创新能力和实践能力是研究生培养的核心目标,近年来的实践表明科技竞赛活动是推动研究生能力培养的有力抓手[1]。航天器轨道动力学是航天领域的一门基础学科,相关课程教学在航天专业人才培养中有着重要地位[2]。围绕国内航天专业创新人才培养的需求,依托中国力学学会,清华大学、中国科学院、国防科技大学等单位自2009年发起全国空间轨道设计竞赛(China Trajectory Optimization Competition, CTOC),迄今已成功举办10届,并在举办过程探索形成依托这一"专家型"竞赛培养研究生创新人才的"4C模式",有力推动了航天专业人才培养工作,带动我国空间轨道设计达到世界领先水平,在国内外取得了广泛的社会影响[3-5]。
1 全国空间轨道设计竞赛实践历程
2008年前后,随着神舟七号成功进行航天员出舱活动,中国航天也将目光投向更加深邃的太空。为了更好地服务于国家探月工程和深空探测需求,借鉴国际空间轨道设计竞赛,2009年,清华大学依托中国力学学会,联合中国科学院空间应用与工程技术中心、国防科技大学等发起CTOC,以期从创新人才培养和基础研究等方面推动我国空间轨道设计能力的提升[3]。
CTOC与传统的学科竞赛不同,复杂的空间轨道设计题目没有标准答案,出题方也难以得到最优解,需要参赛者具有较高的专业积累。在1到2个月的时间段内,参赛队伍可以采用所有可能的人力、物力以及没有任何限制的技术手段对问题进行求解。对于各参赛队设计结果,主办方能够准确地进行检验。历届CTOC题目均给出了可以直接客观评价的设计指标,主办方根据设计指标即可评价各参赛队设计结果,并形成客观公正的排名。
迄今为止,CTOC已经成功举办了10届。先后有清华大学、国防科技大学、南京航空航天大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等高校,以及中国科学院空间应用工程与技术中心、中国科学院国家空间科学中心、西安卫星测控中心、中国航天科工集团二院等航天任务部门获得比赛冠军并为举办竞赛做出过贡献。参赛团队覆盖了全国航空宇航科学与技术学科学位授予单位,并辐射到了欧洲航天局以及意大利、德国、美国等国高校和研究所[4]。
2 通过"专家型"竞赛培养研究生的"4C模式"
轨道设计竞赛是一种面向特定专业人群的"专家型"竞赛,竞赛题目及设计方案均有很显著的创新性,一个体现是国际和国内竞赛设计结果以专辑形式在航天领域高影响力国际期刊Acta Astronautica 上发表[6,10]。从竞赛组织的情况和竞赛内容来看,该竞赛不只是针对在校研究生,参加竞赛的团队很多是航天机构的一线工程师。该竞赛的目的是推进航天领域的科技进步,培养个人的同时更重在培养研究团队。但是从实际参赛情况来看,来自高校的团队占据了很大比例,这也和实际科研情况类似。如何利用这类"专家型"竞赛进行研究生培养,必然不同于数学建模大赛、"挑战杯"创新设计大赛、大学生机器人大赛等面向广泛学生群体的科技竞赛,需要对其培养过程一般性规律进行深入分析,探索基于挑战性专业竞赛研究生创新人才培养模式[5]。
我们在探索中逐步梳理了航天专业研究生培养中的问题,并通过竞赛活动组织形式的创新来解决问题：
一是研究生综合实践与创新能力薄弱问题。随着我国航天重大工程的持续推进,毕业研究生工程背景不熟悉、综合实践水平不高、创新能力有待加强等问题逐渐在用人单位显现。
二是研究生课程教学内容与航天工程实际脱节问题。课程体系、教学内容等未能及时跟上国内外航天工程的发展形势,毕业生工作后需要在航天系统分析、空间任务规划、轨道设计优化等方面"补课"。
