自主開(kāi)放式電磁場(chǎng)數(shù)值仿真教學(xué)探索

杜志葉 林洋佳 王建 阮江 軍文武 黃道春 張亞?wèn)|

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

自主開(kāi)放式電磁場(chǎng)數(shù)值仿真教學(xué)探索

杜志葉 林洋佳 王建 阮江 軍文武 黃道春 張亞?wèn)|

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

電磁場(chǎng)可視化仿真實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)有助于學(xué)生理解電磁場(chǎng)理論，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)上機(jī)授課方式存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了開(kāi)放式的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐和學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)，因地制宜，從實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置、仿真軟件學(xué)習(xí)、課程考核、和課后探索鞏固等幾個(gè)方面進(jìn)行了論述，對(duì)提升“工程電磁場(chǎng)”課程教學(xué)質(zhì)量和增強(qiáng)學(xué)生專業(yè)技能進(jìn)行了有益的探索，本方案的開(kāi)展有助于學(xué)生達(dá)到“卓越工程師”的培養(yǎng)目標(biāo)。

自主開(kāi)放式；電磁場(chǎng)數(shù)值仿真；教學(xué)；探索

一、概述

“工程電磁場(chǎng)”是一門高等院校理工科電氣和電子信息類專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容理論性強(qiáng)、物理概念抽象、數(shù)學(xué)公式多。教學(xué)過(guò)程中通常被學(xué)生稱為是“天書”之一；教師也普遍感覺(jué)教學(xué)過(guò)程比較吃力，教學(xué)效果不好，總體上難學(xué)難教[1，2]。如何增加學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)內(nèi)容的可理解性，使學(xué)生真正理解電磁現(xiàn)象的物理本質(zhì)，掌握電磁場(chǎng)的重要理論和概念，融會(huì)貫通解決問(wèn)題的能力，已成為承擔(dān)該課程教學(xué)的每一個(gè)教師亟待解決的問(wèn)題[3，4]。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和電腦的普及，基于專業(yè)軟件的電腦仿真對(duì)同學(xué)們理解相對(duì)深?yuàn)W的電磁場(chǎng)理論、掌握和運(yùn)用一些必要的仿真技術(shù)專業(yè)技能有著關(guān)鍵的影響[5，6]。“電磁場(chǎng)可視化仿真實(shí)驗(yàn)”課程應(yīng)廣大師生的要求設(shè)立，基于ANSYS的電磁場(chǎng)數(shù)值仿真技術(shù)可為學(xué)生打開(kāi)一扇奇妙的大門：采用3D建模仿真技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)地展示課本上難以理解的電場(chǎng)、磁場(chǎng)圖像。但是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程安排存在如下問(wèn)題：為了節(jié)約仿真操作時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室中電腦上的仿真軟件是事先安裝好的，學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)在老師的指導(dǎo)下上機(jī)實(shí)驗(yàn)做練習(xí)，下課后很少有機(jī)會(huì)和條件繼續(xù)練習(xí)仿真技能。學(xué)習(xí)過(guò)程被限制在特定的實(shí)驗(yàn)室中和有限的上課時(shí)段內(nèi)，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，很難掌握更深入的知識(shí)和技能。實(shí)驗(yàn)機(jī)房資源有限，安排時(shí)段不足，師生普遍感覺(jué)學(xué)習(xí)有點(diǎn)“意猶未盡”。

為彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的仿真培訓(xùn)式學(xué)習(xí)的不足，基于強(qiáng)調(diào)教學(xué)和科研有機(jī)的結(jié)合、充分發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，培養(yǎng)有潛力的科研人才，文章提出自主開(kāi)放式電磁場(chǎng)可視化仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，將課程的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)從專業(yè)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)進(jìn)普通教室。仿真教學(xué)過(guò)程在學(xué)生的個(gè)人電腦上進(jìn)行，從多元化教學(xué)方式、仿真算例優(yōu)選設(shè)置、課程考核方式差異化以及積極創(chuàng)造訓(xùn)練機(jī)會(huì)等環(huán)節(jié)考慮，理論聯(lián)系實(shí)際，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，對(duì)于提高同學(xué)們的仿真軟件學(xué)習(xí)效果、培養(yǎng)學(xué)習(xí)的自主獨(dú)立性有較強(qiáng)的意義。

