科研成果轉化為本科教學內容的探索與實踐

摘" 要：該文分析電子設備熱管理專業現有教學模式存在的問題，提出科研成果教學資源化的改革方法，構建教學與科研成果、科創活動緊密結合的創新人才培養新模式，解決現有教學過程中以考試為導向培養學生應試能力而不注重創新能力的問題。通過跨界課程體系重構、項目成果進課堂教學思路，以及科創競賽貫通式實踐思路，幫學生健全完備的跨界知識圖譜，增強課程的實踐性，克服傳統教學中專業單一化嚴重、學科交叉不足、跨界知識壁壘高和實踐性不強等難題。

關鍵詞：電子設備熱管理;人才培養;科研成果;科創比賽;教學改革

中圖分類號：G643" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）04-0115-06

Abstract： By the analysis of the current teaching mode in the electronics thermal management major， we propose a reformation method for integrating scientific achievements into the teaching contents. Building a new model for cultivating innovative talents that closely integrates teaching， scientific research achievements， and scientific and technological innovation activities. It can avoid the issue of the current teaching process that the exam-oriented training was over-emphasized， cultivating the innovative abilities of undergraduates. Through the reconstruction of interdisciplinary curriculum systems， the project achievements were integrated into classroom teaching， and scientific competitions in whole teaching activities， promoting the undergraduate to establish the comprehensive interdisciplinary knowledge framework， enhance the practicality of the curriculum， and overcome challenges commonly found in traditional teaching methods， such as a heavy emphasis on specialized knowledge， insufficient cross-disciplinary， high barriers to interdisciplinary knowledge， and limited practicality.

Keywords： electronics thermal management; talent cultivation; scientific achievement; scientific competitions; innovative teaching

近年來，隨著電子設備產業的蓬勃發展，國內高校正在積極推動電子器件與設備熱管理專業的建設。然而，我國目前尚未獨立設立電子熱管理學科，也未有系統的發展規劃。因此，電子器件與設備熱管理方面的研究工作主要依托于工程熱物理學科。這種情況不僅限制了電子器件與設備熱管理理論與方法的進一步發展，也導致相關人才培養跟不上產業需求的步伐。以芯片級散熱為例，掌握傳熱學知識已遠遠不夠，還需要了解電子器件封裝技術和材料等微電子學科知識。然而，在當前的學科規劃體系中，這兩個學科屬于不同的大類學科，交叉機會相對較少，這對于熱管理領域人才的培養非常不利。由于電子器件與設備熱管理在集成電路產業中的重要性日益提升，熱管理已從電子器件設計的末端上升到電子器件設計的始端[1]，散熱問題在產品設計的早期階段就應該協同考慮，甚至優先考慮，這對掌握電路設計和熱設計知識的復合型人才培養提出了新的要求。

2016年，工業和信息化部批準，依托南京理工大學建設國內首個“電子設備熱控制工業和信息化部重點實驗室”。經過多年的發展，實驗室已組建成以中國科學院院士領銜的國內一流教學研究團隊。在電子設備熱管理領域，培養了一大批在華為、中興、航天院所等高層次研究機構擔任要職的行業專家，為我國電子設備熱管理領域的人才培養做出了貢獻。

盡管自2003年起南京理工大學就在研究生培養中開展了科研項目驅動的電子設備熱管理教學模式，并初見成效，但面向電子行業技術的快速發展和需求，電子設備熱管理人才缺口仍然較為嚴重。因此，亟須在本科專業中設立專門的電子器件冷卻或設備熱管理的專業，開設一批具有前沿性、專業性和針對性的課程，加強相關課程建設和實驗室條件建設，擴大人才培養規模，提高人才隊伍質量。

目前，我國高校電子設備熱管理學科課程設置仍然不甚合理。課程基礎性較好，但前沿課程相對缺乏，大多數高校未能緊跟當今的研究前沿。相應的課程體系建設主要集中于傳統的熱能動力學科，內容多年不變，對新興學科的關注度不足，課程設置未能隨技術和行業的發展與時俱進。其次，目前課程的實踐性不足，實驗環節與科研項目脫節，學生實踐能力薄弱。原有涉及電子器件與設備熱管理相關的課程內容零散化、片段化和碎片化，難以為學生構建起完整系統的知識圖譜。課程設置單一化，培養的學生對跨界知識了解不深。因此，需設立跨學科的電子設備熱管理專業方向課程，整合已有資源，加強該方向人才培養的實驗教學手段建設，探索適合我國國情的電子設備熱管理人才培養新模式，為電子行業輸送高素質的電子設備熱管理專門人才，滿足我國電子技術發展的迫切需求。

