基于Comsol软件的电磁兼容课程案例式教学设计

白洁 陈玉 孔忻

摘  要：该文介绍基于Comsol软件的电磁兼容课程案例式教学方法。通过案例教学和仿真，学生将理论知识应用于实际问题，深入理解电磁兼容的概念和原理。通过仿真案例的可视化结果，学生直观地理解电磁辐射和传导，观察不同参数对电磁兼容性的影响。结果表明，仿真案例具有直观性和可视化等优势，同时又有简化模型、缺乏实际操作经验和对计算机的依赖等局限性。在设计仿真案例时，要充分发挥其优势，规避不足，为学生的学习提供实践性、直观性和灵活性，培养学生的工程设计与研发能力。

关键词：Comsol软件;电磁兼容;案例式教学;教学设计;仿真案例

中图分类号：G640         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）S2-0111-05

Abstract： The article introduces a case-based teaching method for EMC courses based on Comsol software. Through case teaching and simulation， students apply theoretical knowledge to practical problems and gain an in-depth understanding of the concepts and principles of electromagnetic compatibility. Through visualisation of the results of the simulation cases， students understand electromagnetic radiation and conduction intuitively and observe the effects of different parameters on EMC. The results show that simulation cases have advantages such as intuitiveness and visualisation， but also limitations such as simplified models， lack of practical experience and dependence on computers. When designing simulation cases， it is important to make full use of their advantages and avoid their shortcomings to provide practicality， intuitiveness and flexibility for students' learning and to develop their engineering design and development skills.

Keywords： Comsol software; electromagnetic compatibility; case-based teaching; instructional design; simulation case

随着电气、电子设备的广泛应用，电磁干扰问题日益凸显。电磁干扰可能导致设备性能下降和严重事故，对社会造成巨大损失。为保障设备正常运行，国际和国内普遍实施电磁兼容标准，要求产品具备良好的电磁兼容性。电磁兼容技术成为电气技术人员必备的专业知识，掌握其原理和应用对产品性能和可靠性至关重要。然而，高校电磁兼容课程教学面临一系列问题。首先，其理论内容相对抽象且庞杂，涉及到工程实践性强且知识更新迅速，给教师的讲解和学生的学习都带来了困难。正如谭康伯等[1]所指出的，在建设电磁专业核心课程方面仍存在困难和挑战。

为了解决这些问题，许多高校开始探索采用案例教学法。案例教学法最早应用于商业管理教育中，其优点在于能够激发学生的主动参与和积极性，提高学习效果。在电磁兼容课程中引入案例教学法已经取得了较好的效果，如戴玲等[2]所述。通过案例教学，学生可以避开繁琐的公式推导和论证过程，直接参与到实际工程案例的解决中，提高了学习的兴趣和动力。然而，案例教学法的实施需要昂贵的仪器设备作为支撑，这限制了其在教学中的普及应用。为了克服这一问题，近年来出现了虚拟仿真实验的方法。虚拟仿真实验可以代替实际工程场景，有效地降低了实验成本并提供更大的灵活性。然而，虚拟仿真实验方法也存在一些限制，如研制时间长、费用高以及需要专业软件人员完成等问题，如侯慧等[3]所述。

在此背景下，基于仿真软件的电磁兼容课程案例分析成为一种有效的教学方法。许多高校已经将仿真软件引入到工程电磁场课堂中，取得了良好的效果，如夏能弘等[4]所述。常用于电磁兼容仿真实验的软件包括Ansys Maxwell、Matlab、ADS、Comsol和Zeland IE3D等。其中Comsol仿真软件具有简单易用的特点，无需繁琐的编程，仅需按照指导步骤即可完成具体的仿真任务，非常适合初学者。

因此，本文旨在基于Comsol软件开展电磁兼容课程的仿真案例研究，通過结合具体案例和仿真软件，学生可以参与具体的仿真实验设计和实施过程，提高其对电磁兼容原理和应用的理解和掌握能力。此外，通过本文的研究和实践，也为测控专业人才的培养提供了参考和借鉴。