二、開(kāi)放式的課堂教學(xué)方式

“電磁場(chǎng)可視化仿真實(shí)驗(yàn)”是基于ANSYS軟件開(kāi)展的電磁場(chǎng)數(shù)值仿真課程。ANSYS是一款基于有限單元法的大型的數(shù)值計(jì)算商業(yè)軟件，廣泛應(yīng)用于科研和工程領(lǐng)域。學(xué)習(xí)該軟件不但要具備一些基本的電磁場(chǎng)知識(shí)，還得了解有限元法的相關(guān)數(shù)值建模技術(shù)：比如實(shí)體、材料、單元、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格等物理和幾何知識(shí)。以前實(shí)驗(yàn)課程要求是在專業(yè)的仿真實(shí)驗(yàn)機(jī)房完成，學(xué)生規(guī)定的時(shí)段內(nèi)在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下完成若干仿真算例，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。往往時(shí)間比較倉(cāng)促，缺乏更多的機(jī)會(huì)聯(lián)系軟件使用技巧。另外為了順利完成教學(xué)任務(wù)，仿真算例設(shè)置的往往較簡(jiǎn)單，難以達(dá)到很好的教學(xué)效果。

（一）充分利用仿真實(shí)驗(yàn)條件

隨著科技的進(jìn)步和學(xué)生個(gè)人電腦的普及，據(jù)課題組的調(diào)查，自2012年后，本校95%的大二學(xué)生都擁有個(gè)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(huán)境要求，電池續(xù)航能力一般在2個(gè)小時(shí)以上，可以滿足課堂使用。實(shí)驗(yàn)課程要求兩個(gè)學(xué)生一組，共同操作，這樣可以更充分利用資源，對(duì)于暫時(shí)沒(méi)有便攜式電腦的同學(xué)，不至于增加學(xué)習(xí)困難和個(gè)人競(jìng)技負(fù)擔(dān)，使得原來(lái)在機(jī)房中完成的仿真實(shí)驗(yàn)課程轉(zhuǎn)移進(jìn)普通教室。仿真實(shí)驗(yàn)在普通教室中進(jìn)行，學(xué)生能夠在熟悉的個(gè)人電腦上做仿真實(shí)驗(yàn)，既方便個(gè)人文件的保存和對(duì)仿真算例的深入研究，又使得課堂教學(xué)更加自由、開(kāi)放，教師和同學(xué)們之間的交流更加通暢。

仿真軟件平臺(tái)的安裝在實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)始前一周開(kāi)始，由指導(dǎo)教師將《ANSYS軟件學(xué)生版》和《軟件安裝說(shuō)明》交給學(xué)生課代表，由學(xué)生自發(fā)組織把仿真軟件安裝好，以備上課時(shí)應(yīng)用。實(shí)際當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，這一過(guò)程既能讓學(xué)生提前熟悉軟件的基本功能，又能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣。

（二）精選仿真算例

對(duì)于仿真算例的設(shè)置，根據(jù)本專業(yè)典型工程案例，總結(jié)、改進(jìn)算例設(shè)置更符合課堂教學(xué)。結(jié)合工程電磁場(chǎng)課程的主要內(nèi)容教學(xué)要求，確定6個(gè)課堂開(kāi)展的仿真實(shí)驗(yàn)算例和8個(gè)課余開(kāi)展的仿真實(shí)驗(yàn)算例。內(nèi)容涵蓋靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、工頻電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)等方面的內(nèi)容[1，2]。課堂上學(xué)習(xí)的算例設(shè)置，主要考慮本專業(yè)常見(jiàn)的工程問(wèn)題：比如架空輸電線路的電場(chǎng)和電容、電感和磁場(chǎng)計(jì)算，球形和管型接地體的電阻和跨步電壓計(jì)算等，同課本中的重要例題相對(duì)應(yīng)，是要求學(xué)生必須掌握的知識(shí)。課余開(kāi)展的仿真算例設(shè)置，主要是考慮那些愿意更多地掌握仿真技術(shù)的同學(xué)和對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題有更大興趣的同學(xué)需求，比如支柱絕緣子電場(chǎng)計(jì)算、合成絕緣子或者避雷器均壓環(huán)電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及線圈式電磁繼電器的磁場(chǎng)計(jì)算等算例，有針對(duì)性地滿足學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的渴求和訓(xùn)練解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，為將來(lái)的科研工作奠定基礎(chǔ)。

