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1 航空航天行業的信息化建設內容與作用
航空航天行業方面信息化建設主要包括企業總體的信息管理、研制與制造的協同及產品研制能力的提升3部分。
1.1 企業總體的信息管理
企業資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)系統，是指建立在信息技術基礎上，以系統化的管理思想為企業決策層及員工提供決策運行手段的管理平臺。在航空航天企業中，由于需要涉及整體調動和資源整合很多，ERP作為對企業資源進行有效共享和利用的系統，可以使航空航天行業達到整體的資源規劃統一。
1.2 研制與制造的協同
在航空航天行業，信息化主要為科研生產服務。該行業的重大工程是1個多學科綜合、多專業集成、多個子系統集成和多單位跨地域協同的龐大系統工程；其復雜性、研制周期以及研制過程中各種因素的不確定性，需要采取信息化手段進行約束；其設計與制造中涉及大量的信息系統，并且需要在嚴格的流程管理控制下實現這些信息系統之間的交互和協作，以支持并行的協同設計和制造。設計研制過程中會涉及到成百上千個子系統、多種BOM表和多種變更管理。航空航天產品研制生產數據分散存放在各承擔單位，大多數分系統和單機的研制生產數據沒有實現集中存放和統一管理，上下游間難以保證數據的一致性和數據的有效重用。同時，近年來航天企業的研制與生產并重，設計與制造間的協同需求也很迫切。如此眾多的系統、流程以及異構的數據協同實現集成需要1個統一的管理平臺和集成環境。
航空航天行業又與其他行業不同，對質量管理、產品可靠性的要求非常嚴格，每個零部件要能追溯生產制造源頭。
PDM主要針對的是產品數據管理。它以軟件技術為基礎，以產品為核心，實現對產品相關的數值處理過程、資源一體化的集成管理技術。PLM則指產品生命周期管理，作為全局信息的集成框架，可有效實現資源集成和協同研發生產及精益化管理。所謂集成框架，即在異構分布式計算機環境中能使企業內各類應用實現信息集成、功能集成和過程集成的軟件系統。PDM和PLM可為航空航天產品的研制和制造創造協同工作環境。基于信息化協同工作環境，設計人員可以跨越空間的限制，利用計算機通信網絡等技術實現資源共享，完成異地協同設計與協同制造。
重點需要實現下列兩個方面的集成：(1)PDM，PLM與CAD/CAPP/CAM的集成；(2)PDM，PLM與ERP的集成。ERP與PDM，PLM的互通，可以最大限度地共享企業全部信息系統。將PDM和PLM技術引入航空航天企業的研制和生產過程中，對改進現有技術和管理流程有非常重大的意義，能在一定程度上解決航空航天企業在研制過程中信息與流程的集成與管理及協同。
1.3 實現航空航天產品的三維全數字化定義設計與制造集成，提升產品研制能力
CAD，CAPP，CAM及CAE主要針對航空航天產品的研發及制造過程的信息化，在產品設計和制造加工的集成上提升產品的研制能力。從技術角度看，航空航天產品的研制過程涵蓋現代科技的諸多領域，如機械、材料、電子、力學、聲學、熱學和能源等；多學科多性能的要求致使各種CAE之間需要協同，而在CAE仿真后進行的優化也需要CAD與CAE之間實現協同。
在航空航天產品的研制技術方面(CAD和CAE)，通過數字樣機的建立，可以實現部件或整機的虛擬裝配運動機構仿真、裝配干涉檢查、空間分析管路設計、氣動分析和強度分析等。總體而言，在航空航天產品研制中全面采用信息化技術，可實現三維數字化定義、三維數字化預裝配和并行工程，建立產品的數字樣機，取消全尺寸實物樣機，使工程設計水平和產品研制效率得到極大提高，大幅度降低干涉、配合安裝等問題帶來的設計更改。
CAPP與CAM則指航空航天產品的制造協同。CAPP包括工裝設計系統建立和工藝系統，在工裝分類和典型化基礎上，建立各自的工裝設計資源庫；開發基于工裝族和有工藝知識支持的專用輔助工裝設計系統，加強工裝標準化、組件化和系列化工作，顯著提高工裝設計效率；實現產品模型在工裝設計過程中的信息共享，提高工裝設計與產品設計的協同程度；進行基于三維模型的計算機柔性化組合夾具工裝研究，使工裝快速組合裝配，滿足型號不同研制階段和狀態的快速工藝準備需求。工藝方面，針對產品制造過程中的鑄造、數控加工、鈑金成型、焊接等關鍵工藝過程，利用CAE進行計算機模擬的研究與應用，實現工藝方案的評估及優化；最終實現工藝流程的優化。CAM方面，運用CAD進行制造過程的前期設計，利用CAE進行計算機模擬，實現CAM方式與過程的優化。
總之，設計人員通過CAD完成設計，由專門仿真人員利用CAE完成設計多性能之間的協同仿真優化，通過CAD得到最終設計；而后通過CAD，CAE與CAPP，CAM的協同完成航空航天產品制造的過程。同時，運用兩者之間的溝通，通過對航空航天產品的整體信息化建設，建立起CAD設計知識庫、CAE仿真知識庫、CAPP和CAM的制造工裝知識庫，使其成為航空航天企業在研發、制造方面的寶貴經驗財富。
2 航空航天行業的信息化建設目標
通過上述幾個部分的交互運用和協同，可以實現航空航天行業的管理、資源、設計、制造的全方位信息化工程，最終達到以下目標：
(1)實現信息的共享和傳遞速度，加強各地各部門之間的溝通與交流，提高工作效率；
(2)確保整體信息流的暢通，如產品各方面性能的仿真協同、設計協同等，有效開展工藝與設計的網上協同工作；
(3)提高總體設計能力，建立航空航天行業的設計知識庫、仿真知識庫和制造知識庫等；
(4)提高制造過程信息化應用水平，建立工藝管理平臺。實現制造過程計算機化，工藝流程管理及工藝信息與其他信息系統的集成，優化工藝和制造過程；
(5)建立產品設計、制造協同平臺；
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2基于工程教育專業認證標準下南航能動專業課程體系優化
通過對國內外本科院校工程教育專業認證的分析與研究，利用對中國近幾年的專業認證與評估成果的調查與研究，對其進行梳理，依據工程教育專業認證中課程設置要求，依據南京航空航天大學能源與動力學院能動專業建設相關內容與特色，以培養具有航空航天特色的工程教育專業人才為目標，對南京航空航天大學能動專業課程體系進行優化。以培養要求為基準，著手對課程體系進行優化，并對本科培養大綱進行相應的修訂，從而實現培養目標。確定能源與動力專業學生在校期間應修總學分數不能少于180學分。
