国际竞赛牵引下的航天创新能力培养模式探究

刘 睿， 周 军， 郭建国

（西北工业大学微小卫星技术及应用国家和地方联合工程实验室，西安 710072）

0 引 言

航天科技人才的创新能力，是决定一个国家在国际航天竞争和世界总格局中地位的重要因素之一，航天创新性人才资源是航天科技创新的根本点。《中国中长期教育发展规划纲要（2010-2020年）》明确提出：要着重培养大学生的创新能力和解决实际问题的动手实践能力［1］。创新性航天人才培养依然是当前航天专业培养的重要议题。然而，由于航天专业的特殊性和我国传统航天专业教育模式的封闭性，造成我国航天创新性人才及创新能力与国际先进水平有较大差距。研究航天创新人才培养模式具有十分重要的现实意义［2-6］。

近年来，各类学科和专业竞赛层出不穷，通过竞赛培养学生的创新思维和创新技能已经获得了教育行业的共识［7-16］。微小卫星国际竞赛作为航天相关领域学科交叉融合和交流竞技的有效平台，在培养学生创新性、实践能力、团队协作能力、拓宽国际视野等方面具有很好的牵引作用。正确把握微小卫星国际竞赛的功能定位，同时充分发挥竞赛平台在创新人才培养中的作用，值得认真思考和探索并在实践中不断完善。

现提炼多年举办微小卫星国际竞赛及培养航天专业学生参加创新实践竞赛的指导经验，以培养具备科学思维、系统思维、创新思维和分析解决问题能力的全方位复合型航天创新人才为目标，探索微小卫星国际竞赛牵引下的“国际竞赛-实践培训-成果验证”三位一体有机结合的航天创新实践能力培养模式。

1 微小卫星国际竞赛的功能定位

微小卫星国际竞赛的作用是搭建微小卫星设计与应用交流平台，为世界各地航天高校学生提供相互交流学习与应用航天知识开展创新实践的机会，吸引全球高校学生参与，带动国际高校空间合作深入发展。竞赛以“多元交流，实践创新”为指导思想，旨在通过竞赛激发我国航天专业高校学生探索航天的热情，通过在国际竞赛平台上与世界各国学生同台竞技的过程，加强理论知识应用能力、创新能力、工程实践能力、合作精神和国际视野的提升，挖掘学生创新潜能。即微小卫星国际竞赛的功能定位是在学生具备基本理论知识和初步实践技能的基础上，通过国际竞赛平台作为载体来进一步加强实践能力，并激发学生创新意识、合作意识、拓宽其国际视野。而要达到这个目的，必须以国际竞赛为牵引，探究体系化的航天创新实践能力培养模式，并开展培养模式的实践。

1.1 微小卫星国际竞赛的核心价值

目前微小卫星竞赛多以立方星为对象来开展。立方星是指一种低成本纳卫星，具有低成本、模块化、开发周期短的特点，尤其适合作为学生创新实践的研究对象。标准的立方星采用的是“1U”架构，即体积为10 cm×10 cm×10 cm，在此基础上，立方星可进行升级、扩增为“2U”（20 cm×10 cm×10 cm）和“3U”（30 cm×10 cm×10 cm）的立方星。图1所示为典型2U立方星及其模块化组件示意图。

图1 2U立方星图示意

参加微小卫星国际竞赛的各国学生都需要选择竞赛命题开展方案设计、数学仿真、物理仿真、实物装配、试验验证分析等任务，然后提交研究报告给举办方初选，进入决赛的队伍携带实物参加现场英文答辩和演示，同世界各国进入决赛的选手同台现场竞技。竞赛命题方向包括：

（1）微小卫星平台总体设计，主要面向立方星为代表的模块化、标准化微小卫星平台设计。

（2）微小卫星组件设计，主要面向立方星标准化组件设计，如飞轮、磁力矩器、太阳敏感器、电源系统等。

（3）微小卫星任务设计，探索微小卫星可以开展的各种空间任务设想、机构设计。

（4）微小卫星载荷设计，基于立方星结构，开展标准化科学与应用载荷设计与试验。

从该竞赛的过程可以看出，设计环节考查了学生的创新能力和理论知识的实际应用能力；数学仿真、物理仿真、实物装配、试验验证等任务考查了学生工程实践能力和分析解决问题的能力；这些任务都必须以团队合作的形式才能完成，因此也考验了学生的团队协作能力；现场竞技环节考查了学生的临场应变能力和国际交流能力。因此，在微小卫星国际竞赛中要取得好的成绩，选手必须具备创新能力、实践能力、协作能力、文档整理能力、国际交流能力等综合实力，是对学生综合创新实践能力的全方位考评。

