航空宇航学科创新型人才培养模式探索

王峰　曹喜滨　孙兆伟　陈雪芹

[摘 要]基于项目的学习方法，探索航空宇航学科创新型人才培养的新模式。结合哈尔滨工业大学航空宇航科学与技术学科的定位、目标和特色，分别与课程和项目密切结合，采用教学计划内和教学计划外两种途径，在本科生和研究生中实施基于项目的培养模式，并通过紫丁香微纳卫星学生团队、社会实践以及创新创业大赛的成果体现出所提培养模式的应用成效。

[关键词]航空宇航科学与技术学科;项目学习;创新型人才;培养模式

[中图分类号] C961 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）10-0146-05

一、引言

习近平总书记在党的十九大报告中指出：“青年兴则国家兴，青年强则国家强。青年一代有理想、有本领、有担当，国家就有前途，民族就有希望。中国梦是历史的、现实的，也是未来的;是我们这一代的，更是青年一代的。” 报告为高校开展创新型人才培养模式探索吃了一颗定心丸，坚定了航空宇航科学与技术学科（简称航空宇航学科）这类工程类学科开展创新型人才培养的决心。正如著名思想家荀子所说：不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之，学至于行之而止矣，行之，明也。只具备专业技能还不够，还要学会应用，而航天类专业知识往往晦涩深奥，学生在学习过程中难以同时结合创新理论和工程实际去理解和实践，容易造成理论与实践脱节，必须结合学科专业特色和特点探索高校创新型人才培养的模式。

国外的斯坦福大学、加利福尼亚理工学院以及麻省理工学院等都在联合开展创新型人才培养方面取得了丰硕的教学与研究成果[1-2]。我国从1978年中国科技大学首创“少年班”开展创新型人才培养以来，浙江大学的“竺可桢学院”、北京大学的“元培学院”、清华大学的“清华学堂”、复旦大学的“复旦学院”、南京大学的“匡亚明学院”、华中科技大学的“启明学院”等高等院校都在大力开展创新型人才培养[3]。此外，还有很多高校也在不同的学科（生物、农业、化学等）都开展了创新型人才培养模式探索[4]，例如华南理工大学基因组科学创新班基于研究性学习的人才培养模式[5]。

现代航天事业需要创新又实干的高层次创新型专业人才的迫切性也越来越强烈。因此，航空宇航学科以紫丁香微纳卫星学生团队培养为例，将基于项目的学习方法运用在航空宇航学科教学中，加強航天创新型人才培养。近年来，哈尔滨工业大学（简称哈工大）航空宇航学科积极贯彻落实国家和学校关于深化教育教学改革、提高教育质量、促进高校毕业生充分就业的任务要求，发扬“厚基础、强实践、重创新”的人才培养特色，将创新创业教育融入人才培养体系，贯穿人才培养全过程;依托高水平科研优势与本学科良好的科研条件，建设紫丁香微纳卫星大学生创新实践基地，广泛开展大学生创新实践活动，培养了一批优秀的航天创新型人才。

二、学科定位与目标

哈工大航空宇航学科始建于20世纪50年代，最初设立了飞行力学与导弹总体设计专业，1995年获高校首个空间飞行器设计博士点，2003年获国家一级学科博士学位授予权。学科团队特色鲜明，是教育部和科技部重点领域创新团队，荣获全国总工会“工人先锋号”、科技部和总装备部“863 计划先进集体”、总装备部“装备预先研究先进集体”等荣誉。建有国家级重点实验室、国家地方联合工程实验室（中心）等创新平台。2013年“宇航科学与技术”协同创新中心首批获得国家认定，2015年获批建设“空间环境地面模拟装置”国家重大科技基础设施。

本学科面向国际学术前沿和国家战略需求，解决航天领域重大基础理论与工程应用难题;以创新能力培养为核心、以工程领军人才培养为特色，依托国际一流科研环境，打造航天高层次创新型人才培养的摇篮;以重大科研项目为牵引，通过产学研用有机结合推进科技成果转化，建设航天科技创新策源地。其目标是建设国际一流的航空宇航科学与技术学科，在微小型航天器、深空探测、空间结构与机构及安全防护等方向达到国际领先水平。

