國際競賽牽引下的航天創新能力培養模式探究

劉 睿， 周 軍， 郭建國

（西北工業大學微小衛星技術及應用國家和地方聯合工程實驗室，西安 710072）

0 引 言

航天科技人才的創新能力，是決定一個國家在國際航天競爭和世界總格局中地位的重要因素之一，航天創新性人才資源是航天科技創新的根本點。《中國中長期教育發展規劃綱要（2010-2020年）》明確提出：要著重培養大學生的創新能力和解決實際問題的動手實踐能力［1］。創新性航天人才培養依然是當前航天專業培養的重要議題。然而，由于航天專業的特殊性和我國傳統航天專業教育模式的封閉性，造成我國航天創新性人才及創新能力與國際先進水平有較大差距。研究航天創新人才培養模式具有十分重要的現實意義［2-6］。

近年來，各類學科和專業競賽層出不窮，通過競賽培養學生的創新思維和創新技能已經獲得了教育行業的共識［7-16］。微小衛星國際競賽作為航天相關領域學科交叉融合和交流競技的有效平臺，在培養學生創新性、實踐能力、團隊協作能力、拓寬國際視野等方面具有很好的牽引作用。正確把握微小衛星國際競賽的功能定位，同時充分發揮競賽平臺在創新人才培養中的作用，值得認真思考和探索并在實踐中不斷完善。

現提煉多年舉辦微小衛星國際競賽及培養航天專業學生參加創新實踐競賽的指導經驗，以培養具備科學思維、系統思維、創新思維和分析解決問題能力的全方位復合型航天創新人才為目標，探索微小衛星國際競賽牽引下的“國際競賽-實踐培訓-成果驗證”三位一體有機結合的航天創新實踐能力培養模式。

1 微小衛星國際競賽的功能定位

微小衛星國際競賽的作用是搭建微小衛星設計與應用交流平臺，為世界各地航天高校學生提供相互交流學習與應用航天知識開展創新實踐的機會，吸引全球高校學生參與，帶動國際高校空間合作深入發展。競賽以“多元交流，實踐創新”為指導思想，旨在通過競賽激發我國航天專業高校學生探索航天的熱情，通過在國際競賽平臺上與世界各國學生同臺競技的過程，加強理論知識應用能力、創新能力、工程實踐能力、合作精神和國際視野的提升，挖掘學生創新潛能。即微小衛星國際競賽的功能定位是在學生具備基本理論知識和初步實踐技能的基礎上，通過國際競賽平臺作為載體來進一步加強實踐能力，并激發學生創新意識、合作意識、拓寬其國際視野。而要達到這個目的，必須以國際競賽為牽引，探究體系化的航天創新實踐能力培養模式，并開展培養模式的實踐。

1.1 微小衛星國際競賽的核心價值

目前微小衛星競賽多以立方星為對象來開展。立方星是指一種低成本納衛星，具有低成本、模塊化、開發周期短的特點，尤其適合作為學生創新實踐的研究對象。標準的立方星采用的是“1U”架構，即體積為10 cm×10 cm×10 cm，在此基礎上，立方星可進行升級、擴增為“2U”（20 cm×10 cm×10 cm）和“3U”（30 cm×10 cm×10 cm）的立方星。圖1所示為典型2U立方星及其模塊化組件示意圖。

圖1 2U立方星圖示意

參加微小衛星國際競賽的各國學生都需要選擇競賽命題開展方案設計、數學仿真、物理仿真、實物裝配、試驗驗證分析等任務，然后提交研究報告給舉辦方初選，進入決賽的隊伍攜帶實物參加現場英文答辯和演示，同世界各國進入決賽的選手同臺現場競技。競賽命題方向包括：

（1）微小衛星平臺總體設計，主要面向立方星為代表的模塊化、標準化微小衛星平臺設計。

（2）微小衛星組件設計，主要面向立方星標準化組件設計，如飛輪、磁力矩器、太陽敏感器、電源系統等。

（3）微小衛星任務設計，探索微小衛星可以開展的各種空間任務設想、機構設計。

（4）微小衛星載荷設計，基于立方星結構，開展標準化科學與應用載荷設計與試驗。

從該競賽的過程可以看出，設計環節考查了學生的創新能力和理論知識的實際應用能力；數學仿真、物理仿真、實物裝配、試驗驗證等任務考查了學生工程實踐能力和分析解決問題的能力；這些任務都必須以團隊合作的形式才能完成，因此也考驗了學生的團隊協作能力；現場競技環節考查了學生的臨場應變能力和國際交流能力。因此，在微小衛星國際競賽中要取得好的成績，選手必須具備創新能力、實踐能力、協作能力、文檔整理能力、國際交流能力等綜合實力，是對學生綜合創新實踐能力的全方位考評。

