基于Comsol軟件的電磁兼容課程案例式教學設計

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方法。通過案例教學和仿真，學生將理論知識應用于實際問題，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果，學生直觀地理解電磁輻射和傳導，觀察不同參數對電磁兼容性的影響。結果表明，仿真案例具有直觀性和可視化等優勢，同時又有簡化模型、缺乏實際操作經驗和對計算機的依賴等局限性。在設計仿真案例時，要充分發揮其優勢，規避不足，為學生的學習提供實踐性、直觀性和靈活性，培養學生的工程設計與研發能力。

關鍵詞：Comsol軟件;電磁兼容;案例式教學;教學設計;仿真案例

中圖分類號：G640? ? ? ? ?文獻標志碼：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、電子設備的廣泛應用，電磁干擾問題日益凸顯。電磁干擾可能導致設備性能下降和嚴重事故，對社會造成巨大損失。為保障設備正常運行，國際和國內普遍實施電磁兼容標準，要求產品具備良好的電磁兼容性。電磁兼容技術成為電氣技術人員必備的專業知識，掌握其原理和應用對產品性能和可靠性至關重要。然而，高校電磁兼容課程教學面臨一系列問題。首先，其理論內容相對抽象且龐雜，涉及到工程實踐性強且知識更新迅速，給教師的講解和學生的學習都帶來了困難。正如譚康伯等[1]所指出的，在建設電磁專業核心課程方面仍存在困難和挑戰。

為了解決這些問題，許多高校開始探索采用案例教學法。案例教學法最早應用于商業管理教育中，其優點在于能夠激發學生的主動參與和積極性，提高學習效果。在電磁兼容課程中引入案例教學法已經取得了較好的效果，如戴玲等[2]所述。通過案例教學，學生可以避開繁瑣的公式推導和論證過程，直接參與到實際工程案例的解決中，提高了學習的興趣和動力。然而，案例教學法的實施需要昂貴的儀器設備作為支撐，這限制了其在教學中的普及應用。為了克服這一問題，近年來出現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方法。許多高校已經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，僅需按照指導步驟即可完成具體的仿真任務，非常適合初學者。

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，通過結合具體案例和仿真軟件，學生可以參與具體的仿真實驗設計和實施過程，提高其對電磁兼容原理和應用的理解和掌握能力。此外，通過本文的研究和實踐，也為測控專業人才的培養提供了參考和借鑒。

一? 電磁兼容課程的基本情況

通過學習電磁兼容課程，可以初步培養學生的工程意識和能力，為后續科研能力的發展奠定一定基礎。

（一）? 電磁兼容課程目標和基本內容

電磁兼容課程旨在培養學生對電磁兼容性的全面理解和應用能力。學生通過掌握電磁兼容性的基本原理、技術和方法，能夠設計、開發和應用電子設備和系統，使其在復雜的電磁環境中能夠穩定工作，并滿足相關法規和標準對電磁兼容性的要求。其主要內容如下。

1? 電磁兼容性基礎知識

學習電磁場理論、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

了解電磁輻射和傳導的產生機制、特性和傳播規律，及其對電子設備和系統的影響。

3? 電磁干擾與抗干擾技術

探討電磁干擾的類型和來源，學習抗干擾技術的原理和方法，包括屏蔽技術、接地與接線技術、濾波器設計等。

4? 電磁兼容測試與評估

學習電磁兼容性測試和評估的方法、標準和指標，包括使用測試設備和規范測試過程。

5? 電磁兼容性設計與管理

掌握電磁兼容性設計的原則和方法，學習如何在電子產品和系統的開發過程中考慮和管理電磁兼容性問題。

6? 電磁兼容性的領域

了解電磁兼容性在通信系統、航空航天、醫療設備、汽車電子和工業控制等領域的應用和挑戰。

（二）? 電磁兼容課程教學的現狀

電磁兼容課程的教學工作面臨多個挑戰。首先，與集總參數理論相比，理論知識更為抽象和復雜，對學生來說難以理解。其次，進行高速和高頻實驗需要昂貴的頻譜分析儀、網絡分析儀等設備，難以在本科教學中廣泛推廣應用。此外，教學內容與相關科技的最新成果脫節，教學方法仍然偏向傳統的“滿堂灌”式教學。

