电子系统热设计热分析实验教学改革思路与探索

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　　摘要：随着国防科技国产化快速推进，培养学生可靠性创新意识与创新能力，是高校可靠性工程实验教学体系面临的新要求。文章针对电子系统热设计热分析实验教学存在的问题，提出本研一体化多层次实验教学思路，实施优化教学试验内容、四位一体的多层次实验教学模式、完善考核方式等教学改革措施。实践表明：实施本研一体化多层次实验教学在知识广度、层次性及创新性等方面提高学生学习的积极性和主动性，在教学质量上有较大提高。
　　关键词：多层次教学;本研一体化;热设计;热分析
　　中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）21-0197-03
　　电子系统可靠性是影响武器装备作战能力的重要因素，热是影响电子系统可靠性的关键因素之一。在我国电子产品国产化和自主可控对可靠性复合型人才的迫切需求背景下，加强培养学生可靠性实践与创新能力，是高校的可靠性工程实践教学面临的新要求。
　　电子系统热设计热分析实验是一门与可靠性工程关系密切、实践性较强的基础实验课程。其在可靠性专业课程中占有重要的地位，是培养学生运用理论知识解决电子设备热问题的能力、动手操作能力及电子产品可靠性实践创新能力的重要环节。
　　随着高校改革和优势学科建设，可靠性专业本科毕业生的平均升学率（读研的比例）较高，本研两个阶段的实验教学内容虽然能满足教学任务，但没有很好地实现统筹设计和优化。此外，随着新技术、新材料等技术发展，原有的热设计热分析实验教学手段、实验内容不适应现代可靠性的发展需求，暴露出一些问题，亟待改革。
　　一、热设计热分析实验教学问题分析
　　（一）教学内容相对陈旧
　　目前该实验包括电子系统性能测试、可靠性热设计及优化设计、热仿真分析、热性能测量等内容。采用软件进行热优化设计及热仿真分析，采用实验硬件平台进行电子系统性能及热测量。实验对象仍然是10年前电子产品，不能紧跟近年工程中环境复杂多样带来的变化。另外，本研一体化培养是当今高校工科教育改革的最新动向，由于本科与研究生阶段教学内容没有进行优化，实验内容有部分重复，不利于学生本研一体化及创新能力的培养。
　　（二）教学模式传统单一
　　实验教学采用“学生实验预习+实验前教师集中讲解+分小组试验操作+撰写实验报告”方式。这种传统教学模式相对单一，学生按部就班完成实验，容易導致学生思维狭窄僵化，在很大程度上抑制了学生对实验课程的主观能动性，不利于学科交叉与跨学科复合型创新人才的培养。此外，提前预习以及课后实验报告等环节也不容易落到实处。
　　（三）考核方式不合理
　　现有的实验考核成绩由预习报告、实验操作、实验报告综合得出，各占比三分之一。由于实验操作过程以小组方式进行，每组学生的实验数据相同，学生课后所提交的实验报告相似率极高，存在抄袭现象，导致教学考核效果差，达不到实验教学的目的。
　　二、实验本研一体化多层次教学改革探索
　　电子系统热设计热分析实验属于专业基础性实验，必须以学生为中心，加强学生独立发现问题、分析问题和解决问题能力的培养，设计循序渐进的教学内容以及多层次的教学模式，让学生主动投入到实验教学中去，实现本科阶段实验项目和研究生阶段实验项目的进阶性和衔接性。将本研一体化循序渐进的教学同本科生与研究生实践能力的培养结合起来，实现实验教学在不同阶段的培养目标。
　　（一）优化实验教学内容
　　将实验项目设置为基础、拓展和延伸创新三个层次，其中，基础、拓展层次实验突出对学生工程能力的培养;创新层次实验具有一定的探究性，以解决实际问题为出发点，突出对学生创新能力的培养，三个层次整合打通本研两个阶段。
　　实验教学原有的热设计实验模块包括：（1）初选散热器，电源系统电路设计及性能测试、降额设计;（2）优化散热器，电源系统电路设计及性能测试、降额设计;（3）采用Qfin软件对散热器进行热设计热分析、散热器优化设计以及评估;热分析模块包括：（1）电子产品热设计及性能测试;（2）获取热源功耗，建立热仿真模型，进行热分析;（3）电子产品热测量及热分析误差来源分析。
