電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)熱分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路與探索

王香芬 萬(wàn)博 陳政平 鹿靖

摘要：隨著國(guó)防科技國(guó)產(chǎn)化快速推進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生可靠性創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力，是高校可靠性工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系面臨的新要求。文章針對(duì)電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)熱分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，提出本研一體化多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，實(shí)施優(yōu)化教學(xué)試驗(yàn)內(nèi)容、四位一體的多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、完善考核方式等教學(xué)改革措施。實(shí)踐表明：實(shí)施本研一體化多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)在知識(shí)廣度、層次性及創(chuàng)新性等方面提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，在教學(xué)質(zhì)量上有較大提高。

關(guān)鍵詞：多層次教學(xué);本研一體化;熱設(shè)計(jì);熱分析

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2020）21-0197-03

電子系統(tǒng)可靠性是影響武器裝備作戰(zhàn)能力的重要因素，熱是影響電子系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素之一。在我國(guó)電子產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化和自主可控對(duì)可靠性復(fù)合型人才的迫切需求背景下，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生可靠性實(shí)踐與創(chuàng)新能力，是高校的可靠性工程實(shí)踐教學(xué)面臨的新要求。

電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)熱分析實(shí)驗(yàn)是一門與可靠性工程關(guān)系密切、實(shí)踐性較強(qiáng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。其在可靠性專業(yè)課程中占有重要的地位，是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決電子設(shè)備熱問(wèn)題的能力、動(dòng)手操作能力及電子產(chǎn)品可靠性實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。

隨著高校改革和優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)，可靠性專業(yè)本科畢業(yè)生的平均升學(xué)率（讀研的比例）較高，本研兩個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容雖然能滿足教學(xué)任務(wù)，但沒(méi)有很好地實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)和優(yōu)化。此外，隨著新技術(shù)、新材料等技術(shù)發(fā)展，原有的熱設(shè)計(jì)熱分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不適應(yīng)現(xiàn)代可靠性的發(fā)展需求，暴露出一些問(wèn)題，亟待改革。

一、熱設(shè)計(jì)熱分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題分析

（一）教學(xué)內(nèi)容相對(duì)陳舊

目前該實(shí)驗(yàn)包括電子系統(tǒng)性能測(cè)試、可靠性熱設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱仿真分析、熱性能測(cè)量等內(nèi)容。采用軟件進(jìn)行熱優(yōu)化設(shè)計(jì)及熱仿真分析，采用實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)進(jìn)行電子系統(tǒng)性能及熱測(cè)量。實(shí)驗(yàn)對(duì)象仍然是10年前電子產(chǎn)品，不能緊跟近年工程中環(huán)境復(fù)雜多樣帶來(lái)的變化。另外，本研一體化培養(yǎng)是當(dāng)今高校工科教育改革的最新動(dòng)向，由于本科與研究生階段教學(xué)內(nèi)容沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有部分重復(fù)，不利于學(xué)生本研一體化及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（二）教學(xué)模式傳統(tǒng)單一

實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用“學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)+實(shí)驗(yàn)前教師集中講解+分小組試驗(yàn)操作+撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告”方式。這種傳統(tǒng)教學(xué)模式相對(duì)單一，學(xué)生按部就班完成實(shí)驗(yàn)，容易導(dǎo)致學(xué)生思維狹窄僵化，在很大程度上抑制了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的主觀能動(dòng)性，不利于學(xué)科交叉與跨學(xué)科復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。此外，提前預(yù)習(xí)以及課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)也不容易落到實(shí)處。

（三）考核方式不合理

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)由預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告綜合得出，各占比三分之一。由于實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程以小組方式進(jìn)行，每組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相同，學(xué)生課后所提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告相似率極高，存在抄襲現(xiàn)象，導(dǎo)致教學(xué)考核效果差，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

二、實(shí)驗(yàn)本研一體化多層次教學(xué)改革探索

電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)熱分析實(shí)驗(yàn)屬于專業(yè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，必須以學(xué)生為中心，加強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，設(shè)計(jì)循序漸進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容以及多層次的教學(xué)模式，讓學(xué)生主動(dòng)投入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，實(shí)現(xiàn)本科階段實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和研究生階段實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的進(jìn)階性和銜接性。將本研一體化循序漸進(jìn)的教學(xué)同本科生與研究生實(shí)踐能力的培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在不同階段的培養(yǎng)目標(biāo)。

（一）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置為基礎(chǔ)、拓展和延伸創(chuàng)新三個(gè)層次，其中，基礎(chǔ)、拓展層次實(shí)驗(yàn)突出對(duì)學(xué)生工程能力的培養(yǎng);創(chuàng)新層次實(shí)驗(yàn)具有一定的探究性，以解決實(shí)際問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，突出對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，三個(gè)層次整合打通本研兩個(gè)階段。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)原有的熱設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括：（1）初選散熱器，電源系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及性能測(cè)試、降額設(shè)計(jì);（2）優(yōu)化散熱器，電源系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及性能測(cè)試、降額設(shè)計(jì);（3）采用Qfin軟件對(duì)散熱器進(jìn)行熱設(shè)計(jì)熱分析、散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)以及評(píng)估;熱分析模塊包括：（1）電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)及性能測(cè)試;（2）獲取熱源功耗，建立熱仿真模型，進(jìn)行熱分析;（3）電子產(chǎn)品熱測(cè)量及熱分析誤差來(lái)源分析。