2.1數學與自然科學類課程能源與動力專業數學與自然科學類課程是指該專業學生必須掌握的基礎課程，主要包括高等數學（11學分）、大學物理（6.5學分）、大學英語模塊（10學分）、C++語言程序設計（3學分）等方面共六門課程，總共30.5個學分。因此能源與動力專業數學與自然科學類課程占總學分的比例約為17％，達到了工程教育專業認證標準中至少占總學分的15%的要求。
2.2工程基礎類課程、專業基礎類課程與專業類課程工程基礎類課程和專業基礎類課程主要體現數學和自然科學在該專業應用能力培養，而專業類課程主要體現系統設計和實現能力的培養。其中工程基礎類課程主要包括電子電工技術（5學分）、理論力學（3學分）、材料力學（3學分）、工程圖學（4.5學分）以及機械設計基礎（3學分）等課程，總共為18.5個學分；專業基礎類課程主要包括工程流體力學（3學分）、工程熱力學（3學分）、傳熱學（3學分）和化學反應動力學基礎（2學分）等課程，總共為11個學分。因此工程基礎類課程和專業基礎類課程必須要修滿至少29.5個學分。對于專業類課程，由于能源與動力專業具體有兩個培養方向:方向一為熱能動力方向，主要陪養就業方向為航空發動機、地面燃氣輪機等相關單位；方向二為能源利用方向，主要培養的就業方向為電廠、新能源以及制冷等相關單位。因此其專業類課程既有相同的專業課程，也有自身特色的課程。其中燃燒原理（2.5學分）、燃氣輪機原理與構造（3學分）、熱能綜合利用（2學分）、熱交換器原理與設計（2.5學分）以及熱工測量原理與方法（2學分）等，總共12個學分，這些課程為能源與動力專業兩個培養方向都必須學習的專業類課程。另外每個培養方向又有其特定的專業類課程必須選修，其中熱能動力方向專業類課程包括葉輪機原理（2.5學分）、燃氣輪機控制原理及應用（2學分）、燃燒技術與分析（2學分）、內燃機原理與構造（2學分）、工程傳質與應用（2學分）等共9門課程；能源利用方向專業類課程包括泵與風機（2學分）、供熱工程（2學分）、鍋爐原理（2學分）、制冷原理與技術（2學分）、可再生能源利用技術（2學分）以及熱力發電技術概論（2學分）等共10門課程。無論學生學習哪個方向，共同學習的專業類課程與特定選修的專業課程之和必須要修滿至少28個學分。因此,工程基礎類課程、專業基礎類課程與專業類課程必須要修滿的學分數為：29.5＋28＝57.5學分，因此該類課程學分占總學分的比例約為32％，達到了工程教育專業認證標準中至少占總學分的30%的要求。
2.3工程實踐與畢業設計能源與動力專業設計完善的實踐教學體系，主要包括以下幾個方面：(1)軍事訓練，培養學生的吃苦耐力與過硬的身體素質；(2)各種課程的課程設計，如:機械設計基礎課程設計、電工與電子技術課程設計、C++語言課程設計等，主要培養學生對各門基礎課、專業基礎課的實際應用能力；(3)工程訓練，主要包括機械加工方面的車、磨、銑、刨、鑄造以及焊接等金工實習，鍛煉學生的動手能力；(4)下廠實習，大三暑假期間，在指導老師帶領下去中航工業集團下屬的企業或電廠進行為期一個月的下廠實習，鍛煉學生把理論知識應用于工程實際中的能力；(5)畢業設計，指導老師開設的畢業設計題目一般都來源于實際工程問題，學生在老師的指導下，在大四下半年開展為期半年的本科畢業實際，培養學生的工程意識、協作精神以及綜合應用所學知識解決實際問題的能力。能源與動力專業要求學生在實踐能力與畢業設計方面修讀的總學分不低于42.5，占總學分的23.6％，達到了工程教育專業認證標準中至少占總學分的20%的要求。
2.4人文社會科學類通識教育課程能源與動力專業在人文社會科學類通適教育課程方面主要包括以下幾個模塊：(1)通適基礎教育平臺，主要包括形式政策教育、思想道德修養與法律基礎、安全教育、大學生心理健康教育等課程，共19.5個學分；(2)國防軍事模塊，包括航空航天概論、軍事高技術概論等，至少修滿1.5個學分；(3)文化素質模塊，主要包括文化歷史、藝術鑒賞、科技基礎、哲學社會等課程，至少要修滿6個學分；(4)創新創業類模塊，主要包括大學生職業生涯發展與規劃、創業基礎以及經濟管理等課程，共5.5個學分。人文社會科學類通識教育課程總共需修滿32.5個學分，占總學分的18％，達到了工程教育專業認證標準中至少占總學分的15%的要求，使學生在從事工程設計時能夠考慮經濟、環境、法律、倫理等各種制約因素。
2.5航空航天特色類課程的設置為了突出南京航空航天大學能源與動力專業的航空航天特色，在開設的課程中，如國防軍事模塊、專業類課程以及工程實踐與畢業設計中，課程教學內容包含濃郁的航空航天特色，由于指導老師所從事的科研項目都是來自于國防工業集團，具有豐富的研究經驗，因此在專業基礎課和專業課的講課過程中，所列舉的實例都是以航空航天為背景的工程問題，特別是畢業設計和下廠實習，因此在能源與動力專業課程優化過程中，充分突出了南京航空航天大學的航空航天特色。
2.6注重科技創新能力培養學生創新素質的培養直觀重要的是培養學生的創新意識，因此積極創造條件讓學生能夠在大學期間積極的參與科技創新活動。主要包括：(1)鼓勵學生積極參加各種科技類競賽，如:流體力學大賽、節能減排大賽、開設卓越班等，并且科技競賽獲得獎勵的同學在保研方面給予政策上的傾斜；(2)安排學生參與教師的科學研究工作，讓學生在參與科研過程中更好的掌握好該專業的理論知識，加強學生的動手能力，拓展學生的科研視野。
2.7學習進程大學生本科期間的各門課程是相互銜接的，因此需要考慮課程之間的匹配與銜接，如圖1所示。學習進程主要分成了三部分:一是基礎課程，包括高等數學、大學物理、計算機等;二是學科基礎，包括結構和流體力學、熱學和電學方面的課程;三是專業課程，主要包括了熱能動力和能源綜合利用兩個方向的相關課程。整個課程體系分為三條線:第一是流體和熱學相關的課程，如流體力學、工程熱力學、傳熱學、燃燒學等；第二是結構力學方面，包括理論力學、材料力學等;第三是計算機語言方面的課程。因此在安排各門課程的學期上需要考慮上述課程銜接問題，從而最終制定出合理的能源與動力工程專業教學計劃表。