1.2 微小衛星國際競賽培養航天創新實踐能力的途徑

微小衛星國際競賽是培養航天相關專業學生創新實踐能力的重要途徑，在創新實踐能力培養中的作用主要體現在4個方面：

（1）微小衛星國際競賽鼓勵學生提出新的探索性問題，培養學生在學習和實踐中提出問題的意識，能夠訓練學生的創新思維和創新意識，提高創新能力。

（2）微小衛星國際競賽的選題具有發散性和交叉性的特點，學生在完成選題的過程中，需要對前期理論課程知識進行深化和拓展，還需要利用網絡、文獻資料等資源開展自主學習和研究，指導教師也需要通過啟發性的教育方式來促使學生學會自主思考，獨立分析，綜合判斷，以找到解決問題的方法。在這個過程中，學生的創新能力會得到極大的鍛煉和提高。

（3）微小衛星國際競賽注重物理仿真、實物裝配、試驗驗證等實踐環節的考核。學生將理論研究通過動手實踐轉化為實際成果的過程，既是對自己前期理論分析的驗證總結，也是重新發現問題、解決問題的機會。在這個過程中，學生創新實踐能力可得到進一步提升。

（4）國際競賽平臺對學生的國際化標準文檔撰寫、英文答辯、現場表現等的要求，對提升學生表達交流能力、國際視野，應變能力都有很大的幫助。

微小衛星國際競賽具有高度的專業性和綜合性，對學生的理論知識、學習能力、創新能力、實踐能力、交流能力、合作能力等均提出了很高的要求。因此，必須以國際競賽為牽引，探索系統性的“國際競賽-實踐培訓-成果驗證”三位一體有機結合的航天創新實踐能力培養模式，才能保障競賽功能定位的實現。

2 微小衛星國際競賽牽引下的航天創新實踐能力培養模式

2.1 航天創新實踐能力培養模式

微小衛星技術及應用國家和地方聯合工程實驗室的“微小衛星及應用團隊”作為國家創新人才推進計劃重點領域創新團隊，一直致力于探索航天創新實踐人才培養的模式。多年來舉辦過多次微小衛星國際競賽，并將大賽舉辦與學生培訓緊密結合，通過培訓活動為學生提供系統的微小衛星任務保障支持。同時，通過微小衛星科研項目與大學生國際星座計劃等方式將學生優秀成果應用于在軌任務中，為優秀作品提供發射上天的機會，使得其成果得到驗證。構建了“國際競賽-實踐培訓-成果驗證”三位一體有機結合的航天創新實踐能力培養模式，如圖2所示。即以舉辦微小衛星國際競賽為牽引，以系統性的微小衛星實踐技能培訓為助推，最后通過在軌任務對優秀成果進行驗證，拓展學生科研體驗，促進學生產生更好的創新想法和思路，進而為下一輪競賽創造基礎，從而不斷提高競賽水準，形成完整的創新人才能力提升培養模式。

圖2 三位一體航天創新實踐能力培養模式

(1)以微小衛星國際競賽項目為載體。微小衛星國際競賽是學生根據所學的基礎理論知識，在充分調研和學習相關拓展知識和交叉學科知識的基礎上，提出探索性的創新想法，并通過競賽過程實踐的過程。學生完成競賽選題所需要的專業能力和素養是在競賽準備過程中得到積累和提升的，因此，微小衛星國際競賽項目是培養創新實踐人才的重要載體。

(2)以系統性航天創新實踐能力培訓為提升手段。微小衛星國際競賽是對學生學習能力、創新能力、實踐能力、交流能力、合作能力等技能的綜合考察。學生的這些能力在傳統的教學過程中普遍發展得不夠充分，因此需要通過系統性航天創新實踐能力培訓來保證學生所需能力的有效提升。必須抓住與競賽緊密結合的創新實踐能力培訓這一關鍵環節，設計合理、高效培訓課程和體系，補充學生課堂教學與工程實踐之間的空白區域，并通過啟發性的教育方式來促使學生學會自主思考，獨立分析問題，有的放矢地培養學生創新和實踐能力。

