縱橫網絡協同賦能的航天類課程特色教研體系構建思考

摘"要：該文以北航衛星測運指控理論及實踐課程為引，旨在探討縱橫網絡協同賦能的新時代航天類課程特色教研體系的構建方法。縱橫網絡包括網絡縱線和網絡橫線，其中縱線覆蓋高中至研究生階段的知識技能發展，橫線則強調產學研創的深度融合。該文首先定義縱橫網絡的重要性，并闡述其在航天教研中的應用。然后，詳細描述縱橫網絡協同賦能航天教研的機制與策略，以及作為協同賦能載體的衛星指控大廳的組成、功能和運作模式。特別強調學生主導的衛星指控大廳與商業航天公司資源的聯動模式，以及與國產大工業軟件的互補關系。其次，提出面向學生“兩總”（總設計師、總指揮）培養的、使用衛星指控大廳與真實衛星教具、融合高本研階段全鏈條系統性知識框架的新型教學方法。最后，對縱橫網絡賦能的航天類課程特色教研新體系在新時代所面臨的挑戰與機遇進行展望。

關鍵詞：縱橫網絡；衛星測運指控；衛星指控大廳；真實衛星教具；協同賦能

中圖分類號：G640"""文獻標志碼：A"""""文章編號：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

在新時代背景下，卓越工程師的培養成為國家戰略的重要組成部分。航空航天領域作為科技創新的前沿，面臨著更高的要求和挑戰[1]。新時代卓越工程師的培養不僅需要扎實的理論基礎，更需要具備解決復雜工程問題的能力、創新思維和實踐經驗[2]。特別是在航空航天領域，培養具有國際視野和跨學科能力的高素質人才，已成為高等教育的重要目標[3]。

目前，高等院校在航天類課程特色教研方面已經取得了顯著進展。各高校通過深化產教融合、校企合作，逐步建立了具有自身特色的航天類課程教研體系[4-6]。例如，北京航空航天大學、哈爾濱工業大學等高校在課程設置、教學方法和實踐環節上進行了大量探索，形成了獨具特色的航天教育模式。然而，隨著科技的快速發展，傳統的教學模式和方法已難以滿足新時代卓越工程師培養的需求，亟需進一步創新和改革[7]。

在新時代航天類課程特色教研中，真實衛星教具和學生版指控大廳的應用逐漸成為趨勢。這些新型教學工具不僅提升了學生的實踐能力和創新思維，還增強了教學的互動性和趣味性。未來，隨著科技的進一步發展，更多高科技教學工具和方法將被引入航天類課程，推動航天教育的不斷創新和發展[8-9]。因此，本文以作者在北京航空航天大學設計和講授的衛星測運指控理論及實踐課程為引[10]，探討了以學生衛星指控大廳、真實衛星教具為載體的縱橫網絡的內涵與發展，分享了關于縱橫網絡如何賦能航天類課程特色教研體系建設及其現狀和未來發展的思考。

一"面向新時代航天類課程特色教研的縱橫網絡概述

（一）"縱橫網絡的定義與重要性

縱橫網絡是指在教育體系中，通過縱向和橫向兩個維度的協同發展，構建一個綜合性一體化的教育網絡?？v向發展指的是，以人才為本的覆蓋從高中到大學本科再到研究生的縱線發展，確保學生在不同教育階段獲得連貫和深化的教育體驗。橫向發展則是指高校與企業資源的深度融合，以航天特色的衛星指控中心以及真實衛星教具為樞紐，建立的覆蓋產學研的綜合素質能力橫向培養體系，促進學生與校企的雙向知識傳遞。縱橫網絡的構建不僅能夠提升教育質量，還能為學生提供更多的實踐機會，培養他們的綜合素質和創新能力。

（二）"網絡縱線：覆蓋高中—本科—研究生（高—本—研）的全向知識技能發展線

在構建縱橫網絡協同賦能的航天類課程特色教研體系中，縱向網絡的發展具有深遠的戰略意義。縱向網絡的內涵主要體現在兩個層面：首先，它圍繞衛星測運指控的專業知識技能教學，旨在搭建一個從高中到本科再到研究生教育的貫通型知識體系和教育鏈條。這一體系的目的在于確保學生在各個學習階段能夠系統地、連貫地掌握航天領域的基礎理論、核心技術和最新發展，從而為他們的學術和職業生涯奠定堅實的基礎。其次，縱向網絡的內涵還體現在人才培養目標上，即圍繞培養總設計師、總指揮等高層次人才的目標，構建一個覆蓋理論基礎、實踐能力、綜合素質和戰略眼光的人才培養體系。這一體系強調從基礎教育階段開始，培養學生的創新意識、實踐能力和領導潛質，使他們能夠在未來的航天事業中擔任關鍵角色，推動科技創新和工程實踐的深度融合。

