基于 “專家型” 競賽的航天創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式與實(shí)踐1)

羅亞中 李俊峰 高 揚(yáng) 李九天

?(國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，長沙410073)

?(清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京100084)

??(中國科學(xué)院空間應(yīng)用與工程技術(shù)中心，北京100094)

??(國防科技大學(xué)研究生院，長沙410073)

創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力是研究生培養(yǎng)的核心目標(biāo)，近年來的實(shí)踐表明科技競賽活動是推動研究生能力培養(yǎng)的有力抓手[1]。航天器軌道動力學(xué)是航天領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科，相關(guān)課程教學(xué)在航天專業(yè)人才培養(yǎng)中有著重要地位[2]。圍繞國內(nèi)航天專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，依托中國力學(xué)學(xué)會，清華大學(xué)、中國科學(xué)院、國防科技大學(xué)等單位自2009 年發(fā)起全國空間軌道設(shè)計競賽(China Trajectory Optimization Competition, CTOC)，迄今已成功舉辦10 屆，并在舉辦過程探索形成依托這一“專家型”競賽培養(yǎng)研究生創(chuàng)新人才的“4C 模式”，有力推動了航天專業(yè)人才培養(yǎng)工作，帶動我國空間軌道設(shè)計達(dá)到世界領(lǐng)先水平，在國內(nèi)外取得了廣泛的社會影響[3-5]。

1 全國空間軌道設(shè)計競賽實(shí)踐歷程

軌道動力學(xué)是天體力學(xué)在航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用，有著悠久的發(fā)展歷史。軌道作為航天任務(wù)的核心要素之一，其設(shè)計創(chuàng)新對航天任務(wù)有直接引領(lǐng)作用。20世紀(jì)90 年代以來，隨著世界范圍內(nèi)的航天技術(shù)迅猛發(fā)展，特別是第二輪國際深空探測熱潮的興起，軌道設(shè)計創(chuàng)新需求日益迫切。為探索新型軌道設(shè)計理論與方法，歐洲航天局面向全球?qū)I(yè)研究機(jī)構(gòu)于2005年發(fā)起了國際空間軌道設(shè)計競賽，參賽單位包括美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗室、俄羅斯科學(xué)院、法國國家空間中心、德國宇航中心等國際一流航天機(jī)構(gòu)及相關(guān)院校[6]。競賽引發(fā)了世界范圍的研究熱潮，推動了空間軌道設(shè)計技術(shù)研究[7-9]。

2008 年前后，隨著神舟七號成功進(jìn)行航天員出艙活動，中國航天也將目光投向更加深邃的太空。為了更好地服務(wù)于國家探月工程和深空探測需求，借鑒國際空間軌道設(shè)計競賽，2009 年，清華大學(xué)依托中國力學(xué)學(xué)會，聯(lián)合中國科學(xué)院空間應(yīng)用與工程技術(shù)中心、國防科技大學(xué)等發(fā)起CTOC，以期從創(chuàng)新人才培養(yǎng)和基礎(chǔ)研究等方面推動我國空間軌道設(shè)計能力的提升[3]。

CTOC 與傳統(tǒng)的學(xué)科競賽不同，復(fù)雜的空間軌道設(shè)計題目沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，出題方也難以得到最優(yōu)解，需要參賽者具有較高的專業(yè)積累。在1 到2 個月的時間段內(nèi)，參賽隊伍可以采用所有可能的人力、物力以及沒有任何限制的技術(shù)手段對問題進(jìn)行求解。對于各參賽隊設(shè)計結(jié)果，主辦方能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行檢驗。歷屆CTOC 題目均給出了可以直接客觀評價的設(shè)計指標(biāo)，主辦方根據(jù)設(shè)計指標(biāo)即可評價各參賽隊設(shè)計結(jié)果，并形成客觀公正的排名。

迄今為止，CTOC 已經(jīng)成功舉辦了10 屆。先后有清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校，以及中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、西安衛(wèi)星測控中心、中國航天科工集團(tuán)二院等航天任務(wù)部門獲得比賽冠軍并為舉辦競賽做出過貢獻(xiàn)。參賽團(tuán)隊覆蓋了全國航空宇航科學(xué)與技術(shù)學(xué)科學(xué)位授予單位，并輻射到了歐洲航天局以及意大利、德國、美國等國高校和研究所[4]。

2 通過 “專家型” 競賽培養(yǎng)研究生的 “4C模式”

