趙彥珍，應柏青，沈 瑤

(西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049)

電磁場課程是高等學校電氣信息類專業(yè)本科生必修的專業(yè)技術基礎課。它不僅為電氣信息類學生專業(yè)課的學習提供必需的知識基礎，而且能夠增強學生面向工程實際的適應能力和創(chuàng)造能力，關系到學生基本素質(zhì)培養(yǎng)的終極目標[1]。由于電磁場理論性強、概念抽象，電磁場課程成為公認的最難學的電氣信息類課程之一。唯其如此，更凸顯電磁場實驗的重要性。同時，國民經(jīng)濟的發(fā)展需要大量的高素質(zhì)并且具有創(chuàng)新性的電氣信息類人才，如果仍然采用傳統(tǒng)的簡單電磁場實驗培養(yǎng)學生，那么離培養(yǎng)高素質(zhì)人才的目標會漸行漸遠[2-4]。

正是基于培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的迫切需要，西安交通大學對電磁場實驗教學進行了重大改革。將前沿的科研項目成果引入電磁場實驗，使得電磁場實驗更接近于工程實際，開闊學生的視野，激發(fā)學生的學習興趣和信心。將Ansoft、PSPICE和LabView等大型常用電磁場仿真軟件引入電磁場實驗，對傳統(tǒng)的電磁場實驗進行了改進升級，還開發(fā)了多個新的綜合設計型開放實驗，為學生自主設計提供條件，鼓勵他們大膽動手和總結(jié)，激發(fā)和提升學生的自主創(chuàng)新能力[5-10]。

1 電磁場實驗教學中存在的主要問題

西安交通大學電磁場課程的實驗教學在我國高等院校享有較高的聲譽。但隨著電磁場領域新技術的發(fā)展，同時為配合電磁場課程的建設，需要對電磁場實驗教學不斷地進行總結(jié)、改革和更新。學校電磁場實驗教學中存在的主要問題有以下3個方面。

1)實驗難度過低。原有實驗內(nèi)容簡單，不能很好培養(yǎng)學生電磁場實驗動手和分析能力。

2)實驗手段單一。原有的電磁場實驗中，學生僅進行簡單的實驗測量。

3)學生創(chuàng)新缺失。學生只是簡單地重復實驗，對電磁場實驗不感興趣，缺少自主創(chuàng)新精神。

2 電磁場實驗改革方法

2.1 凝練科研項目成果，溶入電磁場實驗教學

通過把電磁場理論知識和實際工程科研成果聯(lián)系起來，將教師的最新科研項目成果凝練成實驗內(nèi)容，使實驗教學更面向工程實際，開闊學生視野，激發(fā)學生學習興趣，同時，對學生的科研方法訓練也有極大的促進作用。

將“特高壓輸電線路工頻電磁場特性的分析和研究”的導體調(diào)整電場分布原理、“干式空芯電抗器匝間短路在線檢測技術”的匝間短路在線檢測原理和“干式空芯電抗器設計與開發(fā)”的線圈電感及磁場計算方法等科研項目成果引入到電磁場實驗，更新了實驗內(nèi)容，增強了學生面向?qū)嶋H工程的適應能力。如在干式空芯電抗器設計與開發(fā)的實驗中，學生首先查閱相關文獻，了解干式空芯電抗器的結(jié)構及在實際工程中的應用，然后提出自己的設計目標，采用所學的電感計算方法等理論知識，編制相應的設計程序，根據(jù)設計結(jié)果繞組電感線圈，最后將電感的實測值與設計計算值進行對比總結(jié)。通過該實驗，學生能實實在在地體會到所學所用，提高了學生的實驗動手能力和分析解決問題的能力，學習興趣及自信心也得以充分提高。如圖1所示，為學生編制的干式空芯電抗器設計程序主界面，如圖2所示為根據(jù)設計結(jié)果繞制的線圈實物照片。

圖1 干式空芯電抗器設計程序主界面

圖2 學生自制線圈實物照片

通過將科研項目成果引入電磁場實驗教學，解決了基礎課實驗內(nèi)容簡單，不能很好培養(yǎng)學生電磁場實驗動手和分析能力的問題，豐富了實驗內(nèi)容。學以致用的教學導向，激發(fā)了學生的學習熱情，為基礎課實驗教學改革探索出了一條新路。

2.2 應用仿真平臺，豐富實驗手段

由于電磁場問題的特殊性及受實驗條件的限制，很多實驗現(xiàn)象難以實施和展現(xiàn)，如對難以求得解析解的靜電場問題，若采用實驗來直接測量電場是相當困難的。這是因為，靜電場中沒有電流，無法用普通的電壓表進行測量，只能用靜電儀表，而儀表本身總是導體或電介質(zhì)，一旦把它放入靜電場，原靜電場將被改變，導致測量失真。此時，一般采用恒定電流場來比擬實現(xiàn)靜電測量實驗。另一有效手段就是采用仿真軟件，仿真軟件的應用能夠彌補這方面的不足，同時，數(shù)值仿真方法也是提高理論具體運用的途徑。為此，將科研項目中經(jīng)常使用的大型工程軟件Ansoft、PSPICE引入原有實驗，使實驗結(jié)果直觀可視，學生可將仿真與實測對比，體會理論與實際的聯(lián)系和區(qū)別，提高學生理論分析和實驗數(shù)據(jù)處理能力；采用數(shù)值仿真方法實現(xiàn)難以用物理方法實施的實驗；將LabView虛擬實驗平臺引入自主實驗，用虛擬儀器實現(xiàn)對信號的采集、監(jiān)控和處理等。

