劉 睿, 周 軍, 郭建國
(西北工業(yè)大學(xué)微小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用國家和地方聯(lián)合工程實驗室,西安 710072)
航天科技人才的創(chuàng)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(chuàng)新性人才資源是航天科技創(chuàng)新的根本點?!吨袊虚L期教育發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》明確提出:要著重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實際問題的動手實踐能力[1]。創(chuàng)新性航天人才培養(yǎng)依然是當(dāng)前航天專業(yè)培養(yǎng)的重要議題。然而,由于航天專業(yè)的特殊性和我國傳統(tǒng)航天專業(yè)教育模式的封閉性,造成我國航天創(chuàng)新性人才及創(chuàng)新能力與國際先進水平有較大差距。研究航天創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式具有十分重要的現(xiàn)實意義[2-6]。
近年來,各類學(xué)科和專業(yè)競賽層出不窮,通過競賽培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能已經(jīng)獲得了教育行業(yè)的共識[7-16]。微小衛(wèi)星國際競賽作為航天相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科交叉融合和交流競技的有效平臺,在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性、實踐能力、團隊協(xié)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(wèi)星國際競賽的功能定位,同時充分發(fā)揮競賽平臺在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的作用,值得認(rèn)真思考和探索并在實踐中不斷完善。
現(xiàn)提煉多年舉辦微小衛(wèi)星國際競賽及培養(yǎng)航天專業(yè)學(xué)生參加創(chuàng)新實踐競賽的指導(dǎo)經(jīng)驗,以培養(yǎng)具備科學(xué)思維、系統(tǒng)思維、創(chuàng)新思維和分析解決問題能力的全方位復(fù)合型航天創(chuàng)新人才為目標(biāo),探索微小衛(wèi)星國際競賽牽引下的“國際競賽-實踐培訓(xùn)-成果驗證”三位一體有機結(jié)合的航天創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式。
微小衛(wèi)星國際競賽的作用是搭建微小衛(wèi)星設(shè)計與應(yīng)用交流平臺,為世界各地航天高校學(xué)生提供相互交流學(xué)習(xí)與應(yīng)用航天知識開展創(chuàng)新實踐的機會,吸引全球高校學(xué)生參與,帶動國際高校空間合作深入發(fā)展。競賽以“多元交流,實踐創(chuàng)新”為指導(dǎo)思想,旨在通過競賽激發(fā)我國航天專業(yè)高校學(xué)生探索航天的熱情,通過在國際競賽平臺上與世界各國學(xué)生同臺競技的過程,加強理論知識應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力、工程實踐能力、合作精神和國際視野的提升,挖掘?qū)W生創(chuàng)新潛能。即微小衛(wèi)星國際競賽的功能定位是在學(xué)生具備基本理論知識和初步實踐技能的基礎(chǔ)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(fā)學(xué)生創(chuàng)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(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式,并開展培養(yǎng)模式的實踐。
目前微小衛(wèi)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(wèi)星,具有低成本、模塊化、開發(fā)周期短的特點,尤其適合作為學(xué)生創(chuàng)新實踐的研究對象。標(biāo)準(zhǔn)的立方星采用的是“1U”架構(gòu),即體積為10 cm×10 cm×10 cm,在此基礎(chǔ)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(wèi)星國際競賽的各國學(xué)生都需要選擇競賽命題開展方案設(shè)計、數(shù)學(xué)仿真、物理仿真、實物裝配、試驗驗證分析等任務(wù),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(xiàn)場英文答辯和演示,同世界各國進入決賽的選手同臺現(xiàn)場競技。競賽命題方向包括:
