航空宇航學科創新型人才培養模式探索

王峰　曹喜濱　孫兆偉　陳雪芹

[摘 要]基于項目的學習方法，探索航空宇航學科創新型人才培養的新模式。結合哈爾濱工業大學航空宇航科學與技術學科的定位、目標和特色，分別與課程和項目密切結合，采用教學計劃內和教學計劃外兩種途徑，在本科生和研究生中實施基于項目的培養模式，并通過紫丁香微納衛星學生團隊、社會實踐以及創新創業大賽的成果體現出所提培養模式的應用成效。

[關鍵詞]航空宇航科學與技術學科;項目學習;創新型人才;培養模式

[中圖分類號] C961 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）10-0146-05

一、引言

習近平總書記在黨的十九大報告中指出：“青年興則國家興，青年強則國家強。青年一代有理想、有本領、有擔當，國家就有前途，民族就有希望。中國夢是歷史的、現實的，也是未來的;是我們這一代的，更是青年一代的。” 報告為高校開展創新型人才培養模式探索吃了一顆定心丸，堅定了航空宇航科學與技術學科（簡稱航空宇航學科）這類工程類學科開展創新型人才培養的決心。正如著名思想家荀子所說：不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之，學至于行之而止矣，行之，明也。只具備專業技能還不夠，還要學會應用，而航天類專業知識往往晦澀深奧，學生在學習過程中難以同時結合創新理論和工程實際去理解和實踐，容易造成理論與實踐脫節，必須結合學科專業特色和特點探索高校創新型人才培養的模式。

國外的斯坦福大學、加利福尼亞理工學院以及麻省理工學院等都在聯合開展創新型人才培養方面取得了豐碩的教學與研究成果[1-2]。我國從1978年中國科技大學首創“少年班”開展創新型人才培養以來，浙江大學的“竺可楨學院”、北京大學的“元培學院”、清華大學的“清華學堂”、復旦大學的“復旦學院”、南京大學的“匡亞明學院”、華中科技大學的“啟明學院”等高等院校都在大力開展創新型人才培養[3]。此外，還有很多高校也在不同的學科（生物、農業、化學等）都開展了創新型人才培養模式探索[4]，例如華南理工大學基因組科學創新班基于研究性學習的人才培養模式[5]。

現代航天事業需要創新又實干的高層次創新型專業人才的迫切性也越來越強烈。因此，航空宇航學科以紫丁香微納衛星學生團隊培養為例，將基于項目的學習方法運用在航空宇航學科教學中，加強航天創新型人才培養。近年來，哈爾濱工業大學（簡稱哈工大）航空宇航學科積極貫徹落實國家和學校關于深化教育教學改革、提高教育質量、促進高校畢業生充分就業的任務要求，發揚“厚基礎、強實踐、重創新”的人才培養特色，將創新創業教育融入人才培養體系，貫穿人才培養全過程;依托高水平科研優勢與本學科良好的科研條件，建設紫丁香微納衛星大學生創新實踐基地，廣泛開展大學生創新實踐活動，培養了一批優秀的航天創新型人才。

二、學科定位與目標

哈工大航空宇航學科始建于20世紀50年代，最初設立了飛行力學與導彈總體設計專業，1995年獲高校首個空間飛行器設計博士點，2003年獲國家一級學科博士學位授予權。學科團隊特色鮮明，是教育部和科技部重點領域創新團隊，榮獲全國總工會“工人先鋒號”、科技部和總裝備部“863 計劃先進集體”、總裝備部“裝備預先研究先進集體”等榮譽。建有國家級重點實驗室、國家地方聯合工程實驗室（中心）等創新平臺。2013年“宇航科學與技術”協同創新中心首批獲得國家認定，2015年獲批建設“空間環境地面模擬裝置”國家重大科技基礎設施。

本學科面向國際學術前沿和國家戰略需求，解決航天領域重大基礎理論與工程應用難題;以創新能力培養為核心、以工程領軍人才培養為特色，依托國際一流科研環境，打造航天高層次創新型人才培養的搖籃;以重大科研項目為牽引，通過產學研用有機結合推進科技成果轉化，建設航天科技創新策源地。其目標是建設國際一流的航空宇航科學與技術學科，在微小型航天器、深空探測、空間結構與機構及安全防護等方向達到國際領先水平。

三、基于項目的培養模式及本學科的主要特色

基于項目的學習（project-based learning， PBL）于1969年由美國科學家Barrows在加拿大的麥克馬斯特大學首創，并先后在60多所醫科學校中推廣[6]。此后，該學習模式在各類教育領域甚至政府、軍事等領域得到廣泛應用，并產生了大量的研究成果，目前仍是值得廣泛應用的有效學習方法[7]。2002年，劉景福對這一概念進行了深入描述，指出基于項目的學習由內容、活動、情境和結果4大要素構成[8]。