在原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上，在電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中增加散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱分析拓展內(nèi)容，優(yōu)化電子系統(tǒng)熱分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K。此外，結(jié)合電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)發(fā)展，針對(duì)電子產(chǎn)品使用環(huán)境，對(duì)電源系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)新增熱環(huán)境下的電子材料力學(xué)性能測(cè)試等延伸內(nèi)容，如圖1所示，新增電子系統(tǒng)熱分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K中信號(hào)對(duì)熱的影響分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如圖2所示，進(jìn)一步分析熱參數(shù)計(jì)算過(guò)程中電源波動(dòng)、信號(hào)變化的影響，觀察信號(hào)在熱過(guò)程中的變化。

在本科階段，為加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，以小組合作形式完成原有實(shí)驗(yàn)?zāi)K內(nèi)容及拓展內(nèi)容，使學(xué)生理解電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)熱分析基本原理，熟練掌握熱設(shè)計(jì)熱分析流程和熱評(píng)估手段，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能的能力。研究生階段注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，學(xué)生根據(jù)學(xué)業(yè)規(guī)劃決定是否可提前做完延伸性實(shí)驗(yàn)，以便在研究生階段免修該實(shí)驗(yàn)，為本研一體化培養(yǎng)提供制度性保障。這樣從內(nèi)容上細(xì)化了本研一體教學(xué)內(nèi)容，提出了不同層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

（二）四位一體多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

提出“微課預(yù)習(xí)+ 集中教學(xué)+ 專業(yè)實(shí)驗(yàn)+自主探究實(shí)驗(yàn)”四位一體實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)效果。

1.以微課促進(jìn)有效預(yù)習(xí)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在集中授課之前將實(shí)驗(yàn)相關(guān)專題及儀器操作等微課通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供給學(xué)生，學(xué)生利用微課自主完成新知識(shí)的學(xué)習(xí)，并完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。這樣在集中教學(xué)時(shí)可減少一些內(nèi)容講解，集中精力解決學(xué)生預(yù)習(xí)中的問(wèn)題。

2.基于啟發(fā)式的集中教學(xué)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)有針對(duì)性地集中講解，對(duì)熱相關(guān)知識(shí)、環(huán)境溫度對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響、實(shí)驗(yàn)中的硬件和軟件平臺(tái)等實(shí)驗(yàn)中可能遇到技術(shù)要點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行啟發(fā)和討論，使學(xué)生熟悉該門實(shí)驗(yàn)應(yīng)完成的核心內(nèi)容。

3.團(tuán)隊(duì)合作完成專業(yè)實(shí)驗(yàn)。指導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)及熱設(shè)計(jì)熱分析軟件，以團(tuán)隊(duì)合作方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握評(píng)估熱設(shè)計(jì)的手段，學(xué)會(huì)利用現(xiàn)代化熱分析軟件及熱測(cè)量手段，理解改進(jìn)電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的方法，具備使用實(shí)驗(yàn)工具分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

4.探究性自主實(shí)驗(yàn)。增設(shè)探究性自主實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生依據(jù)熱設(shè)計(jì)、熱分析所學(xué)內(nèi)容，針對(duì)工程實(shí)際需求和問(wèn)題，自主搜集資料，制定散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，分析熱環(huán)境及信號(hào)波動(dòng)對(duì)熱的影響，在教師引導(dǎo)下，提出相應(yīng)處理措施，切身感受到不同參數(shù)、不同方法、不同工藝對(duì)熱的影響。

（三）完善考核方式

在考核方式上，首先，根據(jù)每位同學(xué)提交的預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，檢查其對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解程度，給出分值;其次，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)每組同學(xué)的監(jiān)督，盡量掌握每個(gè)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手情況，及時(shí)記錄操作成績(jī);再次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫及完成情況進(jìn)行計(jì)分;最后，對(duì)于探究性自主實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后安排參加的學(xué)生答辯，答辯成績(jī)計(jì)入實(shí)驗(yàn)總成績(jī)。

細(xì)化實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定比例，改革后的實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及實(shí)驗(yàn)答辯（針對(duì)選做探究性自主實(shí)驗(yàn)的同學(xué)）等幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定。實(shí)驗(yàn)操作（實(shí)驗(yàn)答辯）所占比重為50%左右。預(yù)習(xí)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告占比約50%，杜絕個(gè)別同學(xué)不認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)，抄襲作業(yè)，卻還能獲得高分的可能，同時(shí)鼓勵(lì)同學(xué)在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)發(fā)揮自己的能動(dòng)性和創(chuàng)新性。

三、教學(xué)改革初步成效

經(jīng)過(guò)初步實(shí)施，學(xué)生對(duì)電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)和熱分析實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)熱情和實(shí)際操作能力均有很大的提升。經(jīng)學(xué)生反饋，本研一體化實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在知識(shí)廣度、層次性及創(chuàng)新性上有較大提高，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量也有了顯著改進(jìn)。大部分學(xué)生能夠接受這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并表現(xiàn)出濃厚的興趣。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及考核方式三個(gè)方面的教學(xué)改革探索，學(xué)生對(duì)電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)、熱分析和熱評(píng)估流程有了一個(gè)更加清晰的認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

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Abstract： With the rapid advancement of national defense localization， cultivating students' reliability innovation consciousness and ability is becoming a new requirement for the experiment teaching system of reliability engineering in colleges and universities. Aiming at the problems in the experiment course of Thermal Design and Thermal Analysis in Electronic Systems， this paper puts forward the idea of undergraduate-postgraduate integrated multi-level experimental teaching in this research， and implements teaching reform measures such as optimizing the content of experimental tests， the four-in-one multi-level experimental teaching model， and improving the assessment method. The practice has shown that the implementation of the teaching reform can increase students' activity and initiative in terms of knowledge breadth， level and innovation， and greatly improve the teaching quality.

Key words： multi-level teaching model; undergraduate-graduate course integration; thermal design; thermal analysis