仿真計算軟件在“工程電磁場”課程教學(xué)過程中的應(yīng)用

袁發(fā)庭 韓珊珊 唐波 黃力

[摘 要] 該文針對目前“工程電磁場”在教學(xué)工程中課堂氛圍枯燥、學(xué)生學(xué)習(xí)效率低等問題，將MATLAB、ANSOFT等仿真計算軟件融入到課堂教學(xué)中，采用編程和模擬仿真的方法，以動畫和視頻的形式展示電磁場的分布特點，鼓勵學(xué)生自己動手，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場理論的積極性，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 仿真;“工程電磁場”;教學(xué)

[基金項目] 2020年度三峽大學(xué)教學(xué)研究項目（J2020013）;2020年度三峽大學(xué)高教研究項目（GJ2044）

[作者簡介] 袁發(fā)庭（1988—），男，湖北孝感人，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力裝備多物理場仿真研究;

韓珊珊（1991—），女，山東德州人，博士，三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院講師（通信作者），研究方向為醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)和分子生物物理學(xué)。

[中圖分類號] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）38-0258-02? ? [收稿日期] 2020-07-13

“工程電磁場”是電氣工程及其自動化專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程所涉及到的知識面廣，對學(xué)生的數(shù)學(xué)能力要求高，需要提前掌握高等數(shù)學(xué)中關(guān)于矢量、積分和微分等基礎(chǔ)知識;同時，該課程內(nèi)容涉及到大量的公式，推導(dǎo)過程復(fù)雜，且抽象難懂;現(xiàn)階段面臨教師難講和學(xué)生難學(xué)的困境。為了解決上述問題，相關(guān)研究者開展了關(guān)于工程電磁場教學(xué)改革的探索與實踐研究，文獻(xiàn)[1]提出注重課程引導(dǎo)、工程實例講解的方法來提升教學(xué)效果;文獻(xiàn)[2]提出將理論知識與工程實際相聯(lián)系，解決工程實際問題的方案。上述方法能夠在一定程度上改善教學(xué)效果，然而，在提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)積極性方面效果不顯著;因此，如何在教學(xué)過程中，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，進(jìn)而提高課堂的教學(xué)質(zhì)量是亟需解決的問題。

本文將仿真計算軟件融入到“工程電磁場”的教學(xué)過程中，借助MATLAB、ANSOFT等軟件，通過模擬的方法直觀的展現(xiàn)電力設(shè)備電磁場的分布特點和規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生參與到教學(xué)實踐活動中，激發(fā)學(xué)生動手解決問題的潛能，提高課堂的教學(xué)氛圍和質(zhì)量。

一、MATLAB軟件在“工程電磁場”教學(xué)過程中應(yīng)用

在工程電磁場矢量分析及場論基礎(chǔ)中，涉及標(biāo)量場的方向?qū)?shù)和梯度，矢量場的通量和散度、矢量場的環(huán)量和旋度等內(nèi)容，該部分內(nèi)容所涉及到的公式繁多，各參量之間容易混淆，學(xué)生掌握和理解起來比較困難。若在該部分講授過程中，利用MATLAB軟件中的矢量分析函數(shù)，鼓勵學(xué)生采用軟件編程的方法進(jìn)行計算，加深學(xué)生對矢量分析的理解。結(jié)合具體的實例加以說明：已知矢量A=e求矢量A的模，A·B及A×B;

采用MATLAB軟件編程實現(xiàn)如下：

A=[1 1 1];? [1 1 1];

norm （A）? ?%矢量A的模

dot （A B）? ?%矢量A與B的點積

cross（A B）? %矢量A與B的叉乘

通過軟件計算得到的結(jié)果如下：

模為，點積為3，叉乘為0。

上述MATLAB軟件編寫簡單，界面操作方便，能夠快速的獲得計算結(jié)果。因此，借助MATLAB軟件的功能，可以將繁瑣的計算表達(dá)式轉(zhuǎn)化為簡潔的計算機(jī)語言，激發(fā)學(xué)生動手操作的熱情，調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。

二、ANSOFT軟件在“工程電磁場”教學(xué)過程中應(yīng)用

工程電磁場教學(xué)內(nèi)容涉及到恒定電場、恒定磁場及時變電磁場等基本理論知識，在進(jìn)行電磁場計算中涉及到的公式復(fù)雜，理論推導(dǎo)過程繁瑣，同時結(jié)構(gòu)等參數(shù)影響顯著，學(xué)生掌握困難。若借助仿真計算軟件，通過對仿真軟件進(jìn)行操作，在課堂教學(xué)過程中用圖像的畫面進(jìn)行展示，更加直觀。

