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成果报告

科教融合培养航天领域工程领军人才的创新与实践教学成果报告

一、主要解决的研究生教育实践问题

党的十九大明确提出到2035年我国要跻身世界创新型国家前列,建设航天强国,实现这一战略目标急需培养大批德才兼备的工程领域领军人才。作为科技和产业革命先锋,他们必须具有强烈的社会责任感和奉献精神,具备全局组织领导、知识融合创新、前沿技术预判能力和重大工程实践经验等。针对领军人才的这些特质培养,传统研究生培养模式在教育实践中暴露出诸多问题。

  • 过于注重知识层面的传授,立德树人教育基本停留在宣讲层面,无法让学生在实践环节中通过切身感受实现精神塑造,难以满足领军人才崇高思想境界的培育需求;
  • 过于强调研究成果的创新,创新研究与工程实践环节结合不紧密,许多创新成果难以工程应用;尤其是在培养过程中缺失组织管理等能力训练环节,不能系统性地培养领军人才的综合素质;
  • 传统导师带学生方式不能充分调动学生自主创新的积极性,知识结构相对单一,难以培养多学科知识融合的创新能力;缺少学生自主学术交流与工程实践的手段,不利于深度挖掘和发挥工程领军潜质。

因此,如何结合国家重大发展战略需求,聚焦领军人才培养调整目标定位,探索适应领军人才快速成长的培养模式,成为目前高校研究生教育的一项核心任务。

哈工大作为我国航天领域的重点高校,肩负着培养航天后备人才的重要使命,2010 年率先开始航天领域工程领军人才培养的创新实践。以全面提升领军素质与能力为培养目标,将航天工程组织管理与研制模式有机融入人才培养体系,科教深度融合、德才培育并举、教与学双向激励建立了适应领军人才快速成长的培养模式,并进行了成功实践,取得重大的社会效益,为我国高校工程领域领军人才培养树立了典范。

二、解决实践问题的方法

(1)将立德树人教育放在领军人才培养的首位,创新“依托工程实践传承航天精神”的感悟式教育方法,强化德才并行培养

传统航天精神、“两弹一星”精神和载人航天精神是中国航天从无到有快速发展壮大的灵魂,是民族精神与航天实践相结合形成的宝贵精神财富。习总书记指出:航天战线的同志们秉持航天报国的理想和追求,艰苦奋斗、自强不息、开拓进取,取得了举世瞩目的伟大成就。航天精神是实现领军人才精神塑造的强有力武器。

工程领军人才首先要思想品德过硬,必须在培养环节中把立德树人教育放在首位。为此,提出“依托工程实践传承航天精神”的感悟式教育方法,这也是科教融合实现学生德才并行培养的重要方面。学生通过参与重大工程项目,在工程论证、关键技术攻关、系统协调和对接等过程中与航天领域领军人才直接接触、在工程实践环节中通过具体事例亲身体验以及教师言传身教等,深刻感悟和体会航天精神“爱国敬业、严谨务实、勇于创新、团结协作、无私奉献”的精髓,养成科学严谨的科研作风,有针对性地培育团队意识、创新意识和奉献精神;通过创新成果在工程中应用,工程实施后在国家国防和经济建设中所发挥的重要作用,如2014年发射的“快舟”星箭一体新概念飞行器,创造了从发射准备到投入使用时间最短的国际记录,使我国拥有了空间应急响应能力,使学生深刻感受实现自我价值的荣誉感,极大地增强其航天报国的社会责任感和使命感。

(2)科教深度融合,将工程组织管理与研制模式融入人才培养环节,创立了以综合性培养方案为核心,以学生自主创新实训平台和综合性人才培养支撑平台为依托的“三位一体”工程领军人才培养体系

科教深度融合构建工程领军人才培养体系,主要解决了以下三个方面的核心问题:

1)从机制体制上如何保证科研与教学有机衔接,形成相辅相成、相互促进的科教协同发展氛围

将航天工程组织管理与研制模式有机融入人才培养体系,建立完全由学生充当主角的航天工程研制机构,即学生自主创新实训平台(学生创新工场),按照航天工程组织分工形式设置总设计师、总指挥、分系统设计师等;设立卫星总体、综合电子、通信与控制、结构与热控、能源与推进 5 个研究室和相应的实验室;建立卫星系统仿真、系统装调与综合测试、地面环境试验以及测控与通信模拟站等实践手段;设置40个左右的编制面向全校招收具有航天兴趣和领军潜质的学生组建研发团队。通过自主承担微纳卫星研制任务以及参与学校重大工程研制,在工程中自主凝练科学问题,选题开展论文研究;自主组织多学科交叉的兴趣小组开展学术交流,团队协同解决工程问题;自主开发实验设备和软件,开展相关试验研究;自主进行微纳卫星项目论证、方案设计、系统接口协调、对外联络采购、部组件研制以及卫星的总装、综合测试、地面环境试验和在轨管控等。基于该实训平台实现了学生自主创新、知识融合、工程实践以及组织管理和系统协调等综合能力的全面训练和培养。

