案例式教學(xué)在光電類研究生仿真實驗中的探索

［摘 要］ 案例式教學(xué)將典型科研實際案例與課程教學(xué)有機結(jié)合，是一種提高實操類課程教學(xué)效果的有效手段。介紹了ANSYS有限元仿真軟件的應(yīng)用范圍及光電類研究生有限元仿真實驗的課程設(shè)計情況、課程講授基本要點，結(jié)合科研教學(xué)實際，設(shè)計了多個實踐訓(xùn)練案例。以激光陀螺結(jié)構(gòu)分析為典型案例，介紹了有限元仿真在激光陀螺抖動機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的詳細(xì)教學(xué)示例和具體應(yīng)用，為光電類研究生教學(xué)科研提供指導(dǎo)。教學(xué)實踐表明，在有限元仿真課程中引入科研中的典型案例有助于提高教學(xué)效果，有助于學(xué)員快速掌握有限元仿真工具，對提高光電類研究生科研能力有益。

［關(guān)鍵詞］ 有限元仿真；案例式教學(xué)；光電類研究生

［基金項目］ 2022—2023年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“‘兩性一度’標(biāo)準(zhǔn)審視下的虛擬仿真一流課程教學(xué)改革與實踐”（HNJG-2022-0010）

［作者簡介］ 于旭東（1982—），男，吉林長春人，博士，國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院副研究員，主要從事激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)與有限元數(shù)值模擬研究；謝元平（1971—），男，湖南新邵人，博士，國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院研究員，主要從事激光陀螺及數(shù)字信號處理技術(shù)研究；張鵬飛（1976—），男，山西文水人，博士，國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院研究員，主要從事激光陀螺信號處理與仿真研究。

［中圖分類號］ G643.2 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）03-0001-04 ［收稿日期］ 2022-12-14

光電類研究生的培養(yǎng)目標(biāo)是掌握光學(xué)工程學(xué)科堅實的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)的專業(yè)知識，具備從事光電類教學(xué)、科學(xué)研究或獨立擔(dān)負(fù)專業(yè)技術(shù)工作的能力［1］，涉及的專業(yè)知識包括物理學(xué)、光學(xué)、光電子學(xué)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、光電器件、光電系統(tǒng)等系列專業(yè)知識，培養(yǎng)的人才是光機電算交叉融合的復(fù)合型科技人才。對此，國防科技大學(xué)在光電類研究生碩士培養(yǎng)階段開設(shè)了高等光電技術(shù)實驗［2］，在實驗中設(shè)計了包括有限元仿真分析、FPGA電路設(shè)計、LabVIEW仿真實驗等軟件實驗環(huán)節(jié)，為光電類研究生掌握本領(lǐng)域常用軟件提供了教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。

案例式教學(xué)法是一種開放式、啟發(fā)式、互動式的教學(xué)方法，其以典型案例為載體，將理論教學(xué)與實踐有效銜接［3-4］，具有較強的實踐性、綜合性、趣味性、互動性和創(chuàng)新性，是提高教學(xué)效果的有效手段。本研究以國防科技大學(xué)光電類研究生高等光電技術(shù)實驗中的有限元仿真課程為例，積極突破傳統(tǒng)教學(xué)瓶頸，開展了案例式教學(xué)探索和改革，旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，提高學(xué)生的科研實踐能力和創(chuàng)新思維能力，使學(xué)員高效快速地掌握有限元仿真軟件這一基礎(chǔ)工具，為后續(xù)的研究生科研能力培養(yǎng)奠定優(yōu)良基礎(chǔ)。

一、有限元仿真及應(yīng)用簡介

ANSYS有限元仿真軟件是著名的大型通用有限元計算軟件，包括熱、電、磁、流體和結(jié)構(gòu)等諸多模塊，為我們解決復(fù)雜、龐大的工程項目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了優(yōu)良的工作工具［5-6］。由于ANSYS有限元仿真軟件具有強大的求解器和前、后處理功能及復(fù)雜問題耦合場求解能力，具備與SolidWorks、Pro/Engineer、Alogor等多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)藥、輕工、地礦、水利、日用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是目前世界上最有影響的有限元軟件。在我國，有100多所理工類院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析或作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件。有限元分析在光電類研究生科研中應(yīng)用越來越廣泛。針對光學(xué)工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位研究生在科研工作中的實際需求，通過本課程實驗的鍛煉，研究生初步掌握ANSYS的基本概念和求解思路，為其在結(jié)構(gòu)、熱、電磁、耦合場等課題中的研究和工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