1.2 微小卫星国际竞赛培养航天创新实践能力的途径

微小卫星国际竞赛是培养航天相关专业学生创新实践能力的重要途径，在创新实践能力培养中的作用主要体现在4个方面：

（1）微小卫星国际竞赛鼓励学生提出新的探索性问题，培养学生在学习和实践中提出问题的意识，能够训练学生的创新思维和创新意识，提高创新能力。

（2）微小卫星国际竞赛的选题具有发散性和交叉性的特点，学生在完成选题的过程中，需要对前期理论课程知识进行深化和拓展，还需要利用网络、文献资料等资源开展自主学习和研究，指导教师也需要通过启发性的教育方式来促使学生学会自主思考，独立分析，综合判断，以找到解决问题的方法。在这个过程中，学生的创新能力会得到极大的锻炼和提高。

（3）微小卫星国际竞赛注重物理仿真、实物装配、试验验证等实践环节的考核。学生将理论研究通过动手实践转化为实际成果的过程，既是对自己前期理论分析的验证总结，也是重新发现问题、解决问题的机会。在这个过程中，学生创新实践能力可得到进一步提升。

（4）国际竞赛平台对学生的国际化标准文档撰写、英文答辩、现场表现等的要求，对提升学生表达交流能力、国际视野，应变能力都有很大的帮助。

微小卫星国际竞赛具有高度的专业性和综合性，对学生的理论知识、学习能力、创新能力、实践能力、交流能力、合作能力等均提出了很高的要求。因此，必须以国际竞赛为牵引，探索系统性的“国际竞赛-实践培训-成果验证”三位一体有机结合的航天创新实践能力培养模式，才能保障竞赛功能定位的实现。

2 微小卫星国际竞赛牵引下的航天创新实践能力培养模式

2.1 航天创新实践能力培养模式

微小卫星技术及应用国家和地方联合工程实验室的“微小卫星及应用团队”作为国家创新人才推进计划重点领域创新团队，一直致力于探索航天创新实践人才培养的模式。多年来举办过多次微小卫星国际竞赛，并将大赛举办与学生培训紧密结合，通过培训活动为学生提供系统的微小卫星任务保障支持。同时，通过微小卫星科研项目与大学生国际星座计划等方式将学生优秀成果应用于在轨任务中，为优秀作品提供发射上天的机会，使得其成果得到验证。构建了“国际竞赛-实践培训-成果验证”三位一体有机结合的航天创新实践能力培养模式，如图2所示。即以举办微小卫星国际竞赛为牵引，以系统性的微小卫星实践技能培训为助推，最后通过在轨任务对优秀成果进行验证，拓展学生科研体验，促进学生产生更好的创新想法和思路，进而为下一轮竞赛创造基础，从而不断提高竞赛水准，形成完整的创新人才能力提升培养模式。

图2 三位一体航天创新实践能力培养模式

(1)以微小卫星国际竞赛项目为载体。微小卫星国际竞赛是学生根据所学的基础理论知识，在充分调研和学习相关拓展知识和交叉学科知识的基础上，提出探索性的创新想法，并通过竞赛过程实践的过程。学生完成竞赛选题所需要的专业能力和素养是在竞赛准备过程中得到积累和提升的，因此，微小卫星国际竞赛项目是培养创新实践人才的重要载体。

(2)以系统性航天创新实践能力培训为提升手段。微小卫星国际竞赛是对学生学习能力、创新能力、实践能力、交流能力、合作能力等技能的综合考察。学生的这些能力在传统的教学过程中普遍发展得不够充分，因此需要通过系统性航天创新实践能力培训来保证学生所需能力的有效提升。必须抓住与竞赛紧密结合的创新实践能力培训这一关键环节，设计合理、高效培训课程和体系，补充学生课堂教学与工程实践之间的空白区域，并通过启发性的教育方式来促使学生学会自主思考，独立分析问题，有的放矢地培养学生创新和实践能力。

