電子系統(tǒng)熱設(shè)計熱分析實驗教學(xué)改革思路與探索

王香芬 萬博 陳政平 鹿靖

摘要：隨著國防科技國產(chǎn)化快速推進，培養(yǎng)學(xué)生可靠性創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力，是高校可靠性工程實驗教學(xué)體系面臨的新要求。文章針對電子系統(tǒng)熱設(shè)計熱分析實驗教學(xué)存在的問題，提出本研一體化多層次實驗教學(xué)思路，實施優(yōu)化教學(xué)試驗內(nèi)容、四位一體的多層次實驗教學(xué)模式、完善考核方式等教學(xué)改革措施。實踐表明：實施本研一體化多層次實驗教學(xué)在知識廣度、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;熱分析

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：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。在我國電子產(chǎn)品國產(chǎn)化和自主可控對可靠性復(fù)合型人才的迫切需求背景下，加強培養(yǎng)學(xué)生可靠性實踐與創(chuàng)新能力，是高校的可靠性工程實踐教學(xué)面臨的新要求。

電子系統(tǒng)熱設(shè)計熱分析實驗是一門與可靠性工程關(guān)系密切、實踐性較強的基礎(chǔ)實驗課程。其在可靠性專業(yè)課程中占有重要的地位，是培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識解決電子設(shè)備熱問題的能力、動手操作能力及電子產(chǎn)品可靠性實踐創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。

隨著高校改革和優(yōu)勢學(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，本研兩個階段的實驗教學(xué)內(nèi)容雖然能滿足教學(xué)任務(wù)，但沒有很好地實現(xiàn)統(tǒng)籌設(shè)計和優(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)計熱分析實驗教學(xué)手段、實驗內(nèi)容不適應(yīng)現(xiàn)代可靠性的發(fā)展需求，暴露出一些問題，亟待改革。

一、熱設(shè)計熱分析實驗教學(xué)問題分析

（一）教學(xué)內(nèi)容相對陳舊

目前該實驗包括電子系統(tǒng)性能測試、可靠性熱設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計、熱仿真分析、熱性能測量等內(nèi)容。采用軟件進行熱優(yōu)化設(shè)計及熱仿真分析，采用實驗硬件平臺進行電子系統(tǒng)性能及熱測量。實驗對象仍然是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向，由于本科與研究生階段教學(xué)內(nèi)容沒有進行優(yōu)化，實驗內(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

實驗教學(xué)采用“學(xué)生實驗預(yù)習(xí)+實驗前教師集中講解+分小組試驗操作+撰寫實驗報告”方式。這種傳統(tǒng)教學(xué)模式相對單一，學(xué)生按部就班完成實驗，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)生對實驗課程的主觀能動性，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)以及課后實驗報告等環(huán)節(jié)也不容易落到實處。

（三）考核方式不合理

現(xiàn)有的實驗考核成績由預(yù)習(xí)報告、實驗操作、實驗報告綜合得出，各占比三分之一。由于實驗操作過程以小組方式進行，每組學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)相同，學(xué)生課后所提交的實驗報告相似率極高，存在抄襲現(xiàn)象，導(dǎo)致教學(xué)考核效果差，達不到實驗教學(xué)的目的。

二、實驗本研一體化多層次教學(xué)改革探索

電子系統(tǒng)熱設(shè)計熱分析實驗屬于專業(yè)基礎(chǔ)性實驗，必須以學(xué)生為中心，加強學(xué)生獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)，設(shè)計循序漸進的教學(xué)內(nèi)容以及多層次的教學(xué)模式，讓學(xué)生主動投入到實驗教學(xué)中去，實現(xiàn)本科階段實驗項目和研究生階段實驗項目的進階性和銜接性。將本研一體化循序漸進的教學(xué)同本科生與研究生實踐能力的培養(yǎng)結(jié)合起來，實現(xiàn)實驗教學(xué)在不同階段的培養(yǎng)目標。

（一）優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容

將實驗項目設(shè)置為基礎(chǔ)、拓展和延伸創(chuàng)新三個層次，其中，基礎(chǔ)、拓展層次實驗突出對學(xué)生工程能力的培養(yǎng);創(chuàng)新層次實驗具有一定的探究性，以解決實際問題為出發(fā)點，突出對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，三個層次整合打通本研兩個階段。

實驗教學(xué)原有的熱設(shè)計實驗?zāi)K包括：（1）初選散熱器，電源系統(tǒng)電路設(shè)計及性能測試、降額設(shè)計;（2）優(yōu)化散熱器，電源系統(tǒng)電路設(shè)計及性能測試、降額設(shè)計;（3）采用Qfin軟件對散熱器進行熱設(shè)計熱分析、散熱器優(yōu)化設(shè)計以及評估;熱分析模塊包括：（1）電子產(chǎn)品熱設(shè)計及性能測試;（2）獲取熱源功耗，建立熱仿真模型，進行熱分析;（3）電子產(chǎn)品熱測量及熱分析誤差來源分析。