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基于問題的學習方法的主要目標不僅僅是讓學生獲得知識，并且要運用知識。PBL重視模型和問題的解決。它試圖模擬現實生活中的工程研究和開發過程。Barrows這樣描述PBL的主要特點：（1）學習是以學生為中心的，即學生選擇怎樣去學習和他們想要學習的內容。（2）學習在小團體中展開并且提倡協作學習。（3）老師是促進者、引導者或教練。（4）問題形成組織重點并刺激學習。（5）問題是拓展真正的問題解決能力的工具。（6）新的信息是通過自學獲得的。
2.PBL工程教育案例———麻省理工學院航空航天工程系。
幾年前，在麻省理工學院的航空航天系成立了一個由教師和科研人員組成的新戰略計劃小組，專門負責課程改革。為了強調教育以學生為中心，討論小組花費了一定的時間和精力通過對項目和學習成果進行驗收，設計了新的教學方法，建造與之配套的實驗室。盡管基于問題的學習是關鍵，但它不是課程組織的原則。新的航空航天工程課程以現實生活中產品完整的生命周期工程為背景，即構思、設計、實施和執行（CDIO），結合設計建造經驗，貫穿于整個項目中。接下來就是從簡單的項目到高度復雜的系統設計建立過程，以及從中取得的經驗教訓。第一年，在《航空航天設計導論》課上，學生們設計、構思并且試飛的由無線電控制浮空飛行器（LTA）。第二年，在《聯立工程學》課上，學生們設計、搭建并且試飛了無線電控制的電推力飛行器。在一些比較深入的課程例如《空氣動力學》課上，從工廠或者政府以往項目中提出航空工業中很常見一個實際的問題，像是以洛克希德•馬丁戰術飛機系統為模板提供項目設計方案。高級課程完全利用基于問題的學習方法，如：《實驗項目實驗室空間系統工程》、《CDIO高等課程》。在這些PBL體驗中，學生發現自己感興趣的問題，通過做實驗找到解決方法，并用多學科方法設計出復雜系統。麻省理工學院航空航天系“復雜系統學習實驗室”的主任提出了一個對于基于問題的學習方法的分類框架。它將問題分為四個等級，給出了解決基礎科學及先進工程課題的系統方法。一級：問題集。問題集是指在大多數工程課程中發現的傳統問題。它們往往具有一定的結構與較成熟的解決方案（至少問題的設計者知道）。所有學生解決同樣的問題，有時獨自解決，有時以小組形式解決。問題需要在相對較短的時間內解決。二級：小型實驗。小型實驗是指在結構化問題下的實驗課。例如測量或觀察某種工程現象或數據。這些問題在一或兩個學期內解決，可以“重復地進行”，也就是說，每個學生團隊解決與其他團隊同樣的問題。在麻省理工學院有許多例子，如《聯立工程學》課上的桁架實驗室，《空氣動力學》課上對在風洞中的流速計的校準，《航空航天設計導論》課上對空氣動力減速器的各種測試。三級：大型實驗。比起前幾個階段，這個階段的問題需要更長的時間去解決，可能會耗費幾周或整個學期。到了這個階段問題明顯復雜了很多，需要更多的規劃和教員支持。在麻省理工學院有許多如是例子：《實驗項目實驗室》課上的風洞試驗、飛行器模型項目，《空氣動力學》課上的機械項目，《航空航天教育導論》課上的輕于空氣的飛艇，《聯立工程學》課上的電動飛行器設計等。四級：頂級CDIO實驗。這個階段在系統中整合了核心工程的頂級實驗。麻省理工學院的航空航天工程項目用構思-設計-實施-操作（CDIO）的方法來設法更接近于實際工程。在頂級實驗中，工程的四個階段都將涉及。頂級實驗室的項目均為研究的重點，需要更多的資金，工程的復雜度和依賴經驗的程度也很高。例如麻省理工學院的自主衛星光學陣列項目和磁控編隊飛行器。四級的項目需要學生、老師和研究員花費三個學期去完成。可以看出三級和四級問題的解決過程是由學生主導的、不受約束的、復雜的、多方面的且具有很高的主動性過程，符合之前所說的PBL標準。然而一級和二級中的項目體驗過程更結構化，在這個過程中學生體驗到關于問題構想的有用指導，使用工具進行研究發現。基于問題的學習方法和設計-制造經驗貫穿了整個麻省理工學院航空航天工程系的本科生階段。使用四個等級的框架來層次化PBL體驗過程確保了從高度結構化問題到無約束和復雜問題情況的合理推廣。
3.基于問題的學習方法的評估。
基于問題的學習方法的評估是多模式和長期性的。這些方法包括實驗室期刊、技術簡報、設計審查、技術報告、團隊協作評估、設計作品、互評和自評。教師的角色主要是顧問和指導員，以及在學習過程中為學生提供大量反饋信息。在《航空航天設計導論》課上，學生們設計、制造并試飛由無線電控制的浮空飛行器，設計審查作品和最后的評估工作都是由飛行器競賽的方式進行。在《綜合工程》課的飛行器設計項目中，二年級學生分析在問題集中與氣動性能、穩定性和推進裝置有關的問題，并動手組裝和試飛無線電控制的電推力飛行器。與第一年的課程相似，評估手段包括問題集、設計審查以及最后的一場比賽。除了評估認知能力的培養效果，情感變化也要被評估。評估學生們在問題處理過程中的信心、參與到解決具有挑戰性問題中的意愿和控制問題解決進展的感覺也很重要。這些情感變化可以通過觀察、訪談、作品、期刊和其他形式的自評進行評估。
二、小衛星平臺與基于PBL的航天工程教育創新結合途徑
在全球化大背景下，除去意識形態的差別，世界人才的標準正趨于統一。根據著名的CDIO（Con-ceive-Design-Implement-Operate，即：構想-設計-實現-運作）工程教育模型，工程教育包括以下幾大培養目標：掌握深厚的基礎知識和應用技術；善于構思、設計、實現和運作新產品或系統的能力；承擔和實施復雜系統工程的能力；適應現代團隊協作開發模式及其開發環境。這些目標是直接參照工業界的需求而制定的，它實際上定義了現代工程技術人員的素質構成。
1.小衛星作為航天工程教育的意義。
小衛星為空間發展提供了的一條新途徑，這是與以往基于傳統空間開發模式的“政府導向的大型項目”完全不同的。此外，NASA已經開展了很多項目為大學提供發射機會，讓他們逐漸學會如何開發、運營衛星。超小型衛星計劃是其中一個著名的案例，選定十所大學并給予他們項目資金，最終的成品將搭載航天飛機發射上天。憑借多年的項目經驗，一些大學已經能夠制造衛星，甚至出售衛星給其他大學或國家。小衛星為大型衛星上已經實現的一些任務提供了一條新的實現途徑。一定數目的小衛星協作是一個非常重要的概念，通常被稱為“星座”或“編隊飛行”。這種多衛星體系的優點是容錯量大、重構能力強、系統的可擴展性好。
2.基于小衛星平臺的航天工程教育項目。
小衛星的操作訓練為大學生的太空教育提供了一個特別的機會，讓他們能夠體驗從任務創建、衛星設計、制造、測試、發射、運行，直到結果的分析的整個太空項目周期。同時他們還能從這些項目中學到項目管理和團隊協作等重要技能。小衛星項目不僅對教育有益，而且有望成為太空技術發展與商業運營中的一名新成員。