二、有限元仿真課程及案例設(shè)計

有限元仿真課程的目的是通過課程教學(xué)使學(xué)員快速熟練地掌握有限元法的基本原理、基本操作步驟，熟練使用ANSYS有限元仿真軟件開展結(jié)構(gòu)、熱、電磁場、耦合場等典型物理場的仿真分析，根據(jù)課程教學(xué)大綱和教學(xué)計劃，設(shè)計了6個教學(xué)步驟和算例，在每個教學(xué)算例中設(shè)計相應(yīng)的模型，通過算例學(xué)習(xí)，學(xué)員掌握ANSYS有限元仿真軟件的基本操作步驟，具體課程設(shè)計如表1所示。

通過12個學(xué)時的課程教學(xué)和實操，學(xué)員基本掌握了ANSYS有限元仿真軟件的基本方法和操作步驟，為提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)員的興趣愛好，設(shè)計了掃頻干涉儀的靜力分析和優(yōu)化設(shè)計、激光輻照熱分布模擬、法拉第室的電磁場模擬和光路程長控制鏡的壓電效應(yīng)分析4個典型的訓(xùn)練算例，4個訓(xùn)練算例全部來自科研實際，從科研過程提煉出簡化算例，可顯著提升課程的教學(xué)效果。以訓(xùn)練3為例，圍繞法拉第室磁場分析培養(yǎng)學(xué)員在電磁場仿真方面的能力。訓(xùn)練算例具體為：四頻差動激光陀螺利用法拉第室的法拉第旋光效應(yīng)產(chǎn)生偏頻量來解決陀螺的閉鎖問題。四頻差動激光陀螺性能提高的一個重要方面就是設(shè)計出性能更優(yōu)異的法拉第室。法拉第室優(yōu)化設(shè)計的方向是，在保證足夠偏頻量的基礎(chǔ)上，提高其溫度性能和旋光度的徑向分布性能。要達(dá)到這個目的，一要選擇合適的材料（包括磁性材料和旋光材料）；二要合理設(shè)計法拉第室磁體和磁扼的形狀、尺寸，使其內(nèi)部的磁場更均勻。通過仿真分析獲取法拉第室內(nèi)部的磁場分布，優(yōu)化目前結(jié)構(gòu)尺寸，獲取法拉第室內(nèi)部最為均勻的結(jié)構(gòu)。從上述算例可以看出，案例庫的合理構(gòu)建可以一定程度上改善教與學(xué)的難題，激發(fā)學(xué)員的興趣，有效提升教學(xué)效果。

三、案例式教學(xué)實踐探索

研究生學(xué)習(xí)階段與本科生存在很大差異，研究生階段更傾向于自我創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和自我學(xué)習(xí)能力的鍛煉，因此在課程講授過程中，設(shè)計了多個案例式教學(xué)，通過案例式教學(xué)可以很好地將教學(xué)和科研有機融合在一起，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)動力，提升學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。

教學(xué)團隊長期從事激光陀螺等光電慣性器件及系統(tǒng)的研究，在此領(lǐng)域深耕多年，將激光陀螺研究案例引入有限元仿真教學(xué)，可以利用科研工作反哺教學(xué)，提高教學(xué)效果。激光陀螺是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心光電器件，其基本原理是基于薩尼亞克效應(yīng)，為了消除激光陀螺中的閉鎖效應(yīng)，激光陀螺通常采用抖動機構(gòu)為光學(xué)諧振腔施加一個正弦小抖動信號［7］。抖動機構(gòu)通常采用超低膨脹系數(shù)的因瓦合金材料，并通過設(shè)計抖動機構(gòu)的樣式以降低溫度應(yīng)力的影響，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光陀螺廣泛應(yīng)用于海陸空天各個領(lǐng)域，經(jīng)常經(jīng)歷復(fù)雜的振動和沖擊，試驗發(fā)現(xiàn)，該型陀螺在振動過程中出現(xiàn)性能變差的情況，為了提高激光陀螺的抗振動性能，需要對此開展研究。

