自主開放式電磁場數值仿真教學探索

杜志葉 林洋佳 王建 阮江 軍文武 黃道春 張亞東

（武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢 430072）

自主開放式電磁場數值仿真教學探索

杜志葉 林洋佳 王建 阮江 軍文武 黃道春 張亞東

（武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢 430072）

電磁場可視化仿真實驗課程開設有助于學生理解電磁場理論，提高解決實際問題的能力。通過對實驗室傳統上機授課方式存在的問題進行分析，提出了開放式的仿真實驗教學方式。結合自身教學實踐和學科專業特點，因地制宜，從實驗課程設置、仿真軟件學習、課程考核、和課后探索鞏固等幾個方面進行了論述，對提升“工程電磁場”課程教學質量和增強學生專業技能進行了有益的探索，本方案的開展有助于學生達到“卓越工程師”的培養目標。

自主開放式；電磁場數值仿真；教學；探索

一、概述

“工程電磁場”是一門高等院校理工科電氣和電子信息類專業的重要的專業基礎課，其內容理論性強、物理概念抽象、數學公式多。教學過程中通常被學生稱為是“天書”之一；教師也普遍感覺教學過程比較吃力，教學效果不好，總體上難學難教[1，2]。如何增加學生對該課程學習興趣，提升教學內容的可理解性，使學生真正理解電磁現象的物理本質，掌握電磁場的重要理論和概念，融會貫通解決問題的能力，已成為承擔該課程教學的每一個教師亟待解決的問題[3，4]。

隨著技術的進步和電腦的普及，基于專業軟件的電腦仿真對同學們理解相對深奧的電磁場理論、掌握和運用一些必要的仿真技術專業技能有著關鍵的影響[5，6]。“電磁場可視化仿真實驗”課程應廣大師生的要求設立，基于ANSYS的電磁場數值仿真技術可為學生打開一扇奇妙的大門：采用3D建模仿真技術，可以動態地展示課本上難以理解的電場、磁場圖像。但是傳統的實驗課程安排存在如下問題：為了節約仿真操作時間，實驗室中電腦上的仿真軟件是事先安裝好的，學生在規定的時間內在老師的指導下上機實驗做練習，下課后很少有機會和條件繼續練習仿真技能。學習過程被限制在特定的實驗室中和有限的上課時段內，學生處于被動學習狀態，很難掌握更深入的知識和技能。實驗機房資源有限，安排時段不足，師生普遍感覺學習有點“意猶未盡”。

為彌補實驗室環境下的仿真培訓式學習的不足，基于強調教學和科研有機的結合、充分發揮學生的能動性，培養有潛力的科研人才，文章提出自主開放式電磁場可視化仿真實驗教學方式，將課程的仿真實驗環節從專業實驗室轉進普通教室。仿真教學過程在學生的個人電腦上進行，從多元化教學方式、仿真算例優選設置、課程考核方式差異化以及積極創造訓練機會等環節考慮，理論聯系實際，充分發揮學生的自主性，對于提高同學們的仿真軟件學習效果、培養學習的自主獨立性有較強的意義。

二、開放式的課堂教學方式

“電磁場可視化仿真實驗”是基于ANSYS軟件開展的電磁場數值仿真課程。ANSYS是一款基于有限單元法的大型的數值計算商業軟件，廣泛應用于科研和工程領域。學習該軟件不但要具備一些基本的電磁場知識，還得了解有限元法的相關數值建模技術：比如實體、材料、單元、節點、網格等物理和幾何知識。以前實驗課程要求是在專業的仿真實驗機房完成，學生規定的時段內在實驗教師的指導下完成若干仿真算例，提交實驗報告。往往時間比較倉促，缺乏更多的機會聯系軟件使用技巧。另外為了順利完成教學任務，仿真算例設置的往往較簡單，難以達到很好的教學效果。

（一）充分利用仿真實驗條件

隨著科技的進步和學生個人電腦的普及，據課題組的調查，自2012年后，本校95%的大二學生都擁有個人電腦，其中70%以上為便攜式筆記本電腦。電腦的配置大都滿足仿真軟件的基本硬件環境要求，電池續航能力一般在2個小時以上，可以滿足課堂使用。實驗課程要求兩個學生一組，共同操作，這樣可以更充分利用資源，對于暫時沒有便攜式電腦的同學，不至于增加學習困難和個人競技負擔，使得原來在機房中完成的仿真實驗課程轉移進普通教室。仿真實驗在普通教室中進行，學生能夠在熟悉的個人電腦上做仿真實驗，既方便個人文件的保存和對仿真算例的深入研究，又使得課堂教學更加自由、開放，教師和同學們之間的交流更加通暢。