在縱向網絡中，高中階段重在激發學生對航天科技的興趣和熱情，本科階段則側重于專業知識的系統學習和實踐技能的培養，研究生階段則更加注重創新創業能力的培養和解決復雜工程問題的能力。通過縱向網絡，學生能夠逐步建立起從基礎到前沿、從理論到實踐的全面知識結構，為成為航天領域的領軍人才打下堅實的基礎。

（三）"網絡橫線：產-學-研-創深度耦合的綜合能力素質發展線

在縱橫網絡協同賦能的航天類課程特色教研體系中，橫向網絡的構建是實現產教協同資源優化配置和人才培養模式創新的關鍵。橫向網絡的內涵主要體現在兩個層面：首先，橫向網絡以學生參與建設的衛星測控大廳為樞紐，以真實衛星為載體，實現了學校與企業之間的深度融合。這種模式可以促進學生理論與實踐能力的雙循環發展，即學生利用學校和企業的資源快速成長，同時學校和企業借助學生的創新思想和能力，實現對測控大廳軟硬件功能的擴展設計和快速迭代，以適應時代的發展需求。通過這種雙循環模式，學生的理論和實踐操作能力得到顯著提升，而企業和學校也在學生的創新推動下，獲得最新的教育內容和方法，形成了一個動態的、可持續發展的教育生態系統。其次，在創新創業備受重視、航天產業集群高度依賴創新人才、以及教育培養環節不斷前移的新時代背景下，橫向網絡的構建致力于打造產教融合、產學研創的新賽道、新模式。這一模式涵蓋了知識學習、生產實習、研究創新到創業實踐的全過程，強調產學研多維能力的養成、訓練及實操。

橫向網絡的構建不僅為學生提供了一個多元化的學習和發展平臺，也為學校和企業之間的資源共享和協同創新提供了新的途徑。在此過程中，還應注重航天精神和航天思政元素的融入，在增強學生的使命感和責任感的同時，也為學生的全面發展提供了精神砥柱。通過以上模式，學生能夠始終秉承著航天強國的初心，在真實的產業環境中學習和成長，直接參與到航天產業的發展中，從而真正成為我國航天科技力量高水平自立自強的人才基石。

二"縱橫網絡協同賦能航天類課程特色教研的內涵與方法

（一）"協同賦能的機制與策略

協同賦能是指通過政策引導、資源共享、項目合作等方式，實現高校與企業之間的協同發展，提升教育質量和學生培養效果。具體措施包括聯合課程開發、共同科研項目、實習實訓基地建設等。通過這些措施，可以實現高校與企業之間的資源共享，提升教育資源的利用效率。同時，以校企項目為抓手，可以為學生提供更多的實踐機會，提升他們的實踐能力和創新能力。

（二）"協同賦能的載體：貫通高—本—研/校-企通用教學的衛星指控大廳

在縱橫網絡中，教育資源的整合是提升教育質量的重要措施。通過整合教育資源，包括師資、設施、技術等，可以為學生提供更好的教育資源，提升他們的學習效果。同時，通過資源整合，可以實現教育資源的優化配置，提升教育資源的利用效率。此外，通過與企業的合作，可以為高校提供更多的科研支持和人才資源，提升高校的科研水平和教育質量。

1"衛星指控大廳的組成與功能

衛星指控大廳是一個綜合性、實踐性強的教學平臺，旨在培養學生的實際操作能力和綜合素質。其組成部分主要包括指揮控制中心、數據處理中心、通信系統和模擬仿真系統。指控大廳主要完成衛星平臺的早期測試、日常管理和末期管理三大任務。其中早期測試是為了測試衛星入軌后各項性能指標與總體設計的一致性，測試結果是衛星交付用戶和開展業務運行的依據；日常管理是用于完成衛星的遙測監視、遙控發令和異常處理等工作，確保衛星平臺正常工作；末期管理完成衛星在壽命末期的離軌控制等工作，避免衛星成為空間碎片、威脅其他在軌航天器的安全。