三是研究生培养开放合作育人力度不够问题。航天领域因其在国防科技应用上的敏感性,院校与用人单位、军队与地方、国内与国外等方面深度专业化的学术交流与技术合作少,导致研究生学用不一致、视野不够开阔等问题突出。
针对上述问题,我们在举办竞赛过程中逐渐凝练形成依托竞赛培养创新人才的"4C模式"(如图1所示)：以历届竞赛形成的极具专业挑战性的赛题(challenging-topic)为牵引,通过强化科研过程训练和协同攻关能力,大幅提升研究生创新能力(creativity);结合竞赛成果开展专业课程综合提升(course-promotion),全面提升专业教学能力;通过竞赛拓展的交流平台和竞赛成果转化,深化军民融合育人(cooperation),提升培养工作的针对性。
图1
3 "专家型"竞赛的组织方式
"4C模式"中挑战性赛题及竞赛活动是CTOC的主题和灵魂。考虑到要发挥竞赛的引领作用,必须紧贴国家航天任务实际需求,通过前沿且极富挑战性的竞赛题目才能将人才培养的目标落到实处;其次,考虑到空间轨道专业难度很大、综合性强,将CTOC的参赛主体定位于研究生,旨在以赛促学,以赛促研,并将培养学生的科学精神作为竞赛的主要目标之一;此外,竞赛组织方还力求通过新颖的组织形式,保持竞赛的活力和吸引力。
3.1 结合国家任务需求,设计有高度挑战性的竞赛题目
爱因斯坦认为："提出问题往往比解决问题更重要$\cdots$$\cdots$新问题的提出需要创造性的想象力,往往标志着科学的真正进步。"CTOC就将赛题命制作为竞赛组织的核心工作,重点围绕我国未来航天任务需求,命制高水平赛题。赛题密切结合学科前沿,切合研究生能力、难度又足够大,创新空间广阔。
3.2 培养科学精神,坚持客观实证的评价体系
竞赛题目紧贴国家任务需求,同时,竞赛也强调培养科学精神。竞赛采取本届冠军作为下届出题方的方式,为竞赛题目的创新发展提供源源不断的动力。CTOC历届题目从一般的小天体采样返回、多目标行星探索问题,不断引入捕获小行星、飞出太阳系、小行星表面巡游、编队控制、星座设计、木星磁场探测等新问题[4]。每一届赛题都是全新的挑战,蕴含新的科学问题,不断激励研究生的科学探索精神。
CTOC竞赛评价指标客观唯一。如第五届赛题在满足全部约束前提下,以探测器出发质量最小为唯一评价指标[12]。历届比赛主办方提供统一验证和指标计算程序,数据和程序对所有参赛队均是公开的,指标计算和排名是客观可实证的。除依托中国力学学会进行竞赛信息传播、颁奖及研讨会组织外,没有其他行政机构参与,基本形成了学者自治的一种竞赛组织模式,总体上体现公正、开放和科学的特色。
3.3 服务创新需求,突破传统专业竞赛组织形式
在挑战性赛题牵引和保证下,突破传统学科竞赛组织形式,CTOC成为必须依托团队协作才能完成的全开放式新型专业竞赛。
团队协作。竞赛题目专业难度很大、综合性强,必须通过团队协作才能完成理论分析、方案设计、算法实现、仿真验证全过程。为进一步促进创新,竞赛不限定队员人数和资历,鼓励跨单位、跨年级、跨学历层次组队。
资源开放。竞赛题目前沿性强,完全无现成的解决方案。CTOC采取开放式竞赛时间,2个月内完成即可,给予参赛队充分的创新时间裕度。竞赛不限定参赛资源,从理论突破到技术路线创新,从引入先进算法到采取新兴计算工具,给予参赛队充分的创新空间。
