基于Comsol軟件的電磁兼容課程案例式教學(xué)設(shè)計

白潔 陳玉 孔忻

摘? 要：該文介紹基于Comsol軟件的電磁兼容課程案例式教學(xué)方法。通過案例教學(xué)和仿真，學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實際問題，深入理解電磁兼容的概念和原理。通過仿真案例的可視化結(jié)果，學(xué)生直觀地理解電磁輻射和傳導(dǎo)，觀察不同參數(shù)對電磁兼容性的影響。結(jié)果表明，仿真案例具有直觀性和可視化等優(yōu)勢，同時又有簡化模型、缺乏實際操作經(jīng)驗和對計算機(jī)的依賴等局限性。在設(shè)計仿真案例時，要充分發(fā)揮其優(yōu)勢，規(guī)避不足，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供實踐性、直觀性和靈活性，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計與研發(fā)能力。

關(guān)鍵詞：Comsol軟件;電磁兼容;案例式教學(xué);教學(xué)設(shè)計;仿真案例

中圖分類號：G640? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）S2-0111-05

Abstract： The article introduces a case-based teaching method for EMC courses based on Comsol software. Through case teaching and simulation， students apply theoretical knowledge to practical problems and gain an in-depth understanding of the concepts and principles of electromagnetic compatibility. Through visualisation of the results of the simulation cases， students understand electromagnetic radiation and conduction intuitively and observe the effects of different parameters on EMC. The results show that simulation cases have advantages such as intuitiveness and visualisation， but also limitations such as simplified models， lack of practical experience and dependence on computers. When designing simulation cases， it is important to make full use of their advantages and avoid their shortcomings to provide practicality， intuitiveness and flexibility for students' learning and to develop their engineering design and development skills.

Keywords： Comsol software; electromagnetic compatibility; case-based teaching; instructional design; simulation case

隨著電氣、電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁干擾問題日益凸顯。電磁干擾可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降和嚴(yán)重事故，對社會造成巨大損失。為保障設(shè)備正常運行，國際和國內(nèi)普遍實施電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，要求產(chǎn)品具備良好的電磁兼容性。電磁兼容技術(shù)成為電氣技術(shù)人員必備的專業(yè)知識，掌握其原理和應(yīng)用對產(chǎn)品性能和可靠性至關(guān)重要。然而，高校電磁兼容課程教學(xué)面臨一系列問題。首先，其理論內(nèi)容相對抽象且龐雜，涉及到工程實踐性強且知識更新迅速，給教師的講解和學(xué)生的學(xué)習(xí)都帶來了困難。正如譚康伯等[1]所指出的，在建設(shè)電磁專業(yè)核心課程方面仍存在困難和挑戰(zhàn)。

為了解決這些問題，許多高校開始探索采用案例教學(xué)法。案例教學(xué)法最早應(yīng)用于商業(yè)管理教育中，其優(yōu)點在于能夠激發(fā)學(xué)生的主動參與和積極性，提高學(xué)習(xí)效果。在電磁兼容課程中引入案例教學(xué)法已經(jīng)取得了較好的效果，如戴玲等[2]所述。通過案例教學(xué)，學(xué)生可以避開繁瑣的公式推導(dǎo)和論證過程，直接參與到實際工程案例的解決中，提高了學(xué)習(xí)的興趣和動力。然而，案例教學(xué)法的實施需要昂貴的儀器設(shè)備作為支撐，這限制了其在教學(xué)中的普及應(yīng)用。為了克服這一問題，近年來出現(xiàn)了虛擬仿真實驗的方法。虛擬仿真實驗可以代替實際工程場景，有效地降低了實驗成本并提供更大的靈活性。然而，虛擬仿真實驗方法也存在一些限制，如研制時間長、費用高以及需要專業(yè)軟件人員完成等問題，如侯慧等[3]所述。

在此背景下，基于仿真軟件的電磁兼容課程案例分析成為一種有效的教學(xué)方法。許多高校已經(jīng)將仿真軟件引入到工程電磁場課堂中，取得了良好的效果，如夏能弘等[4]所述。常用于電磁兼容仿真實驗的軟件包括Ansys Maxwell、Matlab、ADS、Comsol和Zeland IE3D等。其中Comsol仿真軟件具有簡單易用的特點，無需繁瑣的編程，僅需按照指導(dǎo)步驟即可完成具體的仿真任務(wù)，非常適合初學(xué)者。

因此，本文旨在基于Comsol軟件開展電磁兼容課程的仿真案例研究，通過結(jié)合具體案例和仿真軟件，學(xué)生可以參與具體的仿真實驗設(shè)計和實施過程，提高其對電磁兼容原理和應(yīng)用的理解和掌握能力。此外，通過本文的研究和實踐，也為測控專業(yè)人才的培養(yǎng)提供了參考和借鑒。