三、基于项目的培养模式及本学科的主要特色

基于项目的学习（project-based learning， PBL）于1969年由美国科学家Barrows在加拿大的麦克马斯特大学首创，并先后在60多所医科学校中推广[6]。此后，该学习模式在各类教育领域甚至政府、军事等领域得到广泛应用，并产生了大量的研究成果，目前仍是值得广泛应用的有效学习方法[7]。2002年，刘景福对这一概念进行了深入描述，指出基于项目的学习由内容、活动、情境和结果4大要素构成[8]。

内容：反映的是现实的问题，强调知识的完整性和系统性，是值得学生进行深度探究、学生也有能力探究的知识，是与学生的兴趣一致的。

活动：是学生采用一定的技术工具和研究方法解决具有一定挑战和困难的问题的过程，学生通过构建并生产自己的知识，有利于对知识的记忆和迁移，适应于不同的学习方法、知识技能以及学习风格。

情境：是支持学生进行探究学习的环境，能促进学生之间以及学生和社会团体之间的合作，有利于学生学会应用各种技术并进行拓展。

结果：是学生在项目学习过程中或学习结束时学会的知识或技能。

2012年，哈工大发布了《“十二五”本科教育改革与发展规划纲要》，提出“根据我校的学科特点，把培养具有国际竞争力的高素质工程领军人才作为重要任务”，提出了实施基于项目的学习计划、卓越工程师教育培养计划以及工程领军人才培养计划等[9]。其中，基于项目的学习计划于2011年在本科生院开始推行实施，目前已覆盖到全校的所有院系，其培养体系如图 1所示[10]。

（二）本学科的主要特色

1.学生专业素质高

近年来，随着载人航天、探月等国家级大型航天项目的实施以及我校在航天事业上的出色表现，越来越多的学子在填写高考志愿时将航空宇航专业作为首选，或者是在攻读研究生学位时从其他学科进入到本学科学习。本学科近年来高考、研究生入学考试录取分数均较高，学生学习兴趣浓。因此，学生能以很好的专业学习基础和学习兴趣投入到以项目为引导的航天创新型人才培养体系中。

2.承担国家级、省部级科研项目多，科研环境一流

航空宇航学科承担了大量国家级及省部级科研项目，以第四次学科评估期间统计数据为例，2012年1月至2015年12月的科研项目总经费达5.6亿元，科研项目数量达到200余项。学科内各研究所、中心的实验室实验设备总值超2亿元，具有国际一流水平的科研硬件条件。本学科有教师将近100人，教师博士化率为83.6%，有48%的教师具有海外科研经历。因此，本学科有很好的软硬件环境来开展以项目为引导的航天创新型人才培养。

3.毕业生的就业单位集中于科研院所、高校

据不完全统计，本学科毕业的硕士、博士研究生分别有约61%、72%进入科研设计单位，7%、20%进入高等教育单位，17%、8%进入國有企业。研究生人数最多的就业单位有中国运载火箭技术研究院、中国飞航技术研究院、中国空间技术研究院、上海航天技术研究院。因此，以项目为引导的航天创新型人才培养体系，能够满足大量学生进入专业院所和高校的就业需求。

四、基于项目的培养模式实施方式

本学科在实施基于项目的学习计划过程中，结合本学科的优势，通过教学计划内外两种途径，以学生有科研项目的参与兴趣为前提，在本科生和研究生中实施。考虑到学生的专业能力，更倾向于在大三、大四的本科生以及研究生中实施。经过师生的双向选择，根据本科生、研究生的不同学习层次，广泛开展基于项目的学习方法实施，力争借此培养本学科高层次的创新型人才。

