自主开放式电磁场数值仿真教学探索

杜志叶 林洋佳 王建 阮江 军文武 黄道春 张亚东

（武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072）

自主开放式电磁场数值仿真教学探索

杜志叶 林洋佳 王建 阮江 军文武 黄道春 张亚东

（武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072）

电磁场可视化仿真实验课程开设有助于学生理解电磁场理论，提高解决实际问题的能力。通过对实验室传统上机授课方式存在的问题进行分析，提出了开放式的仿真实验教学方式。结合自身教学实践和学科专业特点，因地制宜，从实验课程设置、仿真软件学习、课程考核、和课后探索巩固等几个方面进行了论述，对提升“工程电磁场”课程教学质量和增强学生专业技能进行了有益的探索，本方案的开展有助于学生达到“卓越工程师”的培养目标。

自主开放式；电磁场数值仿真；教学；探索

一、概述

“工程电磁场”是一门高等院校理工科电气和电子信息类专业的重要的专业基础课，其内容理论性强、物理概念抽象、数学公式多。教学过程中通常被学生称为是“天书”之一；教师也普遍感觉教学过程比较吃力，教学效果不好，总体上难学难教[1，2]。如何增加学生对该课程学习兴趣，提升教学内容的可理解性，使学生真正理解电磁现象的物理本质，掌握电磁场的重要理论和概念，融会贯通解决问题的能力，已成为承担该课程教学的每一个教师亟待解决的问题[3，4]。

随着技术的进步和电脑的普及，基于专业软件的电脑仿真对同学们理解相对深奥的电磁场理论、掌握和运用一些必要的仿真技术专业技能有着关键的影响[5，6]。“电磁场可视化仿真实验”课程应广大师生的要求设立，基于ANSYS的电磁场数值仿真技术可为学生打开一扇奇妙的大门：采用3D建模仿真技术，可以动态地展示课本上难以理解的电场、磁场图像。但是传统的实验课程安排存在如下问题：为了节约仿真操作时间，实验室中电脑上的仿真软件是事先安装好的，学生在规定的时间内在老师的指导下上机实验做练习，下课后很少有机会和条件继续练习仿真技能。学习过程被限制在特定的实验室中和有限的上课时段内，学生处于被动学习状态，很难掌握更深入的知识和技能。实验机房资源有限，安排时段不足，师生普遍感觉学习有点“意犹未尽”。

为弥补实验室环境下的仿真培训式学习的不足，基于强调教学和科研有机的结合、充分发挥学生的能动性，培养有潜力的科研人才，文章提出自主开放式电磁场可视化仿真实验教学方式，将课程的仿真实验环节从专业实验室转进普通教室。仿真教学过程在学生的个人电脑上进行，从多元化教学方式、仿真算例优选设置、课程考核方式差异化以及积极创造训练机会等环节考虑，理论联系实际，充分发挥学生的自主性，对于提高同学们的仿真软件学习效果、培养学习的自主独立性有较强的意义。

二、开放式的课堂教学方式

“电磁场可视化仿真实验”是基于ANSYS软件开展的电磁场数值仿真课程。ANSYS是一款基于有限单元法的大型的数值计算商业软件，广泛应用于科研和工程领域。学习该软件不但要具备一些基本的电磁场知识，还得了解有限元法的相关数值建模技术：比如实体、材料、单元、节点、网格等物理和几何知识。以前实验课程要求是在专业的仿真实验机房完成，学生规定的时段内在实验教师的指导下完成若干仿真算例，提交实验报告。往往时间比较仓促，缺乏更多的机会联系软件使用技巧。另外为了顺利完成教学任务，仿真算例设置的往往较简单，难以达到很好的教学效果。

（一）充分利用仿真实验条件

随着科技的进步和学生个人电脑的普及，据课题组的调查，自2012年后，本校95%的大二学生都拥有个人电脑，其中70%以上为便携式笔记本电脑。电脑的配置大都满足仿真软件的基本硬件环境要求，电池续航能力一般在2个小时以上，可以满足课堂使用。实验课程要求两个学生一组，共同操作，这样可以更充分利用资源，对于暂时没有便携式电脑的同学，不至于增加学习困难和个人竞技负担，使得原来在机房中完成的仿真实验课程转移进普通教室。仿真实验在普通教室中进行，学生能够在熟悉的个人电脑上做仿真实验，既方便个人文件的保存和对仿真算例的深入研究，又使得课堂教学更加自由、开放，教师和同学们之间的交流更加通畅。

