基于CDIO理念的航天創新人才培養研究

陳小前，趙 勇，李星辰

(1.軍事科學院，北京 100091；2.國防科技大學 空天科學學院，湖南 長沙 410073；3.軍事科學院 國防科技創新研究院，北京 100091)

一、引言

當今世界正經歷百年未有之大變局，科技創新是其中一個關鍵變量，而科技創新的核心是人才，人才的陣地是教育，必須把教育、科技、人才作為全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。從工程實踐角度出發，創新人才指具備創造力、解決問題能力和團隊合作能力的人才，能夠在復雜多變的社會環境下，提出新的理念、發展新的技術，并為社會進步作出貢獻。在現代社會中，創新人才的重要性日益凸顯，他們是推動科技創新、經濟發展和社會進步的中堅力量。傳統的教育體系過于注重知識的灌輸和應試教育，培養出來的人才在創新能力和實踐能力方面存在不足。因此，必須轉變教育模式，重視創新人才的全過程培養和發展。這就需要深入探究創新人才的特點，并尋找合適的培養方法和策略。

2004年麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學創立了CDIO工程教育理念——CDIO代表構思(conceive)、設計(design)、實現(implement)和運作(operate)，系統地提出了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評的12條標準[1]。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定目標。該教育理念在國外已取得了許多成果，按CDIO模式培養的學生深受社會與企業歡迎[2]。

國防科技大學自2011年參加全國CDIO工程教育改革會議以來，積極學習各單位的工作經驗，在工程實踐與創新人才培養體系教育改革方面取得了階段性的進展。2010年國防科技大學空天科學學院成立了“空天科學與工程教研團隊”，在專業建設、課程改革、教材編著、實踐教學、教學管理等多方面，積極開展了較為全面的專業建設和教學改革研究與實踐。2011年年底，空天科學學院參加在南京舉辦的全國CDIO工程教育改革會議，作了關于開展CDIO研究與工程教育改革的相關報告。2013年11月20日，汕頭大學工學院熊光晶教授受邀在國防科技大學“研究生實踐教育研討會”上作了題為“基于CDIO的工科專業培養體系”的報告，并與國防科技大學的教師就如何將CDIO模式應用于學生培養進行討論。

2016年6月，國防科技大學鄭偉教授等總結了近年來的專業建設以及教學改革研究與實踐成果，出版了《創新人才培養體系研究與建設——空天工程CDIO與領導力計劃實踐》一書。該書圍繞國內外工程教育改革趨勢、人才培養模式與專業建設、課程體系建設、實踐教學體系建設與教學模式改革開展論述，并介紹了研究與建設成果[3]，為探索CDIO理念的航天專業本科生工程能力培養模式提供了良好的借鑒和指導建議。

在人才培養方面，雖然教學團隊以提高學生的動手實踐能力與科技創新能力為目標，對實踐教學內容與實踐教學模式做了一系列的改革與創新，構建了涵蓋本科學習全階段的多層次實踐教學體系，但是對于航天領域衛星方向學生的工程實踐與創新能力培養尚未形成科學體系。由于衛星方向涉及的基礎課和專業核心課內涵外延豐富，工程應用背景多樣，知識結構較為松散，缺乏將書本知識與衛星工程案例相融合的有效手段，導致學生對專業知識的理解停留在書本上，尚未形成科學完整的衛星專業知識體系框架。因此，結合CDIO理念，研究涵蓋單門課程設計與個人知識體系建立的創新人才教學實踐體系，是當前人才培養模式改革的重要指南。

二、關于創新人才培養的供給側和需求側分析

(一)創新人才的特點

“培養什么人”是教育的首要問題。結合工作實踐經驗，符合新時代要求的創新人才通常具備以下四個特征。

1.合理的知識結構

當前科學技術的發展突飛猛進，最顯著的特點是科學技術不再朝單一方向發展，而是科學理論趨于統一，技術發展趨向綜合。學科之間相互滲透、相互交叉，大量新理論、新技術的出現都歸功于各學科之間的深度交叉融合。在這樣的背景下，培養一名能夠適應科學技術發展要求的創新人才，就必須注意引導其構建起合理的知識結構。合理的知識結構應包括基礎知識、工具知識、專業知識和人文知識?；A知識是一切創造的根本，對于學生認清事物的內在本質至關重要；工具知識可以提高學生解決問題的效率；專業知識是科研工作的重要依靠，是對基礎知識的綜合應用；人文知識有助于學生樹立科學的世界觀、人生觀、價值觀，掌握科學的方法論，有利于提高分析問題和解決問題的能力。