一  电磁兼容课程的基本情况

通过学习电磁兼容课程，可以初步培养学生的工程意识和能力，为后续科研能力的发展奠定一定基础。

（一）  电磁兼容课程目标和基本内容

电磁兼容课程旨在培养学生对电磁兼容性的全面理解和应用能力。学生通过掌握电磁兼容性的基本原理、技术和方法，能够设计、开发和应用电子设备和系统，使其在复杂的电磁环境中能够稳定工作，并满足相关法规和标准对电磁兼容性的要求。其主要内容如下。

1  电磁兼容性基础知识

学习电磁场理论、电磁辐射、电磁波传播及电磁相容性的基本概念和原理。

2  电磁辐射与传导

了解电磁辐射和传导的产生机制、特性和传播规律，及其对电子设备和系统的影响。

3  电磁干扰与抗干扰技术

探讨电磁干扰的类型和来源，学习抗干扰技术的原理和方法，包括屏蔽技术、接地与接线技术、滤波器设计等。

4  电磁兼容测试与评估

学习电磁兼容性测试和评估的方法、标准和指标，包括使用测试设备和规范测试过程。

5  电磁兼容性设计与管理

掌握电磁兼容性设计的原则和方法，学习如何在电子产品和系统的开发过程中考虑和管理电磁兼容性问题。

6  电磁兼容性的领域

了解电磁兼容性在通信系统、航空航天、医疗设备、汽车电子和工业控制等领域的应用和挑战。

（二）  电磁兼容课程教学的现状

电磁兼容课程的教学工作面临多个挑战。首先，与集总参数理论相比，理论知识更为抽象和复杂，对学生来说难以理解。其次，进行高速和高频实验需要昂贵的频谱分析仪、网络分析仪等设备，难以在本科教学中广泛推广应用。此外，教学内容与相关科技的最新成果脱节，教学方法仍然偏向传统的“满堂灌”式教学。

为了改善这些问题，我们采用了仿真软件进行电磁兼容实验设计，比如设计了“飞机天线串扰电磁兼容”仿真实验。该实验旨在帮助学生掌握天线布局原则、隔离度概念和干扰分析[5]等关键知识点，学生对“飞机天线串扰”这一话题既感兴趣又陌生，可激发他们学习的积极性。我们发现，学生如果自行设计仿真实验，仅是学习该软件就将花费不少学时，这使得学生对相关知识点的理解的时间就会减少。由此，我们引入了由教师设计的实现案例库，供学生使用。当然，也鼓励能力较强的学生自行设计实验，以加深对概念和理论的理解。

二  案例教学法与仿真实验相结合

传统工科专业教学通常分为理论和实验两部分，实验用于验证理论知识。然而，实验常在理论学习后才进行，导致学生对内容感性认识被推迟，兴趣逐渐消失。为解决此问题，引入了基于仿真实验的案例教学模式，理论与实践相结合，加强感性认知，深化理性认知。

案例教学具有生动、形象、具体且实效强的特点，为了提高效果，我们采用了Comsol仿真软件来设计教学案例。使学生更加直观地理解理论知识，有利于学生掌握和应用知识，激发学习兴趣，积极参与教学，从而提高学习动力和效果[6]。

（一）  案例教学法主要内容

我们建立了一个电磁兼容课程案例库，利用Comsol仿真软件进行设计，模拟主要的电磁骚扰源和传播机理，动态展示电磁场的分布结构和功能，并能更好地理解相关知识点。通过案例学习过程，学生将掌握電磁兼容的本质，提高分析问题和解决问题的能力。