仿真軟件平臺的安裝在實驗課程開始前一周開始，由指導教師將《ANSYS軟件學生版》和《軟件安裝說明》交給學生課代表，由學生自發組織把仿真軟件安裝好，以備上課時應用。實際當中發現，這一過程既能讓學生提前熟悉軟件的基本功能，又能夠激發學生對學習新知識的興趣。

（二）精選仿真算例

對于仿真算例的設置，根據本專業典型工程案例，總結、改進算例設置更符合課堂教學。結合工程電磁場課程的主要內容教學要求，確定6個課堂開展的仿真實驗算例和8個課余開展的仿真實驗算例。內容涵蓋靜電場、恒定電場、工頻電場、靜磁場和工頻磁場等方面的內容[1，2]。課堂上學習的算例設置，主要考慮本專業常見的工程問題：比如架空輸電線路的電場和電容、電感和磁場計算，球形和管型接地體的電阻和跨步電壓計算等，同課本中的重要例題相對應，是要求學生必須掌握的知識。課余開展的仿真算例設置，主要是考慮那些愿意更多地掌握仿真技術的同學和對解決實際問題有更大興趣的同學需求，比如支柱絕緣子電場計算、合成絕緣子或者避雷器均壓環電場優化設計，以及線圈式電磁繼電器的磁場計算等算例，有針對性地滿足學生對專業知識的渴求和訓練解決工程實際問題的能力，為將來的科研工作奠定基礎。

（三）多元化的教學手段

課堂教學充分利用計算機和多媒體設備等現代化教學手段，集圖像、動畫、視頻、數據、運算和列表等多種信息載體的綜合展示，給學生以全新的課堂教學氛圍和授課感受。并結合教師的科研成果和國家工程建設現狀，介紹仿真實驗的優勢和生產力工具，激發同學們學好軟件、掌握這種仿真工具的欲望。比如，在講到架空輸電線路電場計算時，使用了本課題組的最新科研成果：特高壓直流輸電工程導線優化設計，并用動態的方式展示出來，讓同學們感受到仿真工具作為一種強大的生產力工具所完成的工作和產生的巨大經濟效益。

針對同學們開始對仿真軟件不熟悉，無從下手的現象，課題組專門制作了一個小視頻，詳細講解軟件的界面操作過程和常用快捷鍵功能，使學生能夠較快地學習和熟悉軟件的操作過程，消除對新事物的畏懼感。仿真實驗教學過程采用由簡入繁，由教至練的方式。開始針對簡單的仿真算例，由教師一步步地從物理模型到幾何建模，再到模型剖分，最后至仿真結果的輸出，整個過程同學生們一起完成，讓學生熟悉、理解每一個環節、每一個操作的意義和目的，獲得仿真完成后的成就感。然后針對共性的問題，進行詳細分析和步驟分解。針對進程落后的學生，更是做到“手把手”指教，確保大部分同學能夠跟上節奏，也最大限度地體現了仿真課堂的互動開放式效果。

針對比較復雜的算例，算例中的設備建模比較難以理解。課題組專門制作了該類算例的視頻，同學們可以根據實際模型的物理結構學習數值建模方法[6]。比如針對仿真分析中的2D平面對稱和軸對稱模型的區別，視頻中就分別以架空輸電線路和支柱絕緣子為模型，介紹仿真中這些設備的等效模型和相應的建模方法，以及2D和3D模型的對應性，使學生們產生相應的場分析的概念，提高電磁場仿真建模能力。

三、自主化的課后訓練鞏固

課堂上的學習僅是軟件的基本操作和要求，如果課后沒有進一步練習和鞏固，學生難以提高對仿真軟件的掌握水平，就失去了課程改革的意義。為豐富教學內容，使學生更深入的理解電磁場理論和仿真軟件的應用價值，也通過如下方式促進學生課后自主練習和應用軟件，保證學習效果。

（一）差異化的課程考核方式

作為一門專業基礎實驗課，課程考核是保證學生出勤率和學習效果的重要手段。同其他類型的實驗課要求一樣，本門課程在課堂仿真實驗之后，學生要提交實驗報告作為成績評定的依據。由于仿真工作主要依賴個人電腦完成，仿真實驗報告內容易于拷貝，常發生個別學生弄虛作假情況，報告抄襲現象嚴重。針對此種現象，采取差異化的課程考核方式，使學生只能獨立完成仿真實驗任務，撰寫實驗報告。具體做法如下：

