新工科視域下航空航天工程本碩貫通培養(yǎng)體系設計與實踐

朱麗明 余文勝 黃丹 胡士強

摘 ?要：航空航天工程是航空航天類本科專業(yè)中綜合性較強的專業(yè)，如何構建適應新時代發(fā)展需求的復合型人才培養(yǎng)體系成為各高校專業(yè)建設探索的重點。2003年，上海交通大學推行了基于跨專業(yè)大類培養(yǎng)的教學體系，經過近十年的實踐已形成較為完善的培養(yǎng)模式。2014年，上海交通大學進行了以“工科大類平臺培養(yǎng)”為目標的教育教學改革。重點體現(xiàn)為“畢業(yè)生素質”達成度評估和持續(xù)性改進方法的實現(xiàn)。結合綜合性大學本科畢業(yè)后讀研比例高的特點，逐漸形成了以數(shù)理基礎為核心、以國際化為特色、注重創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的本碩貫通培養(yǎng)新體系。學校參照工程認證標準不斷動態(tài)校正培養(yǎng)目標，提升學生解決復雜工程問題的能力，從而適應國家對高素質新型航空航天人才的需求。

關鍵詞：航空航天工程；工程教育；課程體系；持續(xù)性改進

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1673-7164（2023）22-0109-06

航空航天技術是當代發(fā)展最迅速、學術最活躍、對人類軍事和民用領域產生重要影響的學科領域之一。隨著空天技術的快速發(fā)展，急需具有系統(tǒng)思維、創(chuàng)新活力、國際視野和工匠精神的復合型領軍人才。國家推出的“卓越工程師培養(yǎng)計劃”，主要目標是面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強，適用經濟社會發(fā)展需要的高質量工程技術人才。特別是近年來，隨著人工智能技術、新材料、量子通訊技術、新能源動力等技術的方興未艾，教育部從2017年開始，積極推進實施新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”。隨著新工科研究與實踐項目的發(fā)布，新工科建設正在引領著高等工程教育的深刻變革?；?0世紀50年代院系調整，國內三航院校多以二級專業(yè)進行建設。隨著國內綜合性大學陸續(xù)設立航空宇航學科，如何發(fā)揮綜合性大學多學科交叉的優(yōu)勢，將新工科理念融入航空宇航學科的建設成為國內綜合性大學需要思考的問題。航空航天工程是航空航天類專業(yè)中綜合性較強的專業(yè)，許多綜合性大學設立了航空航天工程專業(yè)，培養(yǎng)富于系統(tǒng)思維、創(chuàng)新活力和工匠精神的高素質航空航天類本科生，這將決定我國未來航空航天領域發(fā)展的水平和能力，這也是教育課程體系實現(xiàn)培養(yǎng)目標的行之有效的途徑［1］。

本研究以上海交通大學航空航天工程專業(yè)建設為例，將新工科理念的跨學科建設作為課程體系的出發(fā)點，聚焦學生在整合不同學科解決復雜問題的過程中，提升其能力和素質。通過分析對比世界一流大學的航空宇航學科的課程體系，基于一級學科培養(yǎng)模式，圍繞學生具有空天情懷、深厚基礎、系統(tǒng)綜合、動手實踐、國際視野的培養(yǎng)目標，設計了相應的本碩貫通課程體系，通過參照工程認證標準的閉環(huán)持續(xù)改進思路進行專業(yè)建設，動態(tài)修正培養(yǎng)目標，提升學生解決復雜工程問題的能力，適應國家在空天強國背景下對高素質新型航空航天人才的需求。

一、國際航空航天人才培養(yǎng)體系分析

世界排名前50位的一流大學幾乎都設置了航空航天學科，航空航天工程人才培養(yǎng)在高等工程教育中占有重要的地位。放眼世界范圍，歐美是世界上航空航天領域研究最持久、人才培養(yǎng)體系最系統(tǒng)和成熟的國家和地區(qū)，歐美在航空航天的多數(shù)領域無論人才培養(yǎng)還是科學研究都處于領先地位。如美國的麻省理工、加州理工，加拿大的多倫多大學、俄羅斯的鮑曼、莫斯科航空學院，英國的牛津大學、帝國理工，法國的國立航空大學、德國的慕尼黑工大等都為航空航天研究提供了大量的人才，支撐了各自國家的航空航天產業(yè)的蓬勃發(fā)展［2］。本研究通過對國際10余所著名高校航空航天人才培養(yǎng)體系的調研，分別從人才培養(yǎng)目標、專業(yè)能力培養(yǎng)和課程體系建設幾方面展開分析并總結了其主要特點和內在體系邏輯。