　　在原有实验内容基础上，在电子系统热设计实验模块中增加散热器结构设计及热分析拓展内容，优化电子系统热分析实验模块。此外，结合电子产品热设计发展，针对电子产品使用环境，对电源系统热设计实验新增热环境下的电子材料力学性能测试等延伸内容，如图1所示，新增电子系统热分析实验模块中信号对热的影响分析实验内容，如图2所示，进一步分析热参数计算过程中电源波动、信号变化的影响，观察信号在热过程中的变化。
　　在本科阶段，为加强学生的创新意识，以小组合作形式完成原有实验模块内容及拓展内容，使学生理解电子系统热设计热分析基本原理，熟练掌握热设计热分析流程和热评估手段，训练学生综合运用专业基础实验技能的能力。研究生阶段注重对学生创新能力的培养，学生根据学业规划决定是否可提前做完延伸性实验，以便在研究生阶段免修该实验，为本研一体化培养提供制度性保障。这样从内容上细化了本研一体教学内容，提出了不同层次的实验目标。
　　（二）四位一体多层次实验教学模式
　　提出“微课预习+ 集中教学+ 专业实验+自主探究实验”四位一体实验教学模式，提高实验实践教学效果。
　　1.以微课促进有效预习。根据实验内容，在集中授课之前将实验相关专题及仪器操作等微课通过网络提供给学生，学生利用微课自主完成新知识的学习，并完成实验预习报告。这样在集中教学时可减少一些内容讲解，集中精力解决学生预习中的问题。
　　2.基于启发式的集中教学。根据实验预习有针对性地集中讲解，对热相关知识、环境温度对产品可靠性的影响、实验中的硬件和软件平台等实验中可能遇到技术要点问题进行启发和讨论，使学生熟悉该门实验应完成的核心内容。 　　3.团队合作完成专业实验。指导学生利用实验硬件平台及热设计热分析软件，以团队合作方式进行实验，使学生掌握评估热设计的手段，学会利用现代化热分析软件及热测量手段，理解改进电子设备热设计的方法，具备使用实验工具分析问题和解决問题的能力。
　　4.探究性自主实验。增设探究性自主实验环节，学生依据热设计、热分析所学内容，针对工程实际需求和问题，自主搜集资料，制定散热器结构优化方案，分析热环境及信号波动对热的影响，在教师引导下，提出相应处理措施，切身感受到不同参数、不同方法、不同工艺对热的影响。
　　（三）完善考核方式
　　在考核方式上，首先，根据每位同学提交的预习实验报告，检查其对实验的理解程度，给出分值;其次，加强实验过程中对每组同学的监督，尽量掌握每个学生的实践动手情况，及时记录操作成绩;再次，根据实验报告书写及完成情况进行计分;最后，对于探究性自主实验，实验完成后安排参加的学生答辩，答辩成绩计入实验总成绩。
　　细化实验成绩评定比例，改革后的实验成绩包括实验预习、实验操作、实验报告及实验答辩（针对选做探究性自主实验的同学）等几个方面进行评定。实验操作（实验答辩）所占比重为50%左右。预习报告和实验报告占比约50%，杜绝个别同学不认真做实验，抄袭作业，却还能获得高分的可能，同时鼓励同学在实验环节发挥自己的能动性和创新性。
　　三、教学改革初步成效
　　经过初步实施，学生对电子系统热设计和热分析实验的学习热情和实际操作能力均有很大的提升。经学生反馈，本研一体化实验课教学改革的实验教学内容，在知识广度、层次性及创新性上有较大提高，实验课教学质量也有了显著改进。大部分学生能够接受这种实验教学模式，并表现出浓厚的兴趣。
　　四、结语
　　通过教学内容、教学模式及考核方式三个方面的教学改革探索，学生对电子系统热设计、热分析和热评估流程有了一个更加清晰的认识，提高了学习的积极性和主动性，为后续的学习打下了良好的基础。
　　参考文献：
　　[1]张照旭，蔡三发，黄建业.本研一体化：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]杨敬东，黎扬武，岳新霖，等.工程专业实验教学及创新模式研究[J].重庆电力高等专科学校学报，2019，24（06）：45-47.
　　[3]耿洁婷，华静.浅谈热分析实验管理与教学的创新改革[J].教育教学论坛，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
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