中国现代教育装备
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 教育科技  
电磁场中稳恒磁场的COMSOL教学应用
来源:《中国现代教育装备》杂志 时间:2019-10-30 13:16:57
  [导读]电磁场课程是电气类专业学生必修的一门重要的专业基础课。由于理论性强、概念抽象、涉及数学知识点较多等原因,造成教师难教,学生难学的困境,致使学生后续专业课程学习困难。在教学实践中,引入COMSOL软件作为辅助教学手段来解决这一难题。以求解轴对称线圈的稳恒磁场为例,帮助学生快速建立“场”的基本概念,激发学生的学习兴趣;在稳恒磁场模块求解方法的基础上,给出对应偏微分方程模块的求解方法,拓展了教学思路,满足不同层次学生的学习需求。

  电磁场课程是电气类专业学生必修的一门重要的专业基础课[1,2],电磁场理论是一些交叉学科和新兴边缘学科发展的基础之一。课程的任务与目的是:在大学物理(电磁学)基础上,进一步论述电磁场与电磁波的基本规律和基本分析方法,使学生能够分析电气类技术中电磁场与电磁波的基本特性,培养学生的科学思维方法和创新意识,为学习有关专业课程奠定必要的基础。

  电气类专业诸多主要课程的核心内容都是电磁现象及其规律在特定范围和特定条件下的具体表现。但是,本课程由于概念抽象、理论性强和涉及知识点多等特点,对学生抽象思维能力和逻辑思维能力要求较高,诸多因素造成本课程在教学上面临重重困难,教师难教,学生难学[3,4]。如果学生对电磁场基础理论掌握不牢,会影响学生后续专业课程的学习。

  针对这一问题,借助COMSOL多物理场分析软件教学,在实现电磁场计算分析的过程中,其图形化的展示能使电磁场理论讲解更加直观,有助于学生快速建立起时空“场”的概念[5]。同时,使用软件特有的偏微分方程模块可以实现与基础功能模块相同的计算功能,进一步加深学生对基础理论内容的理解,提升学生的创新能力与科研素养,满足不同层次的教学需求。

  1 COMSOL软件的特点及应用

  2 轴对称线圈稳恒磁场的两种计算方法

  3 结语

  本文以稳恒磁场为例,给出了基于COMSOL的电磁场计算的两种教学方法。采用静磁场模块直接计算的方法容易掌握,通过直观的图形语言,帮助学生建立起空间场域的概念,有利于学生对基础知识的理解和掌握;采用订制偏微分方程进行计算的方法适用性强,并且适合特殊问题的求解,结合一系列的数学推导,便于培养学生的科研素质和创新思维,满足学生多样化的学习需求。

  总之,将COMSOL引入到电磁场教学中,可以帮助学生更加清晰、直观地理解静电场、稳恒电场稳恒磁场、涡流场等基本理论,进而有助于全面分析电磁场的各种性能,为解决电磁场“教学两难”的情况提供了新的思路。

  参考文献

  [1] 任一涛.电磁场理论课程教学思考与改革尝试[J].云南大学学报:自然科学版,2014(S2):154-157.

  [2] 赵彦珍,应柏青.Ansoft在“电磁场与波”课程教学中的应用[J].电子电气教学学报,2010(2):95-96.

  [3] 冯慈璋,马西奎.工程电磁场导论[M].北京:高等教育出版社,2000.

  [4] 雷银照.电磁场(第2版)[M].北京:高等教育出版社,2010.

  [5] 王晓华.在“电磁场理论”教学中的COMSOL有限元软件的应用研究[J].黑龙江科学,2017(19):79-81.

刘国强1,2 闫孝姮1,3 赵筱赫1,2
1.中国科学院电工研究所 2.中国科学院大学 3.辽宁工程技术大学


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