（1）日本衛星設計大賽。
上世紀90年代初期，日本的大學小衛星研究項目遠遠落后于美國和歐洲各國。然而，在意識到了小衛星在教育和技術發展上的重要性后，日本國內開始大力推動高校小衛星設計-制造計劃。第一個里程碑是“衛星設計大賽”。1992年三個學術社團共同成立了大賽組委會，他們分別是JSME、JSASS與IEICE。經過一年時間的準備，于1993年舉辦了第一屆比賽。這項比賽的目的是為更多的大學生提供參與太空項目的機會，同時鼓勵一流大學開始進行實體衛星的制造項目。評審項目分成兩大類，創意類評審該項目的創意與想法，設計類評審衛星設計的可實現性。提交的項目首先會進行初步的評審，合格的項目才能入圍最終的決賽。屆時，將進行衛星模型的展示和評審。優秀的作品將獲得“設計獎”、“創意獎”以及三大學術社團頒發的獎項。大賽每年都會收到20到30個創意獨特的項目。
（2）大學空間系統研討會（USSS）以及CanSat項目。
USSS始于1998年，每年11月由JUSTSAP小衛星工作組在夏威夷舉辦。研討會的形式十分獨特，出席會議的日本和美國的大學首先提出自己衛星項目的構想，以及各大學自身的科研實力，然后將具有相同興趣、能力或科研實力的大學進行組隊。各組展開討論，在一天半的研討會后，各組需要向其他組展示他們的項目設計書。這些項目要在USSS結束后的一年內實施，他們的成果將在下一年的USSS上展示。其中最成功的項目就是CanSa（t罐裝衛星）項目了。CanSat項目是1998年由特維格教授提出的。在最初的計劃中，每所大學都要制造一個350mL飲料罐大小的微型衛星，衛星將被發射到軌道上，在下一年的USSS上進行控制操作。
（3）立方體衛星。
立方體衛星項目由特維格教授在1999年的USSS大會上提出。立方體衛星為重1kg，長寬高均為10cm的微型衛星。每所大學制作的立方體衛星都被放在一個名為“P-POD”的盒形載體內，它由俄羅斯的“第聶伯”火箭裝載發射升空。為了減少立方體衛星和P-POD之間的機械和電氣接口，P-POD釋放機制設置得非常簡單：當P-POD的門打開，里面的立方體衛星就被P-POD末端的彈簧彈出。東京大學和東京工業大學已經開始了立方體衛星項目，并大致完成了設計和EM級別的模型制造。這些大學的學生已經在立方體衛星項目中獲得了微型衛星開發的基本專業知識。但他們現在需要面臨新的挑戰：如何使用現成的廉價的部件設計可靠的空間系統，如何進行空間環境試驗（如真空熱或輻射試驗）并獲得試驗結果，以及如何處理更大的風險，更多的人力資源、時間和成本。目前計劃于2002年底發射第一個立方體衛星。
（4）歐洲大學生月球軌道航天器。
歐洲大學生月球軌道航天器ESMO是歐空局教育衛星計劃的第四項任務，它是基于“歐洲大學生太空探索與技術倡議”計劃中的“SSETI-Express”衛星。ESMO項目是為了吸引和培養下一代的月球與其他行星的工程師和科學家。航天器有效載荷包括：船載液壓雙組元推進系統，用船從地球同步軌道通過“日地系統中的拉格朗日點L1”轉移到繞月運行軌道的過程，歷時3個月；表面光學成像的窄角相機和一個用于測繪全球引力場的子衛星，將在歷時超過6個月的時間里執行測量任務；可供選擇的載荷還包括一個生物實驗和一個微波輻射計。ESMO項目是未來歐洲的科學和勘探計劃的一個強大的動手教育和公共宣傳工具。它是一個面向大學生的項目，訓練和培養了下一代的月球任務的工程師和科學家。
三、建立基于PBL的航天工程教育實驗平臺和培養范式
我國在“十二五”規劃中提出了“創新驅動，實施科教興國戰略和人才強國戰略”，要“圍繞提高科技創新能力、建設創新型國家，以高層次創新型科技人才為重點，造就一批世界水平的科學家、科技領軍人才、工程師和高水平創新團隊。實施PBL教學是一項系統工程，由于受國情、傳統教育教學模式和人才培養機制的約束，在中國工科大學中實施PBL教學存在問題案例少、實施成本高、評價方式單一和師生角色僵化等問題，因此，需要根據我國工程教育的現狀和國情對PBL教學進行本地化處理，不能生搬硬套，具體來講有以下幾個方面需要注意。
1.樹立以學生為中心的教學理念。
樹立以學生為中心的教學理念是實施PBL教學的前提條件，PBL強調以學生為中心，作為PBL教學的實施者，教師必須要深刻認識到這一點。
2.根據具體航天任務設計問題。
豐富的問題案例是PBL教學成功的關鍵。每門專業課的設置都是基于學生已具備一定的先修課程基礎為前提，但個體的差異不容忽視，教師或教師團隊在進行某課程PBL問題設計的時候要充分了解學生的知識基礎，結合具體的實施條件進行問題案例的設計。為了保持熱情，學生們可以一種競賽的形式開始項目，學生們互相分享自己的認識，用自己的雙手選擇出最吸引人并且最有意義的項目。
3.提高衛星實驗平臺的開放性與多樣性。
除了教育實踐空間項目對航空航天教育帶來的價值之外，學生建造空間項目長期承諾創新型大學的任務是可直接有利于空間行業本身。目前，各大學中設立的大學或研究生開放實驗室及其配套的開放創新基金都是一些很好的嘗試，取得了很好的效果，但其范圍需要擴大，讓大學生能夠進入一些比較前沿的和良好國際合作背景的研究型實驗室，使其很早就能受到良好的學術熏陶，以促進其產生向更高層次發展的內部動機和欲望。
4.加強學習能力的培養。
發展學生的學習能力，使其成為高效、獨立的終生學習者是PBL的重要目標之一。通過參加PBL學習，讓學生明白學習不完全是個人的事情，在PBL小組中每個學生都擔當一定的角色，并承擔相應的責任，在小組討論中無私貢獻自己的學習成果，并吸取其他成員的學習成果，達到共同進步。
5.建立合理多樣化的評估體系。
在實施PBL的過程中，可以采用學生自我評價、同學互評及教師評價相結合的辦法，注重學生的過程表現，而不是結果。創新人才的多樣性和創新思維的多樣性決定了我們不能用一刀切的方法來評價學生，而是要采取靈活多樣的評估體系，建立激發創新的長效機制。除了評估認知能力的發展和成就，情感變化也要被評估。評估學生們在問題處理過程中的信心、參與到解決具有挑戰性問題中的意愿和控制問題解決進展的感覺也很重要。
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文獻標識碼 A
文章編號 1005-4634（2012）05-0048-05
0 引言