一" 科研成果教學資源化的創新模式

（一）" 電子設備熱管理課程體系重構，構建科研成果進課程新模式

南京理工大學是國內在本科專業中率先設立專門的電子器件冷卻和電子設備熱管理專業的高校。針對電子設備熱管理的多學科交叉屬性，南京理工大學在課程設置方面不僅保留原有能源動力專業的傳熱學、流體力學、熱工測試技術等主修課程，而且還引入電子類專業、制造類專業、材料類專業的課程，以打破原有各專業的知識壁壘，建成學生完善的知識圖譜。圖1給出了本科電子設備熱管理方向的跨界課程結構設置思路。除保留原能源動力類專業的主干課程外，基本涵蓋了熱科學、材料學、電子學和先進制造等電子設備熱管理領域所必須的跨界課程，并把科研成果融入其中，作為課程建設的主干線，可解決原有課程體系固化嚴重，學科交叉不足的問題。

（二）" 科研成果多維度進課堂，克服傳統案例式科教融匯的單一化局限

僅僅考慮科研成果進課程，對于本科生能力的培養仍然不足。負面的結果就是學生難消化、學習的積極性下降，進而導致對專業的否定，嚴重者將轉專業乃至退學。因此，教師團隊需要將科研成果進行拆解，形成從易到難的進階式教學案例，調動課堂氣氛、增強師生互動。甚至采用翻轉課堂的教學模式，讓學生通過課堂匯報的方式加強對某個拆解的科研成果內容的理解[2-3]。

圖2給出了本科電子設備熱管理方向課的項目成果多維度進課堂的教學改革方案。從圖中看出，課堂任務的設置，從簡單到復雜，貫穿了大學四年的課堂。通過在新生研討課中開設從能源動力走近創新創業等系列課程，培養學生對專業的認知能力，激發學生的積極性和熱情。在課程開設過程中，通過邀請領域內杰出人才，為本科生講授電子設備熱管理相關的前沿知識、發展歷程及未來可能的發展方向，幫助學生快速明確自身的學習方向和專業要求。在大二學期，結合教師團隊的科研自制儀器與學生所學專業知識，開展“自制儀器大家談”等活動，激發學生動腦構思、動手設計的熱情，鼓勵學生以批判性、跨學科式的思維方式反思現有成果，提出自制儀器的不足與改進的方案，培養學生的科研創新意識和能力。同時，學生也可以將所學的工程制圖一類課程的內容與自制儀器的設計相結合，培養學生對課堂內容應用的實戰能力，也為后續開設的能源計算機輔助設計課程夯實基礎。在大三學期，結合教師團隊的科研項目拆解內容，開展實踐性、專業性的科創活動，將專業知識融入到項目內容，將項目成果融入到學生實踐教學，形成相互促進、相互補位的綜合性人才培養模式，發揮科研成果反哺教學的作用。學生此時的角色已從先前的構思者轉變成項目內容的設計者和實現員。項目內容執行過程中，通過對知識點不斷復刻，加深對所學內容的理解，改變傳統教學中存在的“考完忘完”現象。學生通過自己所掌握的知識內容和在教師的幫助下，完成項目研究內容，增強解決工程問題的信心。在高年級（大三下、大四上）學生中開設科研訓練、科創競賽及“芯涼”工程等系列科創活動，提升學生對專業知識的綜合運用能力。特別是，針對當前芯片等“卡脖子”問題，創建“芯涼”工程科創課程，邀請知名專家開展芯片散熱主題講座，講授電子設備熱管理領域的重大成就、重要人物事跡、前沿知識內容，增強學生愛國情懷，增強歷史認同、鑄牢中國自信，最終具備熱愛國家、服務社會的奉獻精神[4]。此外，以比賽為導向，選拔優秀學生參加芯片散熱主題相關的科創項目，讓學生意識到芯片散熱是高性能芯片開發的“卡脖子”技術，要明確己任，樹立偉大志向，在專業領域有所貢獻，實現科技報國。總之，通過項目式多維度課堂教學內容改革，打破跨科知識內容的壁壘，使學生形成健全的電子設備熱管理知識圖譜，為行業培養綜合能力優異的高水平人才。

（三）" 科研成果多元化進實踐，建立科創競賽為導向的人才培養新模式

創新能力是國家與社會進步的核心競爭力，對國家與民族的繁榮發展至關重要。為了培養具備創新能力的高校學生，我們需要注重學生創新思維的培養和實踐動手能力的鍛煉，鼓勵學生跨學科合作，并將其付諸實踐。通過科技競賽，可實現以比賽促進學習、教學、改革和建設，全面提升工程人才培養質量，形成雄厚的創新型人才儲備和培養能力[5-6]。

