多平臺(tái)協(xié)同下“光電源散熱設(shè)計(jì)與分析”課程線上教學(xué)實(shí)施案例

鄒勇，丁守軍

(安徽工業(yè)大學(xué) 微電子與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，安徽馬鞍山 243000)

信息技術(shù)的飛速發(fā)展、人工智能與教育的深度融合使教學(xué)方式向多元化方向發(fā)展，線上教學(xué)發(fā)揮了極大的作用[1-2]。大規(guī)模在線教育的實(shí)施，為我們提供了大量基于實(shí)踐的探索教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的經(jīng)驗(yàn)。黨的二十大首次將“推進(jìn)教育數(shù)字化”寫(xiě)進(jìn)了黨代會(huì)報(bào)告，強(qiáng)調(diào)建設(shè)全民終身學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)型社會(huì)、學(xué)習(xí)型大國(guó)[3]。人才培養(yǎng)模式以及需求的變化，推動(dòng)教育實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為當(dāng)前教育改革發(fā)展的首要任務(wù)。教師如何轉(zhuǎn)變角色以適應(yīng)線上教育是擺在所有一線教師面前的迫切問(wèn)題。本文以“光電源散熱設(shè)計(jì)與分析”課程線上教學(xué)為例進(jìn)行探索，分享線上教學(xué)實(shí)施過(guò)程中的一些體會(huì)。

一、案例背景

“光電源散熱設(shè)計(jì)與分析”課程是光源與照明本科專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)課程，要求學(xué)生通過(guò)本課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，掌握光電產(chǎn)品不同的散熱方法和散熱途徑，對(duì)光源及其電源散熱的重要性與必要性有深入的認(rèn)識(shí)，具備的電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)領(lǐng)域的理論技能。

課程共32學(xué)時(shí)，其中課堂教學(xué)28學(xué)時(shí)（含仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)2學(xué)時(shí)），課內(nèi)實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)。主要內(nèi)容包含四大模塊：第一，光源（LED）與電源熱設(shè)計(jì)的基本原理與原則。熱設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是為產(chǎn)品制定熱設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)熱仿真、熱測(cè)試等方法預(yù)測(cè)和驗(yàn)證產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方案，以及優(yōu)化和改進(jìn)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，以保證產(chǎn)品長(zhǎng)期安全、可靠地運(yùn)行。熱設(shè)計(jì)的核心就是設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻系統(tǒng)，在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道，保證熱量順利傳遞出去。第二，傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論及常用散熱方法。本章是傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)，旨在揭示熱傳導(dǎo)、對(duì)流等傳熱過(guò)程的物理本質(zhì)、數(shù)學(xué)描述方法以及進(jìn)行試驗(yàn)研究的基本原則。著重掌握各種數(shù)學(xué)表達(dá)式所反映的物理意義，以能較好地理解傳熱過(guò)程的物理本質(zhì)。第三，散熱設(shè)計(jì)常用于模擬軟件的學(xué)習(xí)使用。數(shù)值計(jì)算是在最近三四十年里快速發(fā)展起來(lái)的傳熱方法。除了計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)外，還因?yàn)闊o(wú)論分析的方法或?qū)嶒?yàn)的方法都有較大的限制。仿真方法具有成本較低、開(kāi)發(fā)周期短、便捷、能模擬較復(fù)雜或較理想的過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)，在給定的參數(shù)下用計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行一次數(shù)值模擬相當(dāng)于進(jìn)行了一次數(shù)值實(shí)驗(yàn)。第四，不同功率器件光電源的熱分析及散熱設(shè)計(jì)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，能掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)的一些基本操作技能，具有獨(dú)立思考，獨(dú)立準(zhǔn)備和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐能力，增強(qiáng)分析與處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。

“光電源散熱設(shè)計(jì)與分析”課程已經(jīng)連續(xù)開(kāi)設(shè)了8屆，累計(jì)授課學(xué)生480余人。在創(chuàng)新競(jìng)賽方面，學(xué)生利用本課程專(zhuān)業(yè)知識(shí)積極參加各類(lèi)賽事，參與人次占總?cè)藬?shù)70%以上。學(xué)生在全國(guó)半導(dǎo)體光源系統(tǒng)創(chuàng)新競(jìng)賽、中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽（省賽和華東賽）、數(shù)學(xué)建模、物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽、節(jié)能減排項(xiàng)目、“挑戰(zhàn)杯”項(xiàng)目、“互聯(lián)網(wǎng)+”項(xiàng)目均斬獲獎(jiǎng)項(xiàng)。本專(zhuān)業(yè)學(xué)生基于課程內(nèi)容申請(qǐng)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目獲批國(guó)家級(jí)5項(xiàng)，省級(jí)3項(xiàng)，校級(jí)2項(xiàng)，學(xué)生以第一作者發(fā)表論文7篇，參與發(fā)表論文5篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利授權(quán)2項(xiàng)，相關(guān)研究成果多次在工程熱物理傳熱傳質(zhì)分會(huì)進(jìn)行口頭報(bào)告。我們通過(guò)多年的課程建設(shè)，課程榮獲安徽工業(yè)大學(xué)線上教學(xué)優(yōu)秀課堂，是安徽省雙基教學(xué)示范課程，線上課程視頻資料22時(shí)38分。