教学计划内的培养方式与课程密切结合，有助于拓宽学生的专业知识面，提升其专业学习兴趣，锻炼其团队协作能力。教学计划外的培养方式与项目密切结合，有助于提升学生的专业知识水平，培养其独立解决专业问题的能力和团队合作意识。

（一）教学计划内

教学计划内的基于项目的学习方法主要通过学校制定的教学计划来开展，本学科在教学计划范围内，加大对创新研修课、专题课等非公共学位课/学科基础课/学科专业课的投入，让有大型工程实践经验的教师，比如卫星型号总师、总指挥、分系统主任设计师，还有在学科领域内具有高层次专业水平的长江学者、军委科技委专家、国家863计划项目负责人、国际合作项目负责人等走上讲台。

1.本科生

哈工大近年来不断深化教育综合改革，努力建设高水平本科教育体系，持续提高本科人才培养质量，提出“转理念、强通识、精课程、重实践、抓两化（个性化、国际化）、健组织、严评价、促发展”的八大教育教学改革措施。

在教学课程的设置上，除了学校统一的专业基础课程、专业核心课程和实践环节训练以外，学校从2006年开始设立创新研修课，航空宇航学科开设的创新研究课有：微小卫星任务分析与创新概念设计、运载火箭弹道与制导科研模拟训练、气磁悬浮技术及其应用、飞行器结构CAD及数字化模装、小卫星简易姿态控制系统建立与实践、基于STK的航天器轨道设计与分析、空间探测与导航应用等。选择创新研修课的学生往往都是以兴趣为出发点的，通过对感兴趣的专业课程的学习，能够很有效地提高学生的专业素养。

航空宇航专业开设的创新研修课除了面向本专业的本科生以外，还面向工程力学、通信工程、机电工程、微电子科学与工程、热能工程等诸多航天相关专业的学生开放，这就有助于在一定程度上提升航天相关专业学生的专业技能。

2.研究生

除了学校统一为研究生设置的公共学位课、学科基础课、学科专业课之外，本学科还开设了选修课、专题课和实践课。开设的专题课有航天器空间碎片防护技术专题、飞行器系统仿真专题、飞行器组合导航专题、现代小卫星系统技术专题、深空探测器自主导航专题、空间材料冲击物性测试技术专题、航天器机械系统动力学专题等。同时鼓励学生参加国际、国内专业学术会议或校内学术活动并给予相应学分奖励。

教师在创新研修课、专题课和实践课的教学过程中，结合实际的工程项目或者实际问题，系统地讲授当前国际航天专业的热点问题，借助实验室拥有的便利条件开展实验实践，提升学生专业水平，为培养高水平的航空宇航专业高层次人才提供有利条件，同时使学生了解与掌握一定的专业知识，锻炼学生独立解决问题的能力，培养学生在团队中相互配合的能力。

（二）教学计划外

本研究结合本学科科研项目的优势与特色、研究生导师以及毕业生就业等方面的情况，在教学计划外提出一种基于科研项目驱动的本学科创新型人才培养体系，如图 2所示。该体系开展的前提是学生具有参与科研项目的意愿，经过师生双向选择能够让学生参与到科研项目中去。同时，该体系不作为学生取得答辩资格或者毕业的任何限制条件。

1.人才来源

2014年开始，哈工大开始实施英才学院本科生导师（团队）制，学生从本科二年级开始既可选择导师指导，也可以选择导师团队中的导师指导。这一培养体制为英才学院的学生和导师之间提供了很好的沟通机会，让有科研兴趣的学生有机会参与到科研项目中。近年来，我校无线电协会有大量优秀会员通过参与紫丁香微纳卫星研发计划，加入到本学科的各项科研项目中。此外，部分已取得保研资格的本科大四学生，少数通过同学介绍、团队活动宣讲会对本学科感兴趣的本科生和研究生，以及团队教师为导师的部分研究生，在有科研兴趣的前提下，均有机会参与到科研项目中。