（三）多元化的教學(xué)手段

課堂教學(xué)充分利用計(jì)算機(jī)和多媒體設(shè)備等現(xiàn)代化教學(xué)手段，集圖像、動(dòng)畫、視頻、數(shù)據(jù)、運(yùn)算和列表等多種信息載體的綜合展示，給學(xué)生以全新的課堂教學(xué)氛圍和授課感受。并結(jié)合教師的科研成果和國(guó)家工程建設(shè)現(xiàn)狀，介紹仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和生產(chǎn)力工具，激發(fā)同學(xué)們學(xué)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(chǎng)計(jì)算時(shí)，使用了本課題組的最新科研成果：特高壓直流輸電工程導(dǎo)線優(yōu)化設(shè)計(jì)，并用動(dòng)態(tài)的方式展示出來(lái)，讓同學(xué)們感受到仿真工具作為一種強(qiáng)大的生產(chǎn)力工具所完成的工作和產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)同學(xué)們開(kāi)始對(duì)仿真軟件不熟悉，無(wú)從下手的現(xiàn)象，課題組專門制作了一個(gè)小視頻，詳細(xì)講解軟件的界面操作過(guò)程和常用快捷鍵功能，使學(xué)生能夠較快地學(xué)習(xí)和熟悉軟件的操作過(guò)程，消除對(duì)新事物的畏懼感。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程采用由簡(jiǎn)入繁，由教至練的方式。開(kāi)始針對(duì)簡(jiǎn)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(jié)果的輸出，整個(gè)過(guò)程同學(xué)生們一起完成，讓學(xué)生熟悉、理解每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)操作的意義和目的，獲得仿真完成后的成就感。然后針對(duì)共性的問(wèn)題，進(jìn)行詳細(xì)分析和步驟分解。針對(duì)進(jìn)程落后的學(xué)生，更是做到“手把手”指教，確保大部分同學(xué)能夠跟上節(jié)奏，也最大限度地體現(xiàn)了仿真課堂的互動(dòng)開(kāi)放式效果。

針對(duì)比較復(fù)雜的算例，算例中的設(shè)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(xué)們可以根據(jù)實(shí)際模型的物理結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)數(shù)值建模方法[6]。比如針對(duì)仿真分析中的2D平面對(duì)稱和軸對(duì)稱模型的區(qū)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(shè)備的等效模型和相應(yīng)的建模方法，以及2D和3D模型的對(duì)應(yīng)性，使學(xué)生們產(chǎn)生相應(yīng)的場(chǎng)分析的概念，提高電磁場(chǎng)仿真建模能力。

三、自主化的課后訓(xùn)練鞏固

課堂上的學(xué)習(xí)僅是軟件的基本操作和要求，如果課后沒(méi)有進(jìn)一步練習(xí)和鞏固，學(xué)生難以提高對(duì)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(xué)內(nèi)容，使學(xué)生更深入的理解電磁場(chǎng)理論和仿真軟件的應(yīng)用價(jià)值，也通過(guò)如下方式促進(jìn)學(xué)生課后自主練習(xí)和應(yīng)用軟件，保證學(xué)習(xí)效果。

（一）差異化的課程考核方式

作為一門專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，課程考核是保證學(xué)生出勤率和學(xué)習(xí)效果的重要手段。同其他類型的實(shí)驗(yàn)課要求一樣，本門課程在課堂仿真實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生要提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為成績(jī)?cè)u(píng)定的依據(jù)。由于仿真工作主要依賴個(gè)人電腦完成，仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容易于拷貝，常發(fā)生個(gè)別學(xué)生弄虛作假情況，報(bào)告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重。針對(duì)此種現(xiàn)象，采取差異化的課程考核方式，使學(xué)生只能獨(dú)立完成仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。具體做法如下：

1.課堂上練習(xí)時(shí)，要求每組同學(xué)仿真任務(wù)完成后，提交一份帶有自己學(xué)號(hào)和完成時(shí)間的仿真結(jié)果圖片，發(fā)送到指導(dǎo)教師郵箱，以證明該仿真結(jié)果是自己獨(dú)立作出。

2.平時(shí)考核采取實(shí)時(shí)互動(dòng)方式，由教師直接向同學(xué)提問(wèn)，要求在一定時(shí)間內(nèi)，完成某項(xiàng)功能操作，以考核學(xué)生對(duì)仿真軟件的掌握程度。

3.期末考核采取提交報(bào)告的形式，每位同學(xué)布置不同的仿真算例，以學(xué)號(hào)后兩位數(shù)字為標(biāo)記，隨機(jī)分配不同的仿真模型參數(shù)，使得報(bào)告內(nèi)容只能由自己課余時(shí)間獨(dú)立完成，避免了同學(xué)們之間相互抄襲的陋習(xí)。