仿真软件平台的安装在实验课程开始前一周开始，由指导教师将《ANSYS软件学生版》和《软件安装说明》交给学生课代表，由学生自发组织把仿真软件安装好，以备上课时应用。实际当中发现，这一过程既能让学生提前熟悉软件的基本功能，又能够激发学生对学习新知识的兴趣。

（二）精选仿真算例

对于仿真算例的设置，根据本专业典型工程案例，总结、改进算例设置更符合课堂教学。结合工程电磁场课程的主要内容教学要求，确定6个课堂开展的仿真实验算例和8个课余开展的仿真实验算例。内容涵盖静电场、恒定电场、工频电场、静磁场和工频磁场等方面的内容[1，2]。课堂上学习的算例设置，主要考虑本专业常见的工程问题：比如架空输电线路的电场和电容、电感和磁场计算，球形和管型接地体的电阻和跨步电压计算等，同课本中的重要例题相对应，是要求学生必须掌握的知识。课余开展的仿真算例设置，主要是考虑那些愿意更多地掌握仿真技术的同学和对解决实际问题有更大兴趣的同学需求，比如支柱绝缘子电场计算、合成绝缘子或者避雷器均压环电场优化设计，以及线圈式电磁继电器的磁场计算等算例，有针对性地满足学生对专业知识的渴求和训练解决工程实际问题的能力，为将来的科研工作奠定基础。

（三）多元化的教学手段

课堂教学充分利用计算机和多媒体设备等现代化教学手段，集图像、动画、视频、数据、运算和列表等多种信息载体的综合展示，给学生以全新的课堂教学氛围和授课感受。并结合教师的科研成果和国家工程建设现状，介绍仿真实验的优势和生产力工具，激发同学们学好软件、掌握这种仿真工具的欲望。比如，在讲到架空输电线路电场计算时，使用了本课题组的最新科研成果：特高压直流输电工程导线优化设计，并用动态的方式展示出来，让同学们感受到仿真工具作为一种强大的生产力工具所完成的工作和产生的巨大经济效益。

针对同学们开始对仿真软件不熟悉，无从下手的现象，课题组专门制作了一个小视频，详细讲解软件的界面操作过程和常用快捷键功能，使学生能够较快地学习和熟悉软件的操作过程，消除对新事物的畏惧感。仿真实验教学过程采用由简入繁，由教至练的方式。开始针对简单的仿真算例，由教师一步步地从物理模型到几何建模，再到模型剖分，最后至仿真结果的输出，整个过程同学生们一起完成，让学生熟悉、理解每一个环节、每一个操作的意义和目的，获得仿真完成后的成就感。然后针对共性的问题，进行详细分析和步骤分解。针对进程落后的学生，更是做到“手把手”指教，确保大部分同学能够跟上节奏，也最大限度地体现了仿真课堂的互动开放式效果。

针对比较复杂的算例，算例中的设备建模比较难以理解。课题组专门制作了该类算例的视频，同学们可以根据实际模型的物理结构学习数值建模方法[6]。比如针对仿真分析中的2D平面对称和轴对称模型的区别，视频中就分别以架空输电线路和支柱绝缘子为模型，介绍仿真中这些设备的等效模型和相应的建模方法，以及2D和3D模型的对应性，使学生们产生相应的场分析的概念，提高电磁场仿真建模能力。

三、自主化的课后训练巩固

课堂上的学习仅是软件的基本操作和要求，如果课后没有进一步练习和巩固，学生难以提高对仿真软件的掌握水平，就失去了课程改革的意义。为丰富教学内容，使学生更深入的理解电磁场理论和仿真软件的应用价值，也通过如下方式促进学生课后自主练习和应用软件，保证学习效果。

（一）差异化的课程考核方式

作为一门专业基础实验课，课程考核是保证学生出勤率和学习效果的重要手段。同其他类型的实验课要求一样，本门课程在课堂仿真实验之后，学生要提交实验报告作为成绩评定的依据。由于仿真工作主要依赖个人电脑完成，仿真实验报告内容易于拷贝，常发生个别学生弄虚作假情况，报告抄袭现象严重。针对此种现象，采取差异化的课程考核方式，使学生只能独立完成仿真实验任务，撰写实验报告。具体做法如下：