在原有實驗內(nèi)容基礎(chǔ)上，在電子系統(tǒng)熱設(shè)計實驗?zāi)K中增加散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計及熱分析拓展內(nèi)容，優(yōu)化電子系統(tǒng)熱分析實驗?zāi)K。此外，結(jié)合電子產(chǎn)品熱設(shè)計發(fā)展，針對電子產(chǎn)品使用環(huán)境，對電源系統(tǒng)熱設(shè)計實驗新增熱環(huán)境下的電子材料力學(xué)性能測試等延伸內(nèi)容，如圖1所示，新增電子系統(tǒng)熱分析實驗?zāi)K中信號對熱的影響分析實驗內(nèi)容，如圖2所示，進一步分析熱參數(shù)計算過程中電源波動、信號變化的影響，觀察信號在熱過程中的變化。

在本科階段，為加強學(xué)生的創(chuàng)新意識，以小組合作形式完成原有實驗?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)計熱分析基本原理，熟練掌握熱設(shè)計熱分析流程和熱評估手段，訓(xùn)練學(xué)生綜合運用專業(yè)基礎(chǔ)實驗技能的能力。研究生階段注重對學(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驗，以便在研究生階段免修該實驗，為本研一體化培養(yǎng)提供制度性保障。這樣從內(nèi)容上細化了本研一體教學(xué)內(nèi)容，提出了不同層次的實驗?zāi)繕恕?/p>

（二）四位一體多層次實驗教學(xué)模式

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

1.以微課促進有效預(yù)習(xí)。根據(jù)實驗內(nèi)容，在集中授課之前將實驗相關(guān)專題及儀器操作等微課通過網(wǎng)絡(luò)提供給學(xué)生，學(xué)生利用微課自主完成新知識的學(xué)習(xí)，并完成實驗預(yù)習(xí)報告。這樣在集中教學(xué)時可減少一些內(nèi)容講解，集中精力解決學(xué)生預(yù)習(xí)中的問題。

2.基于啟發(fā)式的集中教學(xué)。根據(jù)實驗預(yù)習(xí)有針對性地集中講解，對熱相關(guān)知識、環(huán)境溫度對產(chǎn)品可靠性的影響、實驗中的硬件和軟件平臺等實驗中可能遇到技術(shù)要點問題進行啟發(fā)和討論，使學(xué)生熟悉該門實驗應(yīng)完成的核心內(nèi)容。

3.團隊合作完成專業(yè)實驗。指導(dǎo)學(xué)生利用實驗硬件平臺及熱設(shè)計熱分析軟件，以團隊合作方式進行實驗，使學(xué)生掌握評估熱設(shè)計的手段，學(xué)會利用現(xiàn)代化熱分析軟件及熱測量手段，理解改進電子設(shè)備熱設(shè)計的方法，具備使用實驗工具分析問題和解決問題的能力。

4.探究性自主實驗。增設(shè)探究性自主實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生依據(jù)熱設(shè)計、熱分析所學(xué)內(nèi)容，針對工程實際需求和問題，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)境及信號波動對熱的影響，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)實驗報告，檢查其對實驗的理解程度，給出分值;其次，加強實驗過程中對每組同學(xué)的監(jiān)督，盡量掌握每個學(xué)生的實踐動手情況，及時記錄操作成績;再次，根據(jù)實驗報告書寫及完成情況進行計分;最后，對于探究性自主實驗，實驗完成后安排參加的學(xué)生答辯，答辯成績計入實驗總成績。

細化實驗成績評定比例，改革后的實驗成績包括實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告及實驗答辯（針對選做探究性自主實驗的同學(xué)）等幾個方面進行評定。實驗操作（實驗答辯）所占比重為50%左右。預(yù)習(xí)報告和實驗報告占比約50%，杜絕個別同學(xué)不認真做實驗，抄襲作業(yè)，卻還能獲得高分的可能，同時鼓勵同學(xué)在實驗環(huán)節(jié)發(fā)揮自己的能動性和創(chuàng)新性。

三、教學(xué)改革初步成效

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

四、結(jié)語

通過教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及考核方式三個方面的教學(xué)改革探索，學(xué)生對電子系統(tǒng)熱設(shè)計、熱分析和熱評估流程有了一個更加清晰的認識，提高了學(xué)習(xí)的積極性和主動性，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