軌道設(shè)計競賽是一種面向特定專業(yè)人群的 “專家型” 競賽，競賽題目及設(shè)計方案均有很顯著的創(chuàng)新性，一個體現(xiàn)是國際和國內(nèi)競賽設(shè)計結(jié)果以專輯形式在航天領(lǐng)域高影響力國際期刊Acta Astronautica上發(fā)表[6,10]。從競賽組織的情況和競賽內(nèi)容來看，該競賽不只是針對在校研究生，參加競賽的團(tuán)隊很多是航天機(jī)構(gòu)的一線工程師。該競賽的目的是推進(jìn)航天領(lǐng)域的科技進(jìn)步，培養(yǎng)個人的同時更重在培養(yǎng)研究團(tuán)隊。但是從實(shí)際參賽情況來看，來自高校的團(tuán)隊占據(jù)了很大比例，這也和實(shí)際科研情況類似。如何利用這類“專家型”競賽進(jìn)行研究生培養(yǎng)，必然不同于數(shù)學(xué)建模大賽、“挑戰(zhàn)杯” 創(chuàng)新設(shè)計大賽、大學(xué)生機(jī)器人大賽等面向廣泛學(xué)生群體的科技競賽，需要對其培養(yǎng)過程一般性規(guī)律進(jìn)行深入分析，探索基于挑戰(zhàn)性專業(yè)競賽研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[5]。

我們在探索中逐步梳理了航天專業(yè)研究生培養(yǎng)中的問題，并通過競賽活動組織形式的創(chuàng)新來解決問題：

一是研究生綜合實(shí)踐與創(chuàng)新能力薄弱問題。隨著我國航天重大工程的持續(xù)推進(jìn)，畢業(yè)研究生工程背景不熟悉、綜合實(shí)踐水平不高、創(chuàng)新能力有待加強(qiáng)等問題逐漸在用人單位顯現(xiàn)。

二是研究生課程教學(xué)內(nèi)容與航天工程實(shí)際脫節(jié)問題。課程體系、教學(xué)內(nèi)容等未能及時跟上國內(nèi)外航天工程的發(fā)展形勢，畢業(yè)生工作后需要在航天系統(tǒng)分析、空間任務(wù)規(guī)劃、軌道設(shè)計優(yōu)化等方面“補(bǔ)課”。

三是研究生培養(yǎng)開放合作育人力度不夠問題。航天領(lǐng)域因其在國防科技應(yīng)用上的敏感性，院校與用人單位、軍隊與地方、國內(nèi)與國外等方面深度專業(yè)化的學(xué)術(shù)交流與技術(shù)合作少，導(dǎo)致研究生學(xué)用不一致、視野不夠開闊等問題突出。

針對上述問題，我們在舉辦競賽過程中逐漸凝練形成依托競賽培養(yǎng)創(chuàng)新人才的 “4C 模式”(如圖 1 所示)：以歷屆競賽形成的極具專業(yè)挑戰(zhàn)性的賽題 (challenging-topic) 為牽引，通過強(qiáng)化科研過程訓(xùn)練和協(xié)同攻關(guān)能力，大幅提升研究生創(chuàng)新能力(creativity)；結(jié)合競賽成果開展專業(yè)課程綜合提升(course-promotion)，全面提升專業(yè)教學(xué)能力；通過競賽拓展的交流平臺和競賽成果轉(zhuǎn)化，深化軍民融合育人(cooperation)，提升培養(yǎng)工作的針對性。

圖1 “4C” 模式及主要解決的人才培養(yǎng)問題

3 “專家型” 競賽的組織方式

“4C 模式” 中挑戰(zhàn)性賽題及競賽活動是 CTOC的主題和靈魂。考慮到要發(fā)揮競賽的引領(lǐng)作用，必須緊貼國家航天任務(wù)實(shí)際需求，通過前沿且極富挑戰(zhàn)性的競賽題目才能將人才培養(yǎng)的目標(biāo)落到實(shí)處；其次，考慮到空間軌道專業(yè)難度很大、綜合性強(qiáng)，將CTOC的參賽主體定位于研究生，旨在以賽促學(xué)，以賽促研，并將培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神作為競賽的主要目標(biāo)之一；此外，競賽組織方還力求通過新穎的組織形式，保持競賽的活力和吸引力。

