纵横网络协同赋能的航天类课程特色教研体系构建思考

摘"要：该文以北航卫星测运指控理论及实践课程为引，旨在探讨纵横网络协同赋能的新时代航天类课程特色教研体系的构建方法。纵横网络包括网络纵线和网络横线，其中纵线覆盖高中至研究生阶段的知识技能发展，横线则强调产学研创的深度融合。该文首先定义纵横网络的重要性，并阐述其在航天教研中的应用。然后，详细描述纵横网络协同赋能航天教研的机制与策略，以及作为协同赋能载体的卫星指控大厅的组成、功能和运作模式。特别强调学生主导的卫星指控大厅与商业航天公司资源的联动模式，以及与国产大工业软件的互补关系。其次，提出面向学生“两总”（总设计师、总指挥）培养的、使用卫星指控大厅与真实卫星教具、融合高本研阶段全链条系统性知识框架的新型教学方法。最后，对纵横网络赋能的航天类课程特色教研新体系在新时代所面临的挑战与机遇进行展望。

关键词：纵横网络；卫星测运指控；卫星指控大厅；真实卫星教具；协同赋能

中图分类号：G640"""文献标志码：A"""""文章编号：2096-000X（2024）36-0014-05

Abstract：Thispaper，leveragingthe\"TheoryandPracticeofSatelliteTelemetry，Tracking，andCommand\"courseatBeihangUniversityasacasestudy，delvesintoconstructinganeweracharacteristicteachingandresearchsystemforaerospacecoursesfacilitatedbytheverticalandhorizontalnetwork.Theverticalnetworkspansknowledgeandskilldevelopmentfromhighschooltopostgraduatelevels，whilethehorizontalnetworkemphasizesthedeepintegrationofindustry，academia，research，andinnovation.Thepaperinitiallyelucidatesthesignificanceoftheverticalandhorizontalnetworksandtheirapplicationinaerospaceresearchandeducation.Itthenmeticulouslyoutlinesthemechanismsandstrategiesforthenetwork'ssynergisticempowerment，alongwiththesatellitecommandhall'scomposition，functions，andoperationalmodes，whichserveasthevehicleforthisempowerment.Specialattentionispaidtothestudent-ledsatellitecommandhall'slinkagewithcommercialspacecompanyresourcesanditscomplementaryrelationshipwithdomesticlarge-scaleindustrialsoftware.Subsequently，thepaperintroducesaninnovativeteachingmethodtocultivate\"twototal\"（ChiefDesigner，Commander-in-Chief）students，integratingthesatellitecommandhallwithrealsatelliteteachingaidsandencompassingaholisticknowledgeframeworkspanningundergraduate，graduate，andresearchstages.Finally，thepaperproposesthechallengesandopportunitiesfacedbythecharacteristicteachingandresearchsystemforaerospacecoursesempoweredbytheverticalandhorizontalnetworkinthenewera.

Keywords：verticalandhorizontalnetwork;satellitetelemetrytrackingandcommand;satellitecommandhall;realsatelliteteachingaids;synergisticempowerment

在新时代背景下，卓越工程师的培养成为国家战略的重要组成部分。航空航天领域作为科技创新的前沿，面临着更高的要求和挑战[1]。新时代卓越工程师的培养不仅需要扎实的理论基础，更需要具备解决复杂工程问题的能力、创新思维和实践经验[2]。特别是在航空航天领域，培养具有国际视野和跨学科能力的高素质人才，已成为高等教育的重要目标[3]。

目前，高等院校在航天类课程特色教研方面已经取得了显著进展。各高校通过深化产教融合、校企合作，逐步建立了具有自身特色的航天类课程教研体系[4-6]。例如，北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校在课程设置、教学方法和实践环节上进行了大量探索，形成了独具特色的航天教育模式。然而，随着科技的快速发展，传统的教学模式和方法已难以满足新时代卓越工程师培养的需求，亟需进一步创新和改革[7]。

