基于Comsol软件的电磁兼容课程案例式教学设计

摘  要：该文介绍基于Comsol软件的电磁兼容课程案例式教学方法。通过案例教学和仿真，学生将理论知识应用于实际问题，深入理解电磁兼容的概念和原理。通过仿真案例的可视化结果，学生直观地理解电磁辐射和传导，观察不同参数对电磁兼容性的影响。结果表明，仿真案例具有直观性和可视化等优势，同时又有简化模型、缺乏实际操作经验和对计算机的依赖等局限性。在设计仿真案例时，要充分发挥其优势，规避不足，为学生的学习提供实践性、直观性和灵活性，培养学生的工程设计与研发能力。

关键词：Comsol软件;电磁兼容;案例式教学;教学设计;仿真案例

中图分类号：G640         文献标志码：A          文章编号：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

随着电气、电子设备的广泛应用，电磁干扰问题日益凸显。电磁干扰可能导致设备性能下降和严重事故，对社会造成巨大损失。为保障设备正常运行，国际和国内普遍实施电磁兼容标准，要求产品具备良好的电磁兼容性。电磁兼容技术成为电气技术人员必备的专业知识，掌握其原理和应用对产品性能和可靠性至关重要。然而，高校电磁兼容课程教学面临一系列问题。首先，其理论内容相对抽象且庞杂，涉及到工程实践性强且知识更新迅速，给教师的讲解和学生的学习都带来了困难。正如谭康伯等[1]所指出的，在建设电磁专业核心课程方面仍存在困难和挑战。

为了解决这些问题，许多高校开始探索采用案例教学法。案例教学法最早应用于商业管理教育中，其优点在于能够激发学生的主动参与和积极性，提高学习效果。在电磁兼容课程中引入案例教学法已经取得了较好的效果，如戴玲等[2]所述。通过案例教学，学生可以避开繁琐的公式推导和论证过程，直接参与到实际工程案例的解决中，提高了学习的兴趣和动力。然而，案例教学法的实施需要昂贵的仪器设备作为支撑，这限制了其在教学中的普及应用。为了克服这一问题，近年来出现了虚拟仿真实验的方法。虚拟仿真实验可以代替实际工程场景，有效地降低了实验成本并提供更大的灵活性。然而，虚拟仿真实验方法也存在一些限制，如研制时间长、费用高以及需要专业软件人员完成等问题，如侯慧等[3]所述。

在此背景下，基于仿真软件的电磁兼容课程案例分析成为一种有效的教学方法。许多高校已经将仿真软件引入到工程电磁场课堂中，取得了良好的效果，如夏能弘等[4]所述。常用于电磁兼容仿真实验的软件包括Ansys Maxwell、Matlab、ADS、Comsol和Zeland IE3D等。其中Comsol仿真软件具有简单易用的特点，无需繁琐的编程，仅需按照指导步骤即可完成具体的仿真任务，非常适合初学者。

因此，本文旨在基于Comsol软件开展电磁兼容课程的仿真案例研究，通过结合具体案例和仿真软件，学生可以参与具体的仿真实验设计和实施过程，提高其对电磁兼容原理和应用的理解和掌握能力。此外，通过本文的研究和实践，也为测控专业人才的培养提供了参考和借鉴。

一  电磁兼容课程的基本情况

通过学习电磁兼容课程，可以初步培养学生的工程意识和能力，为后续科研能力的发展奠定一定基础。

（一）  电磁兼容课程目标和基本内容

电磁兼容课程旨在培养学生对电磁兼容性的全面理解和应用能力。学生通过掌握电磁兼容性的基本原理、技术和方法，能够设计、开发和应用电子设备和系统，使其在复杂的电磁环境中能够稳定工作，并满足相关法规和标准对电磁兼容性的要求。其主要内容如下。

1  电磁兼容性基础知识

学习电磁场理论、电磁辐射、电磁波传播及电磁相容性的基本概念和原理。

2  电磁辐射与传导

了解电磁辐射和传导的产生机制、特性和传播规律，及其对电子设备和系统的影响。

3  电磁干扰与抗干扰技术

探讨电磁干扰的类型和来源，学习抗干扰技术的原理和方法，包括屏蔽技术、接地与接线技术、滤波器设计等。

4  电磁兼容测试与评估

学习电磁兼容性测试和评估的方法、标准和指标，包括使用测试设备和规范测试过程。

5  电磁兼容性设计与管理

掌握电磁兼容性设计的原则和方法，学习如何在电子产品和系统的开发过程中考虑和管理电磁兼容性问题。

6  电磁兼容性的领域

了解电磁兼容性在通信系统、航空航天、医疗设备、汽车电子和工业控制等领域的应用和挑战。

（二）  电磁兼容课程教学的现状

电磁兼容课程的教学工作面临多个挑战。首先，与集总参数理论相比，理论知识更为抽象和复杂，对学生来说难以理解。其次，进行高速和高频实验需要昂贵的频谱分析仪、网络分析仪等设备，难以在本科教学中广泛推广应用。此外，教学内容与相关科技的最新成果脱节，教学方法仍然偏向传统的“满堂灌”式教学。

