構(gòu)建智慧教育新生態(tài) 引領(lǐng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮
“電子科技將掌控未來的教室”。隨著“互聯(lián)網(wǎng)＋教育”的深入發(fā)展，教學(xué)場(chǎng)景、教研模式、教材使用等方方面面都迎來數(shù)字化升級(jí)。今年伊始，《教育部2022年工作要點(diǎn)》提出“實(shí)施教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)”，加快推進(jìn)教育數(shù)字轉(zhuǎn)型和智能升級(jí)。
然而，兩年多來新冠肺炎疫情的持續(xù)影響和日趨復(fù)雜多變的國際環(huán)境，都給高校教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來巨大挑戰(zhàn)，也對(duì)數(shù)字教育資源的質(zhì)量和安全性提出更高要求。面對(duì)現(xiàn)實(shí)困境和數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，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(dòng)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型，助力科技自立自強(qiáng)。
工業(yè)軟件進(jìn)課堂，有力支持“居家不停學(xué)”
電磁場(chǎng)課程是電氣信息類本科各專業(yè)學(xué)生必修的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，因?yàn)樗璧臄?shù)學(xué)知識(shí)深?yuàn)W，物理量抽象，學(xué)習(xí)難度高，基于電磁場(chǎng)有限元軟件的建模仿真實(shí)驗(yàn)成為必不可少的一環(huán)。然而，目前國內(nèi)高校使用的幾乎都是國外軟件。新冠疫情爆發(fā)后，很多高校學(xué)生轉(zhuǎn)為居家線上學(xué)習(xí)，受很多國外軟件只能在實(shí)驗(yàn)室集中使用的版權(quán)限制，無法居家進(jìn)行建模仿真實(shí)驗(yàn)。
華北電力大學(xué)也曾面臨這樣的困境。電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的必修課工程電磁場(chǎng)包含2學(xué)時(shí)的建模仿真實(shí)驗(yàn)，此前一直使用學(xué)校購買的國外軟件，都必須在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而2020年初新冠疫情爆發(fā)后，春季學(xué)期的課程均轉(zhuǎn)為線上，建模仿真實(shí)驗(yàn)面臨著被取消的困境。
但華北電力大學(xué)的老師們并沒有放棄。他們了解到，近些年國內(nèi)成長起一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件，由北京云道智造科技有限公司（下稱“云道智造”）自主研發(fā)的通用仿真軟件Simdroid就是其中之一。在以往的項(xiàng)目合作中，華北電力大學(xué)的老師與云道智造創(chuàng)始人屈凱峰博士建立了密切聯(lián)系，得知其公司產(chǎn)品Simdroid平臺(tái)可以支持學(xué)生居家進(jìn)行建模仿真實(shí)驗(yàn)。
在嘗試溝通后，華北電力大學(xué)得到了屈凱峰博士的全力支持。云道智造立即安排團(tuán)隊(duì)為學(xué)校的老師做Simdroid平臺(tái)使用培訓(xùn)，并為學(xué)生免費(fèi)提供軟件使用權(quán)限，讓學(xué)習(xí)工程電磁場(chǎng)課程的全體學(xué)生順利居家完成了建模仿真實(shí)驗(yàn)，有力支持了華北電力大學(xué)“居家不停學(xué)”。
“我們讓學(xué)生自行確定兩個(gè)二維電磁場(chǎng)邊值問題開展建模仿真實(shí)驗(yàn)，不限定學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，充分發(fā)揮學(xué)生建模仿真實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性。事實(shí)證明，大部分學(xué)生都能主動(dòng)尋找并確定兩個(gè)二維電磁場(chǎng)邊值問題，還有部分學(xué)生以文獻(xiàn)中的實(shí)際問題或參加課外科研的問題作為建模仿真問題，甚至制作了專門的仿真APP，超出我們的預(yù)期?！眹医虒W(xué)名師、華北電力大學(xué)崔翔教授認(rèn)為，這不僅達(dá)到了建模仿真實(shí)驗(yàn)的目的，還能激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新，應(yīng)該大力提倡。他還表示：“國產(chǎn)軟件進(jìn)課堂，不僅可以實(shí)現(xiàn)建模仿真實(shí)驗(yàn)，還能培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新、自立自強(qiáng)和家國情懷；同時(shí)也為國內(nèi)軟件公司自主發(fā)展、追趕國際一流軟件提供契機(jī)。”
這一次成功合作讓華北電力大學(xué)對(duì)云道智造的能力有了進(jìn)一步了解和認(rèn)可。2020年底，云道智造向華北電力大學(xué)捐贈(zèng)了最新版Simdroid平臺(tái)，并開啟了更深層次的合作，共建實(shí)踐基地，聯(lián)合培養(yǎng)高層次人才。
