计算机辅助分析实验教学法在工程电磁场实验中的应用*

◆苏利捷

计算机辅助分析实验教学法在工程电磁场实验中的应用*

◆苏利捷

在电气工程专业工程电磁场课程学习中，学生普遍感到抽象、难以理解。借助于计算机仿真模拟电磁场在不同媒质中的分布、变化及与电流的交链情况，便可得到清晰、直观的电磁场的表现形式，与试验相结合，更有助于对电磁场分布特性的掌握。在电气工程案例背景下，计算机辅助分析实验教学法在工程电磁场课程教学中取得良好效果。

工程电磁场；实验教学法；计算机辅助分析

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

1 引言

在高校工科学生的学习中，实验教学对专业理论课的基本知识的掌握有着不可取代的作用，是培养学生动手能力的一个重要组成部分。电气工程理论课程中工程电磁场的学习，对于电气工程及其自动化专业的学生来说普遍感到抽象、难以理解。虽然实验可以提高学生的分析、动手能力，也是帮助学生掌握相关理论知识的有效手段，但电磁场的分布是实际存在但又感觉有若无、实若虚，在实验中很难得到直观的表现形式，仅凭理论描述和想象要求学生去深入理解确实有一定的困难。如果借助于计算机仿真模拟电磁场在不同媒质中的分布、变化及与电流的交链情况，便可得到清晰、逼真、直观的电磁场的表现形式，与实验相结合更有助于对电磁场分布特性的掌握，加强电磁场理论的学习。

为提高工程电磁场课程的教学质量，在实验教学环节利用计算机辅助分析实验教学法化抽象为形象，进行一系列探讨。对兰州交通大学2013级电气工程三个班的学生实施计算机辅助设计实验的应用，取得良好的效果。

2 传统实验教学中的问题

实验中的问题 在实验中很难得到直观的表现形式，仅凭理论描述和想象要求学生去深入理解确实有一定的困难。如静电场模拟实验中，由于静电场问题，直接进行实验就有一定的难度，因此工程上常用恒定电流场来模拟静电场。再如磁场的测量实验中，虽然可以用特斯拉计测出通电螺线管中的磁场，但都是一些枯燥的数据，绘出来的磁场依然是平面的，学生对磁场还是没有直观的感受。

培养计划调整问题 由于培养计划调整，理论课时压缩（电气专业的工程电磁场课程现为32学时）问题，在正常的上课时间内已无法安排实验课，学生就更无法得到电磁场实际形式，造成学习电磁场难，成为“老虎课”的窘态［1］。为了摆脱困境，增强学生学习工程电磁场的实际效果，就必须增加实验内容，但受课时所限，在上课时间内无法实验。计算机辅助分析实验教学法可充分利用学生人人都有计算机的条件，利用课余时间，设计虚拟试验，让学生获得电磁场的实际概念，以期增强学习效果，以解决传统实验教学中的问题。

3 计算机辅助分析实验教学法

近年来，工程电磁场的计算机辅助分析新技术、新理论取得一系列的重大突破，促使电磁的发展。为了使学生获得大量的信息，加深对工程电磁场教学内容的理解，利用计算机辅助分析、数值计算和一些工程应用软件虚拟实验教学手段，充分发挥计算机虚拟实验在实验教学中的作用，以增强实验教学效果。

近代电磁场的问题能够由解析方法求得精确解的不多，故多借助于数值计算方法来得到近似解。数值计算方法乃是把连续变量离散化，把微分方程化为差分方程，或把积分方程化为有限和的形式，从而建立起代数方程组，然后利用计算机求解。这称为计算机法，或称为计算机辅助分析。

目前计算机仿真应用软件已广泛应用于电磁场的计算、分析，这为电磁场教学和实验提供多种辅助教学手段，也是学生课外学习的有力工具。利用计算机应用软件辅助学习和仿真实验，也是培养学生具有创新意识和自主分析能力的必要手段。针对工程电磁场实验中抽象电磁场变为形象化电磁场，基于计算机辅助分析软件进行实验课的教学改革，达到化抽象为形象的改革目标，有利于学生对实验加深理解掌握和吸收，提高记忆效率。应用ANSYS等软件进行如电机、变压器内部电磁场仿真。应用ANSYS等软件的偏微分方程工具箱进行电磁场仿真，只要输入所需的方程及边界条件，就可以得出图形解，即电磁场的电场或磁场及电位或磁位分布图，从而作为实验的补充，获得实验所无法得到的效果［2-3］。

表1 计算机辅助分析实验教学法调查表［人数（%）］

首先在理论课中给学生布置实验设计选题，并提出设计要求。根据理论课的内容精选一些设计选题，如有限差分法解静电场边值问题设计实验、模拟电荷法解静电场问题设计实验、直接积分法计算电流线圈中的磁场设计实验、有限元法求解静电场边值问题设计实验等，学生分成若干实验小组选题，甚至学生自行选题。