为了改善这些问题，我们采用了仿真软件进行电磁兼容实验设计，比如设计了“飞机天线串扰电磁兼容”仿真实验。该实验旨在帮助学生掌握天线布局原则、隔离度概念和干扰分析[5]等关键知识点，学生对“飞机天线串扰”这一话题既感兴趣又陌生，可激发他们学习的积极性。我们发现，学生如果自行设计仿真实验，仅是学习该软件就将花费不少学时，这使得学生对相关知识点的理解的时间就会减少。由此，我们引入了由教师设计的实现案例库，供学生使用。当然，也鼓励能力较强的学生自行设计实验，以加深对概念和理论的理解。

二  案例教学法与仿真实验相结合

传统工科专业教学通常分为理论和实验两部分，实验用于验证理论知识。然而，实验常在理论学习后才进行，导致学生对内容感性认识被推迟，兴趣逐渐消失。为解决此问题，引入了基于仿真实验的案例教学模式，理论与实践相结合，加强感性认知，深化理性认知。

案例教学具有生动、形象、具体且实效强的特点，为了提高效果，我们采用了Comsol仿真软件来设计教学案例。使学生更加直观地理解理论知识，有利于学生掌握和应用知识，激发学习兴趣，积极参与教学，从而提高学习动力和效果[6]。

（一）  案例教学法主要内容

我们建立了一个电磁兼容课程案例库，利用Comsol仿真软件进行设计，模拟主要的电磁骚扰源和传播机理，动态展示电磁场的分布结构和功能，并能更好地理解相关知识点。通过案例学习过程，学生将掌握电磁兼容的本质，提高分析问题和解决问题的能力。

1  梳理课程内容，细化知识点

分析电磁兼容课程的知识点，对于那些看不见、摸不着的电磁场相关概念，我们将尽量使用二维图像和三维立体的形式来展示。电磁兼容课程相关内容见表1。

2  案例设计原则

在引入应用实例时，采取以下原则。

1）学生熟悉度：选择学生熟悉的常见实例，如家用微波炉。除介绍基本工作原理外，详细阐述防止电磁泄漏的注意事项，培养电磁兼容与日常生活相关的印象，增强学习的亲切感。

2）重要性应用：选取学生将来经常遇到但易忽略的重要应用，如讲解接地电阻时，侧重介绍接地的必要性、种类和方法，特别强调机壳接地等，加深对接地概念的理解。

3）跨学科结合：将实例与其他学科和技术的最新发展结合，例如，以学生使用手机为背景，探讨5G手机信号的频率分布、主要技术，并从生物电磁效应角度提出手机使用过程中的防辐射措施，深化对辐射干扰和电磁泄漏问题的认知。

4）引发兴趣：引入与飞机和汽车应用相关的实例，如飞机天线串扰或汽车挡风玻璃上的天线对线束的影响。激发学生学习兴趣，促进对电磁兼容问题的深入探索。

综上，设计案例时应选择熟悉的、常见的实例，关注容易忽略但重要的应用，并结合其他学科和技术的最新发展。通过这样的实例引入，增强学生兴趣，提高对电磁兼容问题的理解和认识，使其能将所学知识应用于实际情境，并获得实际经验和启发。

3  将案例库设计成App形式

利用Comsol仿真软件将案例库设计成App的形式，可直观地展示电磁兼容概念和原理，既可在课堂中演示，也可作为课下实践活动。即使学生不熟悉Comsol软件，仍可进行仿真分析。当然，也鼓励能力强的学生自行建模和仿真，为后续课程和毕业设计做准备。

（二）  教学进程设计

电磁兼容课程的教学设计包括问题引入及分析、知识点讲解、仿真实验演示和知识点强调与复习。在教学中，仿真实验演示起着关键作用，帮助学生直观理解和掌握知识点和概念，巩固课堂内容。学习流程如图1所示。

（三）  教学内容实现路径

电磁兼容课程案例库的技术路线，如图2所示。

三  电磁兼容教学中的典型案例分析

（一）  设计“汽车挡风玻璃天线对线束干扰效果的评估”仿真实验