振動過程中很難直觀地反映和觀測光學(xué)諧振腔的變化，需要對其進(jìn)行細(xì)致研究。借助有限元模擬，我們可以清晰地展現(xiàn)整個振動過程中應(yīng)力場以及應(yīng)變場的變化，可以為優(yōu)化設(shè)計和分析提供指導(dǎo)。我們借助ANSYS仿真軟件建立激光陀螺簡化物理模型。利用實驗課程中力學(xué)工程算例中的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析展開建模研究，陀螺前兩階模態(tài)如圖2所示，通過有限元仿真可以直觀地觀測到陀螺振動中性能變差的主要原因，即陀螺在寬譜振動中高階模態(tài)被激勵放大，通過觀測模態(tài)振型發(fā)現(xiàn)，該模態(tài)源自抖動機構(gòu)的連接方式，通過有限元仿真可以準(zhǔn)確地判斷優(yōu)化的方向和實施路徑。

為此，我們設(shè)計了優(yōu)化后的抖動機構(gòu)和連接方式，將兩種類型的抖動機構(gòu)安裝在陀螺光學(xué)諧振腔上，利用同一振動譜線施加掃頻振動，對比發(fā)現(xiàn)，陀螺的諧振頻率優(yōu)化前后發(fā)生明顯的變化，響應(yīng)峰值明顯降低，振動前后陀螺輸出均值發(fā)生明顯減小［8］。兩種抖動機構(gòu)優(yōu)化前后隨機振動輸出如表2所示。

通過案例教學(xué)，可以讓學(xué)員理解和掌握有限元仿真軟件在科研和工程應(yīng)用中的作用，同時掌握有限元仿真的基本操作步驟和技巧，有效提升研究生學(xué)員的科研能力。

結(jié)語

本文結(jié)合教學(xué)科研實際，將科研中的典型案例引入光電類研究生有限元仿真實驗，系統(tǒng)介紹了課程設(shè)置及教學(xué)要點，圍繞結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)和耦合場等四個方面開展教學(xué)，介紹了基于科研的典型訓(xùn)練案例，以激光陀螺抖動機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為案例，介紹了有限元仿真軟件在實際科研活動中的作用，教學(xué)方法可以有效調(diào)動學(xué)員的積極性，提高有限元仿真軟件的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

［1］肖光宗，汪之國，譚中奇，等.新形勢下軍隊院校研究生光電類專業(yè)課程教學(xué)方案探討［J］.教育教學(xué)論壇，2016（37）：223-225.

［2］于旭東，譚中奇，毛宏軍，等.光電類研究生實驗課程教學(xué)體會［J］.教育教學(xué)論壇，2013（50）：177-178.

［3］郝宏剛，羅偉，尹波，等.研究生課程“高等電磁場理論”案例教學(xué)探索［J］.科教文匯，2020（1）：56-57.

［4］張群利，蔡華，徐衛(wèi)東.“基礎(chǔ)工程”課程案例式教學(xué)改革探索［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2022，41（1）：87-91.

［5］MOAVENI S. Finite element analysis theory and application with ANSYS［M］.Upper Saddle River： Prentice Hall，1999：75-90.

［6］小颯工作室.最新經(jīng)典ANSYS及Workbench教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004：269-422.

［7］于旭東.二頻機抖激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

［8］YU X D，WEI G， LONG X W， et al. Finite element analysis and optimization of dither mechanism in dithered ring laser gyroscope［J］.International journal of precision engineering and manufacturing，2013，14（3）：415-421.

Exploration of Case Teaching in Simulation Experiment of Photoelectric Graduate Students

YU Xu-dong， XIE Yuan-ping， ZHANG Peng-fei

（College of Advanced Interdisciplinary Studies， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： Combining typical scientific research cases with course teaching， case teaching is an effective method to improve the teaching effect of practical courses. This paper introduces the application of ANSYS finite element simulation software， the course design of finite element simulation experiment for photoelectric graduate students， and the basic points of course teaching. In combination with the reality of scientific research and teaching， several practical training cases are designed. Taking the structure analysis of laser gyro as a typical case， this paper introduces the detailed teaching examples and specific applications of finite element simulation in the optimal design of dither mechanism， which provides guidance for the teaching and research of photoelectric graduate students. The teaching practice shows that the introduction of typical cases in scientific research into the finite element simulation course can help improve the teaching effect， help students to quickly master the finite element simulation tools， and improve the research ability of photoelectric graduate students.

Key words： finite element simulation; case teaching; optoelectronics graduate student