一? 電磁兼容課程的基本情況

通過學(xué)習(xí)電磁兼容課程，可以初步培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和能力，為后續(xù)科研能力的發(fā)展奠定一定基礎(chǔ)。

（一）? 電磁兼容課程目標(biāo)和基本內(nèi)容

電磁兼容課程旨在培養(yǎng)學(xué)生對電磁兼容性的全面理解和應(yīng)用能力。學(xué)生通過掌握電磁兼容性的基本原理、技術(shù)和方法，能夠設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用電子設(shè)備和系統(tǒng)，使其在復(fù)雜的電磁環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作，并滿足相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對電磁兼容性的要求。其主要內(nèi)容如下。

1? 電磁兼容性基礎(chǔ)知識

學(xué)習(xí)電磁場理論、電磁輻射、電磁波傳播及電磁相容性的基本概念和原理。

2? 電磁輻射與傳導(dǎo)

了解電磁輻射和傳導(dǎo)的產(chǎn)生機(jī)制、特性和傳播規(guī)律，及其對電子設(shè)備和系統(tǒng)的影響。

3? 電磁干擾與抗干擾技術(shù)

探討電磁干擾的類型和來源，學(xué)習(xí)抗干擾技術(shù)的原理和方法，包括屏蔽技術(shù)、接地與接線技術(shù)、濾波器設(shè)計等。

4? 電磁兼容測試與評估

學(xué)習(xí)電磁兼容性測試和評估的方法、標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)，包括使用測試設(shè)備和規(guī)范測試過程。

5? 電磁兼容性設(shè)計與管理

掌握電磁兼容性設(shè)計的原則和方法，學(xué)習(xí)如何在電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的開發(fā)過程中考慮和管理電磁兼容性問題。

6? 電磁兼容性的領(lǐng)域

了解電磁兼容性在通信系統(tǒng)、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子和工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用和挑戰(zhàn)。

（二）? 電磁兼容課程教學(xué)的現(xiàn)狀

電磁兼容課程的教學(xué)工作面臨多個挑戰(zhàn)。首先，與集總參數(shù)理論相比，理論知識更為抽象和復(fù)雜，對學(xué)生來說難以理解。其次，進(jìn)行高速和高頻實驗需要昂貴的頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備，難以在本科教學(xué)中廣泛推廣應(yīng)用。此外，教學(xué)內(nèi)容與相關(guān)科技的最新成果脫節(jié)，教學(xué)方法仍然偏向傳統(tǒng)的“滿堂灌”式教學(xué)。

為了改善這些問題，我們采用了仿真軟件進(jìn)行電磁兼容實驗設(shè)計，比如設(shè)計了“飛機(jī)天線串?dāng)_電磁兼容”仿真實驗。該實驗旨在幫助學(xué)生掌握天線布局原則、隔離度概念和干擾分析[5]等關(guān)鍵知識點，學(xué)生對“飛機(jī)天線串?dāng)_”這一話題既感興趣又陌生，可激發(fā)他們學(xué)習(xí)的積極性。我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生如果自行設(shè)計仿真實驗，僅是學(xué)習(xí)該軟件就將花費不少學(xué)時，這使得學(xué)生對相關(guān)知識點的理解的時間就會減少。由此，我們引入了由教師設(shè)計的實現(xiàn)案例庫，供學(xué)生使用。當(dāng)然，也鼓勵能力較強的學(xué)生自行設(shè)計實驗，以加深對概念和理論的理解。

二? 案例教學(xué)法與仿真實驗相結(jié)合

傳統(tǒng)工科專業(yè)教學(xué)通常分為理論和實驗兩部分，實驗用于驗證理論知識。然而，實驗常在理論學(xué)習(xí)后才進(jìn)行，導(dǎo)致學(xué)生對內(nèi)容感性認(rèn)識被推遲，興趣逐漸消失。為解決此問題，引入了基于仿真實驗的案例教學(xué)模式，理論與實踐相結(jié)合，加強感性認(rèn)知，深化理性認(rèn)知。

案例教學(xué)具有生動、形象、具體且實效強的特點，為了提高效果，我們采用了Comsol仿真軟件來設(shè)計教學(xué)案例。使學(xué)生更加直觀地理解理論知識，有利于學(xué)生掌握和應(yīng)用知識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，積極參與教學(xué)，從而提高學(xué)習(xí)動力和效果[6]。

