計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法在工程電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用*

◆蘇利捷

計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法在工程電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用*

◆蘇利捷

在電氣工程專業(yè)工程電磁場(chǎng)課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生普遍感到抽象、難以理解。借助于計(jì)算機(jī)仿真模擬電磁場(chǎng)在不同媒質(zhì)中的分布、變化及與電流的交鏈情況，便可得到清晰、直觀的電磁場(chǎng)的表現(xiàn)形式，與試驗(yàn)相結(jié)合，更有助于對(duì)電磁場(chǎng)分布特性的掌握。在電氣工程案例背景下，計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法在工程電磁場(chǎng)課程教學(xué)中取得良好效果。

工程電磁場(chǎng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)法；計(jì)算機(jī)輔助分析

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.146

1 引言

在高校工科學(xué)生的學(xué)習(xí)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)專業(yè)理論課的基本知識(shí)的掌握有著不可取代的作用，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的一個(gè)重要組成部分。電氣工程理論課程中工程電磁場(chǎng)的學(xué)習(xí)，對(duì)于電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)普遍感到抽象、難以理解。雖然實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生的分析、動(dòng)手能力，也是幫助學(xué)生掌握相關(guān)理論知識(shí)的有效手段，但電磁場(chǎng)的分布是實(shí)際存在但又感覺(jué)有若無(wú)、實(shí)若虛，在實(shí)驗(yàn)中很難得到直觀的表現(xiàn)形式，僅憑理論描述和想象要求學(xué)生去深入理解確實(shí)有一定的困難。如果借助于計(jì)算機(jī)仿真模擬電磁場(chǎng)在不同媒質(zhì)中的分布、變化及與電流的交鏈情況，便可得到清晰、逼真、直觀的電磁場(chǎng)的表現(xiàn)形式，與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合更有助于對(duì)電磁場(chǎng)分布特性的掌握，加強(qiáng)電磁場(chǎng)理論的學(xué)習(xí)。

為提高工程電磁場(chǎng)課程的教學(xué)質(zhì)量，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)利用計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法化抽象為形象，進(jìn)行一系列探討。對(duì)蘭州交通大學(xué)2013級(jí)電氣工程三個(gè)班的學(xué)生實(shí)施計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，取得良好的效果。

2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題 在實(shí)驗(yàn)中很難得到直觀的表現(xiàn)形式，僅憑理論描述和想象要求學(xué)生去深入理解確實(shí)有一定的困難。如靜電場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)中，由于靜電場(chǎng)問(wèn)題，直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就有一定的難度，因此工程上常用恒定電流場(chǎng)來(lái)模擬靜電場(chǎng)。再如磁場(chǎng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，雖然可以用特斯拉計(jì)測(cè)出通電螺線管中的磁場(chǎng)，但都是一些枯燥的數(shù)據(jù)，繪出來(lái)的磁場(chǎng)依然是平面的，學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)還是沒(méi)有直觀的感受。

培養(yǎng)計(jì)劃調(diào)整問(wèn)題 由于培養(yǎng)計(jì)劃調(diào)整，理論課時(shí)壓縮（電氣專業(yè)的工程電磁場(chǎng)課程現(xiàn)為32學(xué)時(shí)）問(wèn)題，在正常的上課時(shí)間內(nèi)已無(wú)法安排實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生就更無(wú)法得到電磁場(chǎng)實(shí)際形式，造成學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)難，成為“老虎課”的窘態(tài)［1］。為了擺脫困境，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)工程電磁場(chǎng)的實(shí)際效果，就必須增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但受課時(shí)所限，在上課時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法可充分利用學(xué)生人人都有計(jì)算機(jī)的條件，利用課余時(shí)間，設(shè)計(jì)虛擬試驗(yàn)，讓學(xué)生獲得電磁場(chǎng)的實(shí)際概念，以期增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題。

