适应航天高层次人才培养的课程教学改革探索与实践——以中国空间技术研究院为例

闫宇星 李 镇

进入21 世纪以来，世界航天活动呈现蓬勃发展的新态势，主要航天国家相继制定或调整航天发展战略，航天事业在国家整体发展战略中的作用日益突出。一个航天大国首先必须是航天人才大国。中国的航天事业要想继续保持自主创新的强盛生命力，就必须打造一支结构合理、素质优良的航天人才队伍。 毫无疑问，作为高层次人才培养的主渠道，研究生教育在航天人才培养中占据着重要地位。 研究生课程教学作为实现研究生培养目标的重要手段之一，以往主要以教师在教室讲授、学生被动听讲为主的教学方式， 已经越来越难以适应航天高层次人才的培养需求。大力推进研究生课程教学改革，着力培养研究生的基础研究能力、创新能力、工程实践能力和团队协作能力，已成为航天领域研究生教育工作者共同面临的问题。

中国空间技术研究院（以下简称“航天五院”）作为中国最具实力的空间技术及其产品的研制基地，拥有一支实力雄厚、基础扎实的研究队伍，具有能够形成自主知识产权的技术创新体系及开放的合作创新平台，以及知识创新、技术应用和资源集成的独特优势，是我国最早开展空间技术人才培养的单位之一。 近年来，航天五院成立的神舟学院，在整合教育培训和研究生培养优势资源的基础上，依靠航天科技的坚实技术背景，实施了一系列研究生教育改革方案，规划设计了“以任务模型”为导向的研究生培养目标体系，设计完善了具有航天特色的“3+1 平台式研究生课程框架”，推动并实施了多元化的教学评价体制。 更重要的是，在不断完善课程体系、更新课程内容的同时，大力推进研究生课程教学改革，鼓励并支持授课教师通过多元化的途径， 探索课程教学的新模式和新方法。经过不断地思考与实践，启发式、开放式教学，探究式合作学习、岗位实习、虚拟工程设计实践等一批具有航天特色的课程教学方式方法，已逐渐取代了灌输、封闭等缺乏互动的课程教学方式，大大激发了研究生专业学习的内在动力，提高了研究生课程教学质量，形成了良好的实践创新人才培养环境。

一、倡导启发式教学，提高研究生理论认知能力

最早提出启发式教学的是春秋时期的大教育家孔子。 孔子曰：“不愤不启，不悱不发，举一隅不以三隅及，则不复也。”（《论语·述而》）“不愤不启”是指当学生还没有弄懂问题时，教师要通过引导帮助学生开启思路；“不悱不发” 是指当学生对问题尚未考虑成熟而难以表达时，教师要帮助学生明确思路，用准确的语言表达出来。 只有学生在学习过程中达到“愤”、“悱”的心理状态，教师才能启而发之，从而取得教学成效[1]。 启发式教学的实质和关键在于调动学生学习和思考的主动性、积极性。教师在教学过程中，只有通过有意识地创设问题情境，启发学生思考，引导学生从解决问题的着眼点出发，对知识加以剖析和评价，才能为学生的理论认知和实际问题解决提供科学的方法指导。

航空航天器的结构复杂，对卫星和飞船结构还没有基本了解的研究生新生来讲，其涉及的诸多概念和技术晦涩抽象、枯燥难懂。为激发学生的学习兴趣，帮助学生真正理解和掌握航天基本理论，五院研究生教育管理部门鼓励并支持专业教师在授课过程中，运用启发式教学，巧妙设问。 例如，在《航天器电源技术基础》课程中，该课程的主讲教师出示了一张第三次近月制动变轨光照与负载曲线示意图，同时围绕示意图向学生提出了一系列问题：①从这幅图的坐标轴能看出哪些信息？ ②从图中可以看出航天器绕轨道一周的时间吗？ ③如果在变轨时电源系统无法工作会产生什么情况？ ④进入预定轨道太阳光供能是整星负载的两倍以上，这样有什么好处？⑤如果要判定能量是否平衡，还需要知道哪些数值？⑥如何计算能量平衡？