(1)微小衛(wèi)星平臺總體設(shè)計,主要面向立方星為代表的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化微小衛(wèi)星平臺設(shè)計。
(2)微小衛(wèi)星組件設(shè)計,主要面向立方星標(biāo)準(zhǔn)化組件設(shè)計,如飛輪、磁力矩器、太陽敏感器、電源系統(tǒng)等。
(3)微小衛(wèi)星任務(wù)設(shè)計,探索微小衛(wèi)星可以開展的各種空間任務(wù)設(shè)想、機構(gòu)設(shè)計。
(4)微小衛(wèi)星載荷設(shè)計,基于立方星結(jié)構(gòu),開展標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)與應(yīng)用載荷設(shè)計與試驗。
從該競賽的過程可以看出,設(shè)計環(huán)節(jié)考查了學(xué)生的創(chuàng)新能力和理論知識的實際應(yīng)用能力;數(shù)學(xué)仿真、物理仿真、實物裝配、試驗驗證等任務(wù)考查了學(xué)生工程實踐能力和分析解決問題的能力;這些任務(wù)都必須以團隊合作的形式才能完成,因此也考驗了學(xué)生的團隊協(xié)作能力;現(xiàn)場競技環(huán)節(jié)考查了學(xué)生的臨場應(yīng)變能力和國際交流能力。因此,在微小衛(wèi)星國際競賽中要取得好的成績,選手必須具備創(chuàng)新能力、實踐能力、協(xié)作能力、文檔整理能力、國際交流能力等綜合實力,是對學(xué)生綜合創(chuàng)新實踐能力的全方位考評。
微小衛(wèi)星國際競賽是培養(yǎng)航天相關(guān)專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的重要途徑,在創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)中的作用主要體現(xiàn)在4個方面:
(1)微小衛(wèi)星國際競賽鼓勵學(xué)生提出新的探索性問題,培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)和實踐中提出問題的意識,能夠訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識,提高創(chuàng)新能力。
(2)微小衛(wèi)星國際競賽的選題具有發(fā)散性和交叉性的特點,學(xué)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(wǎng)絡(luò)、文獻資料等資源開展自主學(xué)習(xí)和研究,指導(dǎo)教師也需要通過啟發(fā)性的教育方式來促使學(xué)生學(xué)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(xué)生的創(chuàng)新能力會得到極大的鍛煉和提高。
(3)微小衛(wèi)星國際競賽注重物理仿真、實物裝配、試驗驗證等實踐環(huán)節(jié)的考核。學(xué)生將理論研究通過動手實踐轉(zhuǎn)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(jié),也是重新發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的機會。在這個過程中,學(xué)生創(chuàng)新實踐能力可得到進一步提升。
(4)國際競賽平臺對學(xué)生的國際化標(biāo)準(zhǔn)文檔撰寫、英文答辯、現(xiàn)場表現(xiàn)等的要求,對提升學(xué)生表達交流能力、國際視野,應(yīng)變能力都有很大的幫助。
微小衛(wèi)星國際競賽具有高度的專業(yè)性和綜合性,對學(xué)生的理論知識、學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)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(tǒng)性的“國際競賽-實踐培訓(xùn)-成果驗證”三位一體有機結(jié)合的航天創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式,才能保障競賽功能定位的實現(xiàn)。