3 計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法

近年來(lái)，工程電磁場(chǎng)的計(jì)算機(jī)輔助分析新技術(shù)、新理論取得一系列的重大突破，促使電磁的發(fā)展。為了使學(xué)生獲得大量的信息，加深對(duì)工程電磁場(chǎng)教學(xué)內(nèi)容的理解，利用計(jì)算機(jī)輔助分析、數(shù)值計(jì)算和一些工程應(yīng)用軟件虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

近代電磁場(chǎng)的問(wèn)題能夠由解析方法求得精確解的不多，故多借助于數(shù)值計(jì)算方法來(lái)得到近似解。數(shù)值計(jì)算方法乃是把連續(xù)變量離散化，把微分方程化為差分方程，或把積分方程化為有限和的形式，從而建立起代數(shù)方程組，然后利用計(jì)算機(jī)求解。這稱為計(jì)算機(jī)法，或稱為計(jì)算機(jī)輔助分析。

目前計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用軟件已廣泛應(yīng)用于電磁場(chǎng)的計(jì)算、分析，這為電磁場(chǎng)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)提供多種輔助教學(xué)手段，也是學(xué)生課外學(xué)習(xí)的有力工具。利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件輔助學(xué)習(xí)和仿真實(shí)驗(yàn)，也是培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新意識(shí)和自主分析能力的必要手段。針對(duì)工程電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中抽象電磁場(chǎng)變?yōu)樾蜗蠡姶艌?chǎng)，基于計(jì)算機(jī)輔助分析軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革，達(dá)到化抽象為形象的改革目標(biāo)，有利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)加深理解掌握和吸收，提高記憶效率。應(yīng)用ANSYS等軟件進(jìn)行如電機(jī)、變壓器內(nèi)部電磁場(chǎng)仿真。應(yīng)用ANSYS等軟件的偏微分方程工具箱進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，只要輸入所需的方程及邊界條件，就可以得出圖形解，即電磁場(chǎng)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)及電位或磁位分布圖，從而作為實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，獲得實(shí)驗(yàn)所無(wú)法得到的效果［2-3］。

表1 計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法調(diào)查表［人數(shù)（%）］

首先在理論課中給學(xué)生布置實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選題，并提出設(shè)計(jì)要求。根據(jù)理論課的內(nèi)容精選一些設(shè)計(jì)選題，如有限差分法解靜電場(chǎng)邊值問(wèn)題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、模擬電荷法解靜電場(chǎng)問(wèn)題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、直接積分法計(jì)算電流線圈中的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、有限元法求解靜電場(chǎng)邊值問(wèn)題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等，學(xué)生分成若干實(shí)驗(yàn)小組選題，甚至學(xué)生自行選題。

其次，指導(dǎo)學(xué)生利用課余時(shí)間查閱相關(guān)資料，制訂虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，編制程序，充分利用學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用能力與熱情，制作出電磁場(chǎng)的三維圖像實(shí)驗(yàn)。

最后，以小組答辯的形式驗(yàn)收考核。

上述應(yīng)用既解決了由于課時(shí)壓縮，工程電磁場(chǎng)課程無(wú)法安排實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法獲得電磁場(chǎng)整體的感性認(rèn)識(shí)的問(wèn)題，又鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)與資料的研究能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、計(jì)算機(jī)編程應(yīng)用能力，是一個(gè)多贏的做法，是一個(gè)創(chuàng)新。

圖1為“用有限差分法解靜電場(chǎng)邊值問(wèn)題”計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中計(jì)算機(jī)繪制的一個(gè)長(zhǎng)直接地金屬矩形槽內(nèi)的電位分布圖與等位線分布圖。

4 計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的評(píng)估

圖1 電位圖與等位線

改變成績(jī)?cè)u(píng)定辦法，以論文答辯的形式評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)改變現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)定方式，以論文答辯的方式代替實(shí)操考核。論文答辯，以小組為單位，每組由一名學(xué)生主講，將實(shí)驗(yàn)的目的、過(guò)程、結(jié)論匯報(bào)給在場(chǎng)的教師和學(xué)生。最后，由教師對(duì)每位參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生提出相關(guān)的問(wèn)題，結(jié)合論文的質(zhì)量、回答問(wèn)題的能力以及實(shí)驗(yàn)的參與情況，給出一個(gè)綜合評(píng)定。