2.較強的工程素養

現代科學技術研究綜合性高、實踐性強，不但需要寬廣、精深的基礎知識作為支持，還要求具備解決復雜、綜合的實際工程問題的能力，因此要求創新人才具備相當高的工程素養。工程素養就是要求在掌握本學科基礎理論的前提下，通過綜合相關學科的技術，采用多種有效的手段與方法，完成實際技術產品的能力與素質。為了加強工程素養的培養，對創新人才提出了四個要求：一是樹立解決工程問題的意識；二是鍛煉從工程問題中提煉學術問題的能力；三是掌握解決工程問題的必要手段；四是提高解決工程問題的能力。

3.科學的思維方法

在創新人才創新素質的培養上，讓學生掌握科學的思維方式，把握創新規律，比單純教給他們特定的技能或知識更為重要。為此，一方面可以有意識地引導學生進行科研方法論的學習，另一方面可以結合學生具體的學習和研究，靈活地傳授各種思維方法。在對創新人才進行思維方法訓練時，應強調：堅持辯證唯物主義思想觀，特別是用普遍聯系的觀點看問題；堅持歷史唯物主義的思想觀，保持思想上與時俱進；培養全面的、系統的思想方法。同時應注重：綜合集成，強調綜合思維能力；遷移思維，即舉一反三的思維方式；發散思維和集中思維相結合。

4.堅定的科學精神

在創新人才創新素質的培養過程中，應突出強調的一點是注重科學精神的培養?？茖W精神指的是科學研究素質中的非智力因素，是人的心理素質、意志品質、精神境界的外在表現。必須強調創新人才要牢固樹立科學精神，尊重科學和科學規律，以科學的態度和科學的方法認識現實、探索未知，反對一切非理性、反文化、偽科學的觀念和傾向，使其養成求真精神、進取精神和合作精神。

(二)供給側分析：大學教育現狀

“怎樣培養人”是教育的關鍵問題。中國高等教育注重能力培養，尤其以洪堡式教育模式為代表，該模式側重于培養學生的動手能力和解決問題的能力，適合大規模培養工程師等技術型人才，是我國在從農業國邁向工業國的發展階段中主要采用的人才培養模式。結合多年教學經驗以及學生反饋，從供給側出發，對現階段我國大學教育面臨的主要問題進行分析。

1.教育資源有限

根據國家統計局和教育部的數據，2022年我國普通、職業本?？圃谛Ｉ_3,659.4萬人[4]，普通高等學校2,759所[5]。學生群體龐大，勢必會使得教育資源分散，大班化教育在所難免，理工科公共基礎課上課人數往往能達到300人，專業基礎課也能達到四五十人的授課規模。大班化教學一方面能使盡可能多的學生有機會接受教育，但另一方面，受到實驗設備數量和授課時長等限制，難以滿足每個學生全程參與互動的要求。以國防科技大學衛星實踐課程為例，現有的衛星相關實驗設備價格昂貴，臺套數量難以滿足人數眾多的本科生的使用需求。此外，雖然教師鼓勵學生在本科階段參與到衛星工程項目中，但是衛星項目研制周期大約為一至兩年，受限于課程學時，本科生難得有機會全程參與其中，僅有部分研究生才能全程參與。