以電子設備熱管理實踐教學為例，我們提出了基于項目成果的科創賽事貫通式實踐教學思路，如圖3所示，主要分為兩個階段。第一階段，從大二下學期開始到大三上學期結束，整整持續1年。主要內容包括科研成果知識點拆解、賽事了解、賽事觀摩、興趣驅動、分組選題、實踐思政與知識點解析等環節。第二階段，從大三下學期開始到大四上學期結束，也是持續1年，兩個階段合計2年。第二階段根據前一階段的分組情況，在芯片熱設計、微通道冷卻、熱管技術等范圍內確定選題，然后啟動“芯涼工程”。第二階段為備賽的實踐階段，會根據選題的動手能力、設計能力、作品創新性、節能效率和散熱性能等進行課程考核，并為參賽選拔優秀者進行路演。路演過程中，邀請相關賽事的過往評審專家進行點評，根據專家點評結果對作品反復打磨，力爭最終獲獎。總之，通過科創賽事導向性教學模式，學生能夠不斷提升自己的技術水平和創新能力，為未來的工作和競爭奠定堅實基礎。

二" 科研成果教學資源化的創新方案設計

（一）" 電子設備熱管理科研成果進課堂教學

就科研成果進課堂而言，將以先進電子熱管理材料課程為例闡述教學實施方案。如圖4所示，首先結合任課教師所在教學研究團隊的導師組成，根據課程內容分階段、分內容設置合理的指導策略，構建導師指導方向的主題框架。學生根據課堂上講授的知識點，圍繞導熱材料、隔熱材料、熱控涂層材料等議題自發形成興趣小組，組建教學研究團隊，各教師根據各自的研究優勢與科研項目的特色，擔任小組導師，以項目驅動為牽引，在課堂上融合項目研究前沿知識，結合具體案例和方法講授抽象的理論知識及其具體應用案例[2]。比如，在課堂側，教師選取科研項目中的典型案例，引發學生的科研興趣。比如，根據任課教師發表的學術論文《高溫還原氧化石墨烯膜及導熱性能》，引出制造工藝對石墨烯擴熱層熱導率的影響以及材料的導熱機理，進一步引出發現石墨烯材料及其諾貝爾獎得主安德烈·海姆的科研故事，啟發學生要善于利用身邊工具。比如，膠帶不只是用于粘擦錯題，還有助于獲得諾貝爾獎。為此，我們借助透明膠帶和高分辨顯微技術，特意設置了制備石墨烯的“撕呀撕”沉浸式體驗課，激發學生探索前沿知識的欲望。

總之，項目驅動式教學方法有助于學生實現多學科知識拓展與綜合能力提升，在注重學生多學科基礎知識的儲備和梳理的基礎上，突破傳統知識建制的框架和思維模式，系統提升學生多學科交叉的知識體系，促進對電子設備熱管理學科前沿知識拓展。同時，對于教師而言，注重科研與教學相長，將相關學科交叉的科研工作成果與教學實踐相結合，使科研成果有效轉化為教學資源，課堂引進科學前沿問題和新技術，促進學生思考。

（二）" 電子設備熱管理科研成果進實踐教學

就電子設備熱管理方向而言，課程涉及的研究領域多、專業知識原理復雜、研究方向廣等問題，導致教學內容晦澀，學生理解困難。如何改革教學模式、豐富教學內容、改變教學方法、提高教學技能及構建新型課程成績評價體系，切實有效調動教師的教學熱情及學生的學習積極性，培養學生的創新意識，提高學生的各項能力，并且通過實驗和實踐教學，提高學生實際動手能力和鍛煉學生解決實際工程問題的能力，一直以來都是電子設備熱管理教學團隊重點關注和研究的問題。為了推進教育教學改革進程，各高校紛紛以各部委主導的諸如“互聯網+”“挑戰杯”“節能減排”等大學生科創賽事為推手，因地制宜，主動服務國家戰略和地區發展，積極開展教育教學探索與改革，從而培養學生的創新思維、創新意識和創業能力[7-10]。因此，將大學生科創大賽引入電子設備熱管理方向課，有助于克服傳統教學模式單一、教學內容陳舊、實踐教學平臺同質化和創新能力缺乏等問題。

基于以上思路，我們依托電子設備熱控制工信部重點實驗室的教師團隊與科研成果資源，擴展更新電子設備熱管理本科實驗教學內容，將特色研究成果設計或移植轉化為實驗教學內容，強調基本原理在前沿科研中的應用，以及與實驗教學內容的關鍵知識點進行整合，保證基礎性的同時兼具高階性、實踐性、綜合性及創新性，促進科研與教學之間的良性互動，提高教學資源質量。為此，我們從實驗室教師承擔的各類科研項目成果中，選取部分將其轉化為電子設備熱管理方向的實驗教學內容。比如，將接觸熱阻、輻射冷卻性能、微納米材料導熱性能和沸騰傳熱性能等自制儀器改造為本科實驗教學項目，構建具有前沿性、進階性、實操性的實驗教學模式，以實現對學生實踐能力、創新意識與科研素養的塑造與養成。