微小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用國家和地方聯(lián)合工程實驗室的“微小衛(wèi)星及應(yīng)用團隊”作為國家創(chuàng)新人才推進計劃重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊,一直致力于探索航天創(chuàng)新實踐人才培養(yǎng)的模式。多年來舉辦過多次微小衛(wèi)星國際競賽,并將大賽舉辦與學(xué)生培訓(xùn)緊密結(jié)合,通過培訓(xùn)活動為學(xué)生提供系統(tǒng)的微小衛(wèi)星任務(wù)保障支持。同時,通過微小衛(wèi)星科研項目與大學(xué)生國際星座計劃等方式將學(xué)生優(yōu)秀成果應(yīng)用于在軌任務(wù)中,為優(yōu)秀作品提供發(fā)射上天的機會,使得其成果得到驗證。構(gòu)建了“國際競賽-實踐培訓(xùn)-成果驗證”三位一體有機結(jié)合的航天創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式,如圖2所示。即以舉辦微小衛(wèi)星國際競賽為牽引,以系統(tǒng)性的微小衛(wèi)星實踐技能培訓(xùn)為助推,最后通過在軌任務(wù)對優(yōu)秀成果進行驗證,拓展學(xué)生科研體驗,促進學(xué)生產(chǎn)生更好的創(chuàng)新想法和思路,進而為下一輪競賽創(chuàng)造基礎(chǔ),從而不斷提高競賽水準(zhǔn),形成完整的創(chuàng)新人才能力提升培養(yǎng)模式。
圖2 三位一體航天創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式
(1)以微小衛(wèi)星國際競賽項目為載體。微小衛(wèi)星國際競賽是學(xué)生根據(jù)所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識,在充分調(diào)研和學(xué)習(xí)相關(guān)拓展知識和交叉學(xué)科知識的基礎(chǔ)上,提出探索性的創(chuàng)新想法,并通過競賽過程實踐的過程。學(xué)生完成競賽選題所需要的專業(yè)能力和素養(yǎng)是在競賽準(zhǔn)備過程中得到積累和提升的,因此,微小衛(wèi)星國際競賽項目是培養(yǎng)創(chuàng)新實踐人才的重要載體。
(2)以系統(tǒng)性航天創(chuàng)新實踐能力培訓(xùn)為提升手段。微小衛(wèi)星國際競賽是對學(xué)生學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實踐能力、交流能力、合作能力等技能的綜合考察。學(xué)生的這些能力在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中普遍發(fā)展得不夠充分,因此需要通過系統(tǒng)性航天創(chuàng)新實踐能力培訓(xùn)來保證學(xué)生所需能力的有效提升。必須抓住與競賽緊密結(jié)合的創(chuàng)新實踐能力培訓(xùn)這一關(guān)鍵環(huán)節(jié),設(shè)計合理、高效培訓(xùn)課程和體系,補充學(xué)生課堂教學(xué)與工程實踐之間的空白區(qū)域,并通過啟發(fā)性的教育方式來促使學(xué)生學(xué)會自主思考,獨立分析問題,有的放矢地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)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(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用國家和地方聯(lián)合工程實驗室利用科研條件優(yōu)勢,通過微小衛(wèi)星科研項目與大學(xué)生國際星座計劃等方式將學(xué)生優(yōu)秀成果應(yīng)用于在軌任務(wù)中,使得優(yōu)秀學(xué)生可以參與到具體的航天任務(wù)中,拓寬了學(xué)生的科研體驗范圍,極大促進了學(xué)生科研創(chuàng)新的能力和熱情。同時,在任務(wù)過程中,學(xué)生會對航天任務(wù)有更加深入的理解和思考,從而促進創(chuàng)新想法的產(chǎn)生,可以為新一輪的微小衛(wèi)星國際競賽提供基礎(chǔ)。從而促進微小衛(wèi)星競賽整體水平的提升,進入航天人才創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的良性循環(huán)。
總之,微小衛(wèi)星國際競賽、系統(tǒng)性培訓(xùn)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(huán),是一個較完整的創(chuàng)新人才能力提升培養(yǎng)模式。
航天創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的落實需要通過系統(tǒng)性的創(chuàng)新實踐能力培訓(xùn)體系來保證。由于學(xué)生課堂教學(xué)與工程實踐之間存在空白區(qū)域,因此,設(shè)計合理、高效的培訓(xùn)課程來補充和銜接這一空白是需要解決的關(guān)鍵問題。結(jié)合多年的培訓(xùn)工作經(jīng)驗,構(gòu)建了理論拓展課程、實驗實踐課程及創(chuàng)新實踐課程3類課程構(gòu)成的培訓(xùn)課程體系,如圖3所示。
圖3 面向微小衛(wèi)星國際競賽的創(chuàng)新能力培訓(xùn)體系