“光電源散熱設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)始終以專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，以立德樹(shù)人為根本，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”的優(yōu)勢(shì)，增加信息化資源，發(fā)揮線上教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，提升課程的高階性、突出課程的創(chuàng)新性、增加課程的挑戰(zhàn)度，從課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程設(shè)計(jì)及教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面著手，構(gòu)建多平臺(tái)協(xié)同的線上課程教學(xué)模式，夯實(shí)專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵建設(shè)，提升專(zhuān)業(yè)建設(shè)水平，切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。以下就“光電源散熱設(shè)計(jì)與分析”課程“能量方程”知識(shí)點(diǎn)的線上教學(xué)情況具體展開(kāi)。

二、案例設(shè)計(jì)思路

1.課前通知并在“學(xué)習(xí)通”發(fā)布簽到；

2.通過(guò)QQ群互動(dòng)提問(wèn)上節(jié)課知識(shí)點(diǎn)；

3.直播講授本節(jié)課知識(shí)點(diǎn)，選人答題；

4.結(jié)合知識(shí)點(diǎn)開(kāi)展課程思政：佩戴口罩自我防護(hù)的必要性；

5.創(chuàng)新教育：獲取科技文獻(xiàn)方法；

6.根據(jù)課前大家報(bào)名情況，通過(guò)騰訊會(huì)議進(jìn)行課程學(xué)習(xí)分享；

7.發(fā)布課后作業(yè)、拓展閱讀資料、上傳學(xué)習(xí)筆記。

三、教學(xué)目標(biāo)

（一）知識(shí)與能力目標(biāo)

首先，能量守恒方程是對(duì)流換熱過(guò)程中基本方程之一，通過(guò)對(duì)比分析前面學(xué)習(xí)的質(zhì)量守恒方程及動(dòng)量守恒方程，引導(dǎo)學(xué)生如何建立能量方程。能量方程和連續(xù)性方程及N-S方程組成完備的方程組。通過(guò)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的闡述，學(xué)生在光電源等功率器件設(shè)計(jì)研發(fā)中，加深對(duì)熱設(shè)計(jì)方面的理論與技能的理解，能對(duì)簡(jiǎn)單散熱系統(tǒng)進(jìn)行理論分析。

泥巴喜歡畫(huà)畫(huà)和幻想，這兩者相輔相成，消耗大量時(shí)間。她可以邊畫(huà)邊想，也可以邊想邊畫(huà)，可以根據(jù)自己的畫(huà)再幻想，也可以根據(jù)自己的幻想畫(huà)畫(huà)，這么著，一天就過(guò)去了。泥巴學(xué)了很長(zhǎng)時(shí)間的美術(shù)，以前在小學(xué)的時(shí)候和其他隊(duì)員一起畫(huà)畫(huà)，一天他們?nèi)ギ?huà)一匹馬，但純情的姑娘在這個(gè)時(shí)候就顯露出自己的與眾不同來(lái)，所有男男女女交的作業(yè)中，唯獨(dú)泥巴畫(huà)的馬是不帶雞巴的。泥巴說(shuō)，多難為情啊。

其次，通過(guò)分享設(shè)計(jì)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)散熱領(lǐng)域現(xiàn)狀調(diào)研與分析能力、問(wèn)題發(fā)現(xiàn)與解決能力、書(shū)面表達(dá)與口頭答辯能力。

（二）育人目標(biāo)

利用線上課堂，大家宅在家就能把“能量”聚集起來(lái)，用在學(xué)習(xí)上，培養(yǎng)學(xué)生做有知識(shí)、有技能、有思想、有擔(dān)當(dāng)?shù)男聲r(shí)代青年。

四、教學(xué)過(guò)程

采用QQ直播、騰訊會(huì)議進(jìn)行直播教學(xué)，同時(shí)利用超星泛雅教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建線上教學(xué)資源的混合式教學(xué)方式。