2.重理論輕實踐

理論是實踐的基石，實踐是檢驗真理的唯一標準，但是受限于授課形式與課時，本科課程涵蓋范圍廣，主要以理論課為主，往往到研究生階段，學生才有時間深入研究[6]。以衛星方向學生課程為例，涉及衛星工程的專業課程較為廣泛，包括材料與結構、熱力學、物理學和力學、電子信號等課程。但絕大部分課程都屬于理論課，僅有部分課程開設了實驗模塊。而且由于各門課程由不同的學院承辦，課程側重點與教學實踐案例因課而異，對于學生而言，往往在學完一門理論課后難以將理論知識與衛星工程實踐串聯起來，未能形成貫通式的培養體系。

3.評價體系不全面

傳統的學生評價體系主要采用閉卷考試的形式對學生專業知識掌握程度進行評價，而實踐考核在總成績中占比不高。一般情況下學生只要在考前突擊復習，基本上都能取得較為不錯的卷面成績。這種評價體系一定程度上忽視了對學生創新能力和團隊合作能力的培養，待走上工作崗位時學生往往還需比較長的適應期，而事實上能力培養過程才是大學教育的核心和關鍵，鍛煉學生在接受新知識時的學習能力以及應對困難時解決問題的能力遠比死記硬背更為重要[7]。

綜上所述，我國教育存在著教育資源有限、重理論輕實踐、評價體系不全面的特點。與我國教育模式相對應，美國、英國的大學主要采用紐曼式通才教育，即素質教育，更注重培養團隊合作型人才，強調學生在團隊中的角色和責任，倡導學生通過合作解決問題，培養創新能力和領導才能。因此，結合我國基本國情，學習西方重團隊的教育模式和經驗，發揚長處、彌補短板，有助于從培養技術型人才轉型成培養技術與領導能力并重的團隊型人才。這對于教學形式的轉變具有重要的指導意義，對學生的個人成長和發展具有深遠的影響。

(三)需求側分析：團隊實踐的啟發

“為誰培養人”是教育的核心問題。近年來隨著招生規模迅速擴大，學校學生構成在發生變化，學生的畢業去向也更加多樣化[8]。除了部隊單位以外，學校為航天工業部門、民營企業等社會機構培養了大批專業人才，學校與企業之間的聯系日益加深。航空宇航專業不少學生畢業后步入航天工業部門，繼續從事相關領域的相關工作。由于航空宇航專業交叉學科的特點，小至微納衛星，大至空間站，任何一個飛行器都凝結了很多人的努力與心血，遠非一人所能勝任，因此航空航天單位普遍具有偏工程、重團隊的特點，與高校重理論的教學方式有很大差異，這也對學生的工程實踐能力與創新能力提出了更高的要求。

為了更好地培養適應新時代需求的創新人才，結合多年來與用人單位的交流，從需求側出發，總結了以下兩個要點：(1)與用人單位深度結合，建立校企合作平臺。鼓勵學校與各行各業的用人單位建立緊密的合作關系，一方面，有助于學校了解行業需求和技術發展趨勢，將這些信息融入到人才培養過程中，增強學生專業方向與企業工程需求的黏性；另一方面，企業可以通過合作平臺向學校反饋培養建議，并為學生提供進入一線崗位實習的機會，充分鍛煉學生的工程實踐能力，培養符合行業需求的創新人才。(2)模擬工業部門運營模式，打造學生創新團隊。以衛星為例，學校俱樂部效仿工業部門以項目為導向的運營模式，組建學生創新團隊。團隊以設計、制造、測試、發射衛星為最終目標，成員根據各子系統分成若干研究小組，圍繞衛星平臺的硬件與軟件進行設計，部分環節與航天工業部門直接對接，合作完成衛星的發射與運營。通過參與創新團隊，學生可以接觸到前沿的科學研究和技術應用，培養對創新的興趣和熱情，激發他們的創新潛能。

作者所在團隊依托“天拓”系列衛星項目，參照航天單位的運營與管理模式，于2009年打造了“納星研究生創新基地”。該創新基地提供了先進的實驗設備和技術支持，為學生創造了充分的實踐機會。學生可以在該基地中進行各種與衛星相關的實驗和測試項目開發，鍛煉實踐能力和問題解決能力。此外，學生不僅可以與校內其他團隊進行合作交流，還可以前往航天工業部門參與實習實踐。14年來，這個以大學生(包括本科生和研究生)為主體的年輕創新團隊，相繼研制并成功發射了10余顆微小衛星。