（一）? 案例教學(xué)法主要內(nèi)容

我們建立了一個電磁兼容課程案例庫，利用Comsol仿真軟件進(jìn)行設(shè)計，模擬主要的電磁騷擾源和傳播機(jī)理，動態(tài)展示電磁場的分布結(jié)構(gòu)和功能，并能更好地理解相關(guān)知識點。通過案例學(xué)習(xí)過程，學(xué)生將掌握電磁兼容的本質(zhì)，提高分析問題和解決問題的能力。

1? 梳理課程內(nèi)容，細(xì)化知識點

分析電磁兼容課程的知識點，對于那些看不見、摸不著的電磁場相關(guān)概念，我們將盡量使用二維圖像和三維立體的形式來展示。電磁兼容課程相關(guān)內(nèi)容見表1。

2? 案例設(shè)計原則

在引入應(yīng)用實例時，采取以下原則。

1）學(xué)生熟悉度：選擇學(xué)生熟悉的常見實例，如家用微波爐。除介紹基本工作原理外，詳細(xì)闡述防止電磁泄漏的注意事項，培養(yǎng)電磁兼容與日常生活相關(guān)的印象，增強學(xué)習(xí)的親切感。

2）重要性應(yīng)用：選取學(xué)生將來經(jīng)常遇到但易忽略的重要應(yīng)用，如講解接地電阻時，側(cè)重介紹接地的必要性、種類和方法，特別強調(diào)機(jī)殼接地等，加深對接地概念的理解。

3）跨學(xué)科結(jié)合：將實例與其他學(xué)科和技術(shù)的最新發(fā)展結(jié)合，例如，以學(xué)生使用手機(jī)為背景，探討5G手機(jī)信號的頻率分布、主要技術(shù)，并從生物電磁效應(yīng)角度提出手機(jī)使用過程中的防輻射措施，深化對輻射干擾和電磁泄漏問題的認(rèn)知。

4）引發(fā)興趣：引入與飛機(jī)和汽車應(yīng)用相關(guān)的實例，如飛機(jī)天線串?dāng)_或汽車擋風(fēng)玻璃上的天線對線束的影響。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)對電磁兼容問題的深入探索。

綜上，設(shè)計案例時應(yīng)選擇熟悉的、常見的實例，關(guān)注容易忽略但重要的應(yīng)用，并結(jié)合其他學(xué)科和技術(shù)的最新發(fā)展。通過這樣的實例引入，增強學(xué)生興趣，提高對電磁兼容問題的理解和認(rèn)識，使其能將所學(xué)知識應(yīng)用于實際情境，并獲得實際經(jīng)驗和啟發(fā)。

3? 將案例庫設(shè)計成App形式

利用Comsol仿真軟件將案例庫設(shè)計成App的形式，可直觀地展示電磁兼容概念和原理，既可在課堂中演示，也可作為課下實踐活動。即使學(xué)生不熟悉Comsol軟件，仍可進(jìn)行仿真分析。當(dāng)然，也鼓勵能力強的學(xué)生自行建模和仿真，為后續(xù)課程和畢業(yè)設(shè)計做準(zhǔn)備。

（二）? 教學(xué)進(jìn)程設(shè)計

電磁兼容課程的教學(xué)設(shè)計包括問題引入及分析、知識點講解、仿真實驗演示和知識點強調(diào)與復(fù)習(xí)。在教學(xué)中，仿真實驗演示起著關(guān)鍵作用，幫助學(xué)生直觀理解和掌握知識點和概念，鞏固課堂內(nèi)容。學(xué)習(xí)流程如圖1所示。

（三）? 教學(xué)內(nèi)容實現(xiàn)路徑

電磁兼容課程案例庫的技術(shù)路線，如圖2所示。

三? 電磁兼容教學(xué)中的典型案例分析

（一）? 設(shè)計“汽車擋風(fēng)玻璃天線對線束干擾效果的評估”仿真實驗

1? 梳理知識點，確定仿真案例

希望通過該實驗，學(xué)生能夠深入地理解電磁兼容的基本原理，掌握關(guān)鍵的知識點，并具備解決干擾問題和設(shè)計抗干擾措施的能力。具體而言，該實驗的知識點包括：了解主要的電磁騷擾源、理解電磁騷擾是如何在空間中傳播和耦合的、掌握電磁干擾的傳輸路徑和耦合機(jī)制及電磁干擾的定量計算和分析的方法等。

2? 明確實驗流程，掌握知識點

利用Comsol軟件進(jìn)行仿真實驗設(shè)計流程[7]，如圖3所示。

通過以上步驟，學(xué)生將能夠在實踐中加深對電磁兼容的理解，掌握關(guān)鍵的知識點，并具備分析問題和解決問題的能力。

（二）? 仿真預(yù)測模型建立及分析

為了提高學(xué)生對于汽車線束的“場-線”耦合效應(yīng)的理解，采用了Comsol仿真軟件來建立汽車的三維模型。通過以形象化的方式展示了汽車電氣電子設(shè)備和連接線束，學(xué)生能夠更直觀地觀察和分析線束之間的“場-線”耦合特性[8]。這樣的教學(xué)方法幫助學(xué)生更好地理解干擾耦合的傳輸路徑，以及線束之間的相互影響。