內容：反映的是現實的問題，強調知識的完整性和系統性，是值得學生進行深度探究、學生也有能力探究的知識，是與學生的興趣一致的。

活動：是學生采用一定的技術工具和研究方法解決具有一定挑戰和困難的問題的過程，學生通過構建并生產自己的知識，有利于對知識的記憶和遷移，適應于不同的學習方法、知識技能以及學習風格。

情境：是支持學生進行探究學習的環境，能促進學生之間以及學生和社會團體之間的合作，有利于學生學會應用各種技術并進行拓展。

結果：是學生在項目學習過程中或學習結束時學會的知識或技能。

2012年，哈工大發布了《“十二五”本科教育改革與發展規劃綱要》，提出“根據我校的學科特點，把培養具有國際競爭力的高素質工程領軍人才作為重要任務”，提出了實施基于項目的學習計劃、卓越工程師教育培養計劃以及工程領軍人才培養計劃等[9]。其中，基于項目的學習計劃于2011年在本科生院開始推行實施，目前已覆蓋到全校的所有院系，其培養體系如圖 1所示[10]。

（二）本學科的主要特色

1.學生專業素質高

近年來，隨著載人航天、探月等國家級大型航天項目的實施以及我校在航天事業上的出色表現，越來越多的學子在填寫高考志愿時將航空宇航專業作為首選，或者是在攻讀研究生學位時從其他學科進入到本學科學習。本學科近年來高考、研究生入學考試錄取分數均較高，學生學習興趣濃。因此，學生能以很好的專業學習基礎和學習興趣投入到以項目為引導的航天創新型人才培養體系中。

2.承擔國家級、省部級科研項目多，科研環境一流

航空宇航學科承擔了大量國家級及省部級科研項目，以第四次學科評估期間統計數據為例，2012年1月至2015年12月的科研項目總經費達5.6億元，科研項目數量達到200余項。學科內各研究所、中心的實驗室實驗設備總值超2億元，具有國際一流水平的科研硬件條件。本學科有教師將近100人，教師博士化率為83.6%，有48%的教師具有海外科研經歷。因此，本學科有很好的軟硬件環境來開展以項目為引導的航天創新型人才培養。

3.畢業生的就業單位集中于科研院所、高校

據不完全統計，本學科畢業的碩士、博士研究生分別有約61%、72%進入科研設計單位，7%、20%進入高等教育單位，17%、8%進入國有企業。研究生人數最多的就業單位有中國運載火箭技術研究院、中國飛航技術研究院、中國空間技術研究院、上海航天技術研究院。因此，以項目為引導的航天創新型人才培養體系，能夠滿足大量學生進入專業院所和高校的就業需求。

四、基于項目的培養模式實施方式

本學科在實施基于項目的學習計劃過程中，結合本學科的優勢，通過教學計劃內外兩種途徑，以學生有科研項目的參與興趣為前提，在本科生和研究生中實施。考慮到學生的專業能力，更傾向于在大三、大四的本科生以及研究生中實施。經過師生的雙向選擇，根據本科生、研究生的不同學習層次，廣泛開展基于項目的學習方法實施，力爭借此培養本學科高層次的創新型人才。

教學計劃內的培養方式與課程密切結合，有助于拓寬學生的專業知識面，提升其專業學習興趣，鍛煉其團隊協作能力。教學計劃外的培養方式與項目密切結合，有助于提升學生的專業知識水平，培養其獨立解決專業問題的能力和團隊合作意識。

（一）教學計劃內

教學計劃內的基于項目的學習方法主要通過學校制定的教學計劃來開展，本學科在教學計劃范圍內，加大對創新研修課、專題課等非公共學位課/學科基礎課/學科專業課的投入，讓有大型工程實踐經驗的教師，比如衛星型號總師、總指揮、分系統主任設計師，還有在學科領域內具有高層次專業水平的長江學者、軍委科技委專家、國家863計劃項目負責人、國際合作項目負責人等走上講臺。

1.本科生

哈工大近年來不斷深化教育綜合改革，努力建設高水平本科教育體系，持續提高本科人才培養質量，提出“轉理念、強通識、精課程、重實踐、抓兩化（個性化、國際化）、健組織、嚴評價、促發展”的八大教育教學改革措施。

