[基金项目] 2020年度西安交通大学教学改革研究与实践项目“测控技术与仪器专业（电）培养新模式...。
[基金项目] 2020年度西安交通大学教学改革研究与实践项目“测控技术与仪器专业（电）培养新模式——以项目为牵引，增强感性认识，培养系统观念，提高创新与项目管理能力”（2020-36）
[作者简介] 白 洁（1968—），女，陕西西安人，硕士，西安交通大學电气工程学院高级工程师，主要是做智能仪器和虚拟仪器技术等研究;陈 玉（1977—），男，陕西西安人，博士，西安交通大学电气工程学院副教授，主要是做电力设备在线监测与故障诊断技术和特殊环境下的测试技术等研究;孔 忻（1965—），男，陕西西安人，学士，西安交通大学电气工程学院工程师，主要是做传感器仪器和虚拟仪器技术等研究。
随着科学技术和工业水平的迅速发展，电气、电子设备的日益广泛应用，电磁干扰已成为不可忽视的问题之一，其轻则导致电器产品性能直线下降，重则导致非常严重事故，损失无法估量。现在国际、国内广泛实施的电磁兼容（EMC）标准对电气和电子科技类产品的电磁兼容性提出了强制性要求，因此电磁兼容理论既是电气技术人员必备的专业基础知识，也是测控专业的学生不可或缺的能力之一。它通过对电磁干扰源、干扰信号的耦合机理和受扰设备的敏感机理分析，使学生掌握了EMC的基本设计方法[1]，但该课程内容抽象庞杂、工程实践性强和知识更新快，教师讲授难度大，学生理解也困难，因此实验是学生理解理论知识的最有效手段，但电磁兼容实验设备比较昂贵，特别是在复杂环境下的电磁兼容实验成本更高，调试难度更大，实操存在一定的危险性。如果采用仿真实验的形式，虚实结合，模拟实验环境和实验对象，可以将抽象的理论以图文并茂的形式展现在学生面前，方便学生理解。Comsol是一款功能强大的多物理场仿真软件，用于仿真模拟工程、制造和科研等所有的领域的设计、设备及过程，轻轻松松实现建模流程的所有的环节，可用来分析电磁学、结构力学、声学、流体流动、传热和化工等众多领域的实际工程问题[2]。它资源丰富，建模方便，学生容易上手。
在面向新工科的未来工程教育培养理念下，强调面向复杂工程问题的实践能力培养，在教学过程中融入一些科研项目中的案例，采用以问题为导向的自主式和探究式教学法，调动学生参与实验的积极性。因此，我们在“电磁兼容”课程的实验中引进了Comsol仿真软件，引导学生自行设计仿真实验，还原课堂教学的理论知识，加深理解，既调动了学生参与设计实验的兴趣，又提升了学生的工程能力和工程素质。
通过学生自主设计“电磁兼容”课程的仿真实验，更好地理解电磁兼容理论的相关知识，掌握电磁兼容的基本设计方法，能够举一反三、学以致用，初步培育学生的工程意识和能力，为后续学习和工作打下一定的基础。
“电磁兼容”课程公式多、概念抽象，学生不容易理解。学生有畏难情绪，学习兴趣不高，阻碍了学习的积极性，所以我们采取主动和被动双管齐下的方式，鼓励学生认真学习。主动是指结合当前的热点问题选取学生感兴趣的内容，设计仿真实验，激发学生探索未知问题的积极性，同时优化实验方法，采用基于问题的需求牵引式教育学生的方式，让学生以处理问题的心态完成实验内容。被动是指采用实验设计过程考核的方式督促学生认真思考，努力处理问题，获得好的成绩。
“电磁兼容”课程理论抽象，不容易理解，因此我们在设计实验时就要想办法将学生不易掌握的抽象理论转化为形象化和具体化的事物。那应选择哪些仿真实验呢？通过对学生的问卷调查和教师在讲课过程中学生的反馈，我们大家都认为设计的仿真实验应具有工程实践背景、学生感兴趣、可操作性强等特点。在教学过程中融入一些科研项目中的案例[3]，比如：在讲解“天线布局原则、隔离度的概念以及干扰分析”这个概念时，选用了学生感兴趣的飞机上天线串扰的问题，利用仿真实验的形式，引导学生自己建模，设计相关参数，比较天线在不同位置上的串扰，通过定量分析，使抽象的电磁场形象化。同时，学生学习了软件建模方法，对今后走向工作岗位大有益处。
实验以问题引出，引导学生带着问题进行有目的的仿真分析，自主构建模型，计算相关参数，判断其是不是满足要求，能否处理问题，以达到模型的最优化。该方法具有开放性和拓展性的优点，学生可通过你自己的意愿和能力不断探索，深入研究不同参数对建模结果的影响，提高解决实际问题的能力及创新思维的能力。在实验过程中，教师可与学生进行讨论，掌握选择最优和最经济的实验方案，更准确地模拟工业现场的需求。