（一）人才培養(yǎng)目標分析

歐美國家制定的航空航天人才培養(yǎng)目標，注重強調工程教育理念，密切結合世界范圍內政治、經濟和技術發(fā)展的趨勢，注重對“人”的知識、技能和能力的綜合培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在：

1. 航空航天專業(yè)人才的培養(yǎng)既有專業(yè)素質要求又有綜合素質要求。培養(yǎng)目標要求學生具備航空航天科學及數(shù)學的扎實基礎知識，具有建模、分析設計和工程實踐的能力。

2. 更加注重“人”的培養(yǎng)。注重“人”更為全面的發(fā)展，重點在提高“人”的水平，培養(yǎng)目標要求學生具有從事航空航天內生興趣、決策知識、表達交流溝通能力與團隊合作精神以及將來成為領導者所應有的終身學習能力。

3. 培養(yǎng)的學生應具備更為寬泛的知識系統(tǒng)。擁有職業(yè)道德及社會責任，熟知社會人文和經濟管理、環(huán)境保護等知識的合格工程師。

（二）專業(yè)教育能力培養(yǎng)

1. 具有扎實的數(shù)學和自然科學基礎知識、人文社科知識、工程技術基礎和航空航天科學知識。

2. 強調學生拓寬課程范圍，更鼓勵學生掌握航空航天決策、信息與控制的知識。

3. 更加關注學生職業(yè)素養(yǎng)、倫理和經濟管理素質的培養(yǎng)。

4. 強調學生終身學習的意識和能力。

（三）課程體系分析

歐美體系航空航天本科課程包括三方面：院外課程、院內課程和素質課程。其中院外課程是指在本學院外選修不少于6門課程，類似于國內的工科大類平臺培養(yǎng)模式。素質課程包括三個領域：工程技術方面的技能和知識、管理和交流的能力、公民的責任和義務，與國內的通識教育課程相似［3］。

院內課程分為三個層次：

1. 公共課程

公共課程主要有兩部分組成，一部分是全校統(tǒng)一的必修課，包括數(shù)學、物理以及不少于8門的人文社科類課程（選修）；另一部分是航空航天的核心課程，包括綜合工程學、傳熱、自動控制以及航空航天要求較高層次的數(shù)學和物理課程。

2. 專業(yè)課程

歐美體系航空航天本科生專業(yè)課程分為5 ～ 6個模塊，分別為空氣動力學、結構與材料、推進器與能源轉換、動力學與控制、系統(tǒng)工程學，前三個領域是傳統(tǒng)的航空航天學科內容，后兩個則屬于更廣闊航空航天系統(tǒng)與控制范疇。

3. 飛行器設計與實驗課程

主要分為綜合實驗I和綜合實驗II，綜合實驗I主要包括核心課程的原理性、基礎性演示和驗證性實驗，其主要目的是為了幫助學生加深對所學課程內容的理解和掌握，仍屬于知識傳授范疇；綜合實驗II主要包括圍繞航空器和航天器的綜合性設計與實踐項目，其主要目的是為了培養(yǎng)學生綜合運用所學知識進行分析、設計和實踐驗證的創(chuàng)新能力，屬于本科階段的能力提升訓練。

（四）人才培養(yǎng)體系剖析

多數(shù)歐美一流綜合性大學開設了航空航天類專業(yè)，工學院擁有強大的實力，其人才培養(yǎng)體系可以用一個“中心”、三個“結合”進行概括，即以學生為中心，課內與課外相結合、科學與人文相結合、教學與研究相結合，逐漸形成了獨具特色創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

歐美大學的航空航天人才培養(yǎng)課程一般分為空氣動力學、結構與材料、動力與推進、動力學與控制、系統(tǒng)工程設計五個模塊，學生可以依據(jù)專業(yè)興趣自由選擇相應的模塊進行學習。

航空航天課程體系根據(jù)學習水平不同而設置，本科生課程多屬于課程代碼在100 ?～ 400水平，部分選修課程屬于500水平，碩士或者博士研究生課程多屬于500水平以上，部分課程屬于700水平［4］。這樣設置便于學生按照個人學習能力和興趣選擇課程。博士生課程選擇要求極為嚴格，總體要求學生在一個主要研究領域和兩個相關領域選擇課程。