1.课堂上练习时，要求每组同学仿真任务完成后，提交一份带有自己学号和完成时间的仿真结果图片，发送到指导教师邮箱，以证明该仿真结果是自己独立作出。

2.平时考核采取实时互动方式，由教师直接向同学提问，要求在一定时间内，完成某项功能操作，以考核学生对仿真软件的掌握程度。

3.期末考核采取提交报告的形式，每位同学布置不同的仿真算例，以学号后两位数字为标记，随机分配不同的仿真模型参数，使得报告内容只能由自己课余时间独立完成，避免了同学们之间相互抄袭的陋习。

（二）大学生创新项目的技术支持

近年来在大学本科学生中开展的大学生创新项目，引起了许多同学们的兴趣。对于工科学生，采用自己掌握的数值仿真工具，理论结合实际，开展科学研究和创新实验是值得大力提倡的。本课程的授课对象是大二学生，正处于大学生创新项目的立项申报阶段，很多同学学习了本课程以后，纷纷表示希望利用电磁场仿真工具ANSYS作为创新项目的研究技术基础。对此，指导教师也常利用业余时间给学生们做辅导，针对同学们在创新项目的立项问题、研究内容、技术方案进行辅导，献计献策，有效地支援了创新项目的开展，增进了师生之间的感情，又加强了同学们学好软件、用好软件的决心。

（三）鼓励并招收学生参与科研项目

作为一个研究型重点大学，作者所在学院大多老师都是“科研教学并重型”的教师，在保证教学任务的同时，还承担许多的科研项目，服务于社会。虽然科研项目的主力军是研究生，但是研究生正所谓“铁打的营盘流水的兵”，随着一批批的学生毕业，又一批新兵进入实验室，开始新的培养流程。为了提高科研队伍接班人的科研能力，学校、院也很重视培养本科学生的科研热情。对于那些好学上进、学有余力的同学，鼓励他们参与科研项目。根据学生的诉求和本学院各课题组所负责项目特点，一方面实验指导教师与学院的教授们联系，推荐优秀学生给各个项目相关的课题组；另一方面也鼓励学生与教授们建立联系，提前进入实验室，参与到具体的科研项目中。作者所在的课题组每年都会招收2-3名学生，参与到本人所负责的科研项目中，并且根据学生的贡献，给予一定的科研补贴，既锻炼了学生的科研能力，又深化了学生对电磁场仿真软件的领悟能力，培养了科研的后备人才，建立了学以致用的良性循环。

四、结束语

针对实验室传统上机实验的时间和场地局限性，本项目提出自主开放式的电磁场可视化实验教学方式，充分利用现有条件，发挥学生的积极性和主动性。从课堂教学环节、课后训练环节中的各个问题入手，采取相应的措施，有效地保障了同学们的学习时间和学习效率，激发了学习兴趣，并拓展了应用渠道。项目开展三年来，通过调查发现，同学们对电磁场的基本知识点的理解和掌握水平大大提高，大多能够熟练掌握电磁场数值仿真方法，许多同学都据此申报成功了大学生创新项目。课程结束以后两年内，受访学生对电磁场仿真软件的使用率超过了50%，本项目的开展有效地增进了学生对电磁场数值仿真的兴趣，提高了他们的专业素养和科研能力。

[1]杨宪章.工程电磁场[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]Bhag Singh Guru，Huseyin R.Hiziroglu.电磁场与电磁波[M].周克定，等译.北京：机械工业出版社，2000.

[3]潘锦.电磁场教学中的挑战与新实验建设[J].电子与电气教学学报，2008，30（5）：54-55.

[4]卢斌先.关于工程电磁场数值分析方法教学思路的探讨[A]/ /第四届全国高校电气工程及自动化专业教学改革研讨会论文集[C].北京：电气电子教学学报，2007：385-388.

[5]宫天然.美国名校网络公开课的启示与借鉴[J].首都师范大学学报，2011（6）：142-144.

[6]李小林.关于数值计算方法课程教学改革的探讨[J].重庆文理学院学报：自然科学版，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

杜志叶（1974-），男，河南许昌人，博士，副教授，从事电磁场数值计算、高电压绝缘技术的教学和科研工作。