这种科教融合模式同时显著提升了科研水平,实现了高水平科研与人才培养的良性循环。近6年学生在工程中凝练解决的科学问题,支撑教师获得了30余项国家级基础科研和重大工程项目(附表1),2项成果获国家技术发明奖、2项成果入选中国高校十大科技进展(附表2)。

2)从课程体系设置上如何按照工程研制需求建立适应学生领军素质全面提升的综合性培养方案

面向航天工程研制需求和学科前沿,在学生创新工场中设置了新概念航天器系统设计、综合电子系统技术、机电热控一体化技术、卫星自主与智能技术以及卫星工程研制技术等 5 个学术方向;针对工程领军人才培养,在原有航天工程研究生培养课程体系(附表3)基础上,以实现卫星技术创新和工程研制为目标,注重理论联系实际,新增现代小卫星前沿技术、卫星自主与智能控制技术、航天器一体化设计、卫星工程组织管理、卫星虚拟装调与试验、星地一体全过程模拟仿真与试验等专题课、创新研修课和创新实践课23门(附表4);由于团队学生来自不同学科,在满足这些学科培养方案要求的前提下,瞄准相关学科的前沿技术,坚持科研成果进课堂的导向,以科研优势助推人才培养,增设反映多学科交叉的教学和实验模块30余件(附表5),形成了以航天工程领军人才培养为主、兼顾多学科应用型研究生培养的综合性培养方案。

3)从研究条件保障上如何将优质科研资源转化为人才培养能力,实现高水平科研与高素质人才培养的资源共享

长期制肘研究型大学的一个瓶颈问题是优质科研资源难以转化为人才培养能力。为此,学校层面整合航空宇航、控制、力学、计算机、机械、电子、信息与通信、电气以及动力工程与工程热物理等 12 个相关学科,创建学生自主创新实训平台,平台归12个学科共有,成果共享。通过对这些学科科研和教学资源的顶层梳理与规划,学校出台相应政策,建立了学科间资源“互通有无、取长补短、科教兼用、共建共享”的机制和管理办法,高起点、低投入建成综合性人才培养保障平台,为工程领军人才培养和多学科交叉培养应用型研究生提供了研究条件保障。

同时,为充分发挥综合性平台的作用,提出并建立了完善的保障办法。

首先是让学生全面参与仪器设备和软件开发,自2010年以来,先后有120 余名研究生参与相应型号的设计、仿真和试验工作,开发建立了20多个基础研究和仿真验证系统。其次是制度保障:如对于商用和通用产品由学生通过二次开发建立专用平台(基于 MATLAB 建立卫星姿态控制研究环境等);针对学生使用大型仪器设备和系统,建立完善的使用要求和操作规范,并定期进行相关培训;对所有仪器设备管理和使用明确学生负责人,建立严格的设备损坏维修与赔偿制度,保证设备完好率。从而实现了价值 1亿余元的仪器设备全面向学生开放,其年平均使用率从仅科研时的30% 左右提高到80%以上。

(3) 突破现有研究生培养定式,强化多学科交叉的团队优势和工程牵引作用,从教和学两方面构建学生自主创新实践的双向激励机制

在当前知识爆炸的背景下,传统的“导师带学生”培养方式日益暴露出知识结构单一、不利于学科交叉培养复合型人才的弊端。同时,这种培养方式是导师教什么,学生就做什么,不能充分调动学生自主创新的兴趣。

为此,学校通过承担重大工程项目为牵引,早在1997年就凝聚航空宇航等12个学科的30余名富有工程实践经验的导师组成团队(附表6),先后获批国家自然基金、教育部、国防科技和科技部重点领域创新团队称号(附表7),建设了4个国家级和5个省部级重点实验室(附表8),相继研制发射了10颗具有国际领先水平的小卫星。以该团队为班底进行科教融合,针对领军人才培养,提出导师跨学科招生、导师团队与学生“多对多”协同指导等培养方法,导师无固定学生,学生也无固定导师,针对工程问题学科界限模糊的特点,由导师团队协同指导学生提高解决工程问题的能力。这种培养方式为学生兴趣驱动自主选题开展创新研究、自主将创新成果工程化应用以及解决工程实践中的多学科交叉问题创造了条件,同时也为工科院校的应用型研究生培养探索出新途径。

目前研究生教育中学生自主创新内生机制的缺失是制约其快速成才的主要原因。让学生自主研制和发射卫星是吸引其自主创新的最大动力,学生可以在工程研制过程中发现问题,自己动手查找资料、通过团队协同攻关或者请教导师团队中相关学科教师解决问题;可以将自己的创新想法、创新成果通过工程化实现用于卫星研制;从工程研制成果中充分享受创新的乐趣,激励其自主创新内生机制的形成。

