航空宇航學科卓越工程人才培養探索與實踐

［摘 要］ 針對航空宇航學科卓越工程人才培養問題，開展面向綜合能力提升的航空宇航專業精品課程設計與教學方法研究，包括以人為本的多元化項目實踐設計研究、學科競賽驅動的綜合創新能力培養研究和工程需求牽引的理論創新能力培養研究等四方面；探索和發展課程、實踐和項目驅動的CDIO科教融合育人新模式，嘗試打造“精品課程+項目實踐+競賽鍛煉+總結創新”的全鏈條全周期人才培養方法，為航空宇航專業卓越工程人才培養提供新思路、新方法、新實踐。

［關鍵詞］ 工程人才；新工科；航空宇航

［基金項目］ 2021年度哈爾濱工業大學本科教育教學改革研究項目“科創教學結合探索航空宇航學科新型人才培養模式”（XJG202102）；2023年度廣東省教育科研項目“航空宇航專業卓越工程人才培養探索與實踐”（2023GXJK681）

［作者簡介］ 岳程斐（1989—），男，山西陽泉人，博士，哈爾濱工業大學（深圳）空天科技學院副教授，博士生導師，主要從事航天器高性能控制和大規模星座管控研究；劉 明（1981—），男，吉林長春人，博士，哈爾濱工業大學航天學院教授，博士生導師，主要從事基于人工智能的航天器故障診斷、網絡化控制等研究；陳雪芹（1982—），女，四川廣元人，博士，哈爾濱工業大學航天學院研究員，博士生導師，主要從事航天器故障診斷與控制系統設計研究。

［中圖分類號］ G640 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）39-0081-04 ［收稿日期］ 2023-09-05

一、背景

2018年10月8日，教育部、工業和信息化部、中國工程院發布《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》指出，以新工科建設為重要抓手，持續深化工程教育改革，加快培養適應和引領新一輪科技革命和產業變革的卓越工程科技人才，打造世界工程創新中心和人才高地，提升國家硬實力和國際競爭力［1］。

“十四五”規劃將高端裝備制造、衛星互聯網等設定為新型基礎設施建設和未來產業的重要組成部分。因此，航空宇航專業人才的培養成為未來產業健康發展的關鍵一環。哈爾濱工業大學（以下簡稱哈工大）作為我國傳統工科強校，以其“立足航天、服務國防、長于工程”的辦學特色［2］，為我國國防事業培養了一大批人才。一校三區中的哈爾濱工業大學（深圳）也繼承了校本部傳統的工科優勢，立足廣東發展實際，重點建設發展了空間科學與技術學科，并于2021年入選廣東省新一輪高等教育“沖一流、補短板、強特色”提升計劃，形成了“空間科學、空間技術、空間應用”相融合的特色學科體系。

結合和圍繞我國國防需求，以及傳統航空宇航科學與技術相關學科的辦學特色，深入開展卓越工程人才培養探索和實踐，完善和創新人才培養體系，為國家和社會輸送航天專業技能強、基本理論和基礎知識扎實、工程實踐能力強的航天領軍人才。

結合不同學科特色，深入開展教育方法設計、探索與創新，是高等教育教學改革創新的重要研究方向。航空宇航專業知識理論性強，通常深奧難懂，如不能結合工程實踐開展教學，很容易造成理論與實踐的脫節。結合航空宇航學科的特色，重視學生課外實踐和參與工程項目環節，在現有的各類教學模式基礎上，把基于項目和競賽的實踐環節引入學生培養過程，探索“注重基礎、加強應用、追蹤前沿、實踐創新”的人才培養模式，培養德才兼備、理論與實踐并重、具有前瞻性引領性的卓越工程人才，對完善高等教育教學方法和人才培養模式具有重要的學術價值。

二、基于CDIO的工程人才培養模式

（一）卓越工程師教育培養計劃

2010年6月23日，教育部在天津召開“卓越工程師教育培養計劃”啟動會，聯合有關部門和行業協（學）會，共同實施“卓越工程師教育培養計劃”。2013年6月19日，我國加入《華盛頓協議》，成為該組織第21個成員，2016年6月成為正式成員。

目前，第一批和第二批卓越計劃實施高校共194所，第三批共433個本科專業、126個研究生專業。哈爾濱工業大學是第一批“卓越工程師教育培養計劃”實施高校。

（二）哈工大航空宇航學科的工程人才培養模式

結合哈爾濱工業大學“厚基礎、強實踐、重創新”的人才培養特色，哈工大航空宇航科學與技術學科的科教團隊在曹喜濱院士帶領下，將創新創業教育、工程人才培養融入人才培養體系，從本科入學宣講到博士畢業進入航天單位工作，貫穿人才本碩博培養全過程；依托高水平科研優勢與本學科良好的科研條件，以及紫丁香微納衛星創新工場這樣的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工程領軍人才［3］。團隊所培養的航空宇航學科相關專業的本科生，獨立設計與研制完成了紫丁香系列微納衛星中多個部組件，目前衛星在軌工作狀態良好，圓滿完成了飛行任務。該學生團隊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”。紫丁香微納衛星學生團隊被評為“小平科技創新團隊”、第二十四屆“中國青年五四獎章集體”等。