(1)理論拓展課程。由于參加微小衛(wèi)星國際競賽的學(xué)生均是航天相關(guān)專業(yè),因此,相關(guān)通識課程已經(jīng)在學(xué)校課程培養(yǎng)計劃中完成,培訓(xùn)中理論課程的任務(wù)和目標(biāo)是查漏補缺,將學(xué)校課堂教學(xué)的理論知識適當(dāng)拓展深化,為學(xué)生搭建前期知識儲備和實際應(yīng)用之間的橋梁。主要課程如微小衛(wèi)星任務(wù)設(shè)計、衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與熱控技術(shù)、微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)、空間環(huán)境對微小衛(wèi)星中COTS器件的影響等,這些課程均由微小衛(wèi)星科研一線的老師結(jié)合理論與科研經(jīng)驗梳理打造,力求重點突出、清晰高效,為學(xué)生補充課堂學(xué)習(xí)與實際航天任務(wù)實踐需求之間的空白區(qū)域。通過理論拓展課程的培訓(xùn),可以使學(xué)生掌握比較全面的微小衛(wèi)星總體與分系統(tǒng)創(chuàng)新實踐所需的基礎(chǔ)知識與工程經(jīng)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(xué)生在學(xué)校課堂學(xué)習(xí)中動手實踐方面的短板,學(xué)習(xí)科研規(guī)范和流程。通過提供豐富的微小衛(wèi)星相關(guān)實驗課程,使學(xué)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(huán)境下衛(wèi)星姿態(tài)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(guī)劃實驗、微小衛(wèi)星姿態(tài)測量敏感器實驗、衛(wèi)星空間環(huán)境實驗、地面站測控實驗等。通過全面系統(tǒng)的實驗實踐課程的學(xué)習(xí),學(xué)生對微小衛(wèi)星整體研制過程的實驗流程和規(guī)范會有深入的理解,便于學(xué)生按照科研規(guī)范高質(zhì)量地設(shè)計微小衛(wèi)星競賽項目的實驗過程和完成實驗分析,進一步提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。
(3)創(chuàng)新實踐課程。創(chuàng)新實踐課程為學(xué)生提供具有探索研究價值的實踐課題,課題可以和學(xué)生競賽項目相結(jié)合。每個課題配備有經(jīng)驗的培訓(xùn)教師,學(xué)生以組隊方式參加課題,采用任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法,通過啟發(fā)性的教育方式來促使學(xué)生學(xué)會自主思考,獨立分析問題,有的放矢地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力。在創(chuàng)新實踐課程進行過程中,學(xué)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(guī)范的科研報告,同時英文交流展示科研成果。在創(chuàng)新實踐課程中,學(xué)生的創(chuàng)新能力、協(xié)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(chuàng)新實踐課程3類課程構(gòu)成的培訓(xùn)課程體系層次分明,創(chuàng)新能力和實踐能力的鍛煉程度逐漸增強,同時,鍛煉了學(xué)生的協(xié)作能力和國際交流能力等軟實力,這也是復(fù)合型航天創(chuàng)新人才的必備能力,培訓(xùn)體系符合微小衛(wèi)星國際競賽對學(xué)生綜合素質(zhì)的要求。
將科研與教學(xué)相結(jié)合的培養(yǎng)過程,對學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力的提升大有益處。對于國際競賽中的優(yōu)秀作品,舉辦方會創(chuàng)造發(fā)射和在軌驗證的機會,將學(xué)生優(yōu)秀成果應(yīng)用于在軌任務(wù)中,指導(dǎo)學(xué)生深入?yún)⑴c真實的航天任務(wù),在實踐中深入理解和思考航天創(chuàng)新的使命和意義,獲取創(chuàng)新的動力和靈感。
在軌驗證項目主要通過微小衛(wèi)星科研項目與大學(xué)生國際星座計劃等方式來實現(xiàn)。如我校與比利時馮·卡門流體動力學(xué)研究所、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、英國薩瑞大學(xué)空間中心、瑞士洛桑理工學(xué)院空間中心、德國萊布尼茲大氣物理學(xué)研究所、斯坦福大學(xué)等研究機構(gòu)共同發(fā)起的歐盟第七框架協(xié)議下的QB50計劃。該項目原計劃在全球范圍高校和研究機構(gòu)征集50個立方星,實際發(fā)射36顆,采用立方星組網(wǎng)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(xué)項目。此項目已于2017年發(fā)射完成,該項目研制主力均為在校學(xué)生,為學(xué)生作品實現(xiàn)在軌應(yīng)用與驗證提供了機會。