在教學課程的設置上，除了學校統一的專業基礎課程、專業核心課程和實踐環節訓練以外，學校從2006年開始設立創新研修課，航空宇航學科開設的創新研究課有：微小衛星任務分析與創新概念設計、運載火箭彈道與制導科研模擬訓練、氣磁懸浮技術及其應用、飛行器結構CAD及數字化模裝、小衛星簡易姿態控制系統建立與實踐、基于STK的航天器軌道設計與分析、空間探測與導航應用等。選擇創新研修課的學生往往都是以興趣為出發點的，通過對感興趣的專業課程的學習，能夠很有效地提高學生的專業素養。

航空宇航專業開設的創新研修課除了面向本專業的本科生以外，還面向工程力學、通信工程、機電工程、微電子科學與工程、熱能工程等諸多航天相關專業的學生開放，這就有助于在一定程度上提升航天相關專業學生的專業技能。

2.研究生

除了學校統一為研究生設置的公共學位課、學科基礎課、學科專業課之外，本學科還開設了選修課、專題課和實踐課。開設的專題課有航天器空間碎片防護技術專題、飛行器系統仿真專題、飛行器組合導航專題、現代小衛星系統技術專題、深空探測器自主導航專題、空間材料沖擊物性測試技術專題、航天器機械系統動力學專題等。同時鼓勵學生參加國際、國內專業學術會議或校內學術活動并給予相應學分獎勵。

教師在創新研修課、專題課和實踐課的教學過程中，結合實際的工程項目或者實際問題，系統地講授當前國際航天專業的熱點問題，借助實驗室擁有的便利條件開展實驗實踐，提升學生專業水平，為培養高水平的航空宇航專業高層次人才提供有利條件，同時使學生了解與掌握一定的專業知識，鍛煉學生獨立解決問題的能力，培養學生在團隊中相互配合的能力。

（二）教學計劃外

本研究結合本學科科研項目的優勢與特色、研究生導師以及畢業生就業等方面的情況，在教學計劃外提出一種基于科研項目驅動的本學科創新型人才培養體系，如圖 2所示。該體系開展的前提是學生具有參與科研項目的意愿，經過師生雙向選擇能夠讓學生參與到科研項目中去。同時，該體系不作為學生取得答辯資格或者畢業的任何限制條件。

1.人才來源

2014年開始，哈工大開始實施英才學院本科生導師（團隊）制，學生從本科二年級開始既可選擇導師指導，也可以選擇導師團隊中的導師指導。這一培養體制為英才學院的學生和導師之間提供了很好的溝通機會，讓有科研興趣的學生有機會參與到科研項目中。近年來，我校無線電協會有大量優秀會員通過參與紫丁香微納衛星研發計劃，加入到本學科的各項科研項目中。此外，部分已取得保研資格的本科大四學生，少數通過同學介紹、團隊活動宣講會對本學科感興趣的本科生和研究生，以及團隊教師為導師的部分研究生，在有科研興趣的前提下，均有機會參與到科研項目中。

2.選拔方式

通過學術活動上的學術報告展示或者團隊教師進行命題/自命題設計小型軟硬件，或者通過對以往成果的展示，選拔合適的學生開展基于項目的系統學習。

3.培養方式

第一級：根據學生的興趣和綜合能力，經過師生雙向選擇，安排學生參與合適的實驗室基礎建設項目，例如半物理仿真系統建設、分布式數字化仿真系統建設等;參與到合適的試驗中，輔助進行試驗數據分析、試驗環境系統設計與建設等。利用校級或者省部級各類專業競賽的參與機會，由學生提出指導需求，雙向選擇合適的指導教師或者團隊，積極參與專業競賽。或者由教師提出競賽的具體參與需求，選擇合適的學生組織參與競賽。經過第一級培養，學生能夠理解項目的研制流程，學會找到解決實際問題的理論方法。

第二級：第一級培養完成之后，對于仍有興趣參與科研項目且具有進一步深入學習專業能力的學生，經過師生雙向選擇，可作為非主要成員參與到公開的預研課題中，也可作為主力成員參與實驗室基礎建設項目，還可作為預備成員加入紫丁香微納衛星學生團隊，參與其承擔的微納衛星研制。經過第二級培養，學生能夠熟悉項目的研制流程，具備獨立解決實際問題的基本能力，具有良好的團隊合作意識。

第三級：經過第二級培養，學生對航天事業有較好的認識，也有責任心和良好的獨立解決實際問題的專業能力。具有良好的團隊合作意識的學生，經過師生雙向選擇，可作為核心成員參與到公開的預研課題中，也可加入紫丁香微納衛星學生團隊，作為主力成員參與其承擔的微納衛星研制，還可作為主力成員參與到公開的型號項目中。