計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的優(yōu)越性 在學(xué)生中實(shí)施本實(shí)驗(yàn)方法后，學(xué)生廣泛體會(huì)到這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法提高了學(xué)生的自主性和積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生的查閱文獻(xiàn)及各項(xiàng)綜合能力極大地提高。同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。答辯過(guò)程中，鍛煉了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力，使學(xué)生注意到許多平時(shí)容易忽視的問(wèn)題，也充實(shí)了學(xué)生的課余生活。

計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果 對(duì)2013級(jí)使用計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的學(xué)生進(jìn)行抽樣問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果顯示：94.8%的學(xué)生認(rèn)為計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法有助于理解和記憶各知識(shí)點(diǎn)，喜歡計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法方式；92.6%的學(xué)生認(rèn)為使用計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法可以增加學(xué)習(xí)興趣并提高學(xué)習(xí)效率；88.9%的學(xué)生認(rèn)為計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法會(huì)提高課堂自主學(xué)習(xí)能力；82.2%的學(xué)生認(rèn)為有必要實(shí)行計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法；81.5%的學(xué)生認(rèn)為計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法不會(huì)降低實(shí)驗(yàn)操作技能，贊同在今后實(shí)驗(yàn)課中增加計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的比例。以上調(diào)查結(jié)果顯示，計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法有利于提高實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量，計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法實(shí)踐取得良好效果。結(jié)果見(jiàn)表1。

計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法明顯提高學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)調(diào)查對(duì)象是12級(jí)和13級(jí)電氣工程專業(yè)學(xué)生，工程電磁場(chǎng)學(xué)時(shí)數(shù)32學(xué)時(shí)。12級(jí)學(xué)生156人，采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法；13級(jí)學(xué)生173人，在教學(xué)過(guò)程中穿插采用計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)比表2，由12級(jí)、13級(jí)兩屆學(xué)生考試成績(jī)可以看出，在采用計(jì)算機(jī)輔助分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)法教學(xué)后，學(xué)生的成績(jī)明顯提高。

增強(qiáng)了教師的責(zé)任感 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)增加了教師的工作量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題也比以往多，所以需投入更多的精力才能收到預(yù)期的效果。教師的壓力加大了，學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)的動(dòng)力增強(qiáng)了，同時(shí)也提高了教師個(gè)人的教學(xué)和組織能力。

表2 2012、2013及兩屆學(xué)生考試成績(jī)比較（±s ）

表2 2012、2013及兩屆學(xué)生考試成績(jī)比較（±s ）

2012級(jí)（傳統(tǒng)班）（n=156）2013級(jí)（對(duì)比班）（n=173）P值理論課成績(jī)63.5±16.373.8±11.0P＜0.05

5 結(jié)束語(yǔ)

為適應(yīng)當(dāng)今高等工程教育發(fā)展規(guī)律的要求，培養(yǎng)更多具有高素質(zhì)的電氣工程人才，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式必須改革。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，深刻體會(huì)到，為更好地適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革勢(shì)在必行，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)法有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、創(chuàng)新性，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握更加堅(jiān)實(shí)。■

［1］晁立東.面向新世紀(jì)電磁場(chǎng)課程教學(xué)改革［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22（3）.

［2］楊爾濱，楊歡紅，等.電機(jī)中電磁場(chǎng)仿真試驗(yàn)研究與探討［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27（9）.

［3］彭芳麟.數(shù)學(xué)物理方程的MATLAB解法與可視化［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

G642.423

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1671-489X（2015）24-0146-03

*項(xiàng)目來(lái)源：蘭州交通大學(xué)校級(jí)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目“工程電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)增加計(jì)算機(jī)輔助分析手段的改革研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2015240）。作者：蘇利捷，蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)理論與應(yīng)用和電工電子技術(shù)研究（730070）。