2.选拔方式

通过学术活动上的学术报告展示或者团队教师进行命题/自命题设计小型软硬件，或者通过对以往成果的展示，选拔合适的学生开展基于项目的系统学习。

3.培养方式

第一级：根据学生的兴趣和综合能力，经过师生双向选择，安排学生参与合适的实验室基础建设项目，例如半物理仿真系统建设、分布式数字化仿真系统建设等;参与到合适的试验中，辅助进行试验数据分析、试验环境系统设计与建设等。利用校级或者省部级各类专业竞赛的参与机会，由学生提出指导需求，双向选择合适的指导教师或者团队，积极参与专业竞赛。或者由教师提出竞赛的具体参与需求，选择合适的学生组织参与竞赛。经过第一级培养，学生能够理解项目的研制流程，学会找到解决实际问题的理论方法。

第二级：第一级培养完成之后，对于仍有兴趣参与科研项目且具有进一步深入学习专业能力的学生，经过师生双向选择，可作为非主要成员参与到公开的预研课题中，也可作为主力成员参与实验室基础建设项目，还可作为预备成员加入紫丁香微纳卫星学生团队，参与其承担的微纳卫星研制。经过第二级培养，学生能够熟悉项目的研制流程，具备独立解决实际问题的基本能力，具有良好的团队合作意识。

第三级：经过第二级培养，学生对航天事业有较好的认识，也有责任心和良好的独立解决实际问题的专业能力。具有良好的团队合作意识的学生，经过师生双向选择，可作为核心成员参与到公开的预研课题中，也可加入紫丁香微纳卫星学生团队，作为主力成员参与其承担的微纳卫星研制，还可作为主力成员参与到公开的型号项目中。

4.实施方式

在项目理论背景指导方面，可针对性地参与到学科的各个學术小组中，每周开展学术讨论;在项目技术指导方面，由具体负责项目实施的责任教师指导。教师所在团队的责任教师对学生有指导的义务，教师所在项目组的项目负责人教师对学生也有指导的义务。学生参与的项目由项目负责人统一管理和指导。

五、基于项目的培养模式的应用成效

采用基于项目的培养模式，给学生最大的自由参与到项目中，有利于提升学生的学习兴趣，激发学生的创新能力，引导但不束缚学生的创新思想。这一培养模式的应用取得了如下成效。

1.组建紫丁香微纳卫星学生团队

2015年9月20日，我国首颗由高校学子自主设计、研制、管控的微纳卫星“紫丁香二号”发射成功。“紫丁香二号”微纳卫星研发团队依托本学科，凝聚了学校飞行器设计、力学、计算机科学与技术、控制工程、机械工程、通信工程、电气工程、热能工程这8个学科的本科生、硕士研究生和博士研究生，包括韦明川等16位骨干技术人员，吸纳了40多名学生参与设计与研制，是一支学科交叉的学生队伍。

“紫丁香二号”微纳卫星中多个分系统部组件由学生独立完成设计，包括满足国际立方星标准电子模块8件，以及UHF双圆极化天线和VHF可展开天线，如图 3所示。地面测控站以及手持式接收设备均采用低成本高成熟度业余无线电（UHF，VHF，L）设备自主搭建，并实现了因特网数据共享，提高了测控时空覆盖性，大幅提高了卫星管控效率并降低了地面测控成本。

紫丁香系列微纳卫星的研制与管理方式，是本学科以科研项目为驱动，以学生学习成效为导向，提高办学质量，增强创造活力，培养航天专业相关学科高层次人才的一次新探索，取得了优异成果。2015年，紫丁香小卫星团队获第十四届“挑战杯”全国及黑龙江省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。2016年初，紫丁香学生微纳卫星团队被评为“小平科技创新团队”。 此后，该团队又独立研制了“紫丁香一号”微纳卫星，参与研制了全球首个独立完成地月转移、近月制动、环月飞行的微卫星“龙江二号”。