歐美大學的每門課程都有課程編號和簡短說明，以保證課程體系的連貫性和嚴密性。課程之間分為四種關系：先后關系、相似關系、共修關系和獨立關系［5］。先后關系是指兩門課程的學習需要有先后順序。相似關系是指兩門課程的內容非常相似；共修關系是指兩門課程必須同時開設、共同學習；獨立關系是指課程之間互不影響。學生可依據(jù)課程相互關系選擇課程。

二、人才培養(yǎng)目標

上海交通大學航空航天學院自2008年成立以來，已擁有航空宇航科學與技術一級學科碩士點和博士點、航空航天工程國家一流本科專業(yè)。初步形成了航空航天學科完整人才培養(yǎng)體系，突出了“空、天、信、系統(tǒng)工程”等多學科交叉融合的新工科鮮明特色。

本研究總結學院成立以來人才培養(yǎng)工作發(fā)現(xiàn)：一是本科生讀研比例相當高。主要原因是目前航空航天行業(yè)用人單位主要招收碩士以上畢業(yè)生，本科直接對口就業(yè)比較困難；二是綜合性大學航空航天工程專業(yè)本科規(guī)模偏小，無法與三航院校一樣按二級學科專業(yè)進行培養(yǎng)；三是專業(yè)課程較難，基礎與深度難以兼顧。小班規(guī)模、按一級學科培養(yǎng)的主要問題使各專業(yè)方向深度培養(yǎng)力度不夠，學生就業(yè)后需要過渡才能適應崗位工作。

采用“本碩貫通”模式培養(yǎng)航空航天專業(yè)人才是一條優(yōu)選之路，既可以順應學生實際讀研比例高的客觀現(xiàn)實，有效地為行業(yè)輸送高水平人才；又可以有效解決廣度與深度難以兼顧的問題。在扎實、全面的培養(yǎng)基礎上，在本科高年級和碩士階段進行專業(yè)方向的深度培養(yǎng)，還為有志于從事創(chuàng)新型科研的博士階段選拔培養(yǎng)提供優(yōu)質生源。

上海交通大學將“借鑒世界一流大學航空航天辦學模式、緊密結合中國特色”作為辦學理念。通過分析歐美一流大學航空航天人才培養(yǎng)體系，立足中國大學實際情況，進一步明確了航空航天學院人才培養(yǎng)的目標為，培養(yǎng)立志獻身祖國航空航天事業(yè)、具備寬厚的理論基礎和系統(tǒng)的專業(yè)知識、具有較強的實踐動手能力、創(chuàng)新精神和國際化視野的復合型航空航天科技人才。

1. 立志獻身祖國航空航天事業(yè)

以培養(yǎng)“立志獻身祖國航空航天事業(yè)人才”為根本目標。結合課程思政建設，通過專家講座、工程師面對面、“走進國之重器”與深度實習等環(huán)節(jié)，將第二課堂與第一課堂緊密結合，激發(fā)了學生熱情，增強了專業(yè)興趣，引導學生樹立報效祖國的遠大志向。

2. 建立系統(tǒng)工程師思維

將航空航天產品系統(tǒng)設計主線貫徹到各門專業(yè)課程中，以航空航天工程導論、綜合實驗II、“虛擬飛行器”集體設計“頭、中、尾”為重點，為學生提供系統(tǒng)、綜合性訓練，體現(xiàn)“空、天、信、系統(tǒng)工程”特色。

3. 培養(yǎng)國際化視野

學習并借鑒國際先進教育理念，通過國際高水平師資課程雙向交流，中國學生赴海外知名大學學習與生活，國外學生來中國深度學習和生活，從而加強文化交流，培養(yǎng)具有跨文化交流、國際視野的創(chuàng)新型人才。

4. 動手實踐能力

著重培養(yǎng)學生的動手設計、制造、分析計算的實戰(zhàn)能力，并安排學生到工業(yè)界開展長周期深度實習實踐。

三、本碩貫通課程體系

（一）本碩貫通培養(yǎng)方案框架

上海交通大學航空航天工程本碩貫通培養(yǎng)方案，按照國際化視野的復合人才培養(yǎng)理念，完成航空航天學院本科課程與研究生課程的體系貫通，以實現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標。本培養(yǎng)方案屬于本碩課程體系貫通，而非學制上的本碩連讀。