（二）大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的技術(shù)支持

近年來(lái)在大學(xué)本科學(xué)生中開(kāi)展的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，引起了許多同學(xué)們的興趣。對(duì)于工科學(xué)生，采用自己掌握的數(shù)值仿真工具，理論結(jié)合實(shí)際，開(kāi)展科學(xué)研究和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是值得大力提倡的。本課程的授課對(duì)象是大二學(xué)生，正處于大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的立項(xiàng)申報(bào)階段，很多同學(xué)學(xué)習(xí)了本課程以后，紛紛表示希望利用電磁場(chǎng)仿真工具ANSYS作為創(chuàng)新項(xiàng)目的研究技術(shù)基礎(chǔ)。對(duì)此，指導(dǎo)教師也常利用業(yè)余時(shí)間給學(xué)生們做輔導(dǎo)，針對(duì)同學(xué)們?cè)趧?chuàng)新項(xiàng)目的立項(xiàng)問(wèn)題、研究?jī)?nèi)容、技術(shù)方案進(jìn)行輔導(dǎo)，獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，有效地支援了創(chuàng)新項(xiàng)目的開(kāi)展，增進(jìn)了師生之間的感情，又加強(qiáng)了同學(xué)們學(xué)好軟件、用好軟件的決心。

（三）鼓勵(lì)并招收學(xué)生參與科研項(xiàng)目

作為一個(gè)研究型重點(diǎn)大學(xué)，作者所在學(xué)院大多老師都是“科研教學(xué)并重型”的教師，在保證教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，還承擔(dān)許多的科研項(xiàng)目，服務(wù)于社會(huì)。雖然科研項(xiàng)目的主力軍是研究生，但是研究生正所謂“鐵打的營(yíng)盤流水的兵”，隨著一批批的學(xué)生畢業(yè)，又一批新兵進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始新的培養(yǎng)流程。為了提高科研隊(duì)伍接班人的科研能力，學(xué)校、院也很重視培養(yǎng)本科學(xué)生的科研熱情。對(duì)于那些好學(xué)上進(jìn)、學(xué)有余力的同學(xué)，鼓勵(lì)他們參與科研項(xiàng)目。根據(jù)學(xué)生的訴求和本學(xué)院各課題組所負(fù)責(zé)項(xiàng)目特點(diǎn)，一方面實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師與學(xué)院的教授們聯(lián)系，推薦優(yōu)秀學(xué)生給各個(gè)項(xiàng)目相關(guān)的課題組；另一方面也鼓勵(lì)學(xué)生與教授們建立聯(lián)系，提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，參與到具體的科研項(xiàng)目中。作者所在的課題組每年都會(huì)招收2-3名學(xué)生，參與到本人所負(fù)責(zé)的科研項(xiàng)目中，并且根據(jù)學(xué)生的貢獻(xiàn)，給予一定的科研補(bǔ)貼，既鍛煉了學(xué)生的科研能力，又深化了學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)仿真軟件的領(lǐng)悟能力，培養(yǎng)了科研的后備人才，建立了學(xué)以致用的良性循環(huán)。

四、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)上機(jī)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和場(chǎng)地局限性，本項(xiàng)目提出自主開(kāi)放式的電磁場(chǎng)可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，充分利用現(xiàn)有條件，發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。從課堂教學(xué)環(huán)節(jié)、課后訓(xùn)練環(huán)節(jié)中的各個(gè)問(wèn)題入手，采取相應(yīng)的措施，有效地保障了同學(xué)們的學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)效率，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，并拓展了應(yīng)用渠道。項(xiàng)目開(kāi)展三年來(lái)，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，同學(xué)們對(duì)電磁場(chǎng)的基本知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握水平大大提高，大多能夠熟練掌握電磁場(chǎng)數(shù)值仿真方法，許多同學(xué)都據(jù)此申報(bào)成功了大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。課程結(jié)束以后兩年內(nèi)，受訪學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)仿真軟件的使用率超過(guò)了50%，本項(xiàng)目的開(kāi)展有效地增進(jìn)了學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)數(shù)值仿真的興趣，提高了他們的專業(yè)素養(yǎng)和科研能力。

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[4]盧斌先.關(guān)于工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法教學(xué)思路的探討[A]/ /第四屆全國(guó)高校電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)改革研討會(huì)論文集[C].北京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007：385-388.

[5]宮天然.美國(guó)名校網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)課的啟示與借鑒[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）：142-144.

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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(chǎng)數(shù)值計(jì)算、高電壓絕緣技術(shù)的教學(xué)和科研工作。