與此同時，探索和發展了紫丁香微納衛星研制與管理模式，在培養航天專業相關高層次人才、工程人才方面取得了優異成果。由曹喜濱院士領銜完成的“科教融合培養航天領域工程領軍人才的創新與實踐”榮獲中國學位與研究生教育學會研究生教育成果一等獎，“3M模式培養航天領域新時代卓越工程師的創新與實踐”榮獲高等教育（研究生）國家級教學成果二等獎，激發了大批有志青年投身祖國的航天事業。

（三）CDIO模式

圍繞工程能力模式，美國斯坦福大學采用“開環大學”（open loop university）模式，以及“先能力后知識”的“軸翻轉”教學方式和“目標性學習”（purpose learning）模式支撐學生的職業發展［4］；美國麻省理工學院發布“新工程教育轉型”（new engineering education transformation， NEET）計劃，造就能夠引領未來產業界和社會發展的工程領軍人才。同時，麻省理工學院聯合瑞典皇家工學院、瑞典查爾摩斯工業大學和瑞典林雪平大學共同創立了CDIO，即構思（conceive）、設計（design）、實施（implement）、運行（operate）“四位一體”的工程教育改革模式。該模式強調在“四位一體”的全周期活動過程中，學生通過主動、實踐的方式進行系統構建，獲得勝任各個環節的能力，也成為當代工程教育改革的一種方法。

我國從2005年起引入CDIO模式，進行了本土化改革和創新，先后發展了EIP-CDIO模式、CDIO-OBE模式、TOPCARES-CDIO模式、SE-CDIO模式等多種模式，為工程人才培養的實施提供了指引。

2010年全國第一次CDIO工程教育模式試點工作會議在京召開，哈爾濱工業大學作為CDIO工程教育聯盟成員單位，十余年來持續開展基于CDIO的工程人才培養，取得了豐碩成果。在通信類專業已開展有CDIO理念與研究生培養的實踐研究，在土木工程類專業已建設有CDIO特色課程體系，并與國外多所大學開展了學分互認，并在威海校區機械工程類專業開展了基于CDIO工程模式的實踐教學改革。這些成果為哈爾濱工業大學（深圳）航空宇航學科開展CDIO特色的卓越工程師培養提供了直接參考。

三、基于CDIO的工程人才培養模式設計

CDIO的工程人才培養模式，同樣適用于航空航天人才的培養。通過探索和發展課程、實踐和項目驅動的CDIO科教融合育人新模式，嘗試打造“精品課程+項目實踐+競賽鍛煉+總結創新”的全鏈條全周期人才培養模式，為航空宇航專業卓越工程人才提供新思路、新方法、新實踐。

（一）解決航空宇航專業理論與實踐相脫節的難題

結合CDIO“四位一體”的設計思路，從課程設置環節的構思（conceive）與設計（design），到項目實踐上的有效實施（implement）和運行（operate），以及成果總結階段的學術論文和專利文本的寫作，開展項目團隊協同、項目中凝練科學問題、工程實踐能力協同培養。通過在課程設計中融入航天科技發展的前沿技術和熱點，并結合工程實踐開展課程內容講授，解決授課內容陳舊，理論偏離工程應用，學生積極性不高和所培養學生“眼高手低”的問題；同時在工程實踐和論文寫作中加強理論創新能力培養和鍛煉，解決工程實踐能力強，理論創新水平低的問題。通過“理論講授、工程實踐、理論總結”的模式，兼顧學生基礎理論學習、新技術新理論學習、新型網絡工具學習、工程項目實施過程學習等過程，培養理論水平高、實踐能力強的卓越工程人才。

（二）解決個人技術技能發展和團隊需求不能兼顧的難題

以多元化項目實踐和團隊學科競賽鍛煉為抓手實現個人創新能力和團隊協作能力的綜合培養。通過學生能力分析，在選題方面通過構思（conceive）與設計（design）設置多元化的課題類型，實現以人為本的個性化培養和個人能力提升，解決現有人才培養過程中學生差異化培養不足的問題；通過學科競賽的形式實施（implement）和運行（operate），讓學生自行組建比賽團隊，并在項目進程中培養學生團隊協作能力，解決學生個性突出、協作不足的難題。通過項目實踐和學科競賽，培養和發掘學生不同潛質，針對性地培養學生領導能力，培養個人素質過硬、團隊領導能力突出的卓越工程領軍人才。

綜上，圍繞“精品課程+項目實踐+競賽鍛煉+總結創新”全鏈條全周期人才培養模式展開，探索和發展課程、實踐和項目驅動的CDIO科教融合育人新模式，如圖1所示。具體而言，可采取的方法如下。