航空航天工程具體培養(yǎng)方案描述如下：

第1 ～7學期（大一到大四上）：學生主要完成本科生的通識課、專業(yè)教育基礎課、專業(yè)基礎必修課和分方向選修專業(yè)課。安排相關教授來上海交大進行大一和大三部分專業(yè)課授課。

第8學期（大四下）：根據(jù)學生意愿和條件選擇（限定比例），赴國外合作高校學習1學期，主要完成專業(yè)課選修，并開展畢業(yè)設計，上海交大認可學分，計入交大本科課程學習；對于不選擇赴海外學習的學生，組織開展集體畢業(yè)設計或赴企業(yè)進行實習和畢業(yè)設計，計入交大本科課程學習。第八學期末返回交大參加畢業(yè)答辯。

參加“六年半本碩貫通”培養(yǎng)的同學：

第9 ～10學期（研一）：選擇進入“本碩貫通”培養(yǎng)計劃的學生，赴國外合作大學學習一年，完成工程（課程）碩士的課程學習。

第11 ～13學期（研二到研三）：回到交大完成碩士生公共課程學習，開展學術研究，完成碩士論文。結束后，一并頒發(fā)交大本科+交大碩士及海外高校航空/工程類證書。主要培養(yǎng)環(huán)節(jié)與流程如圖1所示。

（二）本科階段課程體系設置

經上文分析，歐美一流大學航空航天課程體系基本一致。上海交大確定了本科生專業(yè)課程的設置原則：一是扎實的數(shù)學、計算、物理基礎；二是突出系統(tǒng)、設計類課程；三是專業(yè)必修課程按歐美通行的航空航天四大方向（飛行器設計、動力推進、信息控制、系統(tǒng)工程）模塊設置，各模塊2 ～ 3門必修課，為學生打下全面的航空航天專業(yè)基礎，體現(xiàn)出按一級學科培養(yǎng)的理念；四是落實本碩貫通，在第6 ～ 7學期分大類方向開設選修專業(yè)課程，以便與碩士課程銜接，有利于學生就業(yè)后開展工作。如圖2所示。

全部課程分為以下幾大模塊：1. 公共教育課程模塊；2. 數(shù)學、計算機、計算模塊；3. 物理、力學等基礎模塊；4. 航空航天系統(tǒng)與設計模塊應以大一的航空航天工程導論、綜合實驗II、大四的集體畢業(yè)設計為主要抓手；5. 航空航天必修模塊，在飛行器設計、推進、信息控制、系統(tǒng)工程四個方向設置每方向2門必修課，在第4 ～ 5學期開設；6. 航空航天選修模塊，要求學生選定1個方向為主方向，選修3門課程；其他3個方向共計選修3門課程，在第6 ～ 7學期開設。按目前課程體系，本科階段總學分控制在160左右。

（三）研究生階段課程設置

航空航天學院目前擁有航空宇航科學與技術一級學科博士授權點和三個碩士學位授權點，分別是航空宇航科學與技術（學術型）、航天工程和航空工程（專業(yè)型）。歐美一流大學航空航天領域研究生專業(yè)課程設置與航空航天學院碩士培養(yǎng)的課程設置基本相似，上海交大研究生課程除了專業(yè)課程以外，還有政治思想課程和數(shù)學基礎、學術英語等公共基礎課程模塊。如圖3所示。

經過分析比較，上海交大確定了“本碩貫通”貫通培養(yǎng)研究生階段課程學習的安排為：1. 數(shù)學基礎理論課程8學分、專業(yè)課程14學分在海外大學一年中完成、這些課程及學分為學校認可，可沖抵交大要求的學分；2. 待第11學期回到交大后，須補修上交必修政治課3學分、學術報告會2學分，并通過考試免修英語3學分。

對未選擇去海外大學交換的研究生，則采用新的培養(yǎng)方案進行培養(yǎng)，其設定原則為：1. 必修的政治課、學術報告會、英語按學校統(tǒng)一規(guī)定設置；2. 學生必修3門8學分數(shù)學理論課程；3. 專業(yè)課程按飛行器設計、推進、信息與控制、系統(tǒng)工程四大方向設置，學生須選定一個方向修讀3 ～ 4門學位課以及1～ 2門非學位課；各方向課程列表與專業(yè)對應方向基本匹配。