把整个实验内容分为几个部分，每个部分内容环环相扣，逐步推进，促使学生要不断解决问题，才能完成整个实验。
我们精心设计了一批仿真实验，学生可在其中选两项来完成，下面我们以“飞机天线串扰电磁兼容仿真实验”为例，说明仿真实验的具体实施方法和步骤。该实验主要是为了学生理解知识点“天线布局原则、隔离度的概念以及干扰分析”的内容而设计的。“飞机天线”对学生来说既是陌生的又是感兴趣的话题，因为有兴趣，学生愿意进一步学习，这可以加深学生对概念的理解，有利于培育学生分析问题和解决实际问题的能力。
机载天线的电磁兼容性分析很复杂，需要考虑。通过对机载天线的分析，它应具有这样的特点：一是飞机机身上分布着大量的天线，工作频段相互重叠，这就导致的发射天线和接收天线之间的串扰问题，并尤为突出;二是飞机机身有限，上面安装着大量的电子设备，这也造成了相互的干扰[4];三是在飞机机身上不允许做过多的破坏性实验，因此在设计飞机的电子设备之前，必须对其电磁兼容性进行仿真分析，确定最优化参数。学生也能够最终靠这样的学习对“天线布局原则、隔离度计算”有深刻的理解和掌握。
本项目将问题驱动、自主设计式和探究式等教育学生的方式相融合，实施方法如图1所示。
在“机载天线串扰”的实验中，首先向学生提出“天线安装在什么位置上合适”的问题，带着这样的一个问题，学生就会考虑怎么判断天线的位置是否合适，这就需要从原理出发，掌握“天线方向图及隔离度的计算方式”。下一步学生就要进行自主设计，对飞机和天线建模采用探究式的学习方法，分析天线安装的地方对天线的串扰，从而判断出天线的最佳安装的地方，加深对课堂学到的“天线布局原则、隔离度的概念以及干扰分析”等知识的理解和掌握，引导学生自主思考，提升实验教学效果。该实验内容既可向深度和广度进行扩展，也可作为学生的创新实验，提高了学生分析问题和解决实际问题的能力。
在仿真实验中，首先设计飞机和天线的数学模型，再考虑将天线分别安排在机身和尾翼的不同位置时天线间的相互影响。学生可自行设计，计算隔离度，探究天线安排的原则和方法。
1.仿真问题描述。飞机上天线串扰是一个很复杂的问题，涉及的概念和原理也比较多，为便于学生理解，首先将问题简化，具体描述为飞机要安设两根天线，一根为发射天线，安置在飞机机身上面，要求学生确定接收天线是否安装的合适，如果位置不合理，就会导致发射天线和接收天线间的串扰。假定机身顶部有一根发射天线，另一根接收天线位于机身底部的位置，将其位置从后侧移到前侧，分析干扰量的大小，如图2所示，YZ平面上以分贝为单位的电场模。
2.关键参数分析。天线在不同位置时的相互干扰量能够准确的通过隔离度S这个参数来定量描述;S表示发射天线对接收天线的影响，数值越大越好;S表示接收天线对发射天线的影响，数值越小越好。
3.设计步骤。Comsol仿真软件中的示例丰富、讲解详细，学生首先花4个学时进行Comsol软件平台的学习，了解该平台的使用方法和设计流程。其次在其例程库中找到“飞机机身上的天线串扰仿真”示例，修改相关参数，计算获得仿真結果。Comsol设计流程包括：（1）搭建环境：选择正真适合的几何环境，搭建飞机模型;（2）物理场选择：电抗近场和辐射远场;（3）几何模型的材料选择;（4）仿真与结果。最后进行计算，得到仿真结果，可依据需求绘制不同的图，方便观察。如图3所示，天线的值。
当接收天线位于机身的不同位置时，通过S和S的数值看出，S数值很接近，说明接收天线的三种放置位置对发射天线影响不大;S数值略有不同，当接收天线位于机尾即机身后侧时，S值最大，其对发射天线的串扰影响最小，综合S和S的数值得出，接收天线安装在机尾位置最优。
以“机载天线间的串扰”为实践背景，采取基于问题的需求牵引式、互动式教育学生的方式，引导学生根据实验目标设计仿真实验，探索各参数之间的相互影响，进行电磁辐射的结构设计和定量计算，可快速、直观地发现设计的缺陷，调整参数逐步优化模型，多角度提高学生对电磁环境的认知，逐步培育学生的工程设计与研发能力，加强对学生分析问题和解决实际问题能力的培养。
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