在新时代航天类课程特色教研中，真实卫星教具和学生版指控大厅的应用逐渐成为趋势。这些新型教学工具不仅提升了学生的实践能力和创新思维，还增强了教学的互动性和趣味性。未来，随着科技的进一步发展，更多高科技教学工具和方法将被引入航天类课程，推动航天教育的不断创新和发展[8-9]。因此，本文以作者在北京航空航天大学设计和讲授的卫星测运指控理论及实践课程为引[10]，探讨了以学生卫星指控大厅、真实卫星教具为载体的纵横网络的内涵与发展，分享了关于纵横网络如何赋能航天类课程特色教研体系建设及其现状和未来发展的思考。

一"面向新时代航天类课程特色教研的纵横网络概述

（一）"纵横网络的定义与重要性

纵横网络是指在教育体系中，通过纵向和横向两个维度的协同发展，构建一个综合性一体化的教育网络。纵向发展指的是，以人才为本的覆盖从高中到大学本科再到研究生的纵线发展，确保学生在不同教育阶段获得连贯和深化的教育体验。横向发展则是指高校与企业资源的深度融合，以航天特色的卫星指控中心以及真实卫星教具为枢纽，建立的覆盖产学研的综合素质能力横向培养体系，促进学生与校企的双向知识传递。纵横网络的构建不仅能够提升教育质量，还能为学生提供更多的实践机会，培养他们的综合素质和创新能力。

（二）"网络纵线：覆盖高中—本科—研究生（高—本—研）的全向知识技能发展线

在构建纵横网络协同赋能的航天类课程特色教研体系中，纵向网络的发展具有深远的战略意义。纵向网络的内涵主要体现在两个层面：首先，它围绕卫星测运指控的专业知识技能教学，旨在搭建一个从高中到本科再到研究生教育的贯通型知识体系和教育链条。这一体系的目的在于确保学生在各个学习阶段能够系统地、连贯地掌握航天领域的基础理论、核心技术和最新发展，从而为他们的学术和职业生涯奠定坚实的基础。其次，纵向网络的内涵还体现在人才培养目标上，即围绕培养总设计师、总指挥等高层次人才的目标，构建一个覆盖理论基础、实践能力、综合素质和战略眼光的人才培养体系。这一体系强调从基础教育阶段开始，培养学生的创新意识、实践能力和领导潜质，使他们能够在未来的航天事业中担任关键角色，推动科技创新和工程实践的深度融合。

在纵向网络中，高中阶段重在激发学生对航天科技的兴趣和热情，本科阶段则侧重于专业知识的系统学习和实践技能的培养，研究生阶段则更加注重创新创业能力的培养和解决复杂工程问题的能力。通过纵向网络，学生能够逐步建立起从基础到前沿、从理论到实践的全面知识结构，为成为航天领域的领军人才打下坚实的基础。

（三）"网络横线：产-学-研-创深度耦合的综合能力素质发展线

在纵横网络协同赋能的航天类课程特色教研体系中，横向网络的构建是实现产教协同资源优化配置和人才培养模式创新的关键。横向网络的内涵主要体现在两个层面：首先，横向网络以学生参与建设的卫星测控大厅为枢纽，以真实卫星为载体，实现了学校与企业之间的深度融合。这种模式可以促进学生理论与实践能力的双循环发展，即学生利用学校和企业的资源快速成长，同时学校和企业借助学生的创新思想和能力，实现对测控大厅软硬件功能的扩展设计和快速迭代，以适应时代的发展需求。通过这种双循环模式，学生的理论和实践操作能力得到显著提升，而企业和学校也在学生的创新推动下，获得最新的教育内容和方法，形成了一个动态的、可持续发展的教育生态系统。其次，在创新创业备受重视、航天产业集群高度依赖创新人才、以及教育培养环节不断前移的新时代背景下，横向网络的构建致力于打造产教融合、产学研创的新赛道、新模式。这一模式涵盖了知识学习、生产实习、研究创新到创业实践的全过程，强调产学研多维能力的养成、训练及实操。

横向网络的构建不仅为学生提供了一个多元化的学习和发展平台，也为学校和企业之间的资源共享和协同创新提供了新的途径。在此过程中，还应注重航天精神和航天思政元素的融入，在增强学生的使命感和责任感的同时，也为学生的全面发展提供了精神砥柱。通过以上模式，学生能够始终秉承着航天强国的初心，在真实的产业环境中学习和成长，直接参与到航天产业的发展中，从而真正成为我国航天科技力量高水平自立自强的人才基石。