1.課堂上練習時，要求每組同學仿真任務完成后，提交一份帶有自己學號和完成時間的仿真結果圖片，發送到指導教師郵箱，以證明該仿真結果是自己獨立作出。

2.平時考核采取實時互動方式，由教師直接向同學提問，要求在一定時間內，完成某項功能操作，以考核學生對仿真軟件的掌握程度。

3.期末考核采取提交報告的形式，每位同學布置不同的仿真算例，以學號后兩位數字為標記，隨機分配不同的仿真模型參數，使得報告內容只能由自己課余時間獨立完成，避免了同學們之間相互抄襲的陋習。

（二）大學生創新項目的技術支持

近年來在大學本科學生中開展的大學生創新項目，引起了許多同學們的興趣。對于工科學生，采用自己掌握的數值仿真工具，理論結合實際，開展科學研究和創新實驗是值得大力提倡的。本課程的授課對象是大二學生，正處于大學生創新項目的立項申報階段，很多同學學習了本課程以后，紛紛表示希望利用電磁場仿真工具ANSYS作為創新項目的研究技術基礎。對此，指導教師也常利用業余時間給學生們做輔導，針對同學們在創新項目的立項問題、研究內容、技術方案進行輔導，獻計獻策，有效地支援了創新項目的開展，增進了師生之間的感情，又加強了同學們學好軟件、用好軟件的決心。

（三）鼓勵并招收學生參與科研項目

作為一個研究型重點大學，作者所在學院大多老師都是“科研教學并重型”的教師，在保證教學任務的同時，還承擔許多的科研項目，服務于社會。雖然科研項目的主力軍是研究生，但是研究生正所謂“鐵打的營盤流水的兵”，隨著一批批的學生畢業，又一批新兵進入實驗室，開始新的培養流程。為了提高科研隊伍接班人的科研能力，學校、院也很重視培養本科學生的科研熱情。對于那些好學上進、學有余力的同學，鼓勵他們參與科研項目。根據學生的訴求和本學院各課題組所負責項目特點，一方面實驗指導教師與學院的教授們聯系，推薦優秀學生給各個項目相關的課題組；另一方面也鼓勵學生與教授們建立聯系，提前進入實驗室，參與到具體的科研項目中。作者所在的課題組每年都會招收2-3名學生，參與到本人所負責的科研項目中，并且根據學生的貢獻，給予一定的科研補貼，既鍛煉了學生的科研能力，又深化了學生對電磁場仿真軟件的領悟能力，培養了科研的后備人才，建立了學以致用的良性循環。

四、結束語

針對實驗室傳統上機實驗的時間和場地局限性，本項目提出自主開放式的電磁場可視化實驗教學方式，充分利用現有條件，發揮學生的積極性和主動性。從課堂教學環節、課后訓練環節中的各個問題入手，采取相應的措施，有效地保障了同學們的學習時間和學習效率，激發了學習興趣，并拓展了應用渠道。項目開展三年來，通過調查發現，同學們對電磁場的基本知識點的理解和掌握水平大大提高，大多能夠熟練掌握電磁場數值仿真方法，許多同學都據此申報成功了大學生創新項目。課程結束以后兩年內，受訪學生對電磁場仿真軟件的使用率超過了50%，本項目的開展有效地增進了學生對電磁場數值仿真的興趣，提高了他們的專業素養和科研能力。

[1]楊憲章.工程電磁場[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]Bhag Singh Guru，Huseyin R.Hiziroglu.電磁場與電磁波[M].周克定，等譯.北京：機械工業出版社，2000.

[3]潘錦.電磁場教學中的挑戰與新實驗建設[J].電子與電氣教學學報，2008，30（5）：54-55.

[4]盧斌先.關于工程電磁場數值分析方法教學思路的探討[A]/ /第四屆全國高校電氣工程及自動化專業教學改革研討會論文集[C].北京：電氣電子教學學報，2007：385-388.

[5]宮天然.美國名校網絡公開課的啟示與借鑒[J].首都師范大學學報，2011（6）：142-144.

[6]李小林.關于數值計算方法課程教學改革的探討[J].重慶文理學院學報：自然科學版，2010，29（2）：85-87.

Experiment courses on visualized simulation of electromagnetic field can help students to understand the theory of electromagnetic field and improve their ability to solve practical problems.Through analysis of the problems existed in the traditional computer teaching,this paper puts forward open-ended teaching method of simulation experiment.Combined with the author's teaching practice and characteristics of electrical engineering,this paper makes useful exploration to improve the teaching quality of engineering electromagnetic field and enhance students' professional skills,from perspective of the experimental course arrangement,simulation software learning,course evaluation,and after-class exploration and consolidation.This teaching plan can help students become excellent engineers.

independent opening;numerical simulation of electromagnetic field;teaching;exploration

G642

A

2096-000X（2016）23-0089-03

杜志葉（1974-），男，河南許昌人，博士，副教授，從事電磁場數值計算、高電壓絕緣技術的教學和科研工作。