《自動控制原理》是航空航天類本科專業一門重要的專業基礎課。以筆者所在的北京理工大學為例，航空宇航科學與技術一級學科下屬的飛行器設計與工程、航天運輸與控制、飛行器動力工程、武器系統與發射工程、探測制導與控制技術等專業的本科生，均在大三第一學期必修《自動控制原理》經典控制理論部分，包括54個理論課時和10個實驗課時，其任務是通過對自動控制理論知識的學習，培養學生對控制系統的分析設計能力、工程實踐能力和創新能力。同時，《自動控制原理》還是學習測試技術、飛行器制導與控制技術、飛行器總體設計、航天器測控原理等諸多專業課程的先修課，在航空航天類專業的本科生培養計劃中占據著非常重要的地位。
《自動控制原理》的授課模式一般有兩種：一是將經典控制理論部分和現代控制理論部分分開講述，先講授經典控制后講授現代控制，目前國內大部分高等院校均是采用的這種授課模式；二是將經典控制和現代控制融合講授，這種授課模式有助于培養學生從系統角度、全局高度來思考問題的能力，更利于掌握控制理論的實質。由于授課模式的沿襲性及單學期課時數的限制，北京理工大學航空航天類專業的《自動控制原理》采用了前一種授課模式。授課教師采用A、B角的方式，教師隊伍中有授課近20年的教師，還有剛剛博士畢業踏上工作崗位的年輕教師，更難能可貴的是，所有授課教師均有出國留學或訪問的經歷，兼通中西教學模式之長，融蓬勃朝氣與豐富經驗于一體。
本文主要是以《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高[2012]4號）中“堅持內涵式發展”、“促進高校辦出特色”、“創新人才培養模式”、“提升國際交流與合作水平”等內容為指導，結合北京理工大學的學校定位和辦學特色，以筆者在《自動控制原理》經典控制理論部分本科教學過程中的思考和認識為基礎，對北京理工大學航空航天類專業在《自動控制原理》本科教學改革中的若干有效措施進行總結和探討。
1 授課內容及學習過程中存在的問題
1.1《自動控制原理》的授課內容
筆者主要講授《自動控制原理》中的經典控制理論部分，授課內容分為八章，分別是：自動控制系統導論、自動控制系統的數學模型、自動控制系統的時域分析、根軌跡法、頻率法分析、控制系統校正、非線性系統和線性離散系統。其中，前六章和第八章是重點講授內容，第七章是一般講授內容。就總的講授內容來說，有理論性強、新概念多、系統性強、與工程尤其是航空航天工程聯系緊密的特點，如已列裝或在研的大部分導彈飛行器，其自動駕駛儀的設計仍主要是在經典控制理論的框架下完成的。學習過程是先了解控制系統的組成尤其是強調“反饋”的概念，再根據實際的控制系統建立數學模型，然后通過時域法、根軌跡法、頻率法等分析系統性能的優劣對比，最后對系統整體性能進行校正和設計，可以說，整個過程是一個完整的體系，更是一個循序漸進的過程。
1.2《自動控制原理》學習過程中的幾點問題
無論哪門課程，講授目的均是希望學習者能夠掌握相關知識的基本原理、分析方法并最終做到靈活運用。考試成績是評價學習者是否達到上述標準的一個參考，但考試成績并不能表明一個學生是否真正達到了上述標準。為了準確評估《自動控制原理》的講授效果，真正了解該門課程學習中可能存在的問題，不但要時刻注意本專業學生在修習過程中的反饋意見，而且要廣泛調研和閱讀其它學校和專業的教師在該門課程上的經驗總結。在此基礎上，結合筆者的親身體驗和思考，認為航空航天類專業的學生在學習《自動控制原理》過程中可能面對的主要問題包括：（1）部分學生由于數學基礎不夠扎實，對課程中涉及到的數學知識產生畏難情緒，進而無法很好地掌握控制系統的分析方法；（2）不能將所學的控制理論知識與自己專業的實際案例充分地聯系起來，這主要是在學習過程中接觸專業案例少造成的；（3）閱讀英文文獻的能力不足，而且這種不足突出表現在缺乏對專業詞匯的正確理解上，這說明《自動控制原理》需要適度地推進雙語教學改革；（4）無法將基本理論和計算機輔助設計軟件MATLAB結合起來進行更有效地控制系統設計，即割裂了基本理論和計算機輔助軟件相輔相成、互相印證、互相促進的關系；（5）從系統角度理解控制系統核心思想的能力不足，即無法做到融會貫通，更談不上靈活運用，這需要授課過程中注意前后串聯，幫助學生建立起系統概念。針對上述問題，結合北京理工大學辦學定位和航空航天類專業《自動控制原理》的授課特色，授課教師均提出了有針對性的改革措施。多年來的教學實踐證明，這些措施很好地解決了北京理工大學航空航天類專業本科生在《自動控制原理》課程中的學習問題，增強了學生對該門課程的學習興趣和“自主學習”能力。
2 教學改革的若干舉措
2.1從數學基礎抓起
“工欲善其事，必先利其器。”《自動控制原理》課程涉及大量的數學知識，如拉氏變換及其逆變換、微分方程、差分方程、復變函數理論、Z變換等。毫不夸張地說，扎實的數學功底是學好該課程的基礎。如果學生缺乏必要的數學知識，教師又不能適時補上這個不足的話，很容易造成學生在學習過程中的畏難情緒，不可避免地會影響教學效果。
北京理工大學授課教師的做法是在《自動控制原理》開課伊始，就給學生列出所有需要用到的基礎數學知識。一方面引導學生重新復習這些已經學過的數學知識；另一方面，授課教師還會抽出專門的課時來對這些數學知識進行復習和重點講授。為了不斷加深學生對這些數學知識的理解，在用到相應的數學工具時，授課教師都會結合具體的實例進行更詳細地講述。為了盡可能減少學生在學習中的畏難情緒，北京理工大學授課教師在考試中堅持“注重概念，弱化計算”的理念，只要學生思路正確，僅僅是計算錯誤的情況下，盡量少扣或不扣分。
2.2雙語教學，與國際接軌
開展雙語教學有助于我國高等教育與國際接軌，是當前教育改革的熱點和重點，同時也得到了教育部等相關部門的大力支持。在雙語教學的改革中，有一點需要明確的是，專業課雙語教學的目的并不是為了增加學生的詞匯量，也不是為了提高學生外語的寫作水平，更不是為了教學生外語語法，而是為了增強學生閱讀專業外文文獻的能力和對專業知識的理解能力。近年來，英語已經逐漸發展成為全世界通用的語言，最新的科研成果更主要是以英文形式發表。所以，我國高等教育中大部分的雙語教學均是采用中文和英文的雙語授課模式。