3.1 結(jié)合國家任務(wù)需求，設(shè)計有高度挑戰(zhàn)性的競賽題目

愛因斯坦認(rèn)為：“提出問題往往比解決問題更重要······新問題的提出需要創(chuàng)造性的想象力，往往標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步?！盋TOC 就將賽題命制作為競賽組織的核心工作，重點(diǎn)圍繞我國未來航天任務(wù)需求，命制高水平賽題。賽題密切結(jié)合學(xué)科前沿，切合研究生能力、難度又足夠大，創(chuàng)新空間廣闊。

如 2010 年第二屆賽題 “火星與多目標(biāo)小行星探測” 直接源于我國正規(guī)劃論證的未來火星探測任務(wù)[11]。第五屆賽題“載人小行星探測任務(wù)”，探測器采用新型核電推進(jìn)[12]。競賽結(jié)果可為我國未來載人小行星探測方案提供重要參考。競賽產(chǎn)生的最優(yōu)設(shè)計方案出發(fā)質(zhì)量僅為53.6 噸，總飛行時間不到300天，超過美國 2009 年星座探索計劃時的方案論證水平。

3.2 培養(yǎng)科學(xué)精神，堅持客觀實(shí)證的評價體系

競賽題目緊貼國家任務(wù)需求，同時，競賽也強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)科學(xué)精神。競賽采取本屆冠軍作為下屆出題方的方式，為競賽題目的創(chuàng)新發(fā)展提供源源不斷的動力。CTOC 歷屆題目從一般的小天體采樣返回、多目標(biāo)行星探索問題，不斷引入捕獲小行星、飛出太陽系、小行星表面巡游、編隊控制、星座設(shè)計、木星磁場探測等新問題[4]。每一屆賽題都是全新的挑戰(zhàn)，蘊(yùn)含新的科學(xué)問題，不斷激勵研究生的科學(xué)探索精神。

CTOC 競賽評價指標(biāo)客觀唯一。如第五屆賽題在滿足全部約束前提下，以探測器出發(fā)質(zhì)量最小為唯一評價指標(biāo)[12]。歷屆比賽主辦方提供統(tǒng)一驗證和指標(biāo)計算程序，數(shù)據(jù)和程序?qū)λ袇①愱牼枪_的，指標(biāo)計算和排名是客觀可實(shí)證的。除依托中國力學(xué)學(xué)會進(jìn)行競賽信息傳播、頒獎及研討會組織外，沒有其他行政機(jī)構(gòu)參與，基本形成了學(xué)者自治的一種競賽組織模式，總體上體現(xiàn)公正、開放和科學(xué)的特色。

3.3 服務(wù)創(chuàng)新需求，突破傳統(tǒng)專業(yè)競賽組織形式

在挑戰(zhàn)性賽題牽引和保證下，突破傳統(tǒng)學(xué)科競賽組織形式，CTOC 成為必須依托團(tuán)隊協(xié)作才能完成的全開放式新型專業(yè)競賽。

團(tuán)隊協(xié)作。競賽題目專業(yè)難度很大、綜合性強(qiáng)，必須通過團(tuán)隊協(xié)作才能完成理論分析、方案設(shè)計、算法實(shí)現(xiàn)、仿真驗證全過程。為進(jìn)一步促進(jìn)創(chuàng)新，競賽不限定隊員人數(shù)和資歷，鼓勵跨單位、跨年級、跨學(xué)歷層次組隊。

資源開放。競賽題目前沿性強(qiáng)，完全無現(xiàn)成的解決方案。CTOC 采取開放式競賽時間，2 個月內(nèi)完成即可，給予參賽隊充分的創(chuàng)新時間裕度。競賽不限定參賽資源，從理論突破到技術(shù)路線創(chuàng)新，從引入先進(jìn)算法到采取新興計算工具，給予參賽隊充分的創(chuàng)新空間。

難度分級。由于軌道設(shè)計任務(wù)學(xué)科專業(yè)性強(qiáng)、難度大，前五屆競賽的參加隊伍在30 支左右，且參加范圍基本固定。為了擴(kuò)大競賽的覆蓋面，給競賽注入新的活力，組織方經(jīng)過多方討論，決定采用設(shè)置甲組和乙組兩套難易程度有所區(qū)別的方式，吸引非專業(yè)參賽隊伍參加，后續(xù)競賽參賽規(guī)模擴(kuò)大了將近1 倍。