（一）課前準(zhǔn)備

通過(guò)“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)發(fā)布簽到活動(dòng)，發(fā)布與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的主題問(wèn)題討論，設(shè)置任務(wù)點(diǎn)，分享預(yù)習(xí)課程資源等。

（二）課堂教學(xué)

使用騰訊QQ群屏幕分享功能進(jìn)行直播。首先對(duì)上次課內(nèi)容進(jìn)行提問(wèn)，了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。對(duì)以前知識(shí)點(diǎn)的回顧之后，引入本次課所要學(xué)習(xí)的新的知識(shí)點(diǎn)。在直播講解PPT時(shí)，師生即時(shí)交流互動(dòng)[4]，發(fā)布課堂隨機(jī)提問(wèn)活動(dòng)。將較復(fù)雜的問(wèn)題拆分為一系列的知識(shí)點(diǎn)的組合，符合學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程。例如：對(duì)于能量方程，它是一個(gè)二階偏微分方程，乍一看，公式很長(zhǎng)，學(xué)生看到公式心里就會(huì)發(fā)怵。這就需要在教學(xué)過(guò)程中將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解。做法如下：從中學(xué)階段接觸的物體吸放熱公式Q=CMΔT出發(fā)，結(jié)合前面的知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)熱微分方程，運(yùn)用“大學(xué)物理”課程中學(xué)過(guò)的熱力學(xué)第一定律建立能量方程。在講解的過(guò)程當(dāng)中，教師調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，以搶答的形式引導(dǎo)學(xué)生給出推導(dǎo)過(guò)程中所用到的其他物理量，比如焓、內(nèi)能等，達(dá)到溫故而知新的目的。將這些知識(shí)點(diǎn)串起來(lái)，就完成了新的知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。這種教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的組合使用，也是一種創(chuàng)新。這樣的學(xué)習(xí)就屬于創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)。

通過(guò)前期線上授課情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生感覺(jué)信息量過(guò)多，學(xué)習(xí)有些吃力。針對(duì)這一情況，及時(shí)調(diào)整課程進(jìn)度，安排一次學(xué)習(xí)分享課。內(nèi)容涵蓋對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的總結(jié)、知識(shí)點(diǎn)的擴(kuò)充、散熱設(shè)計(jì)仿真心得等。通過(guò)分享，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，發(fā)現(xiàn)一些共同的特點(diǎn)，從而進(jìn)行換位思考，從學(xué)生的角度對(duì)本課程進(jìn)行分析，方便以后教學(xué)。教師應(yīng)在總結(jié)發(fā)言中對(duì)學(xué)生分享的閃光點(diǎn)給予肯定和表?yè)P(yáng)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解有偏差的地方給予鼓勵(lì)，略作補(bǔ)充說(shuō)明。

本次教學(xué)過(guò)程中還與學(xué)生分享了如何利用VPN在家查閱文獻(xiàn)的方法。突出了本課程的“設(shè)計(jì)”特色。并以?xún)?yōu)秀學(xué)長(zhǎng)為榜樣，鼓勵(lì)大家開(kāi)展相關(guān)創(chuàng)新活動(dòng)，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文[5-8]等。

（三）課后設(shè)置

五、教學(xué)效果與特色創(chuàng)新

1.各教學(xué)平臺(tái)協(xié)同工作，合理分配學(xué)時(shí)。課程共32（學(xué)時(shí)含課內(nèi)實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)，11次課，理論部分每次3學(xué)時(shí)。采用QQ直播、騰訊會(huì)議等平臺(tái)實(shí)時(shí)講解。每次課分配2學(xué)時(shí)用于新知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，1學(xué)時(shí)用于知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)及拓展，解決在熱設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的難點(diǎn)問(wèn)題。

2.理論與實(shí)踐相結(jié)合，每次課制作一個(gè)仿真專(zhuān)題視頻，同時(shí)借鑒其他優(yōu)秀視頻資源。課程預(yù)習(xí)資源包括知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容、其他優(yōu)秀的短視頻等通過(guò)“學(xué)習(xí)通”提前發(fā)放，兼有理論和實(shí)踐操作。每次課課后布置一項(xiàng)專(zhuān)題作業(yè)，目的是通過(guò)仿真設(shè)計(jì)鞏固加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用。配合專(zhuān)題作業(yè)，將仿真設(shè)計(jì)過(guò)程制作成教學(xué)視頻，方便學(xué)生反復(fù)觀看學(xué)習(xí)。

