計算機輔助分析實驗教學法在工程電磁場實驗中的應用*

◆蘇利捷

計算機輔助分析實驗教學法在工程電磁場實驗中的應用*

◆蘇利捷

在電氣工程專業工程電磁場課程學習中，學生普遍感到抽象、難以理解。借助于計算機仿真模擬電磁場在不同媒質中的分布、變化及與電流的交鏈情況，便可得到清晰、直觀的電磁場的表現形式，與試驗相結合，更有助于對電磁場分布特性的掌握。在電氣工程案例背景下，計算機輔助分析實驗教學法在工程電磁場課程教學中取得良好效果。

工程電磁場；實驗教學法；計算機輔助分析

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.146

1 引言

在高校工科學生的學習中，實驗教學對專業理論課的基本知識的掌握有著不可取代的作用，是培養學生動手能力的一個重要組成部分。電氣工程理論課程中工程電磁場的學習，對于電氣工程及其自動化專業的學生來說普遍感到抽象、難以理解。雖然實驗可以提高學生的分析、動手能力，也是幫助學生掌握相關理論知識的有效手段，但電磁場的分布是實際存在但又感覺有若無、實若虛，在實驗中很難得到直觀的表現形式，僅憑理論描述和想象要求學生去深入理解確實有一定的困難。如果借助于計算機仿真模擬電磁場在不同媒質中的分布、變化及與電流的交鏈情況，便可得到清晰、逼真、直觀的電磁場的表現形式，與實驗相結合更有助于對電磁場分布特性的掌握，加強電磁場理論的學習。

為提高工程電磁場課程的教學質量，在實驗教學環節利用計算機輔助分析實驗教學法化抽象為形象，進行一系列探討。對蘭州交通大學2013級電氣工程三個班的學生實施計算機輔助設計實驗的應用，取得良好的效果。

2 傳統實驗教學中的問題

實驗中的問題 在實驗中很難得到直觀的表現形式，僅憑理論描述和想象要求學生去深入理解確實有一定的困難。如靜電場模擬實驗中，由于靜電場問題，直接進行實驗就有一定的難度，因此工程上常用恒定電流場來模擬靜電場。再如磁場的測量實驗中，雖然可以用特斯拉計測出通電螺線管中的磁場，但都是一些枯燥的數據，繪出來的磁場依然是平面的，學生對磁場還是沒有直觀的感受。

培養計劃調整問題 由于培養計劃調整，理論課時壓縮（電氣專業的工程電磁場課程現為32學時）問題，在正常的上課時間內已無法安排實驗課，學生就更無法得到電磁場實際形式，造成學習電磁場難，成為“老虎課”的窘態［1］。為了擺脫困境，增強學生學習工程電磁場的實際效果，就必須增加實驗內容，但受課時所限，在上課時間內無法實驗。計算機輔助分析實驗教學法可充分利用學生人人都有計算機的條件，利用課余時間，設計虛擬試驗，讓學生獲得電磁場的實際概念，以期增強學習效果，以解決傳統實驗教學中的問題。

3 計算機輔助分析實驗教學法

近年來，工程電磁場的計算機輔助分析新技術、新理論取得一系列的重大突破，促使電磁的發展。為了使學生獲得大量的信息，加深對工程電磁場教學內容的理解，利用計算機輔助分析、數值計算和一些工程應用軟件虛擬實驗教學手段，充分發揮計算機虛擬實驗在實驗教學中的作用，以增強實驗教學效果。

近代電磁場的問題能夠由解析方法求得精確解的不多，故多借助于數值計算方法來得到近似解。數值計算方法乃是把連續變量離散化，把微分方程化為差分方程，或把積分方程化為有限和的形式，從而建立起代數方程組，然后利用計算機求解。這稱為計算機法，或稱為計算機輔助分析。

目前計算機仿真應用軟件已廣泛應用于電磁場的計算、分析，這為電磁場教學和實驗提供多種輔助教學手段，也是學生課外學習的有力工具。利用計算機應用軟件輔助學習和仿真實驗，也是培養學生具有創新意識和自主分析能力的必要手段。針對工程電磁場實驗中抽象電磁場變為形象化電磁場，基于計算機輔助分析軟件進行實驗課的教學改革，達到化抽象為形象的改革目標，有利于學生對實驗加深理解掌握和吸收，提高記憶效率。應用ANSYS等軟件進行如電機、變壓器內部電磁場仿真。應用ANSYS等軟件的偏微分方程工具箱進行電磁場仿真，只要輸入所需的方程及邊界條件，就可以得出圖形解，即電磁場的電場或磁場及電位或磁位分布圖，從而作為實驗的補充，獲得實驗所無法得到的效果［2-3］。

表1 計算機輔助分析實驗教學法調查表［人數（%）］

首先在理論課中給學生布置實驗設計選題，并提出設計要求。根據理論課的內容精選一些設計選題，如有限差分法解靜電場邊值問題設計實驗、模擬電荷法解靜電場問題設計實驗、直接積分法計算電流線圈中的磁場設計實驗、有限元法求解靜電場邊值問題設計實驗等，學生分成若干實驗小組選題，甚至學生自行選題。