二"纵横网络协同赋能航天类课程特色教研的内涵与方法

（一）"协同赋能的机制与策略

协同赋能是指通过政策引导、资源共享、项目合作等方式，实现高校与企业之间的协同发展，提升教育质量和学生培养效果。具体措施包括联合课程开发、共同科研项目、实习实训基地建设等。通过这些措施，可以实现高校与企业之间的资源共享，提升教育资源的利用效率。同时，以校企项目为抓手，可以为学生提供更多的实践机会，提升他们的实践能力和创新能力。

（二）"协同赋能的载体：贯通高—本—研/校-企通用教学的卫星指控大厅

在纵横网络中，教育资源的整合是提升教育质量的重要措施。通过整合教育资源，包括师资、设施、技术等，可以为学生提供更好的教育资源，提升他们的学习效果。同时，通过资源整合，可以实现教育资源的优化配置，提升教育资源的利用效率。此外，通过与企业的合作，可以为高校提供更多的科研支持和人才资源，提升高校的科研水平和教育质量。

1"卫星指控大厅的组成与功能

卫星指控大厅是一个综合性、实践性强的教学平台，旨在培养学生的实际操作能力和综合素质。其组成部分主要包括指挥控制中心、数据处理中心、通信系统和模拟仿真系统。指控大厅主要完成卫星平台的早期测试、日常管理和末期管理三大任务。其中早期测试是为了测试卫星入轨后各项性能指标与总体设计的一致性，测试结果是卫星交付用户和开展业务运行的依据；日常管理是用于完成卫星的遥测监视、遥控发令和异常处理等工作，确保卫星平台正常工作；末期管理完成卫星在寿命末期的离轨控制等工作，避免卫星成为空间碎片、威胁其他在轨航天器的安全。

指控大厅是卫星测运指控系统的重要组成部分，不仅是天地信息交流的中心，也是控制决策的中心。我国第一代指控大厅，以西安卫星测控中心为代表，第二代指控大厅，以北京航天飞行控制中心为代表，第三代指控大厅，以中科院空间应用中心为代表，未来建成的北航指控大厅将作为第四代指控大厅发挥功能。北航指控大厅的建设和运营，是由学生主导和参与，特色便是打造成教师指导、学生自治属性。如果建成，将成为国内首个学生主导的覆盖高本研创全流程的卫星指控大厅，是发展航天类课程特色教研新模式和航天特色纵横网络的重要支撑。

2"学生主导的卫星指控大厅与商业航天公司卫星资源的联动模式

学生主导的卫星指控大厅与商业航天公司测控站以及卫星的联动模式是实现教学与实际应用相结合的重要途径。其主要模式包括任务协同、数据共享、技术支持和联合演练。通过这些联动模式，学生主导的卫星指控大厅能够与商业航天公司测控站和卫星实现紧密合作，提升教学效果和学生的实际操作能力。此外，考虑到北航的卫星数目毕竟有限，还需要依托商业航天公司的卫星进行教学辅助。因此，在指控大厅建设层面，将采用校内校外分级联动、一体化建设的思路，以北京航空航天大学（以下简称“北航”）为例，北航沙河校区主楼某实验室将用于建设校内简易版指控大厅，而淮南APSCO-SSS-1卫星测控站、航天驭星北京测控站等则将承担校外测控地的功能，真正实现校内—校外/学校—企业的指控大厅共建、共享、互联的总体目标。目前已达成与指控大厅联通初步意愿并且可以当做教学对象的卫星包括APSCO-SSS-1和天仪待退役卫星。未来，在学校学院的共同努力下，可操作卫星以及载荷的数量和种类还将进一步丰富。

3"卫星指控大厅与国产大工业软件的相辅相成

卫星指控大厅作为航天任务的“神经中枢”，承担着对卫星进行跟踪、遥测、遥控和数据处理等关键任务。测运指控软件则是实现这些功能的核心工具，它与指控大厅的关系密不可分。测运指控软件通过集成先进的算法和数据处理技术，使得指控大厅能够实时监控卫星状态，快速响应各种情况，确保任务的顺利进行。

