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(lái)的課堂。”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、教材使用等各個(gè)方面都在進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)。今年年初，《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)”，加快教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)。

然而，近兩年來(lái)COVID-19疫情的持續(xù)影響以及日益復(fù)雜多變的國(guó)際環(huán)境，給大學(xué)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，也對(duì)質(zhì)量和安全提出了更高的要求。數(shù)字化教育資源。面對(duì)現(xiàn)實(shí)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(dòng)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(qiáng)力支持“在家持續(xù)學(xué)習(xí)”

電磁場(chǎng)課程是電信息類本科專業(yè)必修的一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。由于所需數(shù)學(xué)知識(shí)深厚、物理量抽象、學(xué)習(xí)難度高，基于電磁場(chǎng)有限元軟件的建模與仿真實(shí)驗(yàn)成為不可或缺的一部分。但目前國(guó)內(nèi)大學(xué)幾乎全部使用國(guó)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(guó)外很多軟件只能在實(shí)驗(yàn)室集中使用，無(wú)法在國(guó)內(nèi)進(jìn)行建模和仿真實(shí)驗(yàn)。

華北電力大學(xué)也面臨著這樣的困境。電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)必修課程《工程電磁場(chǎng)》包括2小時(shí)的建模和仿真實(shí)驗(yàn)。此前，一直使用學(xué)校購(gòu)買的國(guó)外軟件，所有實(shí)驗(yàn)都必須在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)面臨被取消的困境。

但華北電力大學(xué)的老師們并沒(méi)有放棄。他們了解到，近年來(lái)，我國(guó)涌現(xiàn)出一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件。北京云道智造科技有限公司（以下簡(jiǎn)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(xiàng)目合作中，華北電力大學(xué)的老師與運(yùn)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(tái)可以支持學(xué)生在家進(jìn)行建模和仿真實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)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(duì)對(duì)學(xué)校教師進(jìn)行Simdroid平臺(tái)使用培訓(xùn)，并為學(xué)生提供免費(fèi)使用該軟件的機(jī)會(huì)，讓所有學(xué)習(xí)工程電磁場(chǎng)課程的學(xué)生順利完成建模與仿真實(shí)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)，對(duì)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(gè)二維電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題來(lái)進(jìn)行建模仿真實(shí)驗(yàn)，不受課時(shí)和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的限制，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，大多數(shù)學(xué)生能夠主動(dòng)發(fā)現(xiàn)并確定兩個(gè)二維電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題，有的學(xué)生將文獻(xiàn)中的實(shí)際問(wèn)題或參與課外研究的問(wèn)題作為建模仿真問(wèn)題，甚至制作了專門(mén)的仿真APP，這超出了我們的預(yù)期?！眹?guó)家級(jí)教學(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(shí)驗(yàn)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(guó)產(chǎn)軟件引入課堂，不僅可以實(shí)現(xiàn)建模、仿真實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新、自力更生、家國(guó)情懷；也為國(guó)產(chǎn)軟件企業(yè)提供了機(jī)會(huì)。自主開(kāi)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(zèng)最新版本的Simdroid平臺(tái)，并展開(kāi)更深層次的合作，共建實(shí)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(chǎng)課程中，華北電力大學(xué)1200多名學(xué)生使用Simdroid進(jìn)行建模和仿真實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)報(bào)告中寫(xiě)道：“建模仿真實(shí)驗(yàn)給了我一個(gè)平臺(tái)，讓我可以嘗試各種稀奇古怪的想法，而不必考慮實(shí)驗(yàn)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。出不出結(jié)果，或者是安全問(wèn)題，在做作業(yè)的時(shí)候，如果我對(duì)某個(gè)特定領(lǐng)域的分布不是很了解，并且有很強(qiáng)的好奇心，我可以通過(guò)建模和仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)建立模型，將其具體化。抽象問(wèn)題?！?/p>

打造新形式教材，助力教育數(shù)字化戰(zhàn)略實(shí)施

為了幫助學(xué)生更好地理解理論知識(shí)，教育部電工教學(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)王澤忠教授主編了《十一五規(guī)劃》國(guó)家普通高等教育規(guī)劃教材《工程電磁場(chǎng)》（第三版已引入二維碼），用手機(jī)掃描即可觀看相關(guān)理論知識(shí)的彩圖和動(dòng)畫(huà)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(chǎng)更加直觀可見(jiàn)？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(shí)隨地進(jìn)行建模仿真實(shí)驗(yàn)？

針對(duì)這些需要攻克的問(wèn)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(chǎng)》（第3版）共同開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的工程電磁場(chǎng)基本原理仿真實(shí)例，融入了抽象電磁場(chǎng)課本上的場(chǎng)論。通過(guò)在線模擬APP將公式和典型實(shí)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(shí)。歷時(shí)三個(gè)多月，開(kāi)發(fā)出涵蓋靜電場(chǎng)、恒流場(chǎng)、恒磁場(chǎng)、交變電磁場(chǎng)四大模塊的31個(gè)知識(shí)展示模擬APP和58個(gè)原理教學(xué)模擬APP，并已陸續(xù)應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)。

王澤忠教授說(shuō)：“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(chǎng)量變化曲線等，原本看不見(jiàn)、摸不著的電磁場(chǎng)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(chǎng)模擬計(jì)算演示，而且大部分APP都能在一分鐘內(nèi)出結(jié)果，互動(dòng)性很強(qiáng)。”

除了用于課堂教學(xué)演示之外，模擬APP還可以將需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)“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(jì)了兩個(gè)在線建模仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在家就可以在線完成實(shí)驗(yàn)。例如，在靜電場(chǎng)多導(dǎo)體部分電容實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以使用“靜電場(chǎng)-軸對(duì)稱三環(huán)導(dǎo)體對(duì)地仿真APP”獲得空間電場(chǎng)分布和多導(dǎo)體電感矩陣?！皬膶?shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)看，這和物理實(shí)驗(yàn)的效果是一樣的。在模擬實(shí)驗(yàn)中，還可以改變導(dǎo)體的尺寸和間距，這是物理實(shí)驗(yàn)中很難做到的。當(dāng)然，模擬實(shí)驗(yàn)不能完全代替物理實(shí)驗(yàn)，這個(gè)可以通過(guò)其他環(huán)節(jié)來(lái)補(bǔ)充。

據(jù)負(fù)責(zé)教學(xué)的皮偉副教授介紹，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)》（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(méi)有使用過(guò)這本教材的河北科技大學(xué)老師在了解這些模擬APP的強(qiáng)大功能后，發(fā)現(xiàn)對(duì)教學(xué)很有幫助。為了配合APP使用，他們還購(gòu)買了《工程電磁場(chǎng)》（第3版）教材。