構(gòu)建智慧教育新生態(tài) 引領(lǐng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮的意義(打造智慧教育生態(tài)圈)

“電子技術(shù)將控制未來的課堂?！彪S著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的深入發(fā)展，教學(xué)場景、教研模式、教材使用等各個方面都在進(jìn)行數(shù)字化升級。今年年初，《教育部2022年工作要點》提出“實施教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動”，加快教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級。

然而，近兩年來COVID-19疫情的持續(xù)影響以及日益復(fù)雜多變的國際環(huán)境，給大學(xué)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來了巨大挑戰(zhàn)，也對質(zhì)量和安全提出了更高的要求。數(shù)字化教育資源。面對現(xiàn)實困難和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需要，華北電力大學(xué)嘗試工業(yè)軟件應(yīng)用教學(xué)新模式，推動教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型，助力科技自力更生。

工業(yè)軟件走進(jìn)課堂，強力支持“在家持續(xù)學(xué)習(xí)”

電磁場課程是電信息類本科專業(yè)必修的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。由于所需數(shù)學(xué)知識深厚、物理量抽象、學(xué)習(xí)難度高，基于電磁場有限元軟件的建模與仿真實驗成為不可或缺的一部分。但目前國內(nèi)大學(xué)幾乎全部使用國外軟件。COVID-19疫情爆發(fā)后，許多大學(xué)生轉(zhuǎn)向在家在線學(xué)習(xí)。由于版權(quán)限制，國外很多軟件只能在實驗室集中使用，無法在國內(nèi)進(jìn)行建模和仿真實驗。

華北電力大學(xué)也面臨著這樣的困境。電氣工程及其自動化專業(yè)必修課程《工程電磁場》包括2小時的建模和仿真實驗。此前，一直使用學(xué)校購買的國外軟件，所有實驗都必須在實驗室進(jìn)行。然而，2020年初COVID-19疫情爆發(fā)后，所有春季學(xué)期課程全部轉(zhuǎn)移至線上，建模和仿真實驗面臨被取消的困境。

但華北電力大學(xué)的老師們并沒有放棄。他們了解到，近年來，我國涌現(xiàn)出一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電磁場數(shù)值計算軟件。北京云道智造科技有限公司（以下簡稱“云道智造”）自主研發(fā)的通用仿真軟件Simdroid就是其中之一。一。在此前的項目合作中，華北電力大學(xué)的老師與運道智造創(chuàng)始人曲凱峰博士建立了密切的聯(lián)系，了解到其公司的產(chǎn)品Simdroid平臺可以支持學(xué)生在家進(jìn)行建模和仿真實驗。

經(jīng)過努力溝通，華北電力大學(xué)得到了曲凱峰博士的全力支持。云道智造立即安排團(tuán)隊對學(xué)校教師進(jìn)行Simdroid平臺使用培訓(xùn)，并為學(xué)生提供免費使用該軟件的機會，讓所有學(xué)習(xí)工程電磁場課程的學(xué)生順利完成建模與仿真實驗在國內(nèi)，對華北電力大學(xué)給予了大力支持。繼續(xù)在家學(xué)習(xí)?！?/p>

“我們讓學(xué)生自主確定兩個二維電磁場邊值問題來進(jìn)行建模仿真實驗，不受課時和實驗地點的限制，充分發(fā)揮學(xué)生建模仿真實驗的主動性事實證明，大多數(shù)學(xué)生能夠主動發(fā)現(xiàn)并確定兩個二維電磁場邊值問題，有的學(xué)生將文獻(xiàn)中的實際問題或參與課外研究的問題作為建模仿真問題，甚至制作了專門的仿真APP，這超出了我們的預(yù)期?！眹壹壗虒W(xué)名師、華北電力大學(xué)教授崔翔認(rèn)為，這既達(dá)到了建模仿真實驗的目的，又激發(fā)了學(xué)生自主創(chuàng)新，值得大力推廣。他還表示：“將國產(chǎn)軟件引入課堂，不僅可以實現(xiàn)建模、仿真實驗，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新、自力更生、家國情懷；也為國產(chǎn)軟件企業(yè)提供了機會。自主開發(fā)，趕超世界一流軟件?！?/p>

