航空宇航学科卓越工程人才培养探索与实践

［摘 要］ 针对航空宇航学科卓越工程人才培养问题，开展面向综合能力提升的航空宇航专业精品课程设计与教学方法研究，包括以人为本的多元化项目实践设计研究、学科竞赛驱动的综合创新能力培养研究和工程需求牵引的理论创新能力培养研究等四方面；探索和发展课程、实践和项目驱动的CDIO科教融合育人新模式，尝试打造“精品课程+项目实践+竞赛锻炼+总结创新”的全链条全周期人才培养方法，为航空宇航专业卓越工程人才培养提供新思路、新方法、新实践。

［关键词］ 工程人才；新工科；航空宇航

［基金项目］ 2021年度哈尔滨工业大学本科教育教学改革研究项目“科创教学结合探索航空宇航学科新型人才培养模式”（XJG202102）；2023年度广东省教育科研项目“航空宇航专业卓越工程人才培养探索与实践”（2023GXJK681）

［作者简介］ 岳程斐（1989—），男，山西阳泉人，博士，哈尔滨工业大学（深圳）空天科技学院副教授，博士生导师，主要从事航天器高性能控制和大规模星座管控研究；刘 明（1981—），男，吉林长春人，博士，哈尔滨工业大学航天学院教授，博士生导师，主要从事基于人工智能的航天器故障诊断、网络化控制等研究；陈雪芹（1982—），女，四川广元人，博士，哈尔滨工业大学航天学院研究员，博士生导师，主要从事航天器故障诊断与控制系统设计研究。

［中图分类号］ G640 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 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、工业和信息化部、中国工程院发布《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》指出，以新工科建设为重要抓手，持续深化工程教育改革，加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才，打造世界工程创新中心和人才高地，提升国家硬实力和国际竞争力［1］。

“十四五”规划将高端装备制造、卫星互联网等设定为新型基础设施建设和未来产业的重要组成部分。因此，航空宇航专业人才的培养成为未来产业健康发展的关键一环。哈尔滨工业大学（以下简称哈工大）作为我国传统工科强校，以其“立足航天、服务国防、长于工程”的办学特色［2］，为我国国防事业培养了一大批人才。一校三区中的哈尔滨工业大学（深圳）也继承了校本部传统的工科优势，立足广东发展实际，重点建设发展了空间科学与技术学科，并于2021年入选广东省新一轮高等教育“冲一流、补短板、强特色”提升计划，形成了“空间科学、空间技术、空间应用”相融合的特色学科体系。

结合和围绕我国国防需求，以及传统航空宇航科学与技术相关学科的办学特色，深入开展卓越工程人才培养探索和实践，完善和创新人才培养体系，为国家和社会输送航天专业技能强、基本理论和基础知识扎实、工程实践能力强的航天领军人才。

结合不同学科特色，深入开展教育方法设计、探索与创新，是高等教育教学改革创新的重要研究方向。航空宇航专业知识理论性强，通常深奥难懂，如不能结合工程实践开展教学，很容易造成理论与实践的脱节。结合航空宇航学科的特色，重视学生课外实践和参与工程项目环节，在现有的各类教学模式基础上，把基于项目和竞赛的实践环节引入学生培养过程，探索“注重基础、加强应用、追踪前沿、实践创新”的人才培养模式，培养德才兼备、理论与实践并重、具有前瞻性引领性的卓越工程人才，对完善高等教育教学方法和人才培养模式具有重要的学术价值。

二、基于CDIO的工程人才培养模式

（一）卓越工程师教育培养计划

2010年6月23日，教育部在天津召开“卓越工程师教育培养计划”启动会，联合有关部门和行业协（学）会，共同实施“卓越工程师教育培养计划”。2013年6月19日，我国加入《华盛顿协议》，成为该组织第21个成员，2016年6月成为正式成员。