2015年，依托“納星研究生創新基地”，作者組織了僅由研究生和博士生組成的手機衛星研制團隊，讓學生們在團隊中合作，共同完成該衛星的設計、研制、測試、發射、測控等工作。這種團隊合作的方式有助于培養學生溝通、協調和合作的能力。在團隊中，學生們不僅學會了傾聽他人的意見，理解不同觀點，而且掌握了通過集體智慧解決問題的能力。此外，通過參加項目，鍛煉了學生的領導能力和團隊管理技巧，培養了其協調成員、分配任務和推動項目進展的能力。

2021年，整合“納星研究生創新基地”的資源和經驗，團隊面向全體本科學生，創建了“天拓衛星俱樂部”，鼓勵多年級學生組隊參加研討、實踐項目和競賽等活動，增加高低年級學生間的交流，增強本科學生對衛星的認識，激發學生對衛星的興趣，提升學生對所學知識的理解和應用能力，促進高水平創新人才的培養。

此前，由于衛星工程涉獵課程廣，本科學生前期學習基礎課程和專業知識的周期長，到高年級才具備設計衛星和運控衛星系統的專業素質和知識，待完成培養環節后即面臨畢業的壓力，高年級學生的經驗無法傳承下來，難以形成閉環繼續改進系統，衛星俱樂部的出現可有效解決這一問題。因此，依托衛星俱樂部，召集處于不同學習階段的學生組成研究小組，鼓勵學生通過參與項目共享實踐經驗與學習心得，實現教師宏觀把控、高年級學生提攜低年級學生的閉環迭代，是促進當前人才培養模式改革的有效手段。

三、基于CDIO理念的案例研究：國防科技大學天拓衛星團隊實踐

CDIO理念是國際工程教育改革的最新成果，衛星俱樂部為CDIO人才培養理念的落實和實踐提供了廣闊的舞臺，對于建立培養衛星工程創新人才的教學實踐體系具有重要促進作用。通過“航天系統工程”“航天器總體設計與綜合實踐”等核心課程教學與實踐，基于CDIO理念，結合衛星俱樂部探索研究衛星方向學生本科階段貫通式創新實踐能力培養的新模式，實現從培養技術型人才到培養技術與領導能力并重的團隊型人才的教育模式轉變。團隊從核心專業課程的CDIO閉環結構設計、貫通本科四年的CDIO課程培養體系以及俱樂部模式下的CDIO貫通式大閉環這三個方面出發，層層遞進地展開論證。

(一)核心專業課程的CDIO閉環結構設計

基于CDIO理念對課程教學進行設計，將課程分為課堂環節和實踐環節兩大部分。其中課堂環節以學習理論知識為主，包括了“構思”和“設計”兩個部分。在構思模塊，通過授課教師設定課堂問題情景，引導學生自主學習，分析問題并抽象出問題的模型；在設計模塊，授課教師進一步根據問題引導學生聯系已有的知識，協助學生初步提出解決問題的思路。實踐環節以動手實練為主，包括了“實現”和“運行”兩個部分。在實現模塊，授課教師給定實驗課題，學生通過課堂所學的知識進行編程仿真或實驗操作；在運行模塊，授課教師驗收實踐成果，幫助學生進一步分析實驗問題[9]。

以“航天器總體設計與綜合實踐”課程為例，如圖1所示，首先在課堂環節對航天器環境、有效載荷設計、結構與機構設計、測控與星載數據管理系統以及航天項目技術管理等方面進行理論知識的介紹與講解，使學生從構思設計層面對于航天器總體設計要做什么以及怎么做，從理論角度有了一定的了解。然后在綜合實踐環節，圍繞衛星姿態、電源、結構、軌道分系統進行實現與運行，包括微納衛星姿軌控半實物仿真實驗、微納衛星電源系統半實物仿真實驗、航天器數字化構形設計與結構裝配實驗以及航天器軌道仿真與特性分析實驗。在實踐過程中反思遇到的問題和困難，再通過溫習書本、請教老師和學長、搜集參考文獻等方式，不斷鞏固和加深對知識的理解，做到將課本知識與工程實踐融會貫通、知行合一。