4.實施方式

在項目理論背景指導方面，可針對性地參與到學科的各個學術小組中，每周開展學術討論;在項目技術指導方面，由具體負責項目實施的責任教師指導。教師所在團隊的責任教師對學生有指導的義務，教師所在項目組的項目負責人教師對學生也有指導的義務。學生參與的項目由項目負責人統一管理和指導。

五、基于項目的培養模式的應用成效

采用基于項目的培養模式，給學生最大的自由參與到項目中，有利于提升學生的學習興趣，激發學生的創新能力，引導但不束縛學生的創新思想。這一培養模式的應用取得了如下成效。

1.組建紫丁香微納衛星學生團隊

2015年9月20日，我國首顆由高校學子自主設計、研制、管控的微納衛星“紫丁香二號”發射成功。“紫丁香二號”微納衛星研發團隊依托本學科，凝聚了學校飛行器設計、力學、計算機科學與技術、控制工程、機械工程、通信工程、電氣工程、熱能工程這8個學科的本科生、碩士研究生和博士研究生，包括韋明川等16位骨干技術人員，吸納了40多名學生參與設計與研制，是一支學科交叉的學生隊伍。

“紫丁香二號”微納衛星中多個分系統部組件由學生獨立完成設計，包括滿足國際立方星標準電子模塊8件，以及UHF雙圓極化天線和VHF可展開天線，如圖 3所示。地面測控站以及手持式接收設備均采用低成本高成熟度業余無線電（UHF，VHF，L）設備自主搭建，并實現了因特網數據共享，提高了測控時空覆蓋性，大幅提高了衛星管控效率并降低了地面測控成本。

紫丁香系列微納衛星的研制與管理方式，是本學科以科研項目為驅動，以學生學習成效為導向，提高辦學質量，增強創造活力，培養航天專業相關學科高層次人才的一次新探索，取得了優異成果。2015年，紫丁香小衛星團隊獲第十四屆“挑戰杯”全國及黑龍江省大學生課外學術科技作品競賽一等獎。2016年初，紫丁香學生微納衛星團隊被評為“小平科技創新團隊”。 此后，該團隊又獨立研制了“紫丁香一號”微納衛星，參與研制了全球首個獨立完成地月轉移、近月制動、環月飛行的微衛星“龍江二號”。

2.組織學生積極開展社會實踐活動

本學科積極營造大學生創新實踐氛圍，廣泛組織各類創新實踐活動。例如成功組織了2018阿斯圖中俄大學生微納衛星研習營活動，中俄雙方達成了合作研制小衛星星座系統的初步協議;承辦了2016中俄小衛星創新設計大賽。此外，還是亞太空間合作組織（APSCO）大學小衛星項目（SSS）的牽頭單位之一，是國際QB50項目和國內一箭20星計劃的主要參與單位。

3.組織學生積極參與創新創業大賽

本學科學生在各類創新創業大賽中取得優異成績，共榮獲“全國科研類航空航天模型錦標賽”、“飛航杯”全國未來飛行器設計大賽、第一屆“巽翼杯”黑龍江省未來飛行器設計比賽一等獎、第一屆“新絲路杯”中國研究生未來飛行器創新大賽等重要賽事獎項30余項。

綜上，本學科面向國家對航天工程領域領軍人才的需求，以創新實踐能力培養為主線，以國際一流科學研究為依托，通過校企聯合和國際協作，建立“研究型、個性化、精英式”工程領軍人才培養體系，培養基礎理論扎實、工程能力強，具有國際視野的航天創新型人才。通過紫丁香系列大學生微納衛星研制，建立了項目驅動的創新型人才培養新模式，提升了人才培養的國際化水平;依托大科學工程和中俄工科大學聯盟，通過舉辦小衛星研習營、創新設計大賽等構建國際化協作創新與交流平臺;聯合航天院所建立了全國示范性航天工程領域研究生培養實踐基地，推進航天工程領軍人才培養。

六、結論

根據航空宇航學科的特點，結合本學科的科研項目特色、研究生導師以及畢業生就業等方面的特色，提出了一種基于科研項目驅動的航空宇航學科高層次創新型人才的培養模式。該模式力求通過激發學生的主觀能動性，提升航空宇航學科學生的專業技能，培養出高水平的具有良好專業素養的創新型航天人才。興趣是最好的老師。教師積極培養學生的科研興趣，引導學生借助基于項目的學習方法和學習過程，在國家“一帶一路”“大力發展航天”“創新創業”“雙一流”等良好的社會環境和機遇下，為社會和國家創造更多有較高專業價值的成果。

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[責任編輯：龐丹丹]