航天專業(yè)團隊畢業(yè)設計模式改革與實踐

李 偉， 張 科， 魯 寧

(1. 西北工業(yè)大學 航天學院, 西安 710072； 2. 中國科學院 自動化研究所， 北京 100190)

0 引 言

黨的十八大以來，我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)升級步伐，“新工科”的提出正是我國應對新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展對工程教育改革和發(fā)展提出新挑戰(zhàn)的積極回應[1-2]。在我國全面深化改革的大環(huán)境下，“新工科”建設不再是單一的局部考量，而是對我國工程教育發(fā)展的新思維、新方式的重大戰(zhàn)略選擇。由此可見，當前地方高校應積極探索多樣化、個性化的人才培養(yǎng)模式，從而滿足國家未來發(fā)展對復合創(chuàng)新型工程科技人才的需求[3-4]。

根據(jù)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》所述，空天海洋領域是四個戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，也是未來科技發(fā)展的新優(yōu)勢。針對航天產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)改革滯后性的問題[5-7]，以本科畢業(yè)設計改革為載體，重構(gòu)基于團隊模式的航天綜合畢業(yè)設計團隊，為全面培養(yǎng)學生的工程意識，提升創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，進行了探索。

1 航天專業(yè)團隊畢業(yè)設計項目介紹

本科畢業(yè)設計是培養(yǎng)航天專業(yè)人才實踐技能、創(chuàng)造能力和創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)，是本科生在大學學習期間對所學知識深化與升華的重要階段[8-10]。航天專業(yè)團隊畢業(yè)設計的學生和教師都來自若干個不同專業(yè)，指導教師會根據(jù)每個學生的專業(yè)和能力合理分配任務，所有學生在教師團隊的集中指導下，將共同完成一個系統(tǒng)性的工程項目[11-12]。在這種模式下，學生通過團隊協(xié)作、共同探討問題等方式，逐漸培養(yǎng)學生的交流溝通能力，進一步加快項目進度，提高論文質(zhì)量。

2 基于團隊設計項目的本科畢業(yè)設計實踐

2.1 教師團隊組建

學院要對參與專業(yè)團隊畢業(yè)設計的指導教師資格具有嚴格要求[13]：① 團隊里要具有豐富教學經(jīng)驗和系統(tǒng)專業(yè)知識的資深教師；② 要有素質(zhì)良好、富有活力、長期從事科研項目、具有豐富工程實踐經(jīng)驗的教師；③ 要根據(jù)畢設項目所涵蓋的專業(yè)領域合理優(yōu)化團隊結(jié)構(gòu)。為了進一步完善教師梯隊的建設，學院還鼓勵各個課程群團隊的青年教師積極參與到畢業(yè)設計指導工作中去，通過老教師的“傳、幫、帶”作用，實現(xiàn)教師隊伍建設的可持續(xù)發(fā)展。以在研的“空間碎片激光清理飛行器設計與地面實驗”項目為例，該團隊教師由5名教師組成，分別來自航空航天工程、飛行器設計、探測制導控制3個專業(yè)方向，在該項目中分別負責、整體統(tǒng)籌、結(jié)構(gòu)設計、地面實驗系統(tǒng)、軌道動力學與姿態(tài)動力學、優(yōu)化算法設計、控制系統(tǒng)設計等子項目的指導工作。在后期的工作中，指導教師以團隊形式開展指導監(jiān)督，并堅持“導師負責、聯(lián)合指導”的培養(yǎng)模式。

2.2 畢業(yè)設計選題

選題工作在本科生的第7個學期中后期(每年11月份)開始，由參與畢業(yè)設計指導工作的所有教師集中商議確定，所選課題需要結(jié)合當前研究熱點，要具有一定的實踐性和創(chuàng)新性，還必須制定3～5年發(fā)展目標和進展計劃。由于畢業(yè)設計具有一定的系統(tǒng)性、針對性和綜合性，其任務規(guī)模往往大于傳統(tǒng)畢業(yè)設計、因此在制定子項目課題任務時，需要理清各個子課題之間的相互關系，能夠使學生通過密切協(xié)作較好地實現(xiàn)總課題目標。

例如在“空間碎片激光清理飛行器設計與地面實驗”項目中，研究內(nèi)容包括:① 空間碎片激光清理飛行器結(jié)構(gòu)設計與分析;② 空間碎片激光清理動力學及過程分析;③ 空間碎片的碰撞概率問題研究;④ 激光清理空間碎片N脈沖軌道優(yōu)化設計;⑤ 空間碎片激光清理飛行器姿態(tài)確定技術;⑥ 空間碎片激光清理飛行器姿態(tài)控制技術;⑦ 空間碎片激光清理飛行器聯(lián)合姿態(tài)控制;⑧ 空間碎片激光清理氣浮衛(wèi)星超聲波室內(nèi)定位技術研究;⑨ 空間碎片激光清理飛行器捕獲跟瞄與控制技術研究共9個題目。