圖1 “航天器總體設計與綜合實踐”課程的CDIO閉環結構

(二)貫通本科四年的CDIO課程培養體系

針對尚未形成體系化培養模式的問題，基于CDIO理念建立貫通本科四年的一體化課程體系，構建由專業導論與基礎課、專業特色與拓展課、專業綜合與實踐課、參與任務實施組成的四級教學新體系，如圖2所示。

圖2 本科四年衛星方向專業課對應的CDIO課程培養體系

專業導論與基礎課構成教學新體系第一級，主要面向大一、大二低年級本科生，包括導論類課程、力學系列課程、熱學系列課程等基礎課，目的是引導學生構思衛星設計藍圖，通過導論課程的學習對衛星工程包含哪些方面、成為衛星工程師需要哪些領域的知識有一個總體了解，通過基礎課的學習為后續設計環節的開展打下扎實的理論基礎。與此同時，衛星俱樂部定期邀請業內專家開展前沿技術講座，有助于低年級本科生開拓視野、挖掘興趣、錨定方向，為未來的職業發展作初步的規劃。

專業特色與拓展課構成教學新體系第二級，主要面向大二、大三中低年級本科生，包括航天系統工程、空天飛行力學、測控與通信等專業課，目的是加強學生對專業知識的理解，提高學生運用所學知識設計技術方案、解決工程問題的能力，通過專業課的學習深入剖析衛星本質，為后續實現環節的落實做好充分的準備。在前兩個階段的鋪墊下，本科生已具備良好的科學素養和科研能力。衛星俱樂部面向中低年級學生發布競賽選題，指導學生參與大學生創新創業比賽、空天科技文化節等活動，將書本知識與前沿技術融會貫通。

專業綜合與實踐課構成教學新體系第三級，主要面向大三、大四中高年級本科生，包括航天器總體設計與綜合實踐、飛行控制系統實驗、本科畢業設計等，目的是通過軟件編程、實物與半實物仿真，實現設計方案落地，將理論轉化為實踐，培養學生獨立學習、自主創新、團隊合作的綜合能力，通過實踐課的訓練鍛煉學生發現問題、解決問題的能力，為后續運行環節的順利實施埋下伏筆。衛星俱樂部除了為學生提供試驗平臺、仿真系統以及技術支持以外，還為學生提供論文撰寫指導、專利申請教學等服務，促進學生創新成果的轉化與落地。

參與任務實施構成教學新體系第四級，主要面向大四年級的本科生，包括衛星測控值班、衛星姿軌控制、仿真系統運行等。對于分配到部隊單位的學生，在校期間通過深度參與衛星遙控遙測任務，掌握解決衛星工程問題的方法，畢業后進入工作崗位能更快地適應工作環境，甚至可以直接進入崗位角色，同時也有助于將先進的衛星技術前沿概念帶到基層單位。對于到航天工業部門和民營企業就業的學生，在校期間通過專業課程學習與俱樂部課外拓展，全方面了解衛星各分系統的技術細節，有助于學生發現自己研究的興趣點，幫助學生進行職業選擇和規劃，在衛星俱樂部獲得的充實的研究經歷和開闊的眼界可以使得學生更具崗位競爭力。此外，通過對學生的協作能力和領導能力的鍛煉，學生的綜合水平和核心競爭力得到顯著提高，為未來成為下一任總師、總指揮奠定了基礎。

(三)俱樂部模式下的CDIO貫通式大閉環

探索衛星俱樂部實踐教學運行機制及標準化實驗室建設，是順利推進教學模式改革的關鍵問題，其首要任務是完善俱樂部學生委員會、學術沙龍、技術培訓等日常運行機制，落實俱樂部規范化管理與制度化管理。衛星俱樂部由學術委員會、文檔委員會與組織委員會組成，三大委員會各司其職在指導教師們的帶領下開展活動。其中學術委員會下轄衛星姿態動力學、軌道動力學、能源、結構、通信等若干研究小組，各研究小組由負責老師以及本碩博各階段學生組成，圍繞各分系統相關技術問題開展研究。文檔委員會負責統計俱樂部相關成員名單，收集存檔各類文本資料，管理和維護實驗室設備和平臺，發布本科生畢設課題并跟進畢設完成情況。組織委員會負責組織各類講座、研討、技術培訓、比賽宣講等活動，每年依托“航天器總體設計與綜合實踐”等實踐課程發布衛星相關項目課題。