其次，指導學生利用課余時間查閱相關資料，制訂虛擬實驗設計方案，設計實驗內容，編制程序，充分利用學生對計算機的應用能力與熱情，制作出電磁場的三維圖像實驗。

最后，以小組答辯的形式驗收考核。

上述應用既解決了由于課時壓縮，工程電磁場課程無法安排實驗，學生無法獲得電磁場整體的感性認識的問題，又鍛煉了學生查閱文獻與資料的研究能力、團隊協作能力、計算機編程應用能力，是一個多贏的做法，是一個創新。

圖1為“用有限差分法解靜電場邊值問題”計算機輔助設計實驗中計算機繪制的一個長直接地金屬矩形槽內的電位分布圖與等位線分布圖。

4 計算機輔助分析實驗教學法的評估

圖1 電位圖與等位線

改變成績評定辦法，以論文答辯的形式評定實驗成績改變現行實驗評定方式，以論文答辯的方式代替實操考核。論文答辯，以小組為單位，每組由一名學生主講，將實驗的目的、過程、結論匯報給在場的教師和學生。最后，由教師對每位參與實驗的學生提出相關的問題，結合論文的質量、回答問題的能力以及實驗的參與情況，給出一個綜合評定。

計算機輔助分析實驗教學法的優越性 在學生中實施本實驗方法后，學生廣泛體會到這樣的實驗教學法提高了學生的自主性和積極性，激發了學生的學習熱情，學生的查閱文獻及各項綜合能力極大地提高。同時也增強了學生的團隊精神。答辯過程中，鍛煉了學生的語言表達能力，使學生注意到許多平時容易忽視的問題，也充實了學生的課余生活。

計算機輔助分析實驗教學法能激發學生的學習興趣并增強學習效果 對2013級使用計算機輔助分析實驗教學法的學生進行抽樣問卷調查，結果顯示：94.8%的學生認為計算機輔助分析實驗教學法有助于理解和記憶各知識點，喜歡計算機輔助分析實驗教學法方式；92.6%的學生認為使用計算機輔助分析實驗教學法可以增加學習興趣并提高學習效率；88.9%的學生認為計算機輔助分析實驗教學法會提高課堂自主學習能力；82.2%的學生認為有必要實行計算機輔助分析實驗教學法；81.5%的學生認為計算機輔助分析實驗教學法不會降低實驗操作技能，贊同在今后實驗課中增加計算機輔助分析實驗教學法的比例。以上調查結果顯示，計算機輔助分析實驗教學法有利于提高實驗課教學質量，計算機輔助分析實驗教學法實踐取得良好效果。結果見表1。

計算機輔助分析實驗教學法明顯提高學生學習成績調查對象是12級和13級電氣工程專業學生，工程電磁場學時數32學時。12級學生156人，采用傳統實驗教學方法；13級學生173人，在教學過程中穿插采用計算機輔助分析實驗教學法。結果見表2。對比表2，由12級、13級兩屆學生考試成績可以看出，在采用計算機輔助分析實驗教學法教學后，學生的成績明顯提高。

增強了教師的責任感 設計性實驗增加了教師的工作量，實驗過程中遇到的問題也比以往多，所以需投入更多的精力才能收到預期的效果。教師的壓力加大了，學習業務的動力增強了，同時也提高了教師個人的教學和組織能力。

表2 2012、2013及兩屆學生考試成績比較（±s ）

表2 2012、2013及兩屆學生考試成績比較（±s ）

2012級（傳統班）（n=156）2013級（對比班）（n=173）P值理論課成績63.5±16.373.8±11.0P＜0.05

5 結束語

為適應當今高等工程教育發展規律的要求，培養更多具有高素質的電氣工程人才，傳統的教學內容及教學模式必須改革。經過實驗教學改革，深刻體會到，為更好地適應社會發展的需要，實驗教學改革勢在必行，設計性實驗教學法有助于提高學生的學習積極性、創新性，使學生對知識的掌握更加堅實。■

［1］晁立東.面向新世紀電磁場課程教學改革［J］.電氣電子教學學報，2000，22（3）.

［2］楊爾濱，楊歡紅，等.電機中電磁場仿真試驗研究與探討［J］.實驗室研究與探索，2008，27（9）.

［3］彭芳麟.數學物理方程的MATLAB解法與可視化［M］.北京:清華大學出版社，2004.

G642.423

B

1671-489X（2015）24-0146-03

*項目來源：蘭州交通大學校級實驗教改項目“工程電磁場實驗增加計算機輔助分析手段的改革研究”（項目編號：2015240）。作者：蘇利捷，蘭州交通大學自動化與電氣工程學院副教授，主要研究方向為電磁場理論與應用和電工電子技術研究（730070）。