指控大廳是衛星測運指控系統的重要組成部分，不僅是天地信息交流的中心，也是控制決策的中心。我國第一代指控大廳，以西安衛星測控中心為代表，第二代指控大廳，以北京航天飛行控制中心為代表，第三代指控大廳，以中科院空間應用中心為代表，未來建成的北航指控大廳將作為第四代指控大廳發揮功能。北航指控大廳的建設和運營，是由學生主導和參與，特色便是打造成教師指導、學生自治屬性。如果建成，將成為國內首個學生主導的覆蓋高本研創全流程的衛星指控大廳，是發展航天類課程特色教研新模式和航天特色縱橫網絡的重要支撐。

2"學生主導的衛星指控大廳與商業航天公司衛星資源的聯動模式

學生主導的衛星指控大廳與商業航天公司測控站以及衛星的聯動模式是實現教學與實際應用相結合的重要途徑。其主要模式包括任務協同、數據共享、技術支持和聯合演練。通過這些聯動模式，學生主導的衛星指控大廳能夠與商業航天公司測控站和衛星實現緊密合作，提升教學效果和學生的實際操作能力。此外，考慮到北航的衛星數目畢竟有限，還需要依托商業航天公司的衛星進行教學輔助。因此，在指控大廳建設層面，將采用校內校外分級聯動、一體化建設的思路，以北京航空航天大學（以下簡稱“北航”）為例，北航沙河校區主樓某實驗室將用于建設校內簡易版指控大廳，而淮南APSCO-SSS-1衛星測控站、航天馭星北京測控站等則將承擔校外測控地的功能，真正實現校內—校外/學?！髽I的指控大廳共建、共享、互聯的總體目標。目前已達成與指控大廳聯通初步意愿并且可以當做教學對象的衛星包括APSCO-SSS-1和天儀待退役衛星。未來，在學校學院的共同努力下，可操作衛星以及載荷的數量和種類還將進一步豐富。

3"衛星指控大廳與國產大工業軟件的相輔相成

衛星指控大廳作為航天任務的“神經中樞”，承擔著對衛星進行跟蹤、遙測、遙控和數據處理等關鍵任務。測運指控軟件則是實現這些功能的核心工具，它與指控大廳的關系密不可分。測運指控軟件通過集成先進的算法和數據處理技術，使得指控大廳能夠實時監控衛星狀態，快速響應各種情況，確保任務的順利進行。

發展國產、自主產權的測運指控軟件對于國家的航天安全和科技發展至關重要。這不僅能夠減少對外部技術的依賴，保障國家安全，還能夠促進國內相關技術的發展和產業的升級。特別是在當前國際形勢下，自主研發的軟件成為了國家戰略需求。目前北航現有的APSCO-SSS-1測控軟件屬于定制化軟件，界面不友好，功能比較單一，不具有通用的教學屬性。比較成熟的西安衛星測控中心、北京航天飛行控制中心的測控軟件并不對外提供。航天馭星等商業測控公司，開發了比較成熟的測控軟件。因此，聯合商業航天公司如航天馭星公司，打造具有完備功能的遙測遙控、故障監測、綜合顯示、態勢展示、任務規劃、軌道確定、姿軌控制、星座擴展和數據管理等學生可以全程開源編碼并進行功能維護、擴展、更新的專用版測控軟件，具有重要意義。

進而，學生主導的國產自研測運指控軟件開發具有兩大特點和三大優點：在特點方面，一是學生團隊更加注重創新和靈活性，二是軟件的開放性和可擴展性更強；在優點方面，首先它能夠激發學生的創新精神和實踐能力，為國家培養未來的航天人才；其次，這種軟件的開發過程本身就是一個學習和探索的過程，有助于推動教育與實踐的結合，提高教育質量；最后，學生團隊的參與還能夠促進產學研的深度融合，加速科研成果的轉化。