1? 電磁仿真模型構(gòu)建

為了保證仿真速度和精度，對汽車模型和內(nèi)部的電纜線束進(jìn)行了適當(dāng)簡化。車身、電纜線束和擋風(fēng)玻璃調(diào)頻天線的幾何結(jié)構(gòu)（如圖4所示）。所有金屬零件都被模擬為理想電導(dǎo)體（PEC），包括車身、后擋風(fēng)玻璃上的印刷天線、輪胎輪輞以及連接到電子元件外殼的電纜線束和接地平面。此外，汽車周圍還有一個被完美匹配層（PML）包圍的空氣域。擋風(fēng)玻璃厚度為1 cm，在FM頻率范圍內(nèi)被視為透明，且采用了“過渡”邊界條件。

2? 線束輻射場分布和串?dāng)_仿真特性分析

本文通過Comsol軟件對汽車及內(nèi)部線束進(jìn)行建模和仿真，流程如圖5所示。

通過觀察結(jié)果，可以確定哪些部分受到天線輻射的影響較大，如圖6所示。

3? 結(jié)果分析

通過仿真結(jié)果，學(xué)生能夠直觀地觀察和分析調(diào)頻天線的電場輻射，以及內(nèi)部電纜線束的電場情況，并可以自主調(diào)整模型參數(shù)，觀察受影響程度，深入理解電磁波傳播和線束耦合的特性。通過觀察圖6中的結(jié)果，學(xué)生清晰地認(rèn)識到靠近右側(cè)輪胎的電纜線束更容易受到天線輻射的影響，直觀地了解電磁波輻射的影響范圍，從而在實際應(yīng)用中避免潛在的干擾問題。綜合教學(xué)方法提供了豐富的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，加深了學(xué)生對電磁兼容性概念的理解[9]。

（三）? 仿真案例的優(yōu)勢和局限性分析

仿真案例在電磁兼容課程中能夠帶來實踐性學(xué)習(xí)、直觀性和可視化的優(yōu)勢，幫助學(xué)生直觀理解電磁輻射和傳導(dǎo)過程，加深對電磁場分布、信號傳輸和干擾等概念的理解。學(xué)生通過在虛擬環(huán)境中調(diào)整參數(shù)，觀察其對電磁兼容性的影響。并可優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，改進(jìn)電磁屏蔽或抑制措施，提高電磁兼容性。但同時也具有簡化模型、缺乏實際操作經(jīng)驗和對軟件計算機(jī)的依賴等局限性。了解這些優(yōu)勢和局限性，能夠更好地設(shè)計教學(xué)方案，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[10]。

四? 結(jié)束語

通過將案例教學(xué)與Comsol的仿真實驗相結(jié)合的實踐活動，我們?nèi)〉昧溯^好的效果。學(xué)生通過實際操作和模擬情境將理論應(yīng)用于實際，深入理解了電磁兼容的基本概念和原理。仿真軟件生成可視化結(jié)果，幫助學(xué)生直觀理解電磁輻射和傳導(dǎo)。學(xué)生在虛擬環(huán)境中調(diào)整參數(shù)，觀察其對兼容性的影響，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。同時也分析了該方法的優(yōu)劣，未來改進(jìn)應(yīng)提高準(zhǔn)確性、加強實踐能力、結(jié)合其他教學(xué)手段，并降低資源依賴?？傊?，這種教學(xué)方法不僅培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計與研發(fā)能力，還強化了他們在問題分析和解決方案方面的能力。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目“紫外光電子譜分析儀研制與應(yīng)用”（2022YFF07056002）;2020年度西安交通大學(xué)教學(xué)改革研究與實踐項目“測控技術(shù)與儀器專業(yè)（電）培養(yǎng)新模式——以項目為牽引，增強感性認(rèn)識，培養(yǎng)系統(tǒng)觀念，提高創(chuàng)新與項目管理能力”（2020-36）;2022年西安交通大學(xué)本科教學(xué)改革研究項目“學(xué)科引領(lǐng)、項目牽引、模式革新、科教融合-測控技術(shù)與儀器專業(yè)（電類）新時代應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實踐”（2022-12）

第一作者簡介：白潔（1968-），女，漢族，陜西西安人，碩士，高級工程師。研究方向為智能儀器和虛擬儀器技術(shù)等。