难度分级。由于轨道设计任务学科专业性强、难度大,前五届竞赛的参加队伍在30支左右,且参加范围基本固定。为了扩大竞赛的覆盖面,给竞赛注入新的活力,组织方经过多方讨论,决定采用设置甲组和乙组两套难易程度有所区别的方式,吸引非专业参赛队伍参加,后续竞赛参赛规模扩大了将近1倍。
3.4 依托竞赛,打造高端学术交流平台
4 以"专家型"竞赛推动研究生培养的具体做法
4.1 竞赛引入研究生培养全过程,着力提升研究生创新能力
经过系统研究,我们将竞赛引入研究生培养全过程,旨在提升研究生创新能力。
加强科学研究全过程训练。依托赛题,通过大作业、专项培训、竞赛辅导等,对研究生进行"熟悉任务背景-分析问题-确定思路-选择技术路线-计算实现-结果分析-寻优迭代-验证-研究报告撰写"全过程的科学研究训练,将能力培养落实为有章可循的规定动作。历时1~2个月参与竞赛的过程,更是上述训练过程的一个集中强化实现。这一做法成效显著,特别是对于低年级研究生训练效果尤为突出。对于刚入门的研究生,往往通过一次竞赛活动,就能具备较好地独立承担轨道设计相关研究课题的能力。
引导研究生高起点切入学科前沿。轨道竞赛一个显著特点是赛题本身的创新性,对研究工作有很好的牵引性。通过赛题分解、拓展,形成研究方向"指南",帮助研究生以创新项目和学位论文选题的形式开展研究,从而准确、快速切入航天工程急需的和前沿的技术领域,在提升培养质量的同时,显著增强培养针对性和吸引力。清华大学、国防科技大学等围绕历届赛题所带动的小推力轨道优化、引力辅助、交会序列优化、星座构型设计等前沿方向,培养了一大批硕士、博士研究生。
4.2 利用竞赛成果,开展卓有成效的课程教学提升
我们及时将竞赛形成的工程模型、设计方法、优化算法和工具软件引入教学,推动课程改革。
优化课程体系。清华大学、国防科大、中科院大学、西工大等高校结合竞赛成果建设了小行星探测、多碎片清除等新型航天任务设计案例,对"航天任务分析与设计"、"深空探测轨道力学"、"航天器轨道动力学"、"航天器交会对接技术"等课程进行教学内容调整,出版了广受业界好评的"深空探测动力学与控制"、"航天轨道力学理论与方法"等系列研究生教材。
创新教学方式方法。国防科技大学等积极整合竞赛成果开发了"航天任务规划"等4个虚拟仿真实验项目,入选了2018年度国家级虚拟仿真实验教学项目,建设了"航天器轨道力学"等慕课课程。有众多高校依托竞赛成果,深入开展了案例式教学、翻转课堂等教学方式改革。
4.3 以竞赛为纽带和平台,深化产学研合作军民融合育人
从人才培养需求出发,充分借力竞赛拓展交流渠道、打造交流平台,持续深化军民融合育人。
深化学术交流和科研合作。结合竞赛的专题研讨会以及伴生的"全国航天飞行动力学技术大会"、"全国航天动力学与控制青年学者论坛"等全国性学术会议,有效增进院校之间、军地之间、校企之间的学术交流与人才培养合作。同时持续推动竞赛成果应用转化,先后为一系列载人航天、"嫦娥"工程等国家重大任务提供重要参考,有效带动科研合作。
有力拓展人才培养合作领域。西安卫星测控中心、北京航天飞行控制中心等工程任务部分深度参与了竞赛活动,为人才培养提供了很好的需求牵引。通过竞赛及相关活动带动,清华大学、国防科技大学等先后与多个军队单位和国防科技单位签署人才培养合作协议,培养了一大批轨道设计方向高素质研究生,在多个国家重大航天任务中发挥了重要作用。
5 结论
