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用应用照亮电磁概念背后的物理

弗吉尼亚联邦大学的电气工程专业学生能够使用模拟应用程序可视化电磁场，以获得更好的学习体验和成功的未来。

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布莱恩·克里斯托弗（Brianne Christopher）
2019年12月

内特·金西（Nate Kinsey）回忆起他的第一个电磁学本科课程……这很艰难。他说：“许多聪明的人都记得他们的电磁课程是他们所体验的第一道菜，而没有很多努力就无法正常工作。”“这令人大开眼界。”

幸运的是，这一经历并没有让他灰心：金西继续从密苏里大学哥伦比亚大学获得硕士学位，并获得了电气工程学的普渡大学的博士学位。他目前正在研究弗吉尼亚联邦大学的本科工程专业学生时，正在研究综合光子学和非线性光学。

Kinsey利用他在第一届电气工程课程中的经验作为向学生介绍模拟的动力。他看待它的方式，在如此充满挑战的课程中，学生成功的关键是能够真正可视化和直觉解决问题的能力。但是，这并不像听起来那么容易。

帮助电气工程专业的学生可视化不可见的

电磁课程涉及严格的数学公式，3D矢量计算等 - 此外，这些主题在学生职业生涯中首次汇聚在一起，加剧了挑战。因此，许多学生陷入了复杂的数学公式和方程式中，而没有清楚地了解他们要解决的实际问题，而金西认为这是他们成功的不可或缺的一部分。

实际上，Kinsey观察到，当前一代的学生努力在他们的脑海中创建对象或问题的图片。然而，这一技术脱落的一代擅长的是，一旦他们脑海中有可视化，他们就会回想起图像。他们只需要帮助到达那里。

就电磁学而言，学生对手机周围的EM领域或细胞塔实际上的样子的了解很糟糕，因为他们看不到或与之互动。他们看起来很抽象。至此，Kinsey使用水波和声波作为电磁波的替身，因为前者更容易可视化和与之相关，从而帮助学生获得数学试图描述的效果和物理的直觉。问题在于这些波不准确地代表3D电磁问题。

Kinsey解释说：“学生需要3D可视化才能看到现实世界中的电磁问题，例如偶极子周围的磁场。”他在板上说明了这些概念（因此，偶极子周围的田地看起来像一个圆或图八，具体取决于视角），但是图纸只能完成这么多。金西说：“有些学生会得到它，而另一些则挣扎。”这就是模拟的地方。例如，查看场周围的场曲线如何弯曲。这可能很难通过在董事会上绘制来准确传达。” Kinsey说。

在电磁模拟应用程序的帮助下，使学生取得成功

尽管基于理论概念，但内特·金西（Nate Kinsey）认为，实验室和仿真工具的添加可以极大地增强学生体验。2017年，他帮助重新设计了弗吉尼亚联邦大学的电气工程课程，以增强学生的成功。

为此，Kinsey在课程课程中添加了ComsolMultiphysics®软件中构建的模拟应用程序。他说：“应用程序使学生能够以自己的步调观察并与现象互动。”由于Kinsey的课程已经不得不涵盖大量材料，因此他不想在学生的盘子上添加新的仿真软件的任务。取而代之的是，基于所教导的概念并将其上传到大学的Comsol Server™实例，学生可以在其班级构建和包装应用程序中进行培养助手，学生可以在其中访问和运行其作业的应用程序。

Kinsey说：“我们给他们五到七个参数可以播放，足以有趣，但还不足以使他们细节陷入困境。”此外，仿真实验室经过精心设计，因为规定了太多的过程或提供过多的指导会抑制学生的批判性思维能力。取而代之的是，向学生提供了一个应用程序，并提出了开放式问题，例如：“使用该应用程序，向我展示球的电场掉落为1/R2”（图4-5）。他解释说，通过不告诉学生设置特定的数字或参数，他们“实际上必须思考”。这种方法让他们问自己：“我还需要衡量什么？我需要扫描哪些参数？我该如何证明我的答案合理？”如果学生发现答案或找不到所需的信息，Kinsey说，对于他们来说，必须再尝试并从错误中成长为一个很好的经历。

Kinsey的电气工程课程设计为为期两周的模拟实验室串联周期，并通过讲座和朗诵来支持动手实验。在第一周，学生探讨了从演讲到数值模拟的关键主题，并且在周期的第二周进行实际的实验，这些实验旨在表明这些概念不仅是精美的数字技巧，而且是真正的物理效果。在这里，学生将他们的测量结果与仿真结果进行比较，并讨论事物的不同之处以及潜在的原因。

与对教育机构的任何改组一样，模拟应用程序花费了一些时间才能变得正确并变得流行。起初，金西（Kinsey）在模拟任务中努力努力将难度与自由的正确结合在一起。另外，一些学生注意到他们的模拟需要很长时间才能解决。Kinsey认为这是一个很好的学习机会，可以展示模拟软件中准确性和速度之间的权衡，这是明天的工程师的宝贵课程。

准备下一代电气工程师

VCU电气工程的本科生从Nate Kinsey的课程中获得了三个主要要点。首先，他希望他的学生能够开发出直觉，以便在不灰心的问题上影响其他电荷。“电磁学非常容易变得非常非常复杂，” Kinsey说。“本质上，您要做的就是找到指控之间的力量 - 这很简单，但很困难。”

其次，金西希望他的学生离开他的班级，成为能够解决切线现实世界中问题的敏捷批判性思想家。这涉及思考电磁学规则，而无需记住它们。例如，他没有能够从他们的头顶上喷出高斯法律，而是希望他的学生问自己：“高斯的法律告诉我什么，这是什么意思？”

Kinsey对他的学生的第三个目标是，他们可以在更高层次上认识到电磁学领域的融合，例如数学和物理学的融合方式。例如，学生可能能够毫无问题地解决一条积分，但要求他们计算从点A点到B点的电位差，即使问题基本上需要相同的数学步骤，他们也会感到困惑。通过超越“复制”思维方式，学生将能够将数学公式视为工具。“这就像学习如何使用锤子，”金西说。“您首先要练习一堆指甲，但是在某个时候，您必须超越它并建立一些东西。”

VCU电磁工程课程的未来

内特·金西（Nate Kinsey）一直在寻找使学生沉浸在学习中的新方法，使某天有一个巨大的梦想，可以将虚拟或增强现实（VR，AR）融入他的工程课程中。AR或VR将是为学生提供更具触觉的常见工程场景体验的途径，使他们基本上可以进入问题，并真正沉浸在EM领域，电容器和介电中。Kinsey说：“有趣的是，这些新兴技术如何在教学学生教学方面变得更具成本效益，以及模拟如何播放。”