问题一经提出，学生立即进入了教师为其设计的一个真实的问题情境。 对于没有真正接触过航天器电源的学生来说，他们对航天器变轨和电源系统的工作原理只是在理论上有所了解，还没有具体深入的分析和思考。 一套环环相扣、逻辑缜密的问题，仿佛为学生提供了一个寻找答案和探寻知识本源的思维阶梯。 伴随着对研制实例的分析，学生可以很快拥有一种真实参与航天器电源设计的感觉，并积极思考和寻找解决问题的有效途径。 与此同时，教师也在与学生的互动交流中，一步步地实现对学生科学方法的指导与提升。 这种带着问题来学习理论知识的课堂氛围，使学生学习的目的更明确，学习的主动性和积极性也大大增强。

再如，基于特征模型的智能自适应控制这门课程的教学，授课教师一开始就向学生提出一个最基本的问题：控制学科区别于其他学科的关键概念是什么？其实这一问题的答案很简单：反馈。 但这个看似简单的问题很多学生却不能给出准确的答案。 通过这种提问的方式，一下子就让学生认识到了自己的不足，对控制学科基础知识的思考还有明显欠缺。接着，教师提供了一个实际的控制仿真程序，让学生亲自操作运行，分析这一程序的优点所在。通过对程序的运行，学生们不仅了解了实际控制的大致框架，还被这种控制方法的理想效果所吸引，对即将开始的这门课程的学习充满了兴趣。 在激起大家的兴趣和思考之后，老师才正式向学生介绍了这一方法的由来和具体理论知识，简单有效，说服力强。 一个看似基础的问题设置，不仅为学生打开了一扇进入这门学科的大门，更重要的是在学生的心里埋下了一颗严谨思考和不懈探索的种子，激发了学生潜在的专业意识和科学精神。

航天五院控制专家吴宏鑫院士曾对学生说：“我最担心的就是大家头脑中没有问题。”培养学生的问题意识，引导学生大胆质疑和思考，是航天五院专业授课教师共同关注的主题。

二、实施探究式学习，培养研究生的团队研发能力

探究式学习又称研究性学习，是指从学科领域或现实生活中选择和确立主题，在教学中创设类似于学术研究的情境，学生通过质疑，发现问题；通过调查研究、分析研讨，解决问题；通过表达与交流等探究学习活动，获得知识，掌握程序与方法，发展情感与态度，特别是发展探索精神与创新能力[2]。 探究式学习是一种积极的学习过程，它倡导学生的主动参与，是提高学生科学素养的有效方法。航天五院的学科研究方向几乎涉及航天工程各个领域，科研项目策划能力、工程动手实践能力以及自主研发和解决问题的能力是研究生能力结构的基本要素。同时，由于任何一项航天任务都是一个高度集成的系统工程，需要各分系统高度协作、密切配合，因此，“荣誉共分享、困难共面对、余量共掌握、风险共承担”的团队协作能力尤为重要。 通过在教学过程中组织学生进行探究式合作学习，为学生创设虚拟工程实践环境和模拟平台，充分发挥学生的主体作用，可以有效培养研究生求真务实的科研精神和荣辱与共的团队研发意识。

例如，空间环境工程学、系统工程、空间相机的设计与试验、航天器工程项目管理等课程，主讲教师常常会根据不同的课程内容，设计符合学生经验水平、容易引起学生共鸣的开放性研讨题目用作课后作业，要求研究生以团队形式完成。学生根据自己的兴趣组成学习小组，分工合作，找寻解决问题的路径,总结并整理问题的解决方案。 像“模拟月球1/6g重力环境的方法”、“货运飞船的合作设计”、“降低卫星存放过程中卫星失效的方法”、“马航失联飞机的搜救方案”等等，各种各样的研讨题目，为学生营造了一个带着任务进行探究活动的学习过程。 在任务驱动下，学生分组对教材进行阅读、思考和分析，通过小组讨论，提出风格各异的解决方案。在这种情况下，学生变成了学习活动的主人，教师则是探索问题的引路人和组织者，这种课堂问题探究式的教学方式，使学习者在真实的背景中通过对问题的解决实现了知识的主动建构和迁移。在这一过程中，学生的思维被激活，观点被修正，认知在完善。作业完成后，教师为学生提供模拟研究成果交流会，每个小组派出代表，对小组的研讨题目进行陈述与分析。讨论结束后，以小组为单位进行的团队交流，可以通过不同观点的交锋，补充修正和加深学生对同一问题的理解。同时，教师在此基础上，将学生各有千秋的“研究成果”加以分析、比较、归纳、总结的过程，亦会使学生对知识的掌握更加透彻牢固。