目前，第一批和第二批卓越计划实施高校共194所，第三批共433个本科专业、126个研究生专业。哈尔滨工业大学是第一批“卓越工程师教育培养计划”实施高校。

（二）哈工大航空宇航学科的工程人才培养模式

结合哈尔滨工业大学“厚基础、强实践、重创新”的人才培养特色，哈工大航空宇航科学与技术学科的科教团队在曹喜滨院士带领下，将创新创业教育、工程人才培养融入人才培养体系，从本科入学宣讲到博士毕业进入航天单位工作，贯穿人才本硕博培养全过程；依托高水平科研优势与本学科良好的科研条件，以及紫丁香微纳卫星创新工场这样的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工程领军人才［3］。团队所培养的航空宇航学科相关专业的本科生，独立设计与研制完成了紫丁香系列微纳卫星中多个部组件，目前卫星在轨工作状态良好，圆满完成了飞行任务。该学生团队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”。紫丁香微纳卫星学生团队被评为“小平科技创新团队”、第二十四届“中国青年五四奖章集体”等。

与此同时，探索和发展了紫丁香微纳卫星研制与管理模式，在培养航天专业相关高层次人才、工程人才方面取得了优异成果。由曹喜滨院士领衔完成的“科教融合培养航天领域工程领军人才的创新与实践”荣获中国学位与研究生教育学会研究生教育成果一等奖，“3M模式培养航天领域新时代卓越工程师的创新与实践”荣获高等教育（研究生）国家级教学成果二等奖，激发了大批有志青年投身祖国的航天事业。

（三）CDIO模式

围绕工程能力模式，美国斯坦福大学采用“开环大学”（open loop university）模式，以及“先能力后知识”的“轴翻转”教学方式和“目标性学习”（purpose learning）模式支撑学生的职业发展［4］；美国麻省理工学院发布“新工程教育转型”（new engineering education transformation， NEET）计划，造就能够引领未来产业界和社会发展的工程领军人才。同时，麻省理工学院联合瑞典皇家工学院、瑞典查尔摩斯工业大学和瑞典林雪平大学共同创立了CDIO，即构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）、运行（operate）“四位一体”的工程教育改革模式。该模式强调在“四位一体”的全周期活动过程中，学生通过主动、实践的方式进行系统构建，获得胜任各个环节的能力，也成为当代工程教育改革的一种方法。

我国从2005年起引入CDIO模式，进行了本土化改革和创新，先后发展了EIP-CDIO模式、CDIO-OBE模式、TOPCARES-CDIO模式、SE-CDIO模式等多种模式，为工程人才培养的实施提供了指引。

2010年全国第一次CDIO工程教育模式试点工作会议在京召开，哈尔滨工业大学作为CDIO工程教育联盟成员单位，十余年来持续开展基于CDIO的工程人才培养，取得了丰硕成果。在通信类专业已开展有CDIO理念与研究生培养的实践研究，在土木工程类专业已建设有CDIO特色课程体系，并与国外多所大学开展了学分互认，并在威海校区机械工程类专业开展了基于CDIO工程模式的实践教学改革。这些成果为哈尔滨工业大学（深圳）航空宇航学科开展CDIO特色的卓越工程师培养提供了直接参考。

三、基于CDIO的工程人才培养模式设计

CDIO的工程人才培养模式，同样适用于航空航天人才的培养。通过探索和发展课程、实践和项目驱动的CDIO科教融合育人新模式，尝试打造“精品课程+项目实践+竞赛锻炼+总结创新”的全链条全周期人才培养模式，为航空宇航专业卓越工程人才提供新思路、新方法、新实践。

（一）解决航空宇航专业理论与实践相脱节的难题

结合CDIO“四位一体”的设计思路，从课程设置环节的构思（conceive）与设计（design），到项目实践上的有效实施（implement）和运行（operate），以及成果总结阶段的学术论文和专利文本的写作，开展项目团队协同、项目中凝练科学问题、工程实践能力协同培养。通过在课程设计中融入航天科技发展的前沿技术和热点，并结合工程实践开展课程内容讲授，解决授课内容陈旧，理论偏离工程应用，学生积极性不高和所培养学生“眼高手低”的问题；同时在工程实践和论文写作中加强理论创新能力培养和锻炼，解决工程实践能力强，理论创新水平低的问题。通过“理论讲授、工程实践、理论总结”的模式，兼顾学生基础理论学习、新技术新理论学习、新型网络工具学习、工程项目实施过程学习等过程，培养理论水平高、实践能力强的卓越工程人才。