四、基于培養(yǎng)目標達成度的持續(xù)性改進

（一）專業(yè)認證標準與專業(yè)建設

2016年6月，我國正式加入“華盛頓協(xié)議”，標志著我國工程教育邁上了新的臺階。工程教育認證以產出導向教育（Outcome Based Educatuon，OBE）為核心理念，在學生、培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、持續(xù)改進、課程體系、師資隊伍、支持條件等7個方面有明確的要求與標準。其中，畢業(yè)要求（Graduate Attributes，G A）作為培養(yǎng)目標達成的重要支撐，與持續(xù)改進、課程體系、師資隊伍等方面密切相關。畢業(yè)要求達成度評價是衡量“產出”的重要手段，是持續(xù)改進的主要依據(jù)，也是促進課程體系優(yōu)化、師資隊伍建設的有效辦法。

美國工程與技術認證委員會（ABET）將學生學習成果（Student Outcomes）作為認證標準的第三部分，必須記錄學生的學習成果，以此來證明準備畢業(yè)的學生達到了專業(yè)教學目標。學生學習成果包括（ａ） ～ （ｋ）總共11項，包括應用數(shù)學、自然科學以及工程知識的能力；設計和實施實驗、分析和解釋數(shù)據(jù)的能力；經濟、環(huán)境、社會、倫理、健康、安全約束下設計滿足需求的系統(tǒng)、組件或過程的能力；能夠在多學科團隊中發(fā)揮作用；具有識別、制定和解決工程問題的能力；理解職業(yè)素養(yǎng)倫理道德責任；有效溝通能力；能理解工程解決方案對全球、經濟、環(huán)境和社會背景的影響；認識終身學習的需要，并具備終身學習能力；對當代問題的認識；運用工程實踐所需技術、技能和現(xiàn)代工程工具的能力［6］。

上海交大航空航天學院參考ABET認證標準，結合國內其他專業(yè)的認證標準和要求，提出并完善了培養(yǎng)目標、學生畢業(yè)要求、課程體系設置、師資隊伍建設、質量監(jiān)控、畢業(yè)生跟蹤機制、可持續(xù)改進、條件保證、文檔保存等方面的舉措、計劃、實現(xiàn)方式等，圖4為根據(jù)SO分解出的各專業(yè)課程對培養(yǎng)目標的貢獻度［7］。

（二）培養(yǎng)目標達成度評估與持續(xù)性改進

通過教學過程，能夠使學生分解后的各項能力和各項觀測指標直觀體現(xiàn)：學生、專業(yè)培養(yǎng)目標的達成度、學習成效成果、持續(xù)改進、課程體系、教師、設施、支持條件，形成學習效果達成度—閉環(huán)可持續(xù)性改進過程［8］。

根據(jù)學生學習效果，細化改進措施并監(jiān)控形成可閉環(huán)的完善持續(xù)性改善機制。如圖5所示。

五、結語

本研究基于新工科背景理念，選擇航空航天領域中綜合性較強的航空航天工程本科專業(yè)建設，探討了綜合性大學開設航空航天類專業(yè)的特色。

以上海交通大學為例重點介紹了航空航天工程本科專業(yè)的本碩培養(yǎng)方案，參照歐美綜合性大學基于一級學科培養(yǎng)模式，圍繞學生具有空天情懷、深厚基礎、系統(tǒng)綜合、動手實踐、國際視野的培養(yǎng)目標，在本科低年級構建價值情懷、數(shù)理基礎、人文素養(yǎng)和計算工具等模塊課程；在本科高年級構建飛行器設計、動力推進、信息控制、系統(tǒng)工程等模塊課程，從而為碩士階段選擇研究方向提供必要的知識支撐。通過參照工程認證標準的閉環(huán)持續(xù)改進思路進行專業(yè)建設，動態(tài)矯正培養(yǎng)目標，提升學生解決復雜工程問題的能力，適應國家在空天強國背景下對高素質新型航空航天人才的需求。

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（責任編輯：莫唯然）

作者簡介：朱麗明（1978—），女，碩士，上海交通大學航空航天學院教學辦主任，講師，研究方向為教學研究與教學管理；余文勝（1968—），男，博士，上海交通大學航空航天學院院長助理，本科教學指導委員會主任，副教授，研究方向為發(fā)動機技術；黃丹（1981—），男，博士，上海交通大學教務處副處長，副教授，研究方向為人機工效學；胡士強（1969 —），男，博士，上海交通大學航空航天學院黨委書記，教授，研究方向為飛行控制。