(3)通过成果验证拓展科研体验，提升竞赛水平。微小卫星技术及应用国家和地方联合工程实验室利用科研条件优势，通过微小卫星科研项目与大学生国际星座计划等方式将学生优秀成果应用于在轨任务中，使得优秀学生可以参与到具体的航天任务中，拓宽了学生的科研体验范围，极大促进了学生科研创新的能力和热情。同时，在任务过程中，学生会对航天任务有更加深入的理解和思考，从而促进创新想法的产生，可以为新一轮的微小卫星国际竞赛提供基础。从而促进微小卫星竞赛整体水平的提升，进入航天人才创新实践能力培养的良性循环。

总之，微小卫星国际竞赛、系统性培训和成果验证这3者相辅相成，互为促进，在实施到位的前提下，将形成良性循环，是一个较完整的创新人才能力提升培养模式。

2.2 系统性航天创新实践能力培训体系

航天创新人才培养模式的落实需要通过系统性的创新实践能力培训体系来保证。由于学生课堂教学与工程实践之间存在空白区域，因此，设计合理、高效的培训课程来补充和衔接这一空白是需要解决的关键问题。结合多年的培训工作经验，构建了理论拓展课程、实验实践课程及创新实践课程3类课程构成的培训课程体系，如图3所示。

图3 面向微小卫星国际竞赛的创新能力培训体系

(1)理论拓展课程。由于参加微小卫星国际竞赛的学生均是航天相关专业，因此，相关通识课程已经在学校课程培养计划中完成，培训中理论课程的任务和目标是查漏补缺，将学校课堂教学的理论知识适当拓展深化，为学生搭建前期知识储备和实际应用之间的桥梁。主要课程如微小卫星任务设计、卫星姿态与轨道控制、卫星结构与热控技术、微小卫星电源系统、空间环境对微小卫星中COTS器件的影响等，这些课程均由微小卫星科研一线的老师结合理论与科研经验梳理打造，力求重点突出、清晰高效，为学生补充课堂学习与实际航天任务实践需求之间的空白区域。通过理论拓展课程的培训，可以使学生掌握比较全面的微小卫星总体与分系统创新实践所需的基础知识与工程经验知识。

(2)实验实践课程。实验实践课程与理论拓展课程同时并行开展。主要目的是补充学生在学校课堂学习中动手实践方面的短板，学习科研规范和流程。通过提供丰富的微小卫星相关实验课程，使学生在控制、测试、仿真等方面的实践能力得到有效锻炼和提升。主要实验课程如空间微重力环境下卫星姿态控制实验、基于STK的轨道仿真实验、空间机器人控制与轨迹规划实验、微小卫星姿态测量敏感器实验、卫星空间环境实验、地面站测控实验等。通过全面系统的实验实践课程的学习，学生对微小卫星整体研制过程的实验流程和规范会有深入的理解，便于学生按照科研规范高质量地设计微小卫星竞赛项目的实验过程和完成实验分析，进一步提升学生创新实践能力。

(3)创新实践课程。创新实践课程为学生提供具有探索研究价值的实践课题，课题可以和学生竞赛项目相结合。每个课题配备有经验的培训教师，学生以组队方式参加课题，采用任务驱动的教学方法，通过启发性的教育方式来促使学生学会自主思考，独立分析问题，有的放矢地培养学生创新和实践能力。在创新实践课程进行过程中，学生要自主查阅资料，自主研究方案，自主完成实验与分析，撰写符合国际规范的科研报告，同时英文交流展示科研成果。在创新实践课程中，学生的创新能力、协作能力、实践能力、国际交流能力均会得到有效提升。

理论拓展课程、实验实践课程及创新实践课程3类课程构成的培训课程体系层次分明，创新能力和实践能力的锻炼程度逐渐增强，同时，锻炼了学生的协作能力和国际交流能力等软实力，这也是复合型航天创新人才的必备能力，培训体系符合微小卫星国际竞赛对学生综合素质的要求。

2.3 成果验证拓展学生科研体验

将科研与教学相结合的培养过程，对学生的创新能力和实践能力的提升大有益处。对于国际竞赛中的优秀作品，举办方会创造发射和在轨验证的机会，将学生优秀成果应用于在轨任务中，指导学生深入参与真实的航天任务，在实践中深入理解和思考航天创新的使命和意义，获取创新的动力和灵感。