3.教師作為引導(dǎo)，突出學(xué)生主體作用。將傳統(tǒng)的習(xí)題課、復(fù)習(xí)課改為學(xué)習(xí)分享課。變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)思考學(xué)習(xí)。指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料，培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研能力，通過(guò)撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.通過(guò)線上線下開(kāi)展豐富多彩的教學(xué)活動(dòng)。例如，通過(guò)發(fā)布作業(yè)、討論、選人、測(cè)試、上傳學(xué)習(xí)筆記、答疑等方式鞏固所學(xué)知識(shí)。利用超星平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，及時(shí)了解學(xué)生在線學(xué)習(xí)進(jìn)度和自主學(xué)習(xí)完成度，對(duì)進(jìn)度緩慢的學(xué)生進(jìn)行督促輔導(dǎo)。

六、教學(xué)總結(jié)與反思

首先，教師要與時(shí)俱進(jìn)。掌握新的線上教育教學(xué)方法，并把它融入到以后的教學(xué)中去。整合各種教學(xué)平臺(tái)，使之協(xié)同作業(yè)，發(fā)揮其最大功效。重視教學(xué)研究，積極參與教學(xué)改革，不斷提高學(xué)術(shù)水平和業(yè)務(wù)水平。

其次，教師要保持一顆年輕的心，積極接受再教育，系統(tǒng)學(xué)習(xí)新形勢(shì)下的教育理念，消化吸收新思想、新技能，順應(yīng)新時(shí)代的教育教學(xué)潮流。作為擴(kuò)展資料，本次課程中向大家推送了芬蘭研究機(jī)構(gòu)模擬的飛沫運(yùn)動(dòng)軌跡，將課程知識(shí)運(yùn)用與前期新冠疫情防護(hù)結(jié)合起來(lái)。從推送的視頻資料可知，人體打噴嚏飛出的飛沫速度可以高達(dá)160Km/h，這個(gè)速度相當(dāng)于14級(jí)臺(tái)風(fēng)過(guò)境。以具體的數(shù)字信息來(lái)說(shuō)明科學(xué)道理，引起人們對(duì)疫情的重視，為大家普及了出門(mén)一定要戴口罩的觀念。同時(shí)，還可以引導(dǎo)學(xué)生自己建立模型，類(lèi)比熱量的擴(kuò)散，仿真病毒或氣溶膠的擴(kuò)散過(guò)程。了解到病毒的傳播途徑之后，同學(xué)們就會(huì)積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，自覺(jué)宅在家里，不給社會(huì)添亂。

再次，教師要調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。除了課堂互動(dòng)外，學(xué)習(xí)分享環(huán)節(jié)也比較成功。全班55位學(xué)生，有10余人報(bào)名參加分享，學(xué)生參與度較高，根據(jù)課程進(jìn)行情況，后續(xù)還會(huì)安排類(lèi)似的課堂活動(dòng)。課后要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)內(nèi)容上傳學(xué)習(xí)筆記，通過(guò)查閱文獻(xiàn)完成仿真報(bào)告，既有理論又有實(shí)踐，打破了傳統(tǒng)課堂的時(shí)空界限。重視教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生的主體性，重視學(xué)生對(duì)教學(xué)的參與，根據(jù)教學(xué)的需要合理設(shè)計(jì)“教”與“學(xué)”的活動(dòng)。強(qiáng)化現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，解決好“教”與“學(xué)”模式創(chuàng)新的問(wèn)題，杜絕信息技術(shù)應(yīng)用的簡(jiǎn)單化、形式化。

最后，教師要整理分析學(xué)情數(shù)據(jù)，總結(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)及反思。以超星“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)的教學(xué)督導(dǎo)及管理體系為基礎(chǔ)，及時(shí)關(guān)注學(xué)生完成任務(wù)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，把握任務(wù)點(diǎn)設(shè)置的難易程度及學(xué)生的完成度，再根據(jù)學(xué)生的反饋情況，調(diào)整授課方案。教師在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，不斷完善過(guò)程性考核與結(jié)果性考核有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維能力。對(duì)于直播視頻，不但要求學(xué)生觀看回放，自己也要回看，發(fā)掘在課程教學(xué)方面還可以進(jìn)行改進(jìn)的地方，使以后的授課更加深入、生動(dòng)，把教學(xué)工作做得更好。對(duì)課程教學(xué)總結(jié)和反思，不斷加強(qiáng)課程體系的整體設(shè)計(jì)，進(jìn)一步促進(jìn)知識(shí)、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合，提升課程的高階性，由此達(dá)到一個(gè)良性的循環(huán)，使“兩性一度”在教學(xué)實(shí)踐中構(gòu)成閉環(huán)。