此次成功合作，讓華北電力大學(xué)進(jìn)一步了解和認(rèn)可了云道智能制造的能力。2020年底，云道智造向華北電力大學(xué)捐贈最新版本的Simdroid平臺，并展開更深層次的合作，共建實踐基地，共同培養(yǎng)高層次人才。

在2020年、2021年、2022年連續(xù)三屆彈簧工程電磁場課程中，華北電力大學(xué)1200多名學(xué)生使用Simdroid進(jìn)行建模和仿真實驗，取得了積極的效果。貫通電工1901班的魏同學(xué)在建模仿真實驗報告中寫道：“建模仿真實驗給了我一個平臺，讓我可以嘗試各種稀奇古怪的想法，而不必考慮實驗的成本和風(fēng)險。出不出結(jié)果，或者是安全問題，在做作業(yè)的時候，如果我對某個特定領(lǐng)域的分布不是很了解，并且有很強的好奇心，我可以通過建模和仿真實驗來建立模型，將其具體化。抽象問題。”

打造新形式教材，助力教育數(shù)字化戰(zhàn)略實施

為了幫助學(xué)生更好地理解理論知識，教育部電工教學(xué)指導(dǎo)委員會副主任、北京市教學(xué)名師、華北電力大學(xué)王澤忠教授主編了《十一五規(guī)劃》國家普通高等教育規(guī)劃教材《工程電磁場》（第三版已引入二維碼），用手機掃描即可觀看相關(guān)理論知識的彩圖和動畫視頻。但僅這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足數(shù)字化教學(xué)的需求。如何讓抽象的電磁場更加直觀可見？如何更形象地揭示電磁現(xiàn)象背后的物理規(guī)律？如何讓學(xué)生隨時隨地進(jìn)行建模仿真實驗？

針對這些需要攻克的問題，華北電力大學(xué)再次與云道智造聯(lián)手，基于《工程電磁場》（第3版）共同開發(fā)了相應(yīng)的工程電磁場基本原理仿真實例，融入了抽象電磁場課本上的場論。通過在線模擬APP將公式和典型實例可視化、交互呈現(xiàn)，幫助學(xué)生更直觀、更深入地學(xué)習(xí)相關(guān)知識。歷時三個多月，開發(fā)出涵蓋靜電場、恒流場、恒磁場、交變電磁場四大模塊的31個知識展示模擬APP和58個原理教學(xué)模擬APP，并已陸續(xù)應(yīng)用于實際教學(xué)。

王澤忠教授說：“在仿真APP中，借助彩色云圖、矢量箭頭分布圖、等高線分布圖、場量變化曲線等，原本看不見、摸不著的電磁場可以直觀地看到。在課堂上，老師可以給學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場模擬計算演示，而且大部分APP都能在一分鐘內(nèi)出結(jié)果，互動性很強?！?/p>

除了用于課堂教學(xué)演示之外，模擬APP還可以將需要在實驗室進(jìn)行的物理實驗“搬”到網(wǎng)上。按照北京市防疫要求，今年5月，北京學(xué)校學(xué)生全部返校。王澤忠教授進(jìn)一步基于仿真APP設(shè)計了兩個在線建模仿真實驗，讓學(xué)生在家就可以在線完成實驗。例如，在靜電場多導(dǎo)體部分電容實驗中，學(xué)生可以使用“靜電場-軸對稱三環(huán)導(dǎo)體對地仿真APP”獲得空間電場分布和多導(dǎo)體電感矩陣?！皬膶嶒瀮?nèi)容來看，這和物理實驗的效果是一樣的。在模擬實驗中，還可以改變導(dǎo)體的尺寸和間距，這是物理實驗中很難做到的。當(dāng)然，模擬實驗不能完全代替物理實驗，這個可以通過其他環(huán)節(jié)來補充。

據(jù)負(fù)責(zé)教學(xué)的皮偉副教授介紹，這兩個實驗今年6月已用于北京華北電力大學(xué)500多名本科生的教學(xué)。不僅如此，基于《工程電磁場》（版本3）的仿真APP還可以推廣到東北電力大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)、三峽大學(xué)等高校。據(jù)了解，原本沒有使用過這本教材的河北科技大學(xué)老師在了解這些模擬APP的強大功能后，發(fā)現(xiàn)對教學(xué)很有幫助。為了配合APP使用，他們還購買了《工程電磁場》（第3版）教材。