1  梳理课程内容，细化知识点

分析电磁兼容课程的知识点，对于那些看不见、摸不着的电磁场相关概念，我们将尽量使用二维图像和三维立体的形式来展示。电磁兼容课程相关内容见表1。

2  案例设计原则

在引入应用实例时，采取以下原则。

1）学生熟悉度：选择学生熟悉的常见实例，如家用微波炉。除介绍基本工作原理外，详细阐述防止电磁泄漏的注意事项，培养电磁兼容与日常生活相关的印象，增强学习的亲切感。

2）重要性应用：选取学生将来经常遇到但易忽略的重要应用，如讲解接地电阻时，侧重介绍接地的必要性、种类和方法，特别强调机壳接地等，加深对接地概念的理解。

3）跨学科结合：将实例与其他学科和技术的最新发展结合，例如，以学生使用手机为背景，探讨5G手机信号的频率分布、主要技术，并从生物电磁效应角度提出手机使用过程中的防辐射措施，深化对辐射干扰和电磁泄漏问题的认知。

4）引发兴趣：引入与飞机和汽车应用相关的实例，如飞机天线串扰或汽车挡风玻璃上的天线对线束的影响。激发学生学习兴趣，促进对电磁兼容问题的深入探索。

综上，设计案例时应选择熟悉的、常见的实例，关注容易忽略但重要的应用，并结合其他学科和技术的最新发展。通过这样的实例引入，增强学生兴趣，提高对电磁兼容问题的理解和认识，使其能将所学知识应用于实际情境，并获得实际经验和启发。

3  将案例库设计成App形式

利用Comsol仿真软件将案例库设计成App的形式，可直观地展示电磁兼容概念和原理，既可在课堂中演示，也可作为课下实践活动。即使学生不熟悉Comsol软件，仍可进行仿真分析。当然，也鼓励能力强的学生自行建模和仿真，为后续课程和毕业设计做准备。

（二）  教学进程设计

电磁兼容课程的教学设计包括问题引入及分析、知识点讲解、仿真实验演示和知识点强调与复习。在教学中，仿真实验演示起着关键作用，帮助学生直观理解和掌握知识点和概念，巩固课堂内容。学习流程如图1所示。

（三）  教学内容实现路径

电磁兼容课程案例库的技术路线，如图2所示。

三  电磁兼容教学中的典型案例分析

（一）  设计“汽车挡风玻璃天线对线束干扰效果的评估”仿真实验

1  梳理知识点，确定仿真案例

希望通过该实验，学生能够深入地理解电磁兼容的基本原理，掌握关键的知识点，并具备解决干扰问题和设计抗干扰措施的能力。具体而言，该实验的知识点包括：了解主要的电磁骚扰源、理解电磁骚扰是如何在空间中传播和耦合的、掌握电磁干扰的传输路径和耦合机制及电磁干扰的定量计算和分析的方法等。

2  明确实验流程，掌握知识点

利用Comsol软件进行仿真实验设计流程[7]，如图3所示。

通过以上步骤，学生将能够在实践中加深对电磁兼容的理解，掌握关键的知识点，并具备分析问题和解决问题的能力。

（二）  仿真预测模型建立及分析

为了提高学生对于汽车线束的“场-线”耦合效应的理解，采用了Comsol仿真软件来建立汽车的三维模型。通过以形象化的方式展示了汽车电气电子设备和连接线束，学生能够更直观地观察和分析线束之间的“场-线”耦合特性[8]。这样的教学方法帮助学生更好地理解干扰耦合的传输路径，以及线束之间的相互影响。

1  电磁仿真模型构建

为了保证仿真速度和精度，对汽车模型和内部的电缆线束进行了适当简化。车身、电缆线束和挡风玻璃调频天线的几何结构（如图4所示）。所有金属零件都被模拟为理想电导体（PEC），包括车身、后挡风玻璃上的印刷天线、轮胎轮辋以及连接到电子元件外壳的电缆线束和接地平面。此外，汽车周围还有一个被完美匹配层（PML）包围的空气域。挡风玻璃厚度为1 cm，在FM频率范围内被视为透明，且采用了“过渡”边界条件。