3.4 依托競賽，打造高端學(xué)術(shù)交流平臺

CTOC 歷屆競賽均舉行隆重的頒獎典禮及專題研討會，先后在北京、西安、貴陽、南京、揚(yáng)州、深圳等地召開[4,13-16]。專題研討會上，通過優(yōu)秀方案和創(chuàng)新設(shè)計思想的深度交流研討，各參賽團(tuán)隊相互切磋技藝，共同提高水平。此外專題研討會邀請航天和力學(xué)領(lǐng)域院士、知名專家參會，他們對參賽團(tuán)隊的創(chuàng)新設(shè)計給予了高度贊譽(yù)[13-16]，并分享相關(guān)領(lǐng)域最新進(jìn)展和國家航天任務(wù)發(fā)展方向，顯著擴(kuò)大了研究生學(xué)術(shù)視野。同時，通過競賽聚集了航天任務(wù)部門、科研機(jī)構(gòu)、院校等不同領(lǐng)域的一流專家學(xué)者，為研究生提供了近距離學(xué)習(xí)交流、并了解用人單位需求的寶貴機(jī)會。

4 以 “專家型” 競賽推動研究生培養(yǎng)的具體做法

4.1 競賽引入研究生培養(yǎng)全過程，著力提升研究生創(chuàng)新能力

經(jīng)過系統(tǒng)研究，我們將競賽引入研究生培養(yǎng)全過程，旨在提升研究生創(chuàng)新能力。

加強(qiáng)科學(xué)研究全過程訓(xùn)練。依托賽題，通過大作業(yè)、專項培訓(xùn)、競賽輔導(dǎo)等，對研究生進(jìn)行“熟悉任務(wù)背景 — 分析問題 — 確定思路 — 選擇技術(shù)路線—計算實(shí)現(xiàn)—結(jié)果分析—尋優(yōu)迭代—驗證—研究報告撰寫”全過程的科學(xué)研究訓(xùn)練，將能力培養(yǎng)落實(shí)為有章可循的規(guī)定動作。歷時1～2 個月參與競賽的過程，更是上述訓(xùn)練過程的一個集中強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)。這一做法成效顯著，特別是對于低年級研究生訓(xùn)練效果尤為突出。對于剛?cè)腴T的研究生，往往通過一次競賽活動，就能具備較好地獨(dú)立承擔(dān)軌道設(shè)計相關(guān)研究課題的能力。

引導(dǎo)研究生高起點(diǎn)切入學(xué)科前沿。軌道競賽一個顯著特點(diǎn)是賽題本身的創(chuàng)新性，對研究工作有很好的牽引性。通過賽題分解、拓展，形成研究方向“指南”，幫助研究生以創(chuàng)新項目和學(xué)位論文選題的形式開展研究，從而準(zhǔn)確、快速切入航天工程急需的和前沿的技術(shù)領(lǐng)域，在提升培養(yǎng)質(zhì)量的同時，顯著增強(qiáng)培養(yǎng)針對性和吸引力。清華大學(xué)、國防科技大學(xué)等圍繞歷屆賽題所帶動的小推力軌道優(yōu)化、引力輔助、交會序列優(yōu)化、星座構(gòu)型設(shè)計等前沿方向，培養(yǎng)了一大批碩士、博士研究生。

4.2 利用競賽成果，開展卓有成效的課程教學(xué)提升

我們及時將競賽形成的工程模型、設(shè)計方法、優(yōu)化算法和工具軟件引入教學(xué)，推動課程改革。

優(yōu)化課程體系。清華大學(xué)、國防科大、中科院大學(xué)、西工大等高校結(jié)合競賽成果建設(shè)了小行星探測、多碎片清除等新型航天任務(wù)設(shè)計案例，對“航天任務(wù)分析與設(shè)計”、“深空探測軌道力學(xué)”、“航天器軌道動力學(xué)”、“航天器交會對接技術(shù)”等課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容調(diào)整，出版了廣受業(yè)界好評的“深空探測動力學(xué)與控制”、“航天軌道力學(xué)理論與方法”等系列研究生教材。

創(chuàng)新教學(xué)方式方法。國防科技大學(xué)等積極整合競賽成果開發(fā)了 “航天任務(wù)規(guī)劃” 等 4 個虛擬仿真實(shí)驗項目，入選了2018 年度國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目，建設(shè)了“航天器軌道力學(xué)” 等慕課課程。有眾多高校依托競賽成果，深入開展了案例式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方式改革。