在轨验证项目主要通过微小卫星科研项目与大学生国际星座计划等方式来实现。如我校与比利时冯·卡门流体动力学研究所、荷兰代尔夫特理工大学、英国萨瑞大学空间中心、瑞士洛桑理工学院空间中心、德国莱布尼兹大气物理学研究所、斯坦福大学等研究机构共同发起的欧盟第七框架协议下的QB50计划。该项目原计划在全球范围高校和研究机构征集50个立方星，实际发射36颗，采用立方星组网方式探测人类尚未深入涉足的低热层大气的中性粒子、离子组成等科学项目。此项目已于2017年发射完成，该项目研制主力均为在校学生，为学生作品实现在轨应用与验证提供了机会。

2018年中国微小卫星大会上，我校发起了“国际大学生立方星星座深空探索计划”，秉承“在和平利用外空领域加强国际合作，以实现命运共同体愿景，为全人类谋福利与利益”的外空命运共同体理念，引领各国大学和研究机构开展空间合作，并为各国大学生和学者实现空间探索梦想提供机会。充分利用此类卫星计划项目，为微小卫星国际竞赛中的优秀作品创造在轨验证的机会，使学生参与到航天任务的整个流程中，拓展学生科研体验，使得学生创新实践能力实现质的提升。

同时，通过参与航天任务促进创新想法的产生，可以为新一轮的微小卫星国际竞赛提供基础。也有利于微小卫星竞赛整体水平的提升。

3 实施措施及成效

3.1 实施措施

(1)举办微小卫星国际竞赛。我校依托微小卫星技术及应用国家和地方联合工程实验室，从2011年开始循序渐进地举办了不同级别的微小卫星竞赛，从学校级别竞赛组织与举办开始，发展到省级竞赛，如2012年陕西省“翱翔杯”立方星设计大赛和2016年陕西省大学生微小卫星载荷与应用大赛。到国家级竞赛，如2015年发起的教育部正式序列中的“中国研究生未来飞行器设计大赛”。逐步积累举办竞赛的经验，进而成功举办国际级竞赛，如2018年的“翱翔杯”立方星及应用创新设计大赛和2019年“亚太空间合作组织”微小卫星大赛，将国际级竞赛举办规律化常态化，不断提高竞赛规模和水平，为学生提供与世界各国学生同台交流竞技的平台和机会。

(2)加强国际合作扩大竞赛平台影响力。实验室与亚太空间合作组织、“一带一路”航天创新联盟等国际组织建立了良好的合作关系，和微小卫星相关专业国际高校建立了实质性的国际合作与交流关系，如建立了西北工业大学-（荷兰）代尔伏特理工大学微小卫星技术联合研究中心，与德国慕尼黑工业大学联合申请了微小卫星方向的国家自然科学基金国际合作项目等，这些国际合作可以为扩大微小卫星竞赛平台的国际影响力创造良好的条件。

(3)加强培训指导教师队伍建设。竞赛牵引的实践培训主要以学生夏令营，冬令营，假期短期集训等方式进行，面向中外学生开展，培训的目的在于提高学生创新能力、工程实践能力和国际交流能力。培训指导教师是竞赛活动中的重要保障，建设一支工程经验丰富、理论知识水平高、国际交流能力强的师资队伍极为重要。

3.2 实施成效

通过微小卫星国际竞赛牵引下的航天创新人才培养模式，学生的实践创新能力等综合实力得到了有效提升。培养的学生在微小卫星国际竞赛获奖多项，还获得了第二届中国“互联网＋”大学生创新创业大赛全国总冠军，工信部“工信创业奖学金”特等奖，陕西首届研究生创新成果特等奖等多项奖项。此模式作为“创建大学生系统性实践模式，培育航天创新人才”的一部分成果获得国家级教学成果奖二等奖。

4 结 语

通过分析微小卫星国际竞赛的功能定位及其与培养航天创新实践能力的相互关系，以微小卫星国际竞赛为牵引，构建了“国际竞赛-实践培训-成果验证”三位一体有机结合的航天创新实践能力培养模式。论述了系统性航天创新实践能力培训体系与通过成果验证拓展学生科研体验的实施方案，对该模式的实施措施进行了总结。该模式的实施效果显著，对培养航天创新人才起到了积极的作用。