在2020年、2021年和2022年連續(xù)三個(gè)春季的工程電磁場(chǎng)課程中，華北電力大學(xué)1200多名學(xué)生使用Simdroid進(jìn)行建模仿真實(shí)驗(yàn)，取得了積極效果。貫通電1901班的魏同學(xué)在她的建模仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告中這樣寫道：“建模仿真實(shí)驗(yàn)給了我可以嘗試五花八門、奇奇怪怪想法的平臺(tái)，不用考慮成本或者實(shí)驗(yàn)沒有產(chǎn)出的風(fēng)險(xiǎn)又或者是安全問題。在完成作業(yè)時(shí)，如果我對(duì)于特定場(chǎng)的分布不是很明白而且又有很強(qiáng)烈的好奇心，自己動(dòng)手利用建模仿真實(shí)驗(yàn)就可以建立一個(gè)模型，把抽象的問題具象化?！?/p>
打造新形態(tài)教材，助力教育數(shù)字化戰(zhàn)略實(shí)施
為幫助學(xué)生更好地理解理論知識(shí)，教育部電氣類教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)副主任、北京市教學(xué)名師、華北電力大學(xué)王澤忠教授在他所編著的普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材《工程電磁場(chǎng)》（第3版）中引入了二維碼，通過手機(jī)掃描可觀看相關(guān)理論知識(shí)的彩圖和動(dòng)畫視頻。但僅有這些，還遠(yuǎn)不能滿足數(shù)字化教學(xué)的需求。如何讓抽象的電磁場(chǎng)更直觀可見？如何更生動(dòng)地揭示電磁現(xiàn)象背后的物理規(guī)律？如何讓學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行建模仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>
帶著這些需要突破的問題，華北電力大學(xué)又一次聯(lián)合云道智造，在《工程電磁場(chǎng)》（第3版）的基礎(chǔ)上合作開發(fā)了相應(yīng)的工程電磁場(chǎng)基本原理仿真實(shí)例，將教材里抽象的電磁場(chǎng)理論公式和典型實(shí)例通過在線仿真APP的方式進(jìn)行可視化和交互式呈現(xiàn)，幫助學(xué)生更直觀、深入地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。歷時(shí)三個(gè)多月，覆蓋靜電場(chǎng)、恒定電流場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)、交變電磁場(chǎng)四個(gè)模塊的31個(gè)知識(shí)展示仿真APP和58個(gè)原理教學(xué)仿真APP全部開發(fā)完成，并陸續(xù)應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中。
王澤忠教授介紹說：“在仿真APP中，有了彩色云圖、矢量箭頭分布圖、等值線分布圖、場(chǎng)量變化曲線等輔助，原本看不見、摸不著的電磁場(chǎng)就全都直觀可見了。在課堂上，老師可以給學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)仿真計(jì)算演示，大部分APP一分鐘之內(nèi)就能出結(jié)果，互動(dòng)性非常好?！?/p>
除了應(yīng)用于課堂教學(xué)演示，仿真APP還能將需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)物實(shí)驗(yàn)“搬到”線上。按照北京市防疫要求，京校學(xué)生均于今年5月離校返家，王澤忠教授基于仿真APP進(jìn)一步設(shè)計(jì)了兩個(gè)在線建模仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在家就可以在線上完成實(shí)驗(yàn)。比如在靜電場(chǎng)多導(dǎo)體部分電容實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生使用“靜電場(chǎng)－軸對(duì)稱三圓環(huán)導(dǎo)體對(duì)地仿真APP”，就可以在靜電場(chǎng)仿真中通過給導(dǎo)體圓環(huán)施加不同電位，獲得空間電場(chǎng)分布以及多導(dǎo)體感應(yīng)系數(shù)矩陣?！皬膶?shí)驗(yàn)內(nèi)容上來說，這和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的效果相同。在仿真實(shí)驗(yàn)中，還可以改變導(dǎo)體的尺寸和間距，這是實(shí)物實(shí)驗(yàn)很難做到的。當(dāng)然，仿真實(shí)驗(yàn)不能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)，這可以通過其它環(huán)節(jié)加以補(bǔ)充。”
據(jù)負(fù)責(zé)教學(xué)工作的皮偉副教授介紹，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)今年6月已面向華北電力大學(xué)北京校部500多名居家學(xué)習(xí)的本科生教學(xué)使用。不僅如此，基于《工程電磁場(chǎng)》（第3版）的仿真APP還可以推廣輻射到東北電力大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)、三峽大學(xué)等高校。據(jù)了解，原本并沒有使用該教材的河北科技大學(xué)老師在了解到這些仿真APP的強(qiáng)大功能后，發(fā)現(xiàn)對(duì)于教學(xué)非常有幫助，為了配合APP使用，還專門購買了《工程電磁場(chǎng)》（第3版）教材。
來源：中國青年網(wǎng)