2  线束辐射场分布和串扰仿真特性分析

本文通过Comsol软件对汽车及内部线束进行建模和仿真，流程如图5所示。

通过观察结果，可以确定哪些部分受到天线辐射的影响较大，如图6所示。

3  结果分析

通过仿真结果，学生能够直观地观察和分析调频天线的电场辐射，以及内部电缆线束的电场情况，并可以自主调整模型参数，观察受影响程度，深入理解电磁波传播和线束耦合的特性。通过观察图6中的结果，学生清晰地认识到靠近右侧轮胎的电缆线束更容易受到天线辐射的影响，直观地了解电磁波辐射的影响范围，从而在实际应用中避免潜在的干扰问题。综合教学方法提供了丰富的学习经验，加深了学生对电磁兼容性概念的理解[9]。

（三）  仿真案例的优势和局限性分析

仿真案例在电磁兼容课程中能够带来实践性学习、直观性和可视化的优势，帮助学生直观理解电磁辐射和传导过程，加深对电磁场分布、信号传输和干扰等概念的理解。学生通过在虚拟环境中调整参数，观察其对电磁兼容性的影响。并可优化系统设计，改进电磁屏蔽或抑制措施，提高电磁兼容性。但同时也具有简化模型、缺乏实际操作经验和对软件计算机的依赖等局限性。了解这些优势和局限性，能够更好地设计教学方案，提高学生的学习效果[10]。

四  结束语

通过将案例教学与Comsol的仿真实验相结合的实践活动，我们取得了较好的效果。学生通过实际操作和模拟情境将理论应用于实际，深入理解了电磁兼容的基本概念和原理。仿真软件生成可视化结果，帮助学生直观理解电磁辐射和传导。学生在虚拟环境中调整参数，观察其对兼容性的影响，进行优化设计。同时也分析了该方法的优劣，未來改进应提高准确性、加强实践能力、结合其他教学手段，并降低资源依赖。总之，这种教学方法不仅培养了学生的工程设计与研发能力，还强化了他们在问题分析和解决方案方面的能力。

参考文献：

[1] 谭康伯，路宏敏，苏涛.建设电磁专业核心课程的探索与实践[J].电气电子教学学报，2022，44（1）：87-92.

[2] 戴玲，李红斌，臧春艳，等.“电磁兼容原理与应用”课程教学改革与探索[J].电气电子教学学报，2020，42（2）：43-47.

[3] 侯慧，朱韶华，张清勇，等.国内外高等学校虚拟仿真实验发展综述[J].电气电子教学学报，2022，44（5）：143-147.

[4] 夏能弘，郭杰，田孟林.仿真软件在电磁兼容课程教学中的应用[J].教育教学论坛，2016（4）：187-188.

[5] 白洁，陈玉，孔忻.Comsol仿真软件在“电磁兼容”课程实验中的应用[J].教育教学论坛，2022（11）：145-148.

[6] 孙凯，张芳芳，马凤英.基于项目驱动的《系统仿真》课程教学案例设计与实践[J].高教学刊，2019（21）：101-103.

[7] 刘晓斌，张文明，赵锋，等.基于雷达仿真系统的案例式教学设计[J].实验科学与技术，2022，20（3）：98-102.

[8] 汶涛，秦红波，白小平，等.车载电动机瞬态脉冲“场-线”耦合效应预测仿真与实验设计[J].实验室研究与探索，2022，41（8）：107-110，160.

[9] 栾江峰，林兆花，肖军，等.基于电磁兼容的电子技术仿真实验[J].实验技术与管理，2020，37（5）：123-127.

[10] 王胜兰.电磁兼容背景下的电子技术仿真实验研究[J].电子制作，2020（14）：25-26.

基金项目：国家重点研发计划项目“紫外光电子谱分析仪研制与应用”（2022YFF07056002）;2020年度西安交通大学教学改革研究与实践项目“测控技术与仪器专业（电）培养新模式——以项目为牵引，增强感性认识，培养系统观念，提高创新与项目管理能力”（2020-36）;2022年西安交通大学本科教学改革研究项目“学科引领、项目牵引、模式革新、科教融合-测控技术与仪器专业（电类）新时代应用型人才创新能力培养与实践”（2022-12）

第一作者简介：白洁（1968-），女，汉族，陕西西安人，硕士，高级工程师。研究方向为智能仪器和虚拟仪器技术等。