为培养学生准确掌控前沿技术发展和学术交流能力,将学生创新工场打造成国际化的人才和技术集结高地,面向国内外高校由学生自主开辟了学生微纳卫星技术论坛国际化平台,自主组织定期开展技术交流与合作。目前已促成中俄7所高校联合研制阿斯图微纳卫星,与国内外60 余所高校和学术组织建立了合作关系,如与瑞士无线电爱好者组织联合完成了月面反射信号通信试验等,极大地提升了学术声誉和知名度。同时,与国内航天科研生产单位深度联合,形成了长期稳定的人才培养战略合作体系,与北京宇航系统工程研究所建立了“全国示范性工程专业学位研究生联合培养基地”(附表9)。

这种突破研究生培养定式、教与学双向激励的培养方法,有利于深度挖掘和发挥学生的工程领军潜质,促成领军人才的快速成长。

三、创新点

主动将学校的人才培养与国家发展战略相结合,形成了以“三位一体” 人才培养体系为核心,德才培养并举、教与学双向激励的工程领军人才培养模式,并结合紫丁香系列微纳卫星研制进行了成功实践,取得重大的社会效益,为我国工程领域领军人才培养和工科院校应用型研究生培养提供了可推广的经验。央视网指出:这种培养模式在高校教育方法、管理模式和人才培养创新上有着重要的借鉴意义。

成果的主要创新体现在:

  • 将立德树人教育放在领军人才培养首位,以学生责任感与使命感的培养以及奉献精神的塑造为核心任务,创新提出“依托工程实践传承航天精神”的感悟式教育方法,结合工程实践实现了培养德才兼备工程领军人才的目标。
  • 通过科教深度融合,将工程组织管理与研制模式有机融入人才培养环节,构建了以综合性培养方案为核心,以学生自主创新实训平台和综合性人才培养支撑平台为依托的“三位一体”工程领军人才培养体系,实现了学生自主创新、知识融合、工程实践以及组织管理与系统协调等多种素质与能力的全面训练和系统性培养。
  • 形成了一套突破研究生培养定式的培养方法。摒弃了传统的“导师带学生”培养方式,组建多学科导师团队,创新多学科导师与学生“多对多”协同指导方式,为激励学生自主创新实践创造了条件;通过自主研制和发射卫星,吸引学生自主选题创新研究、自主进行工程实践、自主建立国际化平台开展学术交流与合作,激励学生形成自主创新实践的内生机制,教与学双向激励促成领军人才快速成长。

四、推广应用成果及贡献

(1)由学生自主设计、研制和管控的紫丁香一号和二号微纳卫星相继发射成功,开创了我国高校学生自主研发卫星的先河,实现了学生由参与工程研制到自主完成卫星研制的跨越,工程领军人才培养模式彰显了巨大的优势。央视网、人民网、光明日报、中国教育报等国内几乎所有重要媒体均给予高度赞誉。人民网认为:这是为培养新一代复合型优秀航天人才所做的创新与尝试;中国教育报评论指出:长期以来,我国高校在学生创新精神和创新能力培养方面有所欠缺,教学方法和人才培养模式陈旧落后,类似于放卫星上天这样的成绩太少了。紫丁香系列微纳卫星的研制和管理模式,是学校以学生学习成效为导向,提高办学质量,增强创新活力,培养航天高层次人才的一次新尝试。

(2)学生获全国青少年科技创新奖等国家级科技奖励(一等奖及以上)24项(附表10),获大学生“小平科技创新团队”称号;导师团队获全国首届黄大年式教师团队称号,曹喜滨获首届全国创新争先奖状;新增专题课、创新研修课和创新实践课23门,制定不断反映学科前沿技术的课件30余件,实践期内获批10项省级及以上教学立项(附表11),获省部级教学成果奖励5项(附表12)。

(3)每年通过工程领军人才计划向科研生产单位输送20余名技术骨干,以全国最年轻的卫星总师韦明川为代表的近百名毕业生已成为不同层次领军人才(附表13);国内外30余所大学到校调研(附表14),认为这种培养模式在工科大学有很大的推广价值。目前已与25个国内外科研生产单位和高校建立了人才培养战略合作体系(附表15)。

(3)近5年学生团队年均发表高水平学术论文60余篇,年均授权发明专利20余项;参与课件模块制作20余项;组织举办了首届学生微纳卫星国际论坛和阿斯图中俄大学生微纳卫星研习营;牵头中俄 7 所大学联合研制阿斯图卫星,全面参与国际首个月球卫星编队研制,由12名学生骨干参与研制的珠海欧比特卫星星座成功发射,协助八一中学等联合研发了“中学生科普卫星”。

(4)成功举办2017年“首届航天科技与人才培养发展战略论坛”,对本成果经验进行了广泛推广。目前俄罗斯鲍曼国立技术大学、萨马拉国家研究型大学等 7 所国外高校以及北京理工大学、南京航空航天大学等多所国内高校已借鉴应用该成果。

(5)通过国际小卫星创新设计大赛、学生微纳卫星技术国际论坛、中俄工科大学联盟学术论坛和夏令营、研习营等国际交流合作途径建立了广泛的国际小卫星技术交流合作平台,学生团队已与国内外60余所大学和学术组织建立了实质性合作关系,开展了10余项联合试验与合作研究项目(附表16)。

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