由于現有衛星方向實踐教學體系較難實現教學系統復雜度與教學周期的平衡，本科生前期學習基礎課程和專業知識的周期長，到高年級才具備實現衛星設計和運控衛星系統的專業素質及知識水平，待學生完成CDIO四個培養環節后即面臨畢業的問題，培養環節無法形成閉環繼續改進系統，學生能力提升速度的瓶頸難以突破。因此，針對本科生難以完成從構思→設計→實現→運行→構思(CDIO-C)迭代改進的閉環實踐這一問題，依托衛星俱樂部平臺，將不同年級不同階段的學生集結起來，共同完成一項衛星項目，實現低年級“構思+設計”到高年級“實現+運行”，再到低年級“構思+設計”的良性反饋，如圖3所示。首先，在高年級學生的指導下，低年級學生調研國內外研究現狀，分析任務總體需求，根據任務要求及約束初步構思任務方案，并分析任務可行性。其次，中低年級學生結合專業課知識，在前期調研構思的基礎上，設計具體實施方案，制定切實可行的技術路線，并由高年級同學協助改進設計方案。再次，中高年級學生基于前輩研究經驗落實設計方案，分工進行部組件研制/采購、衛星軌道仿真、整星集成測試等。最后，高年級學生根據任務落實情況運行衛星系統，實現衛星測控、衛星在軌試驗和地面模擬運行等。與此同時，高年級將運行過程中遇到的問題及時反饋給其余環節負責人，改進構思、設計和實現方案，實現系統優化升級。

圖3 俱樂部模式下的CDIO貫通式大閉環

在這樣的培養體系下，就學生個人成長而言，經歷了構思—設計—實現—運行四個環節，實現了個人工程能力和創新實踐能力的培養和鍛煉。此外，大四學生在完成了一個CDIO大閉環以后，其所獲得的經驗教訓和改進建議就可以在項目過程中通過團隊互助的方式反饋給低年級的學生，實現CDIO-C閉環迭代改進實踐教學。

綜上所述，通過核心專業課程的CDIO閉環結構設計、貫通本科四年的CDIO課程培養體系以及俱樂部模式下的CDIO貫通式大閉環，構建基于CDIO理念+衛星俱樂部的三位一體人才培養教學實踐體系，最終實現學生理論功底、創新能力、實踐能力、協作能力和科學素養的全面發展，培養符合新時代要求和就業需求的創新人才。

四、總結

本文首先介紹了CDIO工程教育理念，其次歸納總結了創新人才的特點，從供給側和需求側出發，探討了創新人才培養理念和方法。最后，基于CDIO理念，以衛星俱樂部實踐為例，研究創新人才培養模式改革思路和策略。在課程結構設計方面，分別從“構思+設計”與“實現+運行”兩個維度，開展核心專業課程結構設計，強調理論知識與課程實踐相結合。在課程體系搭建方面，建設貫通本科四年的一體化課程體系，構建“構思、設計、實現、運行”四級教學新體系。在閉環實踐方面，依托衛星俱樂部，研究低年級“構思+設計”到高年級“實現+運行”再到低年級“構思+設計”的CDIO-C閉環迭代體系。通過構建從單門課程設計到個人知識體系建立再到多年級知識迭代的“點線面”三位一體的CDIO教學實踐體系，形成了體系化的衛星創新人才培養機制。一方面培養了具備合理的知識結構、較強的工程素養、科學的思維方法、堅定的科學精神的優秀創新拔尖人才，另一方面作為CDIO理念與國產俱樂部融合的成功案例，為其他教學單位提供了有益參考。