（三）"協同賦能的中樞：面向“兩總”人才的融合衛星指控大廳與真實衛星教具的新型教學方法

1"教學目標——培養德才兼備的學生“兩總”人才

在航天領域，衛星測運指控總設計師和總指揮扮演著至關重要的角色，他們不僅需要具備深厚的專業知識，還需要具備卓越的領導力和決策能力。利用縱橫網絡培養這些人才的總體目標是打造一個既精通技術又具備戰略眼光的復合型人才隊伍。這一目標旨在通過整合教育資源、實踐經驗和技術創新，培養出能夠適應未來航天測運指控網絡智能化、一體化發展趨勢的高級人才。具體而言，這些人才應能夠：①掌握航天測運指控網絡的核心技術和發展趨勢；②具備跨學科的知識結構，能夠在航天工程、控制學科等領域進行交叉研究；③擁有國際視野，能夠理解和應用國際先進的航天技術和管理經驗；④具備創新思維和解決問題的能力，能夠在復雜多變的航天任務中做出快速而準確的決策。

衛星測運指控縱橫網絡在培養總設計師和總指揮方面具有以下優勢：①縱橫網絡能夠整合不同學科的教育資源，為學生提供跨學科的學習平臺；②通過與航天院所和商業航天公司的合作，學生能夠在真實的衛星測運指控案例中學習和實踐，這種實戰經驗對于培養總設計師和總指揮的應急處理能力和決策能力至關重要；③縱橫網絡鼓勵技術創新和研究，學生可以在校企導師的指導下參與到國家重點工程項目和商業航天前沿技術研究中，這種經歷能夠激發學生的創新思維，培養他們解決復雜問題的能力。

2覆蓋高—本—研的課程大綱和知識體系構想

在構建一個覆蓋高中、本科、研究生乃至創新創業實踐的課程大綱和知識體系時，體系的設計原理和方法需要重點關注以下四個方面。

1）連貫性和遞進性課程設計。課程設計應確保從高中到研究生階段的知識是連貫和遞進的。在高中階段，重點應放在基礎科學知識的普及和興趣培養上，為學生打下堅實的數學、物理和計算機科學基礎。進入本科階段，課程應逐漸引入專業基礎課程，如衛星動力學、控制理論、航天器設計等，以及實踐性較強的課程，如衛星測運指控模擬實驗。研究生階段則更側重于深入研究和創新能力的培養，課程設計應包括高級專題研討、科研項目實踐等，以促進學生在特定領域的深入探索和創新思維的培養。

2）系統性知識圖譜設計。知識圖譜的設計是構建這一體系的關鍵。它應包括從基礎科學知識到專業核心知識，再到前沿研究領域的廣泛知識節點。這些節點通過關系連接，形成一個結構化的知識網絡。在高中階段，知識圖譜應側重于基礎知識的普及；本科階段則擴展到專業核心知識的深入；研究生階段則進一步擴展到包括跨學科研究和創新實踐的前沿領域。這樣的知識圖譜設計有助于學生系統地理解和掌握所需知識，同時也為教師提供了一個清晰的教學指導框架。

3）四層知識框架體系建設。知識框架體系的建設需要考慮如何將知識圖譜中的知識點有機地整合到課程大綱中。這一框架體系應包括四個層次?；A層次，包括數學、物理、計算機科學等基礎學科知識，為學生提供必要的理論支撐；專業層次，涵蓋衛星測運指控領域的專業核心知識，如航天器控制、軌道力學、通信系統等；前沿層次，包括最新的研究成果和發展趨勢，鼓勵學生進行創新研究和實踐；實踐層次，通過實驗、實習、項目實踐等方式，讓學生將理論知識應用于實際問題解決中。

3多要素深度融合的航天教學新方法

培養貫通高—本—研全階段的“兩總”人才需要在上一節提出的知識體系構想基礎上，進行教學方法層面的創新以實現產教研創等多維度深度融合。因此，提出面向衛星測運指控領域的一體化項目驅動混合式教學方法，它深度融合了學生主導的測控大廳和覆蓋高中至研究生階段的知識體系。其內涵在于通過項目驅動的方式，將理論知識與實踐技能相結合，實現學生從高中到研究生階段的連貫學習體驗；其核心在于項目的選擇與設計、學習資源的整合、教學活動的組織與實施、以及評價與反饋機制的建立。