以電子輻射冷卻涂層發射率實驗項目為例，我們將團隊教師承擔國家自然科學基金項目“熱致變色智能薄膜輻射特性及其控制方法研究”的研究成果和本科生航天器熱管理方法課程中輻射傳熱原理，分解知識點，改造發射率測試平臺，并結合相應的內容編寫實驗教學大綱與實驗指導書、成績評定方案，以及學生實驗報告撰寫模板等，建設形成適合本科生的電子輻射冷卻涂層發射率實驗項目。見表1，內容覆蓋的多學科知識點，包括發射率系統工作原理、真空泵原理、數據處理方法等。通過模擬實際科研過程，構建學生受益的知識圖譜。同時，在實驗過程中滲透了思政元素，努力提高學生的科學素養。

科創競賽為導向的科研成果教學資源化實施方案如圖5所示，以“芯涼工程”進階課程系列之5G基站輻射冷卻裝置為例，項目最初來源于某基礎計劃重點項目，將其拆解，得到與傳熱學中“黑體輻射基本定律”相對應的知識點。隨著項目的推進，學生從熱科學中傳熱學課程拓展到材料學科的能源材料、電子學科的工業電子學等跨界知識。學生在實踐過程中，既能與教材的理論知識相結合，又達到理論聯系實際的目的，同時也培養了學生的創新能力。整個課程續持續近2年，通過分階段實施，后續階段依賴前續階段成果，各階段綜合應用相應階段課程知識點，逐步進階，最終完成跨學科特性的輻射冷卻裝置。

（三）" 人才培養的成效分析

鑒于本科畢業設計（論文）是對本科生理論與實踐的結合能力、創新能力的考驗，也是最能體現所提創新模式成效的檢驗方法。我們通過2018—2022年的電子設備熱管理方向畢業設計（論文）的成績統計，可以發現，獲得優秀等級的人數呈現上升趨勢，從2018年的14人上升到2021年的28人，如圖6所示。受疫情影響，2022年優秀人數有所下降。從某種程度上來說，本文所提創新模式經過初步探索與逐步完善，已經取得了一定的成效。

從科創比賽成績來看，電子設備熱管理方向獲獎學生從2020前的每年零星2項增長到2022年后的每年9項，其中本科生獲獎人數達到了70人次。特別值得一提的是，2021年斬獲了江蘇省節能減排大賽特等獎（省最高獎）1項，2022年斬獲了全國節能減排大賽特等獎（賽事最高獎）1項，使南京理工大學在該項賽事上實現了零的突破。如圖7所示，為電子設備熱管理方向學生以“通信基站機房之無能耗的冬暖夏涼型輻射器”為題參加2021年江蘇能節能減排大賽，獲得特等獎的作品。圖8為電子設備熱管理方向學生以“面向戶外5G基站的被動式輻射冷卻裝置”為題參加2022年全國能節能減排大賽，獲得特等獎的作品。

三" 結束語

可以預料，隨著科研成果教學資源化模式的實施，未來教學效果將更加顯著。這將促使更多、更突出的科技競賽和科研成果的產出。通過科研成果教學資源化模式，學生將更好地發揮自己的創新能力，不斷提高科技競賽中的表現和科研成果的質量。這將有助于培養更多具備創新思維和實踐能力的優秀人才，并為學校、社會和國家的發展做出更大的貢獻。科研成果教學資源化模式的成功經驗也可以在其他高校進行借鑒與推廣。通過不斷改進和完善，結合不同學科和專業的特點，將這一模式應用于更多的領域，進一步激發學生的學習興趣和創新潛力。同時，加強軟硬件設施建設，提供更好的教學資源和實踐平臺，為學生參與科技競賽和開展科研提供更好的支持和保障。總之，科研成果教學資源化模式在科技競賽和科研成果方面都取得了顯著成效，并且隨著軟硬件設施、教學體系和學生的進一步發展，教學效果將進一步提升。這對于培養具備創新思維和實踐能力的優秀人才非常重要，并將為學校和國家的創新發展做出更大的貢獻。

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基金項目：江蘇省人力資源和社會保障廳“六大人才高峰高層次人才選拔培養計劃”（XNY-031）;南京理工大學教學改革與建設工程項目“‘科研實驗轉化為綜合性、設計性教學實驗’揭榜掛帥項目”（教務[2023]25號）

第一作者簡介：范德松（1982-），男，漢族，云南昭通人，博士，教授。研究方向為能源類專業實踐教學。