4.3 以競賽為紐帶和平臺，深化產(chǎn)學(xué)研合作軍民融合育人

從人才培養(yǎng)需求出發(fā)，充分借力競賽拓展交流渠道、打造交流平臺，持續(xù)深化軍民融合育人。

深化學(xué)術(shù)交流和科研合作。結(jié)合競賽的專題研討會以及伴生的 “全國航天飛行動力學(xué)技術(shù)大會”、“全國航天動力學(xué)與控制青年學(xué)者論壇” 等全國性學(xué)術(shù)會議，有效增進(jìn)院校之間、軍地之間、校企之間的學(xué)術(shù)交流與人才培養(yǎng)合作。同時持續(xù)推動競賽成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化，先后為一系列載人航天、“嫦娥”工程等國家重大任務(wù)提供重要參考，有效帶動科研合作。

有力拓展人才培養(yǎng)合作領(lǐng)域。西安衛(wèi)星測控中心、北京航天飛行控制中心等工程任務(wù)部分深度參與了競賽活動，為人才培養(yǎng)提供了很好的需求牽引。通過競賽及相關(guān)活動帶動，清華大學(xué)、國防科技大學(xué)等先后與多個軍隊單位和國防科技單位簽署人才培養(yǎng)合作協(xié)議，培養(yǎng)了一大批軌道設(shè)計方向高素質(zhì)研究生，在多個國家重大航天任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

5 結(jié)論

自創(chuàng)辦之初起，CTOC 就得到我國航天領(lǐng)域和高等教育領(lǐng)域的充分認(rèn)可和廣泛支持，僅競賽核心活動，就得到王永志、孫家棟、李濟(jì)生、余夢倫等航天領(lǐng)域知名院士的親自指導(dǎo)和參與，李家春院士、鄭曉靜院士、戴世強(qiáng)教授、周哲瑋教授等力學(xué)大家、教育家一直給予競賽大力支持和高度評價[4]，原中國力學(xué)學(xué)會理事長李家春院士評價競賽[14]：“這一系列活動的舉辦一定能在培養(yǎng)杰出青年人才方面發(fā)揮更大的作用?！?CTOC 受到國內(nèi)航天領(lǐng)域研究生和導(dǎo)師的高度認(rèn)可和廣泛參與，參賽隊伍覆蓋國內(nèi)全部航空航天院校及主要研究機(jī)構(gòu)，已成為我國航天領(lǐng)域研究生培養(yǎng)的重要實(shí)踐平臺。該競賽模式被周培源全國大學(xué)生力學(xué)競賽、中國研究生未來飛行器設(shè)計大賽等所借鑒參考。競賽相關(guān)活動引起國內(nèi)廣泛關(guān)注，先后被新華社、中央電視臺、人民網(wǎng)、解放軍報社等眾多媒體廣泛報道，百度搜索條目超過260萬條。

作為“4C” 模式的提出者和踐行者，清華大學(xué)、國防科技大學(xué)培養(yǎng)了一批創(chuàng)新成果突出、深受用人單位好評的研究生。近5 年，兩校在軌道設(shè)計優(yōu)化方面共培養(yǎng)了4 名航空宇航科學(xué)與技術(shù)學(xué)科全國優(yōu)博論文獲得者，研究生在讀期間獲得軍隊科技進(jìn)步一等獎等重要科技獎勵，經(jīng)過競賽鍛煉培養(yǎng)的畢業(yè)生陸續(xù)成為各自崗位的骨干，在載人航天交會對接、“嫦娥四號” 月面著陸等重大航天任務(wù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用?！?C” 研究生培養(yǎng)模式先后被北京理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等兄弟高校借鑒并取得良好培養(yǎng)效果。

作為人才培養(yǎng)成效的一個集中體現(xiàn)，在2019 年美國噴氣實(shí)驗室主辦的第十屆國際空間軌道設(shè)計競賽中，以研究生為主體的國防科技大學(xué)和清華大學(xué)參賽隊分別獲得冠、亞軍[17]，實(shí)現(xiàn)中國參賽隊的首次奪冠，打破歐美參賽隊伍對該賽事冠軍的壟斷。國際同行對中國參賽隊實(shí)力給予了高度認(rèn)可，要求學(xué)習(xí)中國參賽隊的解決思路和方案[18]。新聞聯(lián)播、人民日報公眾號報道了這一成績，新華社[19]、解放軍報[20]對奪冠歷程進(jìn)行了深度報道與解讀，高度評價了我國空間軌道設(shè)計領(lǐng)域青年科技隊伍的創(chuàng)新能力。軌道競賽以其獨(dú)有的魅力在研究生培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用[19-21]，不僅培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，更是培養(yǎng)了團(tuán)隊協(xié)作精神和攻堅克難的執(zhí)行力，也增強(qiáng)了他們攀登世界科技高峰的信心。