发展国产、自主产权的测运指控软件对于国家的航天安全和科技发展至关重要。这不仅能够减少对外部技术的依赖，保障国家安全，还能够促进国内相关技术的发展和产业的升级。特别是在当前国际形势下，自主研发的软件成为了国家战略需求。目前北航现有的APSCO-SSS-1测控软件属于定制化软件，界面不友好，功能比较单一，不具有通用的教学属性。比较成熟的西安卫星测控中心、北京航天飞行控制中心的测控软件并不对外提供。航天驭星等商业测控公司，开发了比较成熟的测控软件。因此，联合商业航天公司如航天驭星公司，打造具有完备功能的遥测遥控、故障监测、综合显示、态势展示、任务规划、轨道确定、姿轨控制、星座扩展和数据管理等学生可以全程开源编码并进行功能维护、扩展、更新的专用版测控软件，具有重要意义。

进而，学生主导的国产自研测运指控软件开发具有两大特点和三大优点：在特点方面，一是学生团队更加注重创新和灵活性，二是软件的开放性和可扩展性更强；在优点方面，首先它能够激发学生的创新精神和实践能力，为国家培养未来的航天人才；其次，这种软件的开发过程本身就是一个学习和探索的过程，有助于推动教育与实践的结合，提高教育质量；最后，学生团队的参与还能够促进产学研的深度融合，加速科研成果的转化。

（三）"协同赋能的中枢：面向“两总”人才的融合卫星指控大厅与真实卫星教具的新型教学方法

1"教学目标——培养德才兼备的学生“两总”人才

在航天领域，卫星测运指控总设计师和总指挥扮演着至关重要的角色，他们不仅需要具备深厚的专业知识，还需要具备卓越的领导力和决策能力。利用纵横网络培养这些人才的总体目标是打造一个既精通技术又具备战略眼光的复合型人才队伍。这一目标旨在通过整合教育资源、实践经验和技术创新，培养出能够适应未来航天测运指控网络智能化、一体化发展趋势的高级人才。具体而言，这些人才应能够：①掌握航天测运指控网络的核心技术和发展趋势；②具备跨学科的知识结构，能够在航天工程、控制学科等领域进行交叉研究；③拥有国际视野，能够理解和应用国际先进的航天技术和管理经验；④具备创新思维和解决问题的能力，能够在复杂多变的航天任务中做出快速而准确的决策。

卫星测运指控纵横网络在培养总设计师和总指挥方面具有以下优势：①纵横网络能够整合不同学科的教育资源，为学生提供跨学科的学习平台；②通过与航天院所和商业航天公司的合作，学生能够在真实的卫星测运指控案例中学习和实践，这种实战经验对于培养总设计师和总指挥的应急处理能力和决策能力至关重要；③纵横网络鼓励技术创新和研究，学生可以在校企导师的指导下参与到国家重点工程项目和商业航天前沿技术研究中，这种经历能够激发学生的创新思维，培养他们解决复杂问题的能力。

2覆盖高—本—研的课程大纲和知识体系构想

在构建一个覆盖高中、本科、研究生乃至创新创业实践的课程大纲和知识体系时，体系的设计原理和方法需要重点关注以下四个方面。

1）连贯性和递进性课程设计。课程设计应确保从高中到研究生阶段的知识是连贯和递进的。在高中阶段，重点应放在基础科学知识的普及和兴趣培养上，为学生打下坚实的数学、物理和计算机科学基础。进入本科阶段，课程应逐渐引入专业基础课程，如卫星动力学、控制理论、航天器设计等，以及实践性较强的课程，如卫星测运指控模拟实验。研究生阶段则更侧重于深入研究和创新能力的培养，课程设计应包括高级专题研讨、科研项目实践等，以促进学生在特定领域的深入探索和创新思维的培养。

2）系统性知识图谱设计。知识图谱的设计是构建这一体系的关键。它应包括从基础科学知识到专业核心知识，再到前沿研究领域的广泛知识节点。这些节点通过关系连接，形成一个结构化的知识网络。在高中阶段，知识图谱应侧重于基础知识的普及；本科阶段则扩展到专业核心知识的深入；研究生阶段则进一步扩展到包括跨学科研究和创新实践的前沿领域。这样的知识图谱设计有助于学生系统地理解和掌握所需知识，同时也为教师提供了一个清晰的教学指导框架。