在靜電場模擬和螺線管磁場測量等實驗中，新增應用Ansoft軟件仿真計算電場、磁場分布特性，利用軟件后處理模塊對電場、磁場分布的直觀顯示來分析電場、磁場的分布規(guī)律。如圖3所示，為Ansoft軟件仿真的高壓絕緣子串電場分布圖；圖4所示為Ansoft軟件仿真的螺線管磁感應強度分布圖，通過該仿真軟件的應用，學生還可以鞏固在課堂上所學的電磁場邊值問題的列寫及求解方法。

在無損耗均勻傳輸線的研究實驗中，增加應用PSPICE軟件仿真分析終端接不同負載時傳輸線上電壓、電流沿線的分布情況，如圖5 所示，為無損耗均勻傳輸線的實驗裝置、仿真模型及仿真結(jié)果。

(a)無損耗均勻傳輸線的實驗裝置

(b)無損耗均勻傳輸線的仿真模型

(c)無損耗均勻傳輸線1沿線電壓分布

在新開發(fā)的自主實驗干式空芯電抗器匝間短路故障在線檢測中，應用LabView軟件開發(fā)在線檢測系統(tǒng)的用戶界面，用LabView虛擬儀器實現(xiàn)匝間短路信號的采集及監(jiān)控。如圖6所示，為學生設計的LabView的信號采集及監(jiān)控系統(tǒng)界面[11]。

圖6 基于LabView的信號采集及監(jiān)控系統(tǒng)界面

將Ansoft、PSPICE、LabView等仿真軟件引入電磁場實驗教學，使得實驗現(xiàn)象更加形象直觀，使學生更易于理解抽象的電磁場概念。一方面為原有實驗注入了新的活力；另一方面仿真實現(xiàn)了用物理方法難以實施的實驗，豐富了實驗教學手段。同時，又使學生掌握了大型工程軟件的應用，為學生今后的科研工作或研究生學習提前打下了良好的基礎。

2.3 開展多形式實踐活動，提升學生自主創(chuàng)新能力

增加了電磁感應現(xiàn)象觀測、激光及光纖通信等演示實驗。在“電磁感應現(xiàn)象觀測”的綜合性演示實驗中，通過教師對實驗過程的演示，學生可以觀察不同材料、不同結(jié)構的金屬圓板位于通電線圈上方時的穩(wěn)態(tài)磁懸浮、電磁振動等不同的實驗現(xiàn)象，學習磁場的測量方法，掌握線圈電感參數(shù)、電磁力等的近似計算方法，了解磁滯現(xiàn)象及減小渦流的方法，如圖7所示，為自制的磁懸浮演示裝置，圖8所示為磁懸浮演示實驗中開槽金屬鋁板渦流分布的仿真。

圖7 自制的磁懸浮演示裝置

開發(fā)了導體對電場分布的調(diào)整和控制作用的研究、均勻磁場實現(xiàn)方法的研究、電磁炮模型的設計與制作等8項自主設計實驗，如表1所示，吸引學生積極主動參加實驗，學生可以利用課余時間，獨立自主地進行實驗。如圖9所示為學生完成電磁炮模型的設計與制作實驗現(xiàn)場照片，通過該實驗，學生不僅感受到電磁力，而且通過查閱文獻，了解了電磁場在航空航天、軍事科學等領域的應用。

表1 電磁場自主設計實驗項目

圖9 電磁炮的設計與制作實驗現(xiàn)場照片

引導學生將電磁場理論知識與電氣工程實際問題相結(jié)合，闡述原理，提出設想，發(fā)表見解，并對開放實驗的實踐工作進行總結(jié)、提煉，撰寫成科技小論文[11-15]。

通過增加綜合性演示實驗，激發(fā)學生學習興趣；通過開發(fā)自主設計實驗，提高學生主動參與性，提升學生自主創(chuàng)新能力；通過鼓勵、引導學生凝練實驗成果，撰寫并發(fā)表論文，提升學生自主學習和實驗的總結(jié)歸納能力，實現(xiàn)學生由被動接受向主動創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變。

3 電磁場實驗改革成效

每年面向?qū)W校電氣學院15個班，450名左右本科生開展了電磁場實驗教學改革，取得了很好的教學效果。

1)通過對傳統(tǒng)基礎實驗內(nèi)容的更新和實驗手段的豐富，學生動手實踐能力增強，學生對電磁場理論分析和實驗數(shù)據(jù)處理能力也得以提高。

2)通過利用學生的課余時間開展與科研項目相結(jié)合的自主設計實驗，學生掌握了大型工程軟件的使用方法，科研創(chuàng)新能力得到提升，為學生今后的科研或深造打下良好基礎。

3)通過科技小論文寫作，學生對知識的歸納總結(jié)能力、綜合應用能力得到了充分鍛煉與提高。

4)結(jié)合電磁場實驗教學改革，學院還新編了特色實驗教材《電磁場實驗、演示與仿真》，該教材已被學校4屆約2 000名本科生使用，同時還受到國內(nèi)其他讀者歡迎。

5)學校電磁場實驗改革受到國內(nèi)兄弟院校的關注。近年來，四川大學、山東理工大學、華南理工大學、西安空軍工程大學等40余所高校100余名同行來參觀考察，起到了示范和輻射作用 。

4 結(jié)束語

針對學校電磁場實驗教學中存在的問題進行了重大改革。將科研項目成果和大型工程仿真軟件引入到電磁場實驗中，給傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容注入了新的活力，豐富了實驗教學手段，使實驗教學更面向工程實際，對學生的科研方法訓練也有極大的促進作用，提升了學生綜合應用知識能力和自主創(chuàng)新能力，為驗證性實驗為主的基礎課程實驗改革提供了借鑒，實現(xiàn)了高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新的實驗課程教學模式。