其次，指导学生利用课余时间查阅相关资料，制订虚拟实验设计方案，设计实验内容，编制程序，充分利用学生对计算机的应用能力与热情，制作出电磁场的三维图像实验。

最后，以小组答辩的形式验收考核。

上述应用既解决了由于课时压缩，工程电磁场课程无法安排实验，学生无法获得电磁场整体的感性认识的问题，又锻炼了学生查阅文献与资料的研究能力、团队协作能力、计算机编程应用能力，是一个多赢的做法，是一个创新。

图1为“用有限差分法解静电场边值问题”计算机辅助设计实验中计算机绘制的一个长直接地金属矩形槽内的电位分布图与等位线分布图。

4 计算机辅助分析实验教学法的评估

图1 电位图与等位线

改变成绩评定办法，以论文答辩的形式评定实验成绩改变现行实验评定方式，以论文答辩的方式代替实操考核。论文答辩，以小组为单位，每组由一名学生主讲，将实验的目的、过程、结论汇报给在场的教师和学生。最后，由教师对每位参与实验的学生提出相关的问题，结合论文的质量、回答问题的能力以及实验的参与情况，给出一个综合评定。

计算机辅助分析实验教学法的优越性 在学生中实施本实验方法后，学生广泛体会到这样的实验教学法提高了学生的自主性和积极性，激发了学生的学习热情，学生的查阅文献及各项综合能力极大地提高。同时也增强了学生的团队精神。答辩过程中，锻炼了学生的语言表达能力，使学生注意到许多平时容易忽视的问题，也充实了学生的课余生活。

计算机辅助分析实验教学法能激发学生的学习兴趣并增强学习效果 对2013级使用计算机辅助分析实验教学法的学生进行抽样问卷调查，结果显示：94.8%的学生认为计算机辅助分析实验教学法有助于理解和记忆各知识点，喜欢计算机辅助分析实验教学法方式；92.6%的学生认为使用计算机辅助分析实验教学法可以增加学习兴趣并提高学习效率；88.9%的学生认为计算机辅助分析实验教学法会提高课堂自主学习能力；82.2%的学生认为有必要实行计算机辅助分析实验教学法；81.5%的学生认为计算机辅助分析实验教学法不会降低实验操作技能，赞同在今后实验课中增加计算机辅助分析实验教学法的比例。以上调查结果显示，计算机辅助分析实验教学法有利于提高实验课教学质量，计算机辅助分析实验教学法实践取得良好效果。结果见表1。

计算机辅助分析实验教学法明显提高学生学习成绩调查对象是12级和13级电气工程专业学生，工程电磁场学时数32学时。12级学生156人，采用传统实验教学方法；13级学生173人，在教学过程中穿插采用计算机辅助分析实验教学法。结果见表2。对比表2，由12级、13级两届学生考试成绩可以看出，在采用计算机辅助分析实验教学法教学后，学生的成绩明显提高。

增强了教师的责任感 设计性实验增加了教师的工作量，实验过程中遇到的问题也比以往多，所以需投入更多的精力才能收到预期的效果。教师的压力加大了，学习业务的动力增强了，同时也提高了教师个人的教学和组织能力。

表2 2012、2013及两届学生考试成绩比较（±s ）

表2 2012、2013及两届学生考试成绩比较（±s ）

2012级（传统班）（n=156）2013级（对比班）（n=173）P值理论课成绩63.5±16.373.8±11.0P＜0.05

5 结束语

为适应当今高等工程教育发展规律的要求，培养更多具有高素质的电气工程人才，传统的教学内容及教学模式必须改革。经过实验教学改革，深刻体会到，为更好地适应社会发展的需要，实验教学改革势在必行，设计性实验教学法有助于提高学生的学习积极性、创新性，使学生对知识的掌握更加坚实。■

［1］晁立东.面向新世纪电磁场课程教学改革［J］.电气电子教学学报，2000，22（3）.

［2］杨尔滨，杨欢红，等.电机中电磁场仿真试验研究与探讨［J］.实验室研究与探索，2008，27（9）.

［3］彭芳麟.数学物理方程的MATLAB解法与可视化［M］.北京:清华大学出版社，2004.

G642.423

B

1671-489X（2015）24-0146-03

*项目来源：兰州交通大学校级实验教改项目“工程电磁场实验增加计算机辅助分析手段的改革研究”（项目编号：2015240）。作者：苏利捷，兰州交通大学自动化与电气工程学院副教授，主要研究方向为电磁场理论与应用和电工电子技术研究（730070）。