自创办之初起,CTOC就得到我国航天领域和高等教育领域的充分认可和广泛支持,仅竞赛核心活动,就得到王永志、孙家栋、李济生、余梦伦等航天领域知名院士的亲自指导和参与,李家春院士、郑晓静院士、戴世强教授、周哲玮教授等力学大家、教育家一直给予竞赛大力支持和高度评价[4],原中国力学学会理事长李家春院士评价竞赛[14]："这一系列活动的举办一定能在培养杰出青年人才方面发挥更大的作用。"CTOC受到国内航天领域研究生和导师的高度认可和广泛参与,参赛队伍覆盖国内全部航空航天院校及主要研究机构,已成为我国航天领域研究生培养的重要实践平台。该竞赛模式被周培源全国大学生力学竞赛、中国研究生未来飞行器设计大赛等所借鉴参考。竞赛相关活动引起国内广泛关注,先后被新华社、中央电视台、人民网、解放军报社等众多媒体广泛报道,百度搜索条目超过260万条。
作为"4C"模式的提出者和践行者,清华大学、国防科技大学培养了一批创新成果突出、深受用人单位好评的研究生。近5年,两校在轨道设计优化方面共培养了4名航空宇航科学与技术学科全国优博论文获得者,研究生在读期间获得军队科技进步一等奖等重要科技奖励,经过竞赛锻炼培养的毕业生陆续成为各自岗位的骨干,在载人航天交会对接、"嫦娥四号"月面着陆等重大航天任务中发挥了关键作用。"4C"研究生培养模式先后被北京理工大学、南京航空航天大学、西北工业大学等兄弟高校借鉴并取得良好培养效果。
作为人才培养成效的一个集中体现,在2019年美国喷气实验室主办的第十届国际空间轨道设计竞赛中,以研究生为主体的国防科技大学和清华大学参赛队分别获得冠、亚军[17],实现中国参赛队的首次夺冠,打破欧美参赛队伍对该赛事冠军的垄断。国际同行对中国参赛队实力给予了高度认可,要求学习中国参赛队的解决思路和方案[18]。新闻联播、人民日报公众号报道了这一成绩,新华社[19]、解放 军报[20]对夺冠历程进行了深度报道与解读,高度评价了我国空间轨道设计领域青年科技队伍的创新能力。轨道竞赛以其独有的魅力在研究生培养中发挥了重要作用[19-21],不仅培养了创新能力和实践能力,更是培养了团队协作精神和攻坚克难的执行力,也增强了他们攀登世界科技高峰的信心。
责任编辑: 胡漫
参考文献
封面说明:首届全国深空探测竞赛
由中国力学学会、清华大学航天航空学院共同举办的``首届全国深空轨道设计竞赛颁奖大会暨专题研讨会''于2009年5月16日在清华大学逸夫楼举行.中国力学学会理事长李家春院士与会讲话与颁奖。李院士在发言中强调深空探测是未来各国航天界重点发展的方向，是一个国家综合国力、整体技术实力的体现，在深空探测任务中，力学扮演着举足轻重的角色. 该项竞赛活动为大学生、研究生提供了一个深入研究和探讨的平台. 希望通过该项竞赛活动，为我国的深空探测领域选拔和储备后备人才.首届竞赛的题目为``小行星探测轨迹优化设计问题''，共有来自全国各地的33支队伍报名参加. 深空飞行轨道的时间尺度很大、优化方法多样、可选的方案组合广泛，存在很多可行解，寻找其中的最优方案是深空探测轨道设计的核心问题之一. 竞赛问题将主要考虑深空探测任务轨道设计中的全局优化问题，模型参数将结合工程实际背景选取. 竞赛形式为公开发布题目，根据性能指标的优劣评判名次. 本次竞赛从3月5日公布题目，要求5月16日前提交结果，之后组织专家对各队提交的结果进行审核复算，最后评选出中科院光电研究院的参赛队获得本届竞赛的冠军. 亚军、季军分别是来自西安测控中心、国防科技大学的参赛队。竞赛活动优胜者获得奖杯与荣誉证书.(图文供稿:高云峰，宝音贺西，李俊峰，清华大学航天航空学院，北京 100084)
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