由于《自動控制原理》涉及到的諸多基本理論和分析方法大都是從國外引進和翻譯過來的，加上國外學術界習慣用人名來命名定理的做法，給國內學生記憶和理解這些理論和方法增加了額外的困難。如用于判定線性系統穩定與否的勞斯判據就是以英國數學家Edward John Routh的名字命名的，類似這樣的例子還有很多，這對于習慣望文生義的國內學生來說，想僅僅從字面意思來理解勞斯判據本身幾乎是不可能的。有鑒于此，基于航空航天類專業《自動控制原理》雙語教學改革的目的主要是為了增加學生對專業詞匯認知這一基本的出發點，決定了航空航天類專業《自動控制原理》雙語教學的授課方針應以中文為主、英語為輔。具體做法是，每當第一次出現新的名詞、原理和方法時，授課教師先用中文進行詳細講解，然后告訴大家這些名詞、原理和方法在英文中的表示方法和來源，并在以后遇到這些名詞、原理和方法時，更多地采用英文表述。如傳遞函數（Transfer Function）、勞斯判據（Routh Criterion）、階躍響應（Step Response）、脈沖響應（Impulse Response）、根軌跡（RootLocus）等，都可以采用這種處理方式。此外，還需要注意引導學生適量閱讀英文參考書和專業文獻，由于Katsuhiko Ogata所著《Modern Control Engineer-ing》一書在世界范圍內的廣泛被接受性，北京理工大學同樣推薦學生將這本書作為英文參考書。
2.3融科研于教學
隨著我國高等教育改革的不斷實施和深入，昔日的“填鴨式”教學已逐步被更能激發學生“自主學習”能力的“啟發式”、“案例式”教學所取代。在《自動控制原理》的教學中，如果只是講授一般的數學公式和物理定理，而與實際工程割裂開來的話，很可能出現的后果就是學生學習后不知道用在什么地方，更不知道如何用，更糟糕的情況是學生在考試后就把所學的東西全忘掉了。為了避免這一狀況的發生，有必要將專業案例、授課教師的科研項目融入日常的教學工作中去，讓科研帶動教學、教學促進科研。
如在第一章講授自動控制系統定義和基本組成的時候，通用的教材是舉一些工業上常見的例子，像室溫調節系統和水位調節系統來引入自動控制的專業術語和反饋的概念。這種講授方法是很好的，有利于學生建立對控制系統組成的直觀概念，并認識到自動控制的核心思想所在。對于航空航天類專業的學生來說，在講述通用案例的同時，還可以結合航空航天領域的應用案例，如引入圖1所示的導彈攻擊飛機的案例。在這個案例中，導彈根據自己探測到的目標機動特性，依據一定的制導律生成最佳攻擊曲線，當彈上的測試設備探測到實際飛行路線和預定飛行路線出現偏差的時候，彈載計算機會依據一定的法則生成控制指令，氣動舵機來執行這一控制指令，從而達到控制導彈回到預定飛行路線的目的。按照這一描述可以畫出它的系統方塊圖，如圖2所示，和基本的負反饋閉環控制系統（如圖3所示）對應起來，預定飛行路線對應給定輸入、彈載計算機對應控制器、氣動舵機對應執行機構、導彈就是被控對象、實際飛行路線即是實際輸出、彈載測試設備即對應測量輸出的傳感器。這樣講授下來，由于比較貼近專業方向，同學們就很容易理解控制系統的結構，并對輸入、輸出、被控對象、執行機構、控制器的作用及反饋的概念有了更為直觀和深刻的認識。
在講述控制系統穩態性能和動態性能的時候，大量引入航空航天的專業案例，尤其是一些因為控制系統設計失誤或控制系統未能正常工作產生重大損失的失敗案例，對引發學生的學習興趣頗有幫助。從教學的效果看，這些案例的引入，不僅加深了學生對《自動控制原理》重要性的認識，激發了他們學習的熱情，同時，還培養了他們對所學專業的興趣。在此基礎上，可以注意吸收一些對自動控制理論或應用感興趣的學生提前進入實驗室，并挑選與任課教師負責項目相關或者處于航空航天控制前沿的研究方向，如臨近空間飛行器的制導與控制技術，讓他們自由發揮，思考和創新，切實培養他們的動手能力。
此外，授課教師要非常注重“基于書本、超越書本”。比如香農（Shannon）采樣定理認為：對于一個連續信號來說，當采樣角頻率是該連續信號所含最高次諧波頻率兩倍以上的話，即能做到一個周期內采樣兩次以上的話，那么經采樣后所得到的脈沖序列，就包含了原連續信號的全部信息，可通過理想濾波器把原信號毫無失真地恢復出來。這一表述在數學理論上是沒有任何問題的，但在實際工程項目中往往是行不通的，比如一個正弦曲線的測試，一個周期里只采樣兩三個點的情況下，幾乎沒有可能復現原信號。類似于這樣的問題，授課教師需要在授課過程中向學生特別強調。
2.4計算機輔助教學
由于《自動控制原理》在授課過程中涉及到的數學公式、圖形（結構圖、框圖、根軌跡圖、伯德圖等）比較多，非常不方便在課堂上進行直接板書，一旦板書不清楚會直接影響學生的學習效果。而這些公式和圖形是非常適合以幻燈片（PPT）的形式來進行表述的，學生也更樂意看到這種方式。北京理工大學授課教師同樣采用了以PPT為主的授課模式，配以適當的動畫，給學生一個更為直觀的展示。如在講授動態性能指標的時候，延遲時間、上升時間、峰值時間、超調量、調節時間等名詞的定義并不是那么容易理解，但通過動畫的形式就可以很清楚、明了地向同學們展示這些概念的不同，學生反映良好。再比如在講授不同阻尼比情況下二階系統單位階躍響應特性的時候，只靠文字表述“隨著阻尼比的增大，系統的響應越快，但超調量越大”的話，大部分學生是比較茫然的。如果換成通過PPT展示給同學們如圖4所示的響應曲線時，就會一目了然，同時，還有助于同學們掌握零阻尼、欠阻尼、臨界阻尼、過阻尼等情況下單位階躍響應特性的不同。
MATLAB是學習《自動控制原理》的學生必須掌握的一個計算機輔助分析工具。實際上，一個令人引以為傲的事實是，北京理工大學航空航天類專業本科生的MATLAB基礎知識都是在《自動控制原理》的課堂上學到的。由于年輕學生對新鮮事物天生的好奇感，當他們看到教材上一幅幅精美的圖片是通過MATLAB展示在自己面前的時候，不但會加深他們對所學知識的理解，更會激發他們學習這門課的熱情。比如講二階欠阻尼系統階躍響應的時候，可以首先引導學生思考一個問題：“既然阻尼比越小，系統響應越快，超調量越大，那怎么來選擇合適的阻尼比呢？”然后再用教學計算機上裝載的MATLAB畫出圖5，這是阻尼比位于[0.10.9]之間，以上升時間為橫坐標、超調量為縱坐標的Pareto圖，同時在圖中標示阻尼比分別為0.4、0.707和0.8所對應的點。以這個直觀的示意圖做基礎，同學們就很容易理解為什么工程上一般要求阻尼比在[0.4 0.8]范圍內了，再告訴同學們阻尼比為0.707時控制系統效果最佳，他們也就明白了因果來源。如果更進一步畫出阻尼比分別為0.6、0.707和0.8時候的單位階躍響應曲線來，如圖6所示，同學們就會有一個更加明確和直觀的印象。此外，授課教師還可以通過課下作業的形式，引導學生利用課堂所學知識編程實現更復雜的響應曲線，使學生可以親身感受到響應曲線隨不同參數變化的規律，不但可以加深學生所學的理論知識，還有助于學生掌握輔助軟件的用法。