(3)通過成果驗證拓展科研體驗，提升競賽水平。微小衛星技術及應用國家和地方聯合工程實驗室利用科研條件優勢，通過微小衛星科研項目與大學生國際星座計劃等方式將學生優秀成果應用于在軌任務中，使得優秀學生可以參與到具體的航天任務中，拓寬了學生的科研體驗范圍，極大促進了學生科研創新的能力和熱情。同時，在任務過程中，學生會對航天任務有更加深入的理解和思考，從而促進創新想法的產生，可以為新一輪的微小衛星國際競賽提供基礎。從而促進微小衛星競賽整體水平的提升，進入航天人才創新實踐能力培養的良性循環。

總之，微小衛星國際競賽、系統性培訓和成果驗證這3者相輔相成，互為促進，在實施到位的前提下，將形成良性循環，是一個較完整的創新人才能力提升培養模式。

2.2 系統性航天創新實踐能力培訓體系

航天創新人才培養模式的落實需要通過系統性的創新實踐能力培訓體系來保證。由于學生課堂教學與工程實踐之間存在空白區域，因此，設計合理、高效的培訓課程來補充和銜接這一空白是需要解決的關鍵問題。結合多年的培訓工作經驗，構建了理論拓展課程、實驗實踐課程及創新實踐課程3類課程構成的培訓課程體系，如圖3所示。

圖3 面向微小衛星國際競賽的創新能力培訓體系

(1)理論拓展課程。由于參加微小衛星國際競賽的學生均是航天相關專業，因此，相關通識課程已經在學校課程培養計劃中完成，培訓中理論課程的任務和目標是查漏補缺，將學校課堂教學的理論知識適當拓展深化，為學生搭建前期知識儲備和實際應用之間的橋梁。主要課程如微小衛星任務設計、衛星姿態與軌道控制、衛星結構與熱控技術、微小衛星電源系統、空間環境對微小衛星中COTS器件的影響等，這些課程均由微小衛星科研一線的老師結合理論與科研經驗梳理打造，力求重點突出、清晰高效，為學生補充課堂學習與實際航天任務實踐需求之間的空白區域。通過理論拓展課程的培訓，可以使學生掌握比較全面的微小衛星總體與分系統創新實踐所需的基礎知識與工程經驗知識。

(2)實驗實踐課程。實驗實踐課程與理論拓展課程同時并行開展。主要目的是補充學生在學校課堂學習中動手實踐方面的短板，學習科研規范和流程。通過提供豐富的微小衛星相關實驗課程，使學生在控制、測試、仿真等方面的實踐能力得到有效鍛煉和提升。主要實驗課程如空間微重力環境下衛星姿態控制實驗、基于STK的軌道仿真實驗、空間機器人控制與軌跡規劃實驗、微小衛星姿態測量敏感器實驗、衛星空間環境實驗、地面站測控實驗等。通過全面系統的實驗實踐課程的學習，學生對微小衛星整體研制過程的實驗流程和規范會有深入的理解，便于學生按照科研規范高質量地設計微小衛星競賽項目的實驗過程和完成實驗分析，進一步提升學生創新實踐能力。

(3)創新實踐課程。創新實踐課程為學生提供具有探索研究價值的實踐課題，課題可以和學生競賽項目相結合。每個課題配備有經驗的培訓教師，學生以組隊方式參加課題，采用任務驅動的教學方法，通過啟發性的教育方式來促使學生學會自主思考，獨立分析問題，有的放矢地培養學生創新和實踐能力。在創新實踐課程進行過程中，學生要自主查閱資料，自主研究方案，自主完成實驗與分析，撰寫符合國際規范的科研報告，同時英文交流展示科研成果。在創新實踐課程中，學生的創新能力、協作能力、實踐能力、國際交流能力均會得到有效提升。

理論拓展課程、實驗實踐課程及創新實踐課程3類課程構成的培訓課程體系層次分明，創新能力和實踐能力的鍛煉程度逐漸增強，同時，鍛煉了學生的協作能力和國際交流能力等軟實力，這也是復合型航天創新人才的必備能力，培訓體系符合微小衛星國際競賽對學生綜合素質的要求。

2.3 成果驗證拓展學生科研體驗

將科研與教學相結合的培養過程，對學生的創新能力和實踐能力的提升大有益處。對于國際競賽中的優秀作品，舉辦方會創造發射和在軌驗證的機會，將學生優秀成果應用于在軌任務中，指導學生深入參與真實的航天任務，在實踐中深入理解和思考航天創新的使命和意義，獲取創新的動力和靈感。

