科研致用、仿真助推、自主创新的电磁场实验

赵彦珍，应柏青，沈 瑶

(西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049)

电磁场课程是高等学校电气信息类专业本科生必修的专业技术基础课。它不仅为电气信息类学生专业课的学习提供必需的知识基础，而且能够增强学生面向工程实际的适应能力和创造能力，关系到学生基本素质培养的终极目标[1]。由于电磁场理论性强、概念抽象，电磁场课程成为公认的最难学的电气信息类课程之一。唯其如此，更凸显电磁场实验的重要性。同时，国民经济的发展需要大量的高素质并且具有创新性的电气信息类人才，如果仍然采用传统的简单电磁场实验培养学生，那么离培养高素质人才的目标会渐行渐远[2-4]。

正是基于培养高素质创新型人才的迫切需要，西安交通大学对电磁场实验教学进行了重大改革。将前沿的科研项目成果引入电磁场实验，使得电磁场实验更接近于工程实际，开阔学生的视野，激发学生的学习兴趣和信心。将Ansoft、PSPICE和LabView等大型常用电磁场仿真软件引入电磁场实验，对传统的电磁场实验进行了改进升级，还开发了多个新的综合设计型开放实验，为学生自主设计提供条件，鼓励他们大胆动手和总结，激发和提升学生的自主创新能力[5-10]。

1 电磁场实验教学中存在的主要问题

西安交通大学电磁场课程的实验教学在我国高等院校享有较高的声誉。但随着电磁场领域新技术的发展，同时为配合电磁场课程的建设，需要对电磁场实验教学不断地进行总结、改革和更新。学校电磁场实验教学中存在的主要问题有以下3个方面。

1)实验难度过低。原有实验内容简单，不能很好培养学生电磁场实验动手和分析能力。

2)实验手段单一。原有的电磁场实验中，学生仅进行简单的实验测量。

3)学生创新缺失。学生只是简单地重复实验，对电磁场实验不感兴趣，缺少自主创新精神。

2 电磁场实验改革方法

2.1 凝练科研项目成果，溶入电磁场实验教学

通过把电磁场理论知识和实际工程科研成果联系起来，将教师的最新科研项目成果凝练成实验内容，使实验教学更面向工程实际，开阔学生视野，激发学生学习兴趣，同时，对学生的科研方法训练也有极大的促进作用。

将“特高压输电线路工频电磁场特性的分析和研究”的导体调整电场分布原理、“干式空芯电抗器匝间短路在线检测技术”的匝间短路在线检测原理和“干式空芯电抗器设计与开发”的线圈电感及磁场计算方法等科研项目成果引入到电磁场实验，更新了实验内容，增强了学生面向实际工程的适应能力。如在干式空芯电抗器设计与开发的实验中，学生首先查阅相关文献，了解干式空芯电抗器的结构及在实际工程中的应用，然后提出自己的设计目标，采用所学的电感计算方法等理论知识，编制相应的设计程序，根据设计结果绕组电感线圈，最后将电感的实测值与设计计算值进行对比总结。通过该实验，学生能实实在在地体会到所学所用，提高了学生的实验动手能力和分析解决问题的能力，学习兴趣及自信心也得以充分提高。如图1所示，为学生编制的干式空芯电抗器设计程序主界面，如图2所示为根据设计结果绕制的线圈实物照片。

图1 干式空芯电抗器设计程序主界面

图2 学生自制线圈实物照片

通过将科研项目成果引入电磁场实验教学，解决了基础课实验内容简单，不能很好培养学生电磁场实验动手和分析能力的问题，丰富了实验内容。学以致用的教学导向，激发了学生的学习热情，为基础课实验教学改革探索出了一条新路。

2.2 应用仿真平台，丰富实验手段

由于电磁场问题的特殊性及受实验条件的限制，很多实验现象难以实施和展现，如对难以求得解析解的静电场问题，若采用实验来直接测量电场是相当困难的。这是因为，静电场中没有电流，无法用普通的电压表进行测量，只能用静电仪表，而仪表本身总是导体或电介质，一旦把它放入静电场，原静电场将被改变，导致测量失真。此时，一般采用恒定电流场来比拟实现静电测量实验。另一有效手段就是采用仿真软件，仿真软件的应用能够弥补这方面的不足，同时，数值仿真方法也是提高理论具体运用的途径。为此，将科研项目中经常使用的大型工程软件Ansoft、PSPICE引入原有实验，使实验结果直观可视，学生可将仿真与实测对比，体会理论与实际的联系和区别，提高学生理论分析和实验数据处理能力；采用数值仿真方法实现难以用物理方法实施的实验；将LabView虚拟实验平台引入自主实验，用虚拟仪器实现对信号的采集、监控和处理等。