2.组织学生积极开展社会实践活动

本学科积极营造大学生创新实践氛围，广泛组织各类创新实践活动。例如成功组织了2018阿斯图中俄大学生微纳卫星研习营活动，中俄双方达成了合作研制小卫星星座系统的初步协议;承办了2016中俄小卫星创新设计大赛。此外，还是亚太空间合作组织（APSCO）大学小卫星项目（SSS）的牵头单位之一，是国际QB50项目和国内一箭20星计划的主要参与单位。

3.组织学生积极参与创新创业大赛

本学科学生在各类创新创业大赛中取得优异成绩，共荣获“全国科研类航空航天模型锦标赛”、“飞航杯”全国未来飞行器设计大赛、第一届“巽翼杯”黑龙江省未来飞行器设计比赛一等奖、第一届“新丝路杯”中国研究生未来飞行器创新大赛等重要赛事奖项30余项。

综上，本学科面向国家对航天工程领域领军人才的需求，以创新实践能力培养为主线，以国际一流科学研究为依托，通过校企联合和国际协作，建立“研究型、个性化、精英式”工程领军人才培养体系，培养基础理论扎实、工程能力强，具有国际视野的航天创新型人才。通过紫丁香系列大学生微纳卫星研制，建立了项目驱动的创新型人才培养新模式，提升了人才培养的国际化水平;依托大科学工程和中俄工科大学联盟，通过举办小卫星研习营、创新设计大赛等构建国际化协作创新与交流平台;联合航天院所建立了全国示范性航天工程领域研究生培养实践基地，推进航天工程领军人才培养。

六、结论

根据航空宇航学科的特点，结合本学科的科研项目特色、研究生导师以及毕业生就业等方面的特色，提出了一种基于科研项目驱动的航空宇航学科高层次创新型人才的培养模式。该模式力求通过激发学生的主观能动性，提升航空宇航学科学生的专业技能，培养出高水平的具有良好专业素养的创新型航天人才。兴趣是最好的老师。教师积极培养学生的科研兴趣，引导学生借助基于项目的学习方法和学习过程，在国家“一带一路”“大力发展航天”“创新创业”“双一流”等良好的社会环境和机遇下，为社会和国家创造更多有较高专业价值的成果。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张晓鹏. 一个“中心”迎挑战 三个“结合”育英才：美国大学创新人才培养模式探析[C]// 中国教育学会比较教育分会第15届学术年会暨庆祝王承绪教授百岁华诞国际学术研讨会，论文集，2010.

[2] 刘荣强， 赵学增， 陈咸兵. 美国航空宇航学科研究生培养模式初探[J]. 教育教学论坛， 2012（1）：21-23.

[3] 周光礼， 黄容霞. 教学改革如何制度化：“以学生为中心”的教育改革与创新人才培养特区在中国的兴起[J]. 高等工程教育研究， 2013（5）：47-56.

[4] 贺玉海，陈永志，杨志勇，等.基于协同创新和科教融合的轮机工程学科创新型人才培养模式研究与实践[J].高教研究与实践，2016（2）：23-28+76.

[5] 莫甲凤. 研究性学习在拔尖创新人才培养中的实现路径：以华南理工大学为例[J]. 高等工程教育研究， 2018（3）：158-164.

[6] 黄明燕， 赵建华. 项目学习研究综述：基于与学科教学融合的视角[J]. 远程教育杂志， 2014（2）：90-98.

[7] 彭长根， 牛坤， 田有亮，等. 基于项目的任务驱动式多层次创新人才培养模式[J]. 高教研究与实践， 2016（4）：39-43+79-80.

[8] 刘景福， 钟志贤. 基于项目的学习（PBL）模式研究[J]. 外国教育研究， 2002（11）：18-22.

[9] 鲁佳. 航天特色工程领军人才培养的探索与实践[J]. 黑龙江科学， 2015（12）：58-59.

[10] 韩莹， 慕岩. 论高校基于项目的创新能力培养体系：以哈尔滨工业大学为例[J]. 黑龙江科技信息， 2016（1）：120.

[责任编辑：庞丹丹]