在軌驗證項目主要通過微小衛星科研項目與大學生國際星座計劃等方式來實現。如我校與比利時馮·卡門流體動力學研究所、荷蘭代爾夫特理工大學、英國薩瑞大學空間中心、瑞士洛桑理工學院空間中心、德國萊布尼茲大氣物理學研究所、斯坦福大學等研究機構共同發起的歐盟第七框架協議下的QB50計劃。該項目原計劃在全球范圍高校和研究機構征集50個立方星，實際發射36顆，采用立方星組網方式探測人類尚未深入涉足的低熱層大氣的中性粒子、離子組成等科學項目。此項目已于2017年發射完成，該項目研制主力均為在校學生，為學生作品實現在軌應用與驗證提供了機會。

2018年中國微小衛星大會上，我校發起了“國際大學生立方星星座深空探索計劃”，秉承“在和平利用外空領域加強國際合作，以實現命運共同體愿景，為全人類謀福利與利益”的外空命運共同體理念，引領各國大學和研究機構開展空間合作，并為各國大學生和學者實現空間探索夢想提供機會。充分利用此類衛星計劃項目，為微小衛星國際競賽中的優秀作品創造在軌驗證的機會，使學生參與到航天任務的整個流程中，拓展學生科研體驗，使得學生創新實踐能力實現質的提升。

同時，通過參與航天任務促進創新想法的產生，可以為新一輪的微小衛星國際競賽提供基礎。也有利于微小衛星競賽整體水平的提升。

3 實施措施及成效

3.1 實施措施

(1)舉辦微小衛星國際競賽。我校依托微小衛星技術及應用國家和地方聯合工程實驗室，從2011年開始循序漸進地舉辦了不同級別的微小衛星競賽，從學校級別競賽組織與舉辦開始，發展到省級競賽，如2012年陜西省“翱翔杯”立方星設計大賽和2016年陜西省大學生微小衛星載荷與應用大賽。到國家級競賽，如2015年發起的教育部正式序列中的“中國研究生未來飛行器設計大賽”。逐步積累舉辦競賽的經驗，進而成功舉辦國際級競賽，如2018年的“翱翔杯”立方星及應用創新設計大賽和2019年“亞太空間合作組織”微小衛星大賽，將國際級競賽舉辦規律化常態化，不斷提高競賽規模和水平，為學生提供與世界各國學生同臺交流競技的平臺和機會。

(2)加強國際合作擴大競賽平臺影響力。實驗室與亞太空間合作組織、“一帶一路”航天創新聯盟等國際組織建立了良好的合作關系，和微小衛星相關專業國際高校建立了實質性的國際合作與交流關系，如建立了西北工業大學-（荷蘭）代爾伏特理工大學微小衛星技術聯合研究中心，與德國慕尼黑工業大學聯合申請了微小衛星方向的國家自然科學基金國際合作項目等，這些國際合作可以為擴大微小衛星競賽平臺的國際影響力創造良好的條件。

(3)加強培訓指導教師隊伍建設。競賽牽引的實踐培訓主要以學生夏令營，冬令營，假期短期集訓等方式進行，面向中外學生開展，培訓的目的在于提高學生創新能力、工程實踐能力和國際交流能力。培訓指導教師是競賽活動中的重要保障，建設一支工程經驗豐富、理論知識水平高、國際交流能力強的師資隊伍極為重要。

3.2 實施成效

通過微小衛星國際競賽牽引下的航天創新人才培養模式，學生的實踐創新能力等綜合實力得到了有效提升。培養的學生在微小衛星國際競賽獲獎多項，還獲得了第二屆中國“互聯網＋”大學生創新創業大賽全國總冠軍，工信部“工信創業獎學金”特等獎，陜西首屆研究生創新成果特等獎等多項獎項。此模式作為“創建大學生系統性實踐模式，培育航天創新人才”的一部分成果獲得國家級教學成果獎二等獎。

4 結 語

通過分析微小衛星國際競賽的功能定位及其與培養航天創新實踐能力的相互關系，以微小衛星國際競賽為牽引，構建了“國際競賽-實踐培訓-成果驗證”三位一體有機結合的航天創新實踐能力培養模式。論述了系統性航天創新實踐能力培訓體系與通過成果驗證拓展學生科研體驗的實施方案，對該模式的實施措施進行了總結。該模式的實施效果顯著，對培養航天創新人才起到了積極的作用。