（二）解决个人技术技能发展和团队需求不能兼顾的难题

以多元化项目实践和团队学科竞赛锻炼为抓手实现个人创新能力和团队协作能力的综合培养。通过学生能力分析，在选题方面通过构思（conceive）与设计（design）设置多元化的课题类型，实现以人为本的个性化培养和个人能力提升，解决现有人才培养过程中学生差异化培养不足的问题；通过学科竞赛的形式实施（implement）和运行（operate），让学生自行组建比赛团队，并在项目进程中培养学生团队协作能力，解决学生个性突出、协作不足的难题。通过项目实践和学科竞赛，培养和发掘学生不同潜质，针对性地培养学生领导能力，培养个人素质过硬、团队领导能力突出的卓越工程领军人才。

综上，围绕“精品课程+项目实践+竞赛锻炼+总结创新”全链条全周期人才培养模式展开，探索和发展课程、实践和项目驱动的CDIO科教融合育人新模式，如图1所示。具体而言，可采取的方法如下。

面向综合能力提升的航空宇航专业精品课程设计与教学方法研究。系统梳理航空宇航专业工程人才能力要素，针对性地在课题组教师负责的“航天器总体设计”“航天器姿态动力学与控制”“天文观测与导航”“先进控制概论”等课程中融入工程案例和工程实践要素，将理论知识与工程实践相结合，探索面向综合能力提升的课程设计与教学方法，打造面向航空宇航专业人才培养的系列精品课程，例如“航天器总体设计”“航天器姿态动力学与控制”“航天器轨道动力学与控制”等课程。持续追踪前沿技术和热点，将前沿热点和工程实践内容融入课程设计与教学：紧密围绕深空探测、地月空间建设、可重复使用运载器、低轨互联网星座建设等前沿和热点，剖析其中所蕴含的技术难点和科学问题，并将其引入课程设计。通过专业基础知识、科技前沿、工程案例的有机结合，培养学生的综合能力。

以人为本的多元化项目实践设计研究。合理评估学生的兴趣点和所能胜任的任务类型，有针对性地设计不同学生所能参与的项目实践和选题，充分调动学生参与项目的热情，并在实践中锻炼学生分析问题、解决问题的能力。充分利用教师队伍“空间科学、空间技术、空间应用”全覆盖的队伍优势，设置多元化、多学科交叉的工程实践内容，探索以人为本的个性化实践育人方法。充分考虑学生个人兴趣与基本科学素养，因人设题，最大化激发学生学习兴趣和科研潜力。邀请领域内知名专家学者和一线型号任务总师，开展类别丰富的讲座，理论联系实际，拓宽学生视野，充实学生对所从事项目实践和课题研究的认知，激发学生创造力。同时，开展学科交叉试点项目实践，培养学生的综合创新能力。

学科竞赛驱动的综合创新能力培养研究。合理组织配置学生队伍，通过学科竞赛的形式，实践和丰富CDIO全周期育人模式。通过“选题立项构思、项目方案设计、关键节点攻关和项目实施、项目运行评估、成果总结提炼”，激发学生参与工程项目的积极性，培养学生从工程项目中凝练和分析科学问题、解决科学问题及其应用的能力。以学科竞赛为牵引，结合参与的项目内容和学生专业特长，由学生自行组建竞赛队伍，通过“选题立项构思、项目方案设计、关键节点攻关和项目实施、项目运行评估、成果总结提炼”全过程引导，培养学生在团队中的责任心，为责任心极强和专业技术过硬的学生提供更多参与机会，培养其在团队中的领导能力。对绝大多数学生，则对其在团队中的工作进行合理分工，激发其学习兴趣使其能够主动承担相应的科研内容，培养“发现问题、分析问题、解决问题”的工程实践能力。

工程需求牵引的理论创新能力培养。贯彻落实“需求牵引、突破瓶颈”的人才培养要求，从工程需求和实践中凝练科学问题，并将其与学术论文写作以及专利申请结合起来，提升学生理论创新能力和水平。同时，在工程实践中，注重培养学生归纳总结能力，通过论文撰写、专利申请、参加学术会议进行口头报告等多种形式，凝练总结科研创新成果，取得创新型理论成果。