袁发庭 韩珊珊 唐波 黄力

[摘 要] 该文针对目前“工程电磁场”在教学工程中课堂氛围枯燥、学生学习效率低等问题，将MATLAB、ANSOFT等仿真计算软件融入到课堂教学中，采用编程和模拟仿真的方法，以动画和视频的形式展示电磁场的分布特点，鼓励学生自己动手，激发学生学习电磁场理论的积极性，提升课堂教学质量。

[关键词] 仿真;“工程电磁场”;教学

[基金项目] 2020年度三峡大学教学研究项目（J2020013）;2020年度三峡大学高教研究项目（GJ2044）

[作者简介] 袁发庭（1988—），男，湖北孝感人，三峡大学电气与新能源學院讲师，硕士生导师，主要从事电力装备多物理场仿真研究;

韩珊珊（1991—），女，山东德州人，博士，三峡大学医学院讲师（通信作者），研究方向为医学遗传学和分子生物物理学。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）38-0258-02    [收稿日期] 2020-07-13

“工程电磁场”是电气工程及其自动化专业的基础课程，该课程所涉及到的知识面广，对学生的数学能力要求高，需要提前掌握高等数学中关于矢量、积分和微分等基础知识;同时，该课程内容涉及到大量的公式，推导过程复杂，且抽象难懂;现阶段面临教师难讲和学生难学的困境。为了解决上述问题，相关研究者开展了关于工程电磁场教学改革的探索与实践研究，文献[1]提出注重课程引导、工程实例讲解的方法来提升教学效果;文献[2]提出将理论知识与工程实际相联系，解决工程实际问题的方案。上述方法能够在一定程度上改善教学效果，然而，在提高学生课堂学习积极性方面效果不显著;因此，如何在教学过程中，提高学生学习的积极性和主动性，进而提高课堂的教学质量是亟需解决的问题。

本文将仿真计算软件融入到“工程电磁场”的教学过程中，借助MATLAB、ANSOFT等软件，通过模拟的方法直观的展现电力设备电磁场的分布特点和规律，引导学生参与到教学实践活动中，激发学生动手解决问题的潜能，提高课堂的教学氛围和质量。

一、MATLAB软件在“工程电磁场”教学过程中应用

在工程电磁场矢量分析及场论基础中，涉及标量场的方向导数和梯度，矢量场的通量和散度、矢量场的环量和旋度等内容，该部分内容所涉及到的公式繁多，各参量之间容易混淆，学生掌握和理解起来比较困难。若在该部分讲授过程中，利用MATLAB软件中的矢量分析函数，鼓励学生采用软件编程的方法进行计算，加深学生对矢量分析的理解。结合具体的实例加以说明：已知矢量A=e求矢量A的模，A·B及A×B;

采用MATLAB软件编程实现如下：

A=[1 1 1];  [1 1 1];

norm （A）   %矢量A的模

dot （A B）   %矢量A与B的点积

cross（A B）  %矢量A与B的叉乘

通过软件计算得到的结果如下：

模为，点积为3，叉乘为0。

上述MATLAB软件编写简单，界面操作方便，能够快速的获得计算结果。因此，借助MATLAB软件的功能，可以将繁琐的计算表达式转化为简洁的计算机语言，激发学生动手操作的热情，调动学生主动学习的积极性。

二、ANSOFT软件在“工程电磁场”教学过程中应用

工程电磁场教学内容涉及到恒定电场、恒定磁场及时变电磁场等基本理论知识，在进行电磁场计算中涉及到的公式复杂，理论推导过程繁琐，同时结构等参数影响显著，学生掌握困难。若借助仿真计算软件，通过对仿真软件进行操作，在课堂教学过程中用图像的画面进行展示，更加直观。

（一）ANSOFT软件在在电场计算中的应用

结合具体的实例加以说明：给定平行平板电容器的尺寸，极板间填充介质，已知极板的电压和宽度，求极板电场强度E及电容值C。

在理论推导中，可以得到电场强度为：

E= （1）

计算的电容值为：

C= （2）

式中，ε为相对介电常数，S为截面积，d为两板间的距离。上述的计算方法能够直接给出了电场计算结果，但是上述是在理想条件下。若采用ANSOFT仿真软件，通过建立平行平板模型，在平板上施加激励，对整个求解域进行网格剖分和边界条件设置，可以获得极板电场强度和电容值。其中极板电场强度分布结果如图1所示。结合电场能量法可以计算得到平板电容器的电容值，仿真结果验证计算结果的正确性。

在教学过程中，仿真结果采用云图的方式进行展现，学生对电场分布的特点更易理解。同时以上内容涉及到工程电磁场教学中恒定电场的解析计算，电场边值问题、电场的能量及电路电容参数的计算，能够加深对该部分内容的理解。

（二）ANSOFT软件在磁场计算中的应用

结合具体的实例加以说明，例如电抗器单个包封线圈，计算通流时周围磁场分布及电感。根据模型的对称性，采用磁位移矢量可以计算得到在任意一点的磁感应强度的解析式，如下式所示。

（3）

根据包封线圈周围电磁场的能量，可以计算得到其电感值，如式（4）所示。

（4）

式中，L为电感，I为线圈电流，W为能量。

在教学过程中，采用公式推导的方法将造成课堂内容单调，学生积极性不高。若借助有限元仿真计算软件，结果将更加直观清晰。同时，在解决该问题的过程中，学生首先需要调研和思考仿真软件中模型如何建立，模型能否简化，激励如何加载，网格如何剖分和边界条件设置等问题，让学生带着这些问题去思考，吸引学生参与到工程电磁场的学习过程中。在学生思考的基础上，通过ANSOFT仿真软件建立了线圈的二维轴对称仿真模型，得到的磁通密度分布结果如图2所示。

以上内容涉及到工程电磁场中的恒定磁场的解析计算，磁场边值问题、磁场的能量及电感参数的计算。因此，将仿真软件应用到工程电磁场的教学过程中，能够清晰明了的显示电力设备电磁场分布特点，加深了学生对电磁场的理解。另外，在进行仿真计算时，可将工程电磁场课程中各部分内容紧密的链接起来，学生易于掌握各部分内容间的逻辑关系，加深学生对该部分的理解程度，提高课堂的教学效果。

因此，基于教师在课堂讲授的工程电磁场理论知识，结合计算机仿真软件的演示，通过仿真软件模型的建立，激励条件加载，网格剖分及边界条件的设置，将所学的知识融会贯通，锻炼了学生思考能力，激发学生学习工程电磁场的兴趣。

三、结语

在工程电磁场的教学过程中，通过MATLAB、ANSOFT等软件的仿真计算功能及展示功能，一方面，可以将理论和实践相结合，增加学生对电磁场的理解和应用，提高学生动手能力，另一方面，通过仿真软件将所学到的工程电磁场各部分内容相互关联，激发学生学习的热情，能够显著提升课堂的氛围和教学质量。

参考文献

[1]白小玲.少学时下工程电磁场教学效果提升方法研究[J].科技资讯，2019，17（22）：95-97.

[2]李旭，程治状.针对行业岗位能力要求的“工程电磁场”双语教学改革探讨[J].新课程研究（中旬刊），2017（08）：82-84.

[3]李慧，白雪峰.MATLAB在工程电磁场教学中的应用[J].教育教学论坛，2015（27）：220-221.