三縱橫網絡賦能的航天類課程特色教研新體系在新時代的挑戰與機遇

隨著縱橫網絡協同賦能的航天類課程特色教研體系的引入與構建，我們站在了一個嶄新的教育發展前沿。在這一體系中，縱向網絡的發展勾勒出了一條從基礎教育到高等教育的連貫路徑，而橫向網絡的構建則揭示了教育、產業與研究之間的深度融合范式。這種融合不僅為學生提供了一個多元化的學習和發展平臺，也為學校和企業之間的資源共享、協同創新提供了新的途徑。然而，我們也必須清醒地認識到，隨著科技的快速發展和教育需求的不斷變化，教研體系也面臨著前所未有的挑戰。如何保持教育內容的前沿性、如何提升教育方法的創新性、如何加強教育體系的適應性，都是需要深入思考和不斷探索的問題。

技術革新的快速迭代要求新時代航天教研不斷融入如人工智能、大模型、大數據等前沿技術，以保持教育內容、方法和載體的先進性。同時，全球航天領域競爭的加劇也促使我們的教育體系必須培養出兼具國際視野、國家榮譽感和國際競爭力的人才。在以真實衛星教具和高校版衛星指控大廳為載體的智能一體化航天測運指控縱橫網絡的發展中，關于高—本—研/產-學-研-創的貫通式教研方法路仍需不斷完善，并且跟隨時代特征走出一條特色之路。同時，在這些危機與挑戰中，還需要關注新機遇和新動力，比如商業航天的蓬勃發展，它不僅為航天產業注入了新的活力，也為航天教育提供了新的合作和研究機會；再如，人類命運共同體下的國際科研合作的深化讓資源與成果共享、關鍵技術的迭代速度越來越快，如何利用新手段確保教研體系、教研內容、教研方法和教研載體的高頻率高水平更迭和向前發展是提升教研水平、建立新體系的原始動力。

展望未來，航天類課程特色教研的發展趨勢指向了跨學科融合的課程體系構建，以及提升了學生綜合運用知識解決復雜問題的能力。產教融合與協同指導的實施，將優質科研成果和行業技術資源轉化為人才培養能力。這些發展趨勢不僅指明了前進的方向，也為應對挑戰、抓住機遇提供了思想策略。在這一過程中，保持創新力和活力繼續進行高質量高水平探索和實踐，是在航天教研領域取得更大突破和進展的根基。

參考文獻：

[1]宋樹豐，劉鋒，胡寧.黨的二十大精神指引航空航天類教學的實踐探索[J].高教學刊，2024，10（S2）：27-30.

[2]劉燕斌.航天特色背景下控制工程專業研究生教研一體化的培養策略[J].教育現代化，2017（37）：1-2.

[3]丁丹.民商航天資源教學運用探索與實踐[J].高教學刊，2024，10（2）：79-83.

[4]王理想，廖永紅，劉丹欣.基于云邊網一體化的泛在智慧教學空間研究[J].中國教育信息化，2021（19）：66-70.

[5]張進，楊震，羅亞中，等.“航天任務分析與設計”實踐教學改革研究[J].教育教學論壇，2022（31）：133-136.

[6]時偉，陳濺來，楊德貴，等.航空航天背景下自動控制原理課程思政教學設計與實踐[J].高教學刊，2023，9（11）：5-8.

[7]康曉娟，劉貝貝，楊波.基于“教、學、評”一體化的教學實踐——以“載人航天器中的化學電源”為例[J].中學化學教學參考，2023（17）：17-20.

[8]韓艷鏵.航天控制專業方向本碩貫通培養模式和課程體系的思考[J].教育教學論壇，2015（44）：254-256.

[9]黃崇湘，郭鳳嬌，程乾，等.基于“場景-案例式”教學的航空航天課程設計與實踐[C]//第四屆全國高等學校航空航天類專業教育教學研討會論文集，2022.

[10]徐明，李林澄，孫秀聰，等.關于“衛星測運指控理論及實踐”課程教學的思考[C]//第五屆全國高等學校航空航天類專業教育教學研討會論文集，2023.

基金項目：國家自然科學基金青年基金“太空緊急事件下航天器姿軌/操控雙耦合動力學與控制研究”（12202025）

第一作者簡介：李林澄（1994-），男，漢族，湖南株洲人，博士，助理教授。研究方向為航天器在軌服務動力學與控制。

*通信作者：徐明（1981-），男，漢族，安徽宿州人，博士，教授，副院長，博士研究生導師。研究方向為航天器動力學與控制。

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