3）四层知识框架体系建设。知识框架体系的建设需要考虑如何将知识图谱中的知识点有机地整合到课程大纲中。这一框架体系应包括四个层次。基础层次，包括数学、物理、计算机科学等基础学科知识，为学生提供必要的理论支撑；专业层次，涵盖卫星测运指控领域的专业核心知识，如航天器控制、轨道力学、通信系统等；前沿层次，包括最新的研究成果和发展趋势，鼓励学生进行创新研究和实践；实践层次，通过实验、实习、项目实践等方式，让学生将理论知识应用于实际问题解决中。

3多要素深度融合的航天教学新方法

培养贯通高—本—研全阶段的“两总”人才需要在上一节提出的知识体系构想基础上，进行教学方法层面的创新以实现产教研创等多维度深度融合。因此，提出面向卫星测运指控领域的一体化项目驱动混合式教学方法，它深度融合了学生主导的测控大厅和覆盖高中至研究生阶段的知识体系。其内涵在于通过项目驱动的方式，将理论知识与实践技能相结合，实现学生从高中到研究生阶段的连贯学习体验；其核心在于项目的选择与设计、学习资源的整合、教学活动的组织与实施、以及评价与反馈机制的建立。

三纵横网络赋能的航天类课程特色教研新体系在新时代的挑战与机遇

随着纵横网络协同赋能的航天类课程特色教研体系的引入与构建，我们站在了一个崭新的教育发展前沿。在这一体系中，纵向网络的发展勾勒出了一条从基础教育到高等教育的连贯路径，而横向网络的构建则揭示了教育、产业与研究之间的深度融合范式。这种融合不仅为学生提供了一个多元化的学习和发展平台，也为学校和企业之间的资源共享、协同创新提供了新的途径。然而，我们也必须清醒地认识到，随着科技的快速发展和教育需求的不断变化，教研体系也面临着前所未有的挑战。如何保持教育内容的前沿性、如何提升教育方法的创新性、如何加强教育体系的适应性，都是需要深入思考和不断探索的问题。

技术革新的快速迭代要求新时代航天教研不断融入如人工智能、大模型、大数据等前沿技术，以保持教育内容、方法和载体的先进性。同时，全球航天领域竞争的加剧也促使我们的教育体系必须培养出兼具国际视野、国家荣誉感和国际竞争力的人才。在以真实卫星教具和高校版卫星指控大厅为载体的智能一体化航天测运指控纵横网络的发展中，关于高—本—研/产-学-研-创的贯通式教研方法路仍需不断完善，并且跟随时代特征走出一条特色之路。同时，在这些危机与挑战中，还需要关注新机遇和新动力，比如商业航天的蓬勃发展，它不仅为航天产业注入了新的活力，也为航天教育提供了新的合作和研究机会；再如，人类命运共同体下的国际科研合作的深化让资源与成果共享、关键技术的迭代速度越来越快，如何利用新手段确保教研体系、教研内容、教研方法和教研载体的高频率高水平更迭和向前发展是提升教研水平、建立新体系的原始动力。

展望未来，航天类课程特色教研的发展趋势指向了跨学科融合的课程体系构建，以及提升了学生综合运用知识解决复杂问题的能力。产教融合与协同指导的实施，将优质科研成果和行业技术资源转化为人才培养能力。这些发展趋势不仅指明了前进的方向，也为应对挑战、抓住机遇提供了思想策略。在这一过程中，保持创新力和活力继续进行高质量高水平探索和实践，是在航天教研领域取得更大突破和进展的根基。

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基金项目：国家自然科学基金青年基金“太空紧急事件下航天器姿轨/操控双耦合动力学与控制研究”（12202025）

第一作者简介：李林澄（1994-），男，汉族，湖南株洲人，博士，助理教授。研究方向为航天器在轨服务动力学与控制。

*通信作者：徐明（1981-），男，汉族，安徽宿州人，博士，教授，副院长，博士研究生导师。研究方向为航天器动力学与控制。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.36.004