探究式学习过程，帮助学生在激烈的思维博弈中拓宽专业思路，在多元的交流环节中感悟多角度看待问题的科学方法，在平等的互动中实现不同观点的精彩碰撞，在自主的参与中提升解决问题的实际能力，最为宝贵的是，学生在知识互补、信息沟通、疑难共解、共同提高的探究过程中，逐渐树立起了“团队协作、荣辱与共”这一航天精神中最为重要的灵魂意识。

三、开展现场教学，提升研究生实践认识水平

人才培养立德为先、立学为基，我们要探索科学基础、实践能力和思想品德、人文素养融合发展的培养模式[3]。 航天高科技人才不仅要有扎实的理论功底和优秀的专业能力，更要有胸怀大业的报国理想和无私奉献的奋斗精神。架设工学交流的桥梁，积极开展和实施多元化的现场教学，增加学生“第二课堂”的学习经历，最大限度地让学生感受航天文化的熏陶，可以有效提升研究生的实践认识水平和职业综合素质。

航天五院的研究生专业课程授课教师大多来自科研生产第一线，是优秀的型号项目技术骨干，有着丰富的工程实践经验和阅历，这些优势使得我们有充分条件开辟第二课堂，对学生进行现场教学。 因此，我们要求航天领域专业课的课程教学不能仅仅停留在书本层面，教学环境也不能只是局限于封闭的教室,而是应该脱离简单的知识灌输形式，把学生的思维引向实战的舞台。这样的教学模式，一方面可以训练研究生自主思考问题的能力，提升他们的实践认知水平；另一方面，通过现场教学，研究生能亲眼所见、亲身体验航天人特别能吃苦、特别能战斗的工作作风，为投身未来的航天事业做好准备。

实践证明，部分专业课程的第二课堂，为研究生课程教学改革注入了鲜活的生命力。例如，真空技术专业课一部分课时放在真空实验室进行现场教学。研究生在系统地参观了真空罐、真空泵、真空计等一系列设备后，教师根据授课内容对这些仪器设备的构造、原理、工作过程等进行详细的讲解。 真实环境下的知识学习，使学生顺利高效地将真空技术理论知识与实践认识紧密联系。还有像卫星电测大厅、振动台、空间智能控制实验室、卫星制造车间、着陆试验场等等，几乎所有的卫星研制场所都是研究生学习和体验的课堂。

在第二课堂教学实践中，学生最感兴趣的莫过于在重点实验室进行的短期岗位实习和对卫星发射基地的现场参观，这是学生零距离了解航天人工作节奏和科研状态的最真实环境。 通过跟随一线科研人员开展工程设计，进行实验调试，航天工程严格的规范要求、超强的质量标准和高强度的压力挑战，都深深地影响着学生的学习态度。 一颗螺钉的遗漏可能导致整个发射失败，一个数据的疏忽可能导致整个团队的工作归零……，这些真实案例胜过课堂上的千言万语。 当橘红色的火焰托起神箭，伴着巨大的轰鸣声飞向遥远天际时，发射场上兴奋的青年学子的青春笑脸，与神箭在碧空中划出的美丽轨迹交相辉映，形成人世间最充满希望和震撼的画面。 观看卫星发射，带给学生的绝不仅仅是“带火移星陆，升云出鼎湖”的壮丽，更多的是航天精神的内心触动。 责任和使命，就在这样的激动时刻深深嵌入未来航天人的血脉和骨髓中。

