розуміння поведінки хвиль у різних матеріалах та для розробки пристроїв, таких як фільтри або антивідбивні покриття. Отримані результати підтверджують ефективність використання Matlab в освітньому процесі, що сприяє підвищенню мотивації здобувачів вищої освіти, розвитку їхніх аналітичних навичок та формуванню практичних компетентностей. Перспективи подальших досліджень включають інтеграцію Matlab з бібліотеками машинного навчання для прогнозування характеристик хвильових процесів. Стаття може бути корисна викладачам фізики та інженерних дисциплін, а також студентам, які цікавляться комп'ютерним моделюванням фізичних явищ.