（一）ANSOFT軟件在在電場計算中的應(yīng)用

結(jié)合具體的實例加以說明：給定平行平板電容器的尺寸，極板間填充介質(zhì)，已知極板的電壓和寬度，求極板電場強(qiáng)度E及電容值C。

在理論推導(dǎo)中，可以得到電場強(qiáng)度為：

E=?（1）

計算的電容值為：

C=?（2）

式中，ε為相對介電常數(shù)，S為截面積，d為兩板間的距離。上述的計算方法能夠直接給出了電場計算結(jié)果，但是上述是在理想條件下。若采用ANSOFT仿真軟件，通過建立平行平板模型，在平板上施加激勵，對整個求解域進(jìn)行網(wǎng)格剖分和邊界條件設(shè)置，可以獲得極板電場強(qiáng)度和電容值。其中極板電場強(qiáng)度分布結(jié)果如圖1所示。結(jié)合電場能量法可以計算得到平板電容器的電容值，仿真結(jié)果驗證計算結(jié)果的正確性。

在教學(xué)過程中，仿真結(jié)果采用云圖的方式進(jìn)行展現(xiàn)，學(xué)生對電場分布的特點更易理解。同時以上內(nèi)容涉及到工程電磁場教學(xué)中恒定電場的解析計算，電場邊值問題、電場的能量及電路電容參數(shù)的計算，能夠加深對該部分內(nèi)容的理解。

（二）ANSOFT軟件在磁場計算中的應(yīng)用

結(jié)合具體的實例加以說明，例如電抗器單個包封線圈，計算通流時周圍磁場分布及電感。根據(jù)模型的對稱性，采用磁位移矢量可以計算得到在任意一點的磁感應(yīng)強(qiáng)度的解析式，如下式所示。

（3）

根據(jù)包封線圈周圍電磁場的能量，可以計算得到其電感值，如式（4）所示。

（4）

式中，L為電感，I為線圈電流，W為能量。

在教學(xué)過程中，采用公式推導(dǎo)的方法將造成課堂內(nèi)容單調(diào)，學(xué)生積極性不高。若借助有限元仿真計算軟件，結(jié)果將更加直觀清晰。同時，在解決該問題的過程中，學(xué)生首先需要調(diào)研和思考仿真軟件中模型如何建立，模型能否簡化，激勵如何加載，網(wǎng)格如何剖分和邊界條件設(shè)置等問題，讓學(xué)生帶著這些問題去思考，吸引學(xué)生參與到工程電磁場的學(xué)習(xí)過程中。在學(xué)生思考的基礎(chǔ)上，通過ANSOFT仿真軟件建立了線圈的二維軸對稱仿真模型，得到的磁通密度分布結(jié)果如圖2所示。

以上內(nèi)容涉及到工程電磁場中的恒定磁場的解析計算，磁場邊值問題、磁場的能量及電感參數(shù)的計算。因此，將仿真軟件應(yīng)用到工程電磁場的教學(xué)過程中，能夠清晰明了的顯示電力設(shè)備電磁場分布特點，加深了學(xué)生對電磁場的理解。另外，在進(jìn)行仿真計算時，可將工程電磁場課程中各部分內(nèi)容緊密的鏈接起來，學(xué)生易于掌握各部分內(nèi)容間的邏輯關(guān)系，加深學(xué)生對該部分的理解程度，提高課堂的教學(xué)效果。

因此，基于教師在課堂講授的工程電磁場理論知識，結(jié)合計算機(jī)仿真軟件的演示，通過仿真軟件模型的建立，激勵條件加載，網(wǎng)格剖分及邊界條件的設(shè)置，將所學(xué)的知識融會貫通，鍛煉了學(xué)生思考能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)工程電磁場的興趣。

三、結(jié)語

在工程電磁場的教學(xué)過程中，通過MATLAB、ANSOFT等軟件的仿真計算功能及展示功能，一方面，可以將理論和實踐相結(jié)合，增加學(xué)生對電磁場的理解和應(yīng)用，提高學(xué)生動手能力，另一方面，通過仿真軟件將所學(xué)到的工程電磁場各部分內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，能夠顯著提升課堂的氛圍和教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]白小玲.少學(xué)時下工程電磁場教學(xué)效果提升方法研究[J].科技資訊，2019，17（22）：95-97.

[2]李旭，程治狀.針對行業(yè)崗位能力要求的“工程電磁場”雙語教學(xué)改革探討[J].新課程研究（中旬刊），2017（08）：82-84.

[3]李慧，白雪峰.MATLAB在工程電磁場教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2015（27）：220-221.