用MATLAB輔助教學可能會帶來的一個副作用就是，同學們可能覺得只要掌握MATLAB就可以了，而忽略了自動控制本身的基本原理和定性的分析方法。這是授課教師在教學過程中需要重點留意并刻意避免的問題之一，北京理工大學授課教師在每次用MATLAB輔助教學時，都會強調基本原理的重要性，同時會刻意用所學的定性分析方法來評估MATLAB結果的正確與否，并一再強調，MATLAB只是一個輔助大家進行控制系統分析的工具，不能取代大家所學的基本原理和分析方法本身，考試中也不會考這方面的內容。
2.5注重前后串聯，建立系統概念
《自動控制原理》本身的講授內容多、跨度時間長，而且學生同時還在修習其它課程，所以用在《自動控制原理》這一門課上的時間是極其有限的。而且一般教材也更傾向于將每個章節的內容獨立出來，如僅僅在第二章講述控制系統模型的建立方法，在以后的學習中就直接拿現成的傳遞函數來用；再如第三章講述時域分析法之后，在后續章節的講述中幾乎不會再涉及。很可能造成的一個后果就是學習過程中常常不清楚各個知識點之間的相互聯系，也無法真正的做到融會貫通，在遇到實際的工程問題時就會顯得束手無策、不知如何下手。這需要授課教師幫助同學們理清線索，弄清楚各個章節之間的因果關系。
篇5
自改革開放到21世紀初期，中國的發展世界矚目，我們不論在政治、經濟、文化等方面都取得了長足的進步，中國已成為名副其實的世界大國，取得這樣的成就，在很大程度上依賴于我國推行的科教興國戰略所造就的龐大的優秀人才隊伍。然而，不容忽視的現實是，目前我國培養的工程師隊伍雖然已經超出美國的10倍，但是工程師的整體知識水平、設計能力，尤其是優秀工程師的總體質量與美國、德國和日本等發達國家甚至一些發展中國家都有很大的差距[1]，具體表現在工程教育方面就是教學內容與產業需求相脫節，工程實踐經歷缺乏，工程師培養體系不夠健全等。導致這些問題的深層次原因主要在于我國的工程教育依然停留在科學范式而不是工程范式，工程教育過分強調了工程科學，而忽視了諸如設計等實踐能力培養的環節[1-2]。工程教育不同于自然科學教育，它是一種以技術科學為主要學科基礎，以培養工程技術人才為主要目標的專門教育[3]。即工程教育的目的就是培養工程師，這一理念在包括像MIT這樣的世界一流大學早已達成共識，MIT的畢業生，無論學士、碩士或博士，到公司就職就是擔任工程技術人員。通過工程教育提高工程師教育的水平，完成這一目標有兩點很重要：教育的方式和教育的工具。PBL是一種應用廣泛學科教學方法，它不僅僅使學生獲取知識，并且要求他們學會運用知識。讓學生能夠將新的信息與學過的知識結合起來明白他們應該如何應用掌握知識。在建立學習的框架時，應當特別注意學生已有的知識基礎并且激活這些知識。加快新信息的處理和幫助學生建立有意義的聯系是教育和學習的基本要求。PBL促進學生主動參與和學習。學習變成一個發現的過程――討論問題、研究背景、分析解決方法、設計方案、得出最終結果。這種主動學習方法不僅對于學生來說更加有趣，也使學生們對資料有了更深的了解。近年來，我國教育界的學者和奮戰在一線的教育工作者們以這種理論為基礎，針對我國教育教學的實際情況，進行了一系列基于PBL理論的教育教學改革理論研究和實踐，取得了一定的效果。近年來，“小衛星”已經成為航天發展的熱點話題，而將小衛星作為航天工程教育的平臺，也越來越成為一種趨勢。以小衛星作為載體開展航天工程教育的優勢在于：（1）成本低，多數大學里的實驗室都可以開展這類項目;（2）開發周期短（一年到兩年），學生可以在畢業前看到項目成果;（3）體積小，重量輕，使制造和測試可以在比較狹小的大學實驗室內進行;（4）復雜度適中的衛星系統，使學生在參與整個衛星系統工程實施的過程中，能夠獲得一些具體的系統或子系統經驗。作為教育工具，小衛星的重要意義在于：可由學生自主設計、制造甚至發射升空，即使不能發射，也應在與實際發射相似的環境中進行測試。這一點非常重要，因為這樣學生可以得到真實情況的反饋，雖然有時實驗會失敗，但失敗也都是下一次實驗成功的基石。“設計-制造-測試-總結-再設計”這樣的系統循環設計模式，可以很容易地在機器人或計算機這類領域實施，但空間系統發展所需的巨大成本和少有的發射機會讓我們不得不停止發展空間教育中的這類循環模式。而小衛星計劃可以提供一個工具以實現該模式。
一、基于問題的學習
基于問題的學習是一種以學生為中心的主動型教學模式和課程體系設置方法，其最初是由加拿大的麥克馬斯特大學（McMaster University）醫學院于20世紀60年代在醫學課程教改中逐步形成并提煉出來的。在PBL中，教師根據課程要求和學生的知識基礎預先定義一個不完整的或劣構的問題，然后讓學生進行研究，理論聯系實際，運用已掌握的知識和技能提出解決問題的可行方案，讓學生親身參與問題求解的每一個步驟和知識構建的過程，從而將其先前獲得的知識和經驗很好地整合起來，使已有知識結構得到完善的同時達到對新知識的理解與掌。
1.目標和基于問題的學習法的特點。基于問題的學習方法的主要目標不僅僅是讓學生獲得知識，并且要運用知識。PBL重視模型和問題的解決。它試圖模擬現實生活中的工程研究和開發過程。Barrows這樣描述PBL的主要特點：（1）學習是以學生為中心的，即學生選擇怎樣去學習和他們想要學習的內容。（2）學習在小團體中展開并且提倡協作學習。（3）老師是促進者、引導者或教練。（4）問題形成組織重點并刺激學習。（5）問題是拓展真正的問題解決能力的工具。（6）新的信息是通過自學獲得的。