四、以信息化平台为依托开设实践课程，发展研究生实践创新能力

为进一步提高研究生的工程实践素质和创新能力，我们借鉴CDIO（Conception，Design，Implementation，Operation）国际化工程师培养模式[4]，策划并实施了研究生虚拟设计工程实践（PG-Virtual Satellite）课程。 该课程的开设是研究生课程教学改革中又一次全新的尝试，也是航天五院培养研究生实践能力的又一次新的举措。 它以五院深厚的工程研究背景为支撑，借助先进的航天器信息化教学平台，以项目驱动为管理主线，通过航天特色教学内容的专题学习和学生全程参与的模拟工程实践两个环节，推进和落实研究生实践创新能力的培养。 课程教学贯穿于研究生入学后的第一学年，分学科认知、项目体验、导入和实施等四个阶段，前三个阶段在第一学期完成，第四个阶段在第二学期结束，总计约80 学时，做到有步骤、分阶段地培养学生的项目策划能力、工程实践能力、团队协作能力、系统掌控能力和科研创新能力。

在学科认知阶段，研究生主要是通过参加各类专题讲座，了解科研流程和规范、卫星研制技术要求、项目管理要求和团队建制与分工，配合系统开设的宇航概论、航天数字化设计基础、航天器总体设计等专业基础课程，初步了解和掌握航天科研项目实施的基础知识和基本框架。

在项目体验阶段，主要是搜集和整理近年来航天五院各科研单位以及在国际培训项目中，成功地使用过的五院信息化平台的教学实践案例。 教师在系统介绍和案例分析中，引导学生了解和熟悉信息化平台的使用方法，学习实用的软件工具，在模仿和体验中初步形成自己未来的平台使用构思。

在导入阶段，要求研究生模拟科研团队的形式，根据专家团队提出的天线分系统（电、磁、机、热）、相机分系统（光、机、热）、储箱支架（机、热、流）、控制推进（控制、机、电）等四个参考研究范围，自主选择确定本团队的项目选题，并在规定时间内完成开题评审。

在实施阶段，这也是该课程的关键阶段，研究生团队在任务导师的指导下，依托虚拟平台开始全过程自主实施小组课题的概念设计、仿真分析、试验调制、报告编写等实践过程。最终以研究团队为单位提交工作研究报告。

研究生虚拟设计工程实践课既区别于某一学科单一的专业理论课程，亦有别于正式的课题研究工作，其指导思想是希望通过这样一种独特的课程形式，为学生创设一个仿真的研究环境，让学生通过自主学习和团队研究，借助虚拟的课题活动，一方面把同步学习的专业理论知识学以致用，另一方面也能有计划有目的地体验自主创新的成就感，为未来正式的课题研究工作积累经验。更为重要的是，通过这一课程教学过程，拓宽了学生的学术视野，提升了学生的实践创新能力，以及对系统工程的掌控能力。

“教无定法、贵在得法”。积极探索研究生课程教学改革，提高研究生专业学习效率，保证研究生培养质量，打造富有创新能力和科学精神的高素质航天人才队伍，是中国航天事业发展赋予研究生教育的重要使命。 航天五院研究生授课教师在教学方法的优化组合、灵活运用上，做出了卓有成效的努力，今后还将不断总结经验，探索出更多适合航天人才发展规律的新方法、新途径。

[1] 张忠华，周阳.对启发式教学几个问题的探索[J].教育导刊，2009（2）：10-12.

[2] 郑燕林，李卢一.“混合型-探究式”研究生指导模式的构建与实践[J].学位与研究生教育，2010（4）：5-9.

[3] 刘延东.深化高等教育改革，走以提高质量为核心的内涵式发展道路[J].求是杂志，2012（10）：3-9.

[4] 雷环，汤威颐，EDWARD F C. 培养创新型、多层次、专业化的工程科技人才——CDIO 工程教育改革的人才理念和培养模式[J].高等工程教育研究，2009（5）：35-41.

[5] 唐益群，赵化，王建秀.硕士研究生教学模式的探讨[J].教学研究，2012，35（1）：36-41.