2018年中國微小衛(wèi)星大會上,我校發(fā)起了“國際大學(xué)生立方星星座深空探索計劃”,秉承“在和平利用外空領(lǐng)域加強國際合作,以實現(xiàn)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(lǐng)各國大學(xué)和研究機構(gòu)開展空間合作,并為各國大學(xué)生和學(xué)者實現(xiàn)空間探索夢想提供機會。充分利用此類衛(wèi)星計劃項目,為微小衛(wèi)星國際競賽中的優(yōu)秀作品創(chuàng)造在軌驗證的機會,使學(xué)生參與到航天任務(wù)的整個流程中,拓展學(xué)生科研體驗,使得學(xué)生創(chuàng)新實踐能力實現(xiàn)質(zhì)的提升。
同時,通過參與航天任務(wù)促進創(chuàng)新想法的產(chǎn)生,可以為新一輪的微小衛(wèi)星國際競賽提供基礎(chǔ)。也有利于微小衛(wèi)星競賽整體水平的提升。
(1)舉辦微小衛(wèi)星國際競賽。我校依托微小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用國家和地方聯(lián)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(wèi)星競賽,從學(xué)校級別競賽組織與舉辦開始,發(fā)展到省級競賽,如2012年陜西省“翱翔杯”立方星設(shè)計大賽和2016年陜西省大學(xué)生微小衛(wèi)星載荷與應(yīng)用大賽。到國家級競賽,如2015年發(fā)起的教育部正式序列中的“中國研究生未來飛行器設(shè)計大賽”。逐步積累舉辦競賽的經(jīng)驗,進而成功舉辦國際級競賽,如2018年的“翱翔杯”立方星及應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計大賽和2019年“亞太空間合作組織”微小衛(wèi)星大賽,將國際級競賽舉辦規(guī)律化常態(tài)化,不斷提高競賽規(guī)模和水平,為學(xué)生提供與世界各國學(xué)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(chuàng)新聯(lián)盟等國際組織建立了良好的合作關(guān)系,和微小衛(wèi)星相關(guān)專業(yè)國際高校建立了實質(zhì)性的國際合作與交流關(guān)系,如建立了西北工業(yè)大學(xué)-(荷蘭)代爾伏特理工大學(xué)微小衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)合研究中心,與德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請了微小衛(wèi)星方向的國家自然科學(xué)基金國際合作項目等,這些國際合作可以為擴大微小衛(wèi)星競賽平臺的國際影響力創(chuàng)造良好的條件。
(3)加強培訓(xùn)指導(dǎo)教師隊伍建設(shè)。競賽牽引的實踐培訓(xùn)主要以學(xué)生夏令營,冬令營,假期短期集訓(xùn)等方式進行,面向中外學(xué)生開展,培訓(xùn)的目的在于提高學(xué)生創(chuàng)新能力、工程實踐能力和國際交流能力。培訓(xùn)指導(dǎo)教師是競賽活動中的重要保障,建設(shè)一支工程經(jīng)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。
通過微小衛(wèi)星國際競賽牽引下的航天創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式,學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力等綜合實力得到了有效提升。培養(yǎng)的學(xué)生在微小衛(wèi)星國際競賽獲獎多項,還獲得了第二屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國總冠軍,工信部“工信創(chuàng)業(yè)獎學(xué)金”特等獎,陜西首屆研究生創(chuàng)新成果特等獎等多項獎項。此模式作為“創(chuàng)建大學(xué)生系統(tǒng)性實踐模式,培育航天創(chuàng)新人才”的一部分成果獲得國家級教學(xué)成果獎二等獎。
通過分析微小衛(wèi)星國際競賽的功能定位及其與培養(yǎng)航天創(chuàng)新實踐能力的相互關(guān)系,以微小衛(wèi)星國際競賽為牽引,構(gòu)建了“國際競賽-實踐培訓(xùn)-成果驗證”三位一體有機結(jié)合的航天創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式。論述了系統(tǒng)性航天創(chuàng)新實踐能力培訓(xùn)體系與通過成果驗證拓展學(xué)生科研體驗的實施方案,對該模式的實施措施進行了總結(jié)。該模式的實施效果顯著,對培養(yǎng)航天創(chuàng)新人才起到了積極的作用。