2.3 學生團隊組建環(huán)節(jié)

畢業(yè)設計團隊的學生主要來自飛行器設計與工程、探測制導與控制技術、飛行器動力工程、航空航天工程4個專業(yè)，學生團隊組建的相關流程如圖1所示。在每年各個團隊教師選題工作完畢后，學院組織大型的宣講會，每個團隊的老師會一一上臺介紹自己團隊的主要研究內(nèi)容及3～5年的目標，并向?qū)W生展示已取得的研究成果。學生根據(jù)老師們的介紹及需求，結(jié)合自己的專業(yè)和興趣自愿選擇團隊加入。學生報名后，由團隊教師面試并確定最終成員。學生團隊組建后，指導教師要盡量滿足每位學生的專業(yè)興趣愛好，要根據(jù)每位學生的能力合理引導，使得人盡其能[14]。例如，團隊中的學生可能來自不同專業(yè)不同班級，學生之間的熟悉程度不高，為了確保項目研究工作的順利開展，可以選擇交際能力強、專業(yè)水平較高的學生擔任組長，由他負責指導教師和其他成員的信息溝通，必要時還可以輔助指導教師協(xié)調(diào)整個團隊的研究進度。為了保證整個團隊能夠在預定時間節(jié)點完成相關任務，可以安排研究能力較弱的學生負責難度較低的子課題，確保整個項目能夠順利推進，不會因為某一個學生而耽誤進程。

圖1 學生團隊組建流程

2.4 畢業(yè)設計開題

學生團隊人員在每年的秋季學期就確定了，距離開題時間還有1～2個月的時間。開題的工作流程如圖2所示，為了使學生深入理解畢業(yè)設計的目的和要求，激發(fā)他們的主動學習熱情，這一階段，學生和指導教師可以通過多種形式進行深入交流。如在小組會議上，指導教師需要向團隊成員詳細介紹課題的背景，并強調(diào)責任觀念和協(xié)作態(tài)度對完成總課題的重要性。在此期間，指導教師還可以通過技術調(diào)研、程序編寫或報告撰寫等任務，進一步了解每一位團隊成員的專長，必要時可對成員進行二次分工。為了提升學生對總課題的認識水平，指導教師可要求學生定期分享閱讀價值高的文獻資料，并在小組會上集體討論、研讀。團隊成員間良好的工作氛圍，是保證設計過程效率的重要因素，因此，還需要指導教師在正式開題前，指導學生們制定總課題和子課題的進度計劃，避免后期工作中出現(xiàn)被動和推諉現(xiàn)象。根據(jù)畢業(yè)設行的要求，團隊成員開題時需要提交一份學術水平較高的團隊開題報告，這個開題報告要能體現(xiàn)總課題的構(gòu)想和各個子課題之間的聯(lián)系，不能是每個成員自己所寫報告的簡單堆砌。具體內(nèi)容可包括：研究背景、研究目的、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、工作基礎、待解決的具體問題、預期的研究手段，詳細研究計劃等。開題報告撰寫完畢后，由學院統(tǒng)一組織進行答辯，答辯會邀請的評委主要由學院的教學副院長、教學督導組以及各個專業(yè)的教師組成。

圖2 畢業(yè)設計開題工作流程

2.5 中期運行與管理

開題報告完成后，接下來就是畢業(yè)設計工作的主體階段(見圖3)，畢業(yè)設計是基于團隊協(xié)作開展工作的，首先需要給學生們創(chuàng)建一個溝通平臺。由于團隊成員是短時間內(nèi)組建的，學生可能來自不同專業(yè)不同班級，如果沒有一個行之有效的溝通平臺，團隊協(xié)作將無從談起。為此，學院依托航天創(chuàng)新實踐中心為畢業(yè)設計團隊設立了單獨的工作室。在航天創(chuàng)新實踐中心里，學生可以通過校園網(wǎng)查閱大量的國內(nèi)外研究資料，并可以利用中心已有的車床、鉆臺、激光切割機、示波器、開發(fā)板等實驗設備。

對整個畢設過程進行過程性評價，避免只依據(jù)畢設答辯成績這種單一的評定方法[15]。考核內(nèi)容包括學生對專業(yè)知識的掌握程度、實驗設計能力、問題分析能力以及團隊協(xié)用等多個方面。在實施過程中團隊管理按照下列形式開展工作。

