工业APP进课堂,摆脱工业软件“卡脖子”从大学抓起!

​​“电子科技将掌控未来的教室”。随着“互联网+教育”的深入发展,教学场景、教研模式、教材使用等方方面面都迎来数字化升级。今年伊始,《教育部2022年工作要点》提出“实施教育数字化战略行动”,加快推进教育数字转型和智能升级。 

然而,两年多来新冠肺炎疫情的持续影响和日趋复杂多变的国际环境,都给高校教育数字化转型带来巨大挑战,也对数字教育资源的质量和安全性提出更高要求。面对现实困境和数字化转型需求,华北电力大学尝试工业软件应用教学新模式,推动教育数字化转型,助力科技自立自强。 

 

工业软件进课堂,有力支持“居家不停学”

 电磁场课程是电气信息类本科各专业学生必修的一门重要技术基础课,因为所需的数学知识深奥,物理量抽象,学习难度高,基于电磁场有限元软件的建模仿真实验成为必不可少的一环。然而,目前国内高校使用的几乎都是国外软件。新冠疫情爆发后,很多高校学生转为居家线上学习,受很多国外软件只能在实验室集中使用的版权限制,无法居家进行建模仿真实验。 

华北电力大学也曾面临这样的困境。电气工程及其自动化专业的必修课工程电磁场包含2学时的建模仿真实验,此前一直使用学校购买的国外软件,都必须在实验室进行实验。然而2020年初新冠疫情爆发后,春季学期的课程均转为线上,建模仿真实验面临着被取消的困境。 

但华北电力大学的老师们并没有放弃。他们了解到,近些年国内成长起一批具有自主知识产权的电磁场数值计算软件,由北京云道智造科技有限公司(下称“云道智造”)自主研发的通用仿真软件Simdroid就是其中之一。在以往的项目合作中,华北电力大学的老师与云道智造创始人屈凯峰博士建立了密切联系,得知其公司产品Simdroid平台可以支持学生居家进行建模仿真实验。 

在尝试沟通后,华北电力大学得到了屈凯峰博士的全力支持。云道智造立即安排团队为学校的老师做Simdroid平台使用培训,并为学生免费提供软件使用权限,让学习工程电磁场课程的全体学生顺利居家完成了建模仿真实验,有力支持了华北电力大学“居家不停学”。 

“我们让学生自行确定两个二维电磁场边值问题开展建模仿真实验,不限定学时和实验地点,充分发挥学生建模仿真实验的主动性。事实证明,大部分学生都能主动寻找并确定两个二维电磁场边值问题,还有部分学生以文献中的实际问题或参加课外科研的问题作为建模仿真问题,甚至制作了专门的仿真APP,超出我们的预期。”国家教学名师、华北电力大学崔翔教授认为,这不仅达到了建模仿真实验的目的,还能激发学生自主创新,应该大力提倡。他还表示:“国产软件进课堂,不仅可以实现建模仿真实验,还能培养学生自主创新、自立自强和家国情怀;同时也为国内软件公司自主发展、追赶国际一流软件提供契机。” 

这一次成功合作让华北电力大学对云道智造的能力有了进一步了解和认可。2020年底,云道智造向华北电力大学捐赠了最新版Simdroid平台,并开启了更深层次的合作,共建实践基地,联合培养高层次人才。 

在2020年、2021年和2022年连续三个春季的工程电磁场课程中,华北电力大学1200多名学生使用Simdroid进行建模仿真实验,取得了积极效果。贯通电1901班的魏同学在她的建模仿真实验报告中这样写道:“建模仿真实验给了我可以尝试五花八门、奇奇怪怪想法的平台,不用考虑成本或者实验没有产出的风险又或者是安全问题。在完成作业时,如果我对于特定场的分布不是很明白而且又有很强烈的好奇心,自己动手利用建模仿真实验就可以建立一个模型,把抽象的问题具象化。”

 

打造新形态教材,助力教育数字化战略实施 

为帮助学生更好地理解理论知识,教育部电气类教学指导委员会副主任、北京市教学名师、华北电力大学王泽忠教授在他所编著的普通高等教育“十一五”国家级规划教材《工程电磁场》(第3版)中引入了二维码,通过手机扫描可观看相关理论知识的彩图和动画视频。但仅有这些,还远不能满足数字化教学的需求。如何让抽象的电磁场更直观可见?如何更生动地揭示电磁现象背后的物理规律?如何让学生随时随地进行建模仿真实验呢? 

带着这些需要突破的问题,华北电力大学又一次联合云道智造,在《工程电磁场》(第3版)的基础上合作开发了相应的工程电磁场基本原理仿真实例,将教材里抽象的电磁场理论公式和典型实例通过在线仿真APP的方式进行可视化和交互式呈现,帮助学生更直观、深入地学习相关知识。历时三个多月,覆盖静电场、恒定电流场、恒定磁场、交变电磁场四个模块的31个知识展示仿真APP和58个原理教学仿真APP全部开发完成,并陆续应用于实际教学中。 

 

王泽忠教授介绍说:“在仿真APP中,有了彩色云图、矢量箭头分布图、等值线分布图、场量变化曲线等辅助,原本看不见、摸不着的电磁场就全都直观可见了。在课堂上,老师可以给学生现场仿真计算演示,大部分APP一分钟之内就能出结果,互动性非常好。” 

除了应用于课堂教学演示,仿真APP还能将需要在实验室进行的实物实验“搬到”线上。按照北京市防疫要求,京校学生均于今年5月离校返家,王泽忠教授基于仿真APP进一步设计了两个在线建模仿真实验,学生在家就可以在线上完成实验。比如在静电场多导体部分电容实验中,学生使用“静电场-轴对称三圆环导体对地仿真APP”,就可以在静电场仿真中通过给导体圆环施加不同电位,获得空间电场分布以及多导体感应系数矩阵。“从实验内容上来说,这和实物实验的效果相同。在仿真实验中,还可以改变导体的尺寸和间距,这是实物实验很难做到的。当然,仿真实验不能完全代替实物实验,这可以通过其它环节加以补充。” 

据负责教学工作的皮伟副教授介绍,这两个实验今年6月已面向华北电力大学北京校部500多名居家学习的本科生教学使用。不仅如此,基于《工程电磁场》(第3版)的仿真APP还可以推广辐射到东北电力大学、杭州电子科技大学、三峡大学等高校。据了解,原本并没有使用该教材的河北科技大学老师在了解到这些仿真APP的强大功能后,发现对于教学非常有帮助,为了配合APP使用,还专门购买了《工程电磁场》(第3版)教材。

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Simdroid是北京云道智造科技有限公司自主研发的基于“仿真平台+仿真APP”模式的通用多物理场仿真平台,具备自主可控的结构、电磁、流体和热四大物理场求解器,支持多物理场耦合仿真,在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理

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