電子系統熱設計熱分析實驗教學改革思路與探索

王香芬 萬博 陳政平 鹿靖

摘要：隨著國防科技國產化快速推進，培養學生可靠性創新意識與創新能力，是高校可靠性工程實驗教學體系面臨的新要求。文章針對電子系統熱設計熱分析實驗教學存在的問題，提出本研一體化多層次實驗教學思路，實施優化教學試驗內容、四位一體的多層次實驗教學模式、完善考核方式等教學改革措施。實踐表明：實施本研一體化多層次實驗教學在知識廣度、層次性及創新性等方面提高學生學習的積極性和主動性，在教學質量上有較大提高。

關鍵詞：多層次教學;本研一體化;熱設計;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

電子系統可靠性是影響武器裝備作戰能力的重要因素，熱是影響電子系統可靠性的關鍵因素之一。在我國電子產品國產化和自主可控對可靠性復合型人才的迫切需求背景下，加強培養學生可靠性實踐與創新能力，是高校的可靠性工程實踐教學面臨的新要求。

電子系統熱設計熱分析實驗是一門與可靠性工程關系密切、實踐性較強的基礎實驗課程。其在可靠性專業課程中占有重要的地位，是培養學生運用理論知識解決電子設備熱問題的能力、動手操作能力及電子產品可靠性實踐創新能力的重要環節。

隨著高校改革和優勢學科建設，可靠性專業本科畢業生的平均升學率（讀研的比例）較高，本研兩個階段的實驗教學內容雖然能滿足教學任務，但沒有很好地實現統籌設計和優化。此外，隨著新技術、新材料等技術發展，原有的熱設計熱分析實驗教學手段、實驗內容不適應現代可靠性的發展需求，暴露出一些問題，亟待改革。

一、熱設計熱分析實驗教學問題分析

（一）教學內容相對陳舊

目前該實驗包括電子系統性能測試、可靠性熱設計及優化設計、熱仿真分析、熱性能測量等內容。采用軟件進行熱優化設計及熱仿真分析，采用實驗硬件平臺進行電子系統性能及熱測量。實驗對象仍然是10年前電子產品，不能緊跟近年工程中環境復雜多樣帶來的變化。另外，本研一體化培養是當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內容沒有進行優化，實驗內容有部分重復，不利于學生本研一體化及創新能力的培養。

（二）教學模式傳統單一

實驗教學采用“學生實驗預習+實驗前教師集中講解+分小組試驗操作+撰寫實驗報告”方式。這種傳統教學模式相對單一，學生按部就班完成實驗，容易導致學生思維狹窄僵化，在很大程度上抑制了學生對實驗課程的主觀能動性，不利于學科交叉與跨學科復合型創新人才的培養。此外，提前預習以及課后實驗報告等環節也不容易落到實處。

（三）考核方式不合理

現有的實驗考核成績由預習報告、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，每組學生的實驗數據相同，學生課后所提交的實驗報告相似率極高，存在抄襲現象，導致教學考核效果差，達不到實驗教學的目的。

二、實驗本研一體化多層次教學改革探索

電子系統熱設計熱分析實驗屬于專業基礎性實驗，必須以學生為中心，加強學生獨立發現問題、分析問題和解決問題能力的培養，設計循序漸進的教學內容以及多層次的教學模式，讓學生主動投入到實驗教學中去，實現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同本科生與研究生實踐能力的培養結合起來，實現實驗教學在不同階段的培養目標。

（一）優化實驗教學內容

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

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

在原有實驗內容基礎上，在電子系統熱設計實驗模塊中增加散熱器結構設計及熱分析拓展內容，優化電子系統熱分析實驗模塊。此外，結合電子產品熱設計發展，針對電子產品使用環境，對電源系統熱設計實驗新增熱環境下的電子材料力學性能測試等延伸內容，如圖1所示，新增電子系統熱分析實驗模塊中信號對熱的影響分析實驗內容，如圖2所示，進一步分析熱參數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，為加強學生的創新意識，以小組合作形式完成原有實驗模塊內容及拓展內容，使學生理解電子系統熱設計熱分析基本原理，熟練掌握熱設計熱分析流程和熱評估手段，訓練學生綜合運用專業基礎實驗技能的能力。研究生階段注重對學生創新能力的培養，學生根據學業規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，為本研一體化培養提供制度性保障。這樣從內容上細化了本研一體教學內容，提出了不同層次的實驗目標。

（二）四位一體多層次實驗教學模式

提出“微課預習+ 集中教學+ 專業實驗+自主探究實驗”四位一體實驗教學模式，提高實驗實踐教學效果。

1.以微課促進有效預習。根據實驗內容，在集中授課之前將實驗相關專題及儀器操作等微課通過網絡提供給學生，學生利用微課自主完成新知識的學習，并完成實驗預習報告。這樣在集中教學時可減少一些內容講解，集中精力解決學生預習中的問題。

2.基于啟發式的集中教學。根據實驗預習有針對性地集中講解，對熱相關知識、環境溫度對產品可靠性的影響、實驗中的硬件和軟件平臺等實驗中可能遇到技術要點問題進行啟發和討論，使學生熟悉該門實驗應完成的核心內容。

3.團隊合作完成專業實驗。指導學生利用實驗硬件平臺及熱設計熱分析軟件，以團隊合作方式進行實驗，使學生掌握評估熱設計的手段，學會利用現代化熱分析軟件及熱測量手段，理解改進電子設備熱設計的方法，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。增設探究性自主實驗環節，學生依據熱設計、熱分析所學內容，針對工程實際需求和問題，自主搜集資料，制定散熱器結構優化方案，分析熱環境及信號波動對熱的影響，在教師引導下，提出相應處理措施，切身感受到不同參數、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，根據每位同學提交的預習實驗報告，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的監督，盡量掌握每個學生的實踐動手情況，及時記錄操作成績;再次，根據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習、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）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。預習報告和實驗報告占比約50%，杜絕個別同學不認真做實驗，抄襲作業，卻還能獲得高分的可能，同時鼓勵同學在實驗環節發揮自己的能動性和創新性。

三、教學改革初步成效

經過初步實施，學生對電子系統熱設計和熱分析實驗的學習熱情和實際操作能力均有很大的提升。經學生反饋，本研一體化實驗課教學改革的實驗教學內容，在知識廣度、層次性及創新性上有較大提高，實驗課教學質量也有了顯著改進。大部分學生能夠接受這種實驗教學模式，并表現出濃厚的興趣。

四、結語

通過教學內容、教學模式及考核方式三個方面的教學改革探索，學生對電子系統熱設計、熱分析和熱評估流程有了一個更加清晰的認識，提高了學習的積極性和主動性，為后續的學習打下了良好的基礎。

參考文獻：

[1]張照旭，蔡三發，黃建業.本研一體化：日本工科教育改革的新模式[J].高等工程教育研究，2019，（05）：115-119.

[2]楊敬東，黎揚武，岳新霖，等.工程專業實驗教學及創新模式研究[J].重慶電力高等專科學校學報，2019，24（06）：45-47.

[3]耿潔婷，華靜.淺談熱分析實驗管理與教學的創新改革[J].教育教學論壇，2018，（43）：272-273.

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