面向綜合能力提升的航空宇航專業精品課程設計與教學方法研究。系統梳理航空宇航專業工程人才能力要素，針對性地在課題組教師負責的“航天器總體設計”“航天器姿態動力學與控制”“天文觀測與導航”“先進控制概論”等課程中融入工程案例和工程實踐要素，將理論知識與工程實踐相結合，探索面向綜合能力提升的課程設計與教學方法，打造面向航空宇航專業人才培養的系列精品課程，例如“航天器總體設計”“航天器姿態動力學與控制”“航天器軌道動力學與控制”等課程。持續追蹤前沿技術和熱點，將前沿熱點和工程實踐內容融入課程設計與教學：緊密圍繞深空探測、地月空間建設、可重復使用運載器、低軌互聯網星座建設等前沿和熱點，剖析其中所蘊含的技術難點和科學問題，并將其引入課程設計。通過專業基礎知識、科技前沿、工程案例的有機結合，培養學生的綜合能力。

以人為本的多元化項目實踐設計研究。合理評估學生的興趣點和所能勝任的任務類型，有針對性地設計不同學生所能參與的項目實踐和選題，充分調動學生參與項目的熱情，并在實踐中鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。充分利用教師隊伍“空間科學、空間技術、空間應用”全覆蓋的隊伍優勢，設置多元化、多學科交叉的工程實踐內容，探索以人為本的個性化實踐育人方法。充分考慮學生個人興趣與基本科學素養，因人設題，最大化激發學生學習興趣和科研潛力。邀請領域內知名專家學者和一線型號任務總師，開展類別豐富的講座，理論聯系實際，拓寬學生視野，充實學生對所從事項目實踐和課題研究的認知，激發學生創造力。同時，開展學科交叉試點項目實踐，培養學生的綜合創新能力。

學科競賽驅動的綜合創新能力培養研究。合理組織配置學生隊伍，通過學科競賽的形式，實踐和豐富CDIO全周期育人模式。通過“選題立項構思、項目方案設計、關鍵節點攻關和項目實施、項目運行評估、成果總結提煉”，激發學生參與工程項目的積極性，培養學生從工程項目中凝練和分析科學問題、解決科學問題及其應用的能力。以學科競賽為牽引，結合參與的項目內容和學生專業特長，由學生自行組建競賽隊伍，通過“選題立項構思、項目方案設計、關鍵節點攻關和項目實施、項目運行評估、成果總結提煉”全過程引導，培養學生在團隊中的責任心，為責任心極強和專業技術過硬的學生提供更多參與機會，培養其在團隊中的領導能力。對絕大多數學生，則對其在團隊中的工作進行合理分工，激發其學習興趣使其能夠主動承擔相應的科研內容，培養“發現問題、分析問題、解決問題”的工程實踐能力。

工程需求牽引的理論創新能力培養。貫徹落實“需求牽引、突破瓶頸”的人才培養要求，從工程需求和實踐中凝練科學問題，并將其與學術論文寫作以及專利申請結合起來，提升學生理論創新能力和水平。同時，在工程實踐中，注重培養學生歸納總結能力，通過論文撰寫、專利申請、參加學術會議進行口頭報告等多種形式，凝練總結科研創新成果，取得創新型理論成果。

結語

根據CDIO科教融合育人新模式，給出了基于“精品課程+項目實踐+競賽鍛煉+總結創新”的全鏈條全周期人才培養方法設計思路，為解決航空宇航專業人才培養過程中專業理論與實踐相脫節、個人能力培養和團隊能力培養不能兼顧的難題提供了有效方法。

參考文獻

［1］教育部 工業和信息化部 中國工程院關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見：教高〔2018〕3號［A/OL］.（2018-10-08）［2023-08-05］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.

［2］韓杰才.響應時代需求 推進卓越工程師培養的供給側改革［J］.學位與研究生教育，2022（11）：1-8.

［3］王峰，曹喜濱，孫兆偉，等.航空宇航學科創新型人才培養模式探索：以哈爾濱工業大學為例［J］.大學教育，2019（10）：146-149+179.

［4］周珂，金仁東，柯紅巖，等.新工科背景下卓越工程人才培養實踐體系建設［J］.教育教學論壇，2020（7）：213-216.

Exploration and Practice of Training Excellent Engineering Talents

in Aeronautical and Astronautical Discipline

YUE Cheng-fei1， LIU Ming2， CHEN Xue-qin2

（1. School of Aerospace Science， Harbin Institute of Technology（Shenzhen）， Shenzhen， Guangdong 518055， China; 2. School of Astronautics， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： In view of the training of excellent engineering talents in aeronautical and astronautical discipline， aiming at the improvement of comprehensive ability， four aspects of research were carried out， which include research on the design and teaching methods of excellent courses for aerospace specialty， the practice design of diversified people-oriented projects， the cultivation of comprehensive innovation ability driven by discipline competition， and the training of theoretical innovation ability of engineering demand traction. This paper aims to explore and develop a new model of CDIO science and education integration driven by curriculum， practice and project， tries to create a whole-chain and whole-cycle talent training method of “excellent courses + project practice + competition training + summary innovation”， and provide new ideas， new methods and new practices for excellent engineering talents in aeronautical and astronautical discipline.

Key words： engineering talents; emerging engineering education; aeronautical and astronautical