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

二? 案例教學法與仿真實驗相結合

傳統工科專業教學通常分為理論和實驗兩部分，實驗用于驗證理論知識。然而，實驗常在理論學習后才進行，導致學生對內容感性認識被推遲，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模式，理論與實踐相結合，加強感性認知，深化理性認知。

案例教學具有生動、形象、具體且實效強的特點，為了提高效果，我們采用了Comsol仿真軟件來設計教學案例。使學生更加直觀地理解理論知識，有利于學生掌握和應用知識，激發學習興趣，積極參與教學，從而提高學習動力和效果[6]。

（一）? 案例教學法主要內容

我們建立了一個電磁兼容課程案例庫，利用Comsol仿真軟件進行設計，模擬主要的電磁騷擾源和傳播機理，動態展示電磁場的分布結構和功能，并能更好地理解相關知識點。通過案例學習過程，學生將掌握電磁兼容的本質，提高分析問題和解決問題的能力。

1? 梳理課程內容，細化知識點

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。電磁兼容課程相關內容見表1。

2? 案例設計原則

在引入應用實例時，采取以下原則。

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

2）重要性應用：選取學生將來經常遇到但易忽略的重要應用，如講解接地電阻時，側重介紹接地的必要性、種類和方法，特別強調機殼接地等，加深對接地概念的理解。

3）跨學科結合：將實例與其他學科和技術的最新發展結合，例如，以學生使用手機為背景，探討5G手機信號的頻率分布、主要技術，并從生物電磁效應角度提出手機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知。

4）引發興趣：引入與飛機和汽車應用相關的實例，如飛機天線串擾或汽車擋風玻璃上的天線對線束的影響。激發學生學習興趣，促進對電磁兼容問題的深入探索。

綜上，設計案例時應選擇熟悉的、常見的實例，關注容易忽略但重要的應用，并結合其他學科和技術的最新發展。通過這樣的實例引入，增強學生興趣，提高對電磁兼容問題的理解和認識，使其能將所學知識應用于實際情境，并獲得實際經驗和啟發。

3? 將案例庫設計成App形式

利用Comsol仿真軟件將案例庫設計成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。即使學生不熟悉Comsol軟件，仍可進行仿真分析。當然，也鼓勵能力強的學生自行建模和仿真，為后續課程和畢業設計做準備。

（二）? 教學進程設計

電磁兼容課程的教學設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與復習。在教學中，仿真實驗演示起著關鍵作用，幫助學生直觀理解和掌握知識點和概念，鞏固課堂內容。學習流程如圖1所示。

（三）? 教學內容實現路徑

電磁兼容課程案例庫的技術路線，如圖2所示。

三? 電磁兼容教學中的典型案例分析

（一）? 設計“汽車擋風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，學生能夠深入地理解電磁兼容的基本原理，掌握關鍵的知識點，并具備解決干擾問題和設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軟件進行仿真實驗設計流程[7]，如圖3所示。

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

（二）? 仿真預測模型建立及分析

為了提高學生對于汽車線束的“場-線”耦合效應的理解，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備和連接線束，學生能夠更直觀地觀察和分析線束之間的“場-線”耦合特性[8]。這樣的教學方法幫助學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? 電磁仿真模型構建

為了保證仿真速度和精度，對汽車模型和內部的電纜線束進行了適當簡化。車身、電纜線束和擋風玻璃調頻天線的幾何結構（如圖4所示）。所有金屬零件都被模擬為理想電導體（PEC），包括車身、后擋風玻璃上的印刷天線、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。擋風玻璃厚度為1 cm，在FM頻率范圍內被視為透明，且采用了“過渡”邊界條件。