(1) 個人工作周報。指導教師根據(jù)按月制定任務大節(jié)點及該節(jié)點需要提交的成果為每個學生下發(fā)任務書，學生根據(jù)任務大節(jié)點來制定每周的工作計劃，并在每周一上午將自己這周需要完成的工作發(fā)到微信群里，待到下周一，指導教師根據(jù)指定的計劃進行工作檢查，并對項目進展中遇到的技術問題進行解答。采用周報的形式不僅可以將每個學生研究過程中各個階段的記錄作為后期對學生畢業(yè)設計成績的評估依據(jù)，還可以了解個人對整個項目的貢獻，進一步激發(fā)學生主動工作的熱情。

圖3 畢業(yè)設計主體工作階段

(2) 小組技術論壇。學院要求團隊成員每2周至少召開1次組內(nèi)例會進行技術討論，并對會議進行記錄；每月進行1次階段性匯報，指導教師要根據(jù)每位學生匯報的內(nèi)容及工作中所遇到的困難，給予相應的指導與建議，團隊的其他同學也可在會上相互交換意見，共同調(diào)整下一階段團隊的工作思路和方案。

2.6 畢業(yè)設計論文編寫及答辯

畢業(yè)設計論文編寫及答辯是畢業(yè)設計的最后環(huán)節(jié)，指導教師對整個項目的驗收要提出宏觀與微觀要求，對每個子課題的完成情況要給予評價；學生最后提交的論文，要嚴格按照學校對畢業(yè)設計論文的撰寫要求進行修改，論文要概念清晰、層次分明、論證深入、文筆流暢、文字圖表規(guī)范；答辯環(huán)節(jié)由學院統(tǒng)一組織，評委由教務處、教學副院長、教學督導組及各專業(yè)教師組成。學生答辯采取統(tǒng)一PPT模板、以團隊為單位依次答辯，每個團隊答辯除了要求每位成員針對自己子課題內(nèi)容進行答辯外，還要求團隊組長針對整個課題的工作情況進行簡要介紹，并說明每位成員工作與整個課題的聯(lián)系。在畢業(yè)設計評分標準上，除了按照傳統(tǒng)評分標準外，還考慮團隊項目整體完成情況對個人得分的影響，從而以此增強其團隊意識和團隊榮譽感。在畢業(yè)答辯后，學院要求指導教師和學生針對近半年的畢設工作認真總結(jié)分析，反思不足，同時要結(jié)合本次工作所遺留的問題，進一步規(guī)劃來年的團隊畢業(yè)設計內(nèi)容，為來年工作做好充分準備。

3 航天專業(yè)團隊畢業(yè)設計體會

以多名不同專業(yè)學生組成團隊共同完成一個項目

的畢業(yè)設計工作，自2015年起已在3屆本科畢業(yè)生中實施，期間得到教務處的大力支持。該畢業(yè)設計不同以往的模式，研究成果不只局限于簡單的計算機仿真或紙上談兵，它要求每個團隊在畢設答辯時能夠拿出實物模型或原理樣機。每一個課題都具有學科交叉、綜合性強的特點，這就要求學院在指導教師團隊、學生團隊、中期運行管理和評分標準上都要進行深入改革，這種畢業(yè)設計環(huán)節(jié)的教學改革也是在當前國家“新工科”背景下迫切需要的。

通過3年的畢業(yè)設計實施，在9個大項目的實施過程中，學院力求“科研反哺教學”，團隊工作的順利開展借助了大量科研設備。火箭助推可分離式巡飛器系統(tǒng)、NAO機器人目標檢測實驗系統(tǒng)及空間碎片激光清理飛行器設計與地面實驗3個綜合畢業(yè)設計項目對培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力、團隊協(xié)用能力的效果比較明顯，后續(xù)畢業(yè)設計仍可沿用。

4 結(jié) 語

在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟環(huán)境下，國家需要的是一批理論基礎扎實、實踐能力突出、研究能力強的工程技術人員。航天專業(yè)團隊畢業(yè)設計正是在“新工科”建設背景下，大力推行的畢業(yè)設計改革項目。以團隊共同完成一個項目的畢業(yè)設計不僅可以培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神，使學生互相學習，互相探討，取長補短，克服自己存在的不足；還可以加深學生對從事科學研究體會，培養(yǎng)學生獨立從事科學研究的能力。該項目最重要的是針對一個具體工程問題，從理論研究、計算分析，再到實物實驗，將整個工程研究的的環(huán)節(jié)貫穿畢業(yè)設計整個階段，使學生得到了充分的鍛煉。航天團隊畢業(yè)設計是具有特色的畢業(yè)設計教學模式，取得了良好的效果，體現(xiàn)了面向航天專業(yè)培養(yǎng)應用型人才的教學特色，具有創(chuàng)新性。