在静电场模拟和螺线管磁场测量等实验中，新增应用Ansoft软件仿真计算电场、磁场分布特性，利用软件后处理模块对电场、磁场分布的直观显示来分析电场、磁场的分布规律。如图3所示，为Ansoft软件仿真的高压绝缘子串电场分布图；图4所示为Ansoft软件仿真的螺线管磁感应强度分布图，通过该仿真软件的应用，学生还可以巩固在课堂上所学的电磁场边值问题的列写及求解方法。

在无损耗均匀传输线的研究实验中，增加应用PSPICE软件仿真分析终端接不同负载时传输线上电压、电流沿线的分布情况，如图5 所示，为无损耗均匀传输线的实验装置、仿真模型及仿真结果。

(a)无损耗均匀传输线的实验装置

(b)无损耗均匀传输线的仿真模型

(c)无损耗均匀传输线1沿线电压分布

在新开发的自主实验干式空芯电抗器匝间短路故障在线检测中，应用LabView软件开发在线检测系统的用户界面，用LabView虚拟仪器实现匝间短路信号的采集及监控。如图6所示，为学生设计的LabView的信号采集及监控系统界面[11]。

图6 基于LabView的信号采集及监控系统界面

将Ansoft、PSPICE、LabView等仿真软件引入电磁场实验教学，使得实验现象更加形象直观，使学生更易于理解抽象的电磁场概念。一方面为原有实验注入了新的活力；另一方面仿真实现了用物理方法难以实施的实验，丰富了实验教学手段。同时，又使学生掌握了大型工程软件的应用，为学生今后的科研工作或研究生学习提前打下了良好的基础。

2.3 开展多形式实践活动，提升学生自主创新能力

增加了电磁感应现象观测、激光及光纤通信等演示实验。在“电磁感应现象观测”的综合性演示实验中，通过教师对实验过程的演示，学生可以观察不同材料、不同结构的金属圆板位于通电线圈上方时的稳态磁悬浮、电磁振动等不同的实验现象，学习磁场的测量方法，掌握线圈电感参数、电磁力等的近似计算方法，了解磁滞现象及减小涡流的方法，如图7所示，为自制的磁悬浮演示装置，图8所示为磁悬浮演示实验中开槽金属铝板涡流分布的仿真。

图7 自制的磁悬浮演示装置

开发了导体对电场分布的调整和控制作用的研究、均匀磁场实现方法的研究、电磁炮模型的设计与制作等8项自主设计实验，如表1所示，吸引学生积极主动参加实验，学生可以利用课余时间，独立自主地进行实验。如图9所示为学生完成电磁炮模型的设计与制作实验现场照片，通过该实验，学生不仅感受到电磁力，而且通过查阅文献，了解了电磁场在航空航天、军事科学等领域的应用。

表1 电磁场自主设计实验项目

图9 电磁炮的设计与制作实验现场照片

引导学生将电磁场理论知识与电气工程实际问题相结合，阐述原理，提出设想，发表见解，并对开放实验的实践工作进行总结、提炼，撰写成科技小论文[11-15]。

通过增加综合性演示实验，激发学生学习兴趣；通过开发自主设计实验，提高学生主动参与性，提升学生自主创新能力；通过鼓励、引导学生凝练实验成果，撰写并发表论文，提升学生自主学习和实验的总结归纳能力，实现学生由被动接受向主动创新的转变。

3 电磁场实验改革成效

每年面向学校电气学院15个班，450名左右本科生开展了电磁场实验教学改革，取得了很好的教学效果。

1)通过对传统基础实验内容的更新和实验手段的丰富，学生动手实践能力增强，学生对电磁场理论分析和实验数据处理能力也得以提高。

2)通过利用学生的课余时间开展与科研项目相结合的自主设计实验，学生掌握了大型工程软件的使用方法，科研创新能力得到提升，为学生今后的科研或深造打下良好基础。

3)通过科技小论文写作，学生对知识的归纳总结能力、综合应用能力得到了充分锻炼与提高。

4)结合电磁场实验教学改革，学院还新编了特色实验教材《电磁场实验、演示与仿真》，该教材已被学校4届约2 000名本科生使用，同时还受到国内其他读者欢迎。

5)学校电磁场实验改革受到国内兄弟院校的关注。近年来，四川大学、山东理工大学、华南理工大学、西安空军工程大学等40余所高校100余名同行来参观考察，起到了示范和辐射作用 。

4 结束语

针对学校电磁场实验教学中存在的问题进行了重大改革。将科研项目成果和大型工程仿真软件引入到电磁场实验中，给传统的实验内容注入了新的活力，丰富了实验教学手段，使实验教学更面向工程实际，对学生的科研方法训练也有极大的促进作用，提升了学生综合应用知识能力和自主创新能力，为验证性实验为主的基础课程实验改革提供了借鉴，实现了高素质创新人才培养的新的实验课程教学模式。