2? 線束輻射場分布和串擾仿真特性分析

本文通過Comsol軟件對汽車及內部線束進行建模和仿真，流程如圖5所示。

通過觀察結果，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? 結果分析

通過仿真結果，學生能夠直觀地觀察和分析調頻天線的電場輻射，以及內部電纜線束的電場情況，并可以自主調整模型參數，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中的結果，學生清晰地認識到靠近右側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，從而在實際應用中避免潛在的干擾問題。綜合教學方法提供了豐富的學習經驗，加深了學生對電磁兼容性概念的理解[9]。

（三）? 仿真案例的優勢和局限性分析

仿真案例在電磁兼容課程中能夠帶來實踐性學習、直觀性和可視化的優勢，幫助學生直觀理解電磁輻射和傳導過程，加深對電磁場分布、信號傳輸和干擾等概念的理解。學生通過在虛擬環境中調整參數，觀察其對電磁兼容性的影響。并可優化系統設計，改進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、缺乏實際操作經驗和對軟件計算機的依賴等局限性。了解這些優勢和局限性，能夠更好地設計教學方案，提高學生的學習效果[10]。

四? 結束語

通過將案例教學與Comsol的仿真實驗相結合的實踐活動，我們取得了較好的效果。學生通過實際操作和模擬情境將理論應用于實際，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果，幫助學生直觀理解電磁輻射和傳導。學生在虛擬環境中調整參數，觀察其對兼容性的影響，進行優化設計。同時也分析了該方法的優劣，未來改進應提高準確性、加強實踐能力、結合其他教學手段，并降低資源依賴?？傊?，這種教學方法不僅培養了學生的工程設計與研發能力，還強化了他們在問題分析和解決方案方面的能力。

參考文獻：

[1] 譚康伯，路宏敏，蘇濤.建設電磁專業核心課程的探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2022，44（1）：87-92.

[2] 戴玲，李紅斌，臧春艷，等.“電磁兼容原理與應用”課程教學改革與探索[J].電氣電子教學學報，2020，42（2）：43-47.

[3] 侯慧，朱韶華，張清勇，等.國內外高等學校虛擬仿真實驗發展綜述[J].電氣電子教學學報，2022，44（5）：143-147.

[4] 夏能弘，郭杰，田孟林.仿真軟件在電磁兼容課程教學中的應用[J].教育教學論壇，2016（4）：187-188.

[5] 白潔，陳玉，孔忻.Comsol仿真軟件在“電磁兼容”課程實驗中的應用[J].教育教學論壇，2022（11）：145-148.

[6] 孫凱，張芳芳，馬鳳英.基于項目驅動的《系統仿真》課程教學案例設計與實踐[J].高教學刊，2019（21）：101-103.

[7] 劉曉斌，張文明，趙鋒，等.基于雷達仿真系統的案例式教學設計[J].實驗科學與技術，2022，20（3）：98-102.

[8] 汶濤，秦紅波，白小平，等.車載電動機瞬態脈沖“場-線”耦合效應預測仿真與實驗設計[J].實驗室研究與探索，2022，41（8）：107-110，160.

[9] 欒江峰，林兆花，肖軍，等.基于電磁兼容的電子技術仿真實驗[J].實驗技術與管理，2020，37（5）：123-127.

[10] 王勝蘭.電磁兼容背景下的電子技術仿真實驗研究[J].電子制作，2020（14）：25-26.

基金項目：國家重點研發計劃項目“紫外光電子譜分析儀研制與應用”（2022YFF07056002）;2020年度西安交通大學教學改革研究與實踐項目“測控技術與儀器專業（電）培養新模式——以項目為牽引，增強感性認識，培養系統觀念，提高創新與項目管理能力”（2020-36）;2022年西安交通大學本科教學改革研究項目“學科引領、項目牽引、模式革新、科教融合-測控技術與儀器專業（電類）新時代應用型人才創新能力培養與實踐”（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等。