2.PBL工程教育案例――麻省理工學院航空航天工程系。幾年前，在麻省理工學院的航空航天系成立了一個由教師和科研人員組成的新戰略計劃小組，專門負責課程改革。為了強調教育以學生為中心，討論小組花費了一定的時間和精力通過對項目和學習成果進行驗收，設計了新的教學方法，建造與之配套的實驗室。盡管基于問題的學習是關鍵，但它不是課程組織的原則。新的航空航天工程課程以現實生活中產品完整的生命周期工程為背景，即構思、設計、實施和執行（CDIO），結合設計建造經驗，貫穿于整個項目中。接下來就是從簡單的項目到高度復雜的系統設計建立過程，以及從中取得的經驗教訓。第一年，在《航空航天設計導論》課上，學生們設計、構思并且試飛的由無線電控制浮空飛行器（LTA）。第二年，在《聯立工程學》課上，學生們設計、搭建并且試飛了無線電控制的電推力飛行器。在一些比較深入的課程例如《空氣動力學》課上，從工廠或者政府以往項目中提出航空工業中很常見一個實際的問題，像是以洛克希德?馬丁戰術飛機系統為模板提供項目設計方案。高級課程完全利用基于問題的學習方法，如：《實驗項目實驗室空間系統工程》、《CDIO高等課程》。在這些PBL體驗中，學生發現自己感興趣的問題，通過做實驗找到解決方法，并用多學科方法設計出復雜系統。麻省理工學院航空航天系“復雜系統學習實驗室”的主任提出了一個對于基于問題的學習方法的分類框架（見表1）。它將問題分為四個等級，給出了解決基礎科學及先進工程課題的系統方法。
一級：問題集。問題集是指在大多數工程課程中發現的傳統問題。它們往往具有一定的結構與較成熟的解決方案（至少問題的設計者知道）。所有學生解決同樣的問題，有時獨自解決，有時以小組形式解決。問題需要在相對較短的時間內解決。二級：小型實驗。小型實驗是指在結構化問題下的實驗課。例如測量或觀察某種工程現象或數據。這些問題在一或兩個學期內解決，可以“重復地進行”，也就是說，每個學生團隊解決與其他團隊同樣的問題。在麻省理工學院有許多例子，如《聯立工程學》課上的桁架實驗室，《空氣動力學》課上對在風洞中的流速計的校準，《航空航天設計導論》課上對空氣動力減速器的各種測試。三級：大型實驗。比起前幾個階段，這個階段的問題需要更長的時間去解決，可能會耗費幾周或整個學期。到了這個階段問題明顯復雜了很多，需要更多的規劃和教員支持。在麻省理工學院有許多如是例子：《實驗項目實驗室》課上的風洞試驗、飛行器模型項目，《空氣動力學》課上的機械項目，《航空航天教育導論》課上的輕于空氣的飛艇，《聯立工程學》課上的電動飛行器設計等。四級：頂級CDIO實驗。這個階段在系統中整合了核心工程的頂級實驗。麻省理工學院的航空航天工程項目用構思-設計-實施-操作（CDIO）的方法來設法更接近于實際工程。在頂級實驗中，工程的四個階段都將涉及。頂級實驗室的項目均為研究的重點，需要更多的資金，工程的復雜度和依賴經驗的程度也很高。例如麻省理工學院的自主衛星光學陣列項目和磁控編隊飛行器。四級的項目需要學生、老師和研究員花費三個學期去完成。可以看出三級和四級問題的解決過程是由學生主導的、不受約束的、復雜的、多方面的且具有很高的主動性過程，符合之前所說的PBL標準。然而一級和二級中的項目體驗過程更結構化，在這個過程中學生體驗到關于問題構想的有用指導，使用工具進行研究發現。基于問題的學習方法和設計-制造經驗貫穿了整個麻省理工學院航空航天工程系的本科生階段。使用四個等級的框架來層次化PBL體驗過程確保了從高度結構化問題到無約束和復雜問題情況的合理推廣。
3.基于問題的學習方法的評估。基于問題的學習方法的評估是多模式和長期性的。這些方法包括實驗室期刊、技術簡報、設計審查、技術報告、團隊協作評估、設計作品、互評和自評。教師的角色主要是顧問和指導員，以及在學習過程中為學生提供大量反饋信息。在《航空航天設計導論》課上，學生們設計、制造并試飛由無線電控制的浮空飛行器，設計審查作品和最后的評估工作都是由飛行器競賽的方式進行。在《綜合工程》課的飛行器設計項目中，二年級學生分析在問題集中與氣動性能、穩定性和推進裝置有關的問題，并動手組裝和試飛無線電控制的電推力飛行器。與第一年的課程相似，評估手段包括問題集、設計審查以及最后的一場比賽。
除了評估認知能力的培養效果，情感變化也要被評估。評估學生們在問題處理過程中的信心、參與到解決具有挑戰性問題中的意愿和控制問題解決進展的感覺也很重要。這些情感變化可以通過觀察、訪談、作品、期刊和其他形式的自評進行評估。
二、小衛星平臺與基于PBL的航天工程教育創新結合途徑
在全球化大背景下，除去意識形態的差別，世界人才的標準正趨于統一。根據著名的CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即：構想-設計-實現-運作）工程教育模型，工程教育包括以下幾大培養目標：掌握深厚的基礎知識和應用技術;善于構思、設計、實現和運作新產品或系統的能力;承擔和實施復雜系統工程的能力;適應現代團隊協作開發模式及其開發環境。這些目標是直接參照工業界的需求而制定的，它實際上定義了現代工程技術人員的素質構成。
1.小衛星作為航天工程教育的意義。小衛星為空間發展提供了的一條新途徑，這是與以往基于傳統空間開發模式的“政府導向的大型項目”完全不同的。此外，NASA已經開展了很多項目為大學提供發射機會，讓他們逐漸學會如何開發、運營衛星。超小型衛星計劃是其中一個著名的案例，選定十所大學并給予他們項目資金，最終的成品將搭載航天飛機發射上天。憑借多年的項目經驗，一些大學已經能夠制造衛星，甚至出售衛星給其他大學或國家。小衛星為大型衛星上已經實現的一些任務提供了一條新的實現途徑。一定數目的小衛星協作是一個非常重要的概念，通常被稱為“星座”或“編隊飛行”。這種多衛星體系的優點是容錯量大、重構能力強、系統的可擴展性好。
2.基于小衛星平臺的航天工程教育項目。小衛星的操作訓練為大學生的太空教育提供了一個特別的機會，讓他們能夠體驗從任務創建、衛星設計、制造、測試、發射、運行，直到結果的分析的整個太空項目周期。同時他們還能從這些項目中學到項目管理和團隊協作等重要技能。小衛星項目不僅對教育有益，而且有望成為太空技術發展與商業運營中的一名新成員。（1）日本衛星設計大賽。上世紀90年代初期，日本的大學小衛星研究項目遠遠落后于美國和歐洲各國。然而，在意識到了小衛星在教育和技術發展上的重要性后，日本國內開始大力推動高校小衛星設計-制造計劃。第一個里程碑是“衛星設計大賽”。1992年三個學術社團共同成立了大賽組委會，他們分別是JSME、JSASS與IEICE。經過一年時間的準備，于1993年舉辦了第一屆比賽。這項比賽的目的是為更多的大學生提供參與太空項目的機會，同時鼓勵一流大學開始進行實體衛星的制造項目。評審項目分成兩大類，創意類評審該項目的創意與想法，設計類評審衛星設計的可實現性。提交的項目首先會進行初步的評審，合格的項目才能入圍最終的決賽。屆時，將進行衛星模型的展示和評審。優秀的作品將獲得“設計獎”、“創意獎”以及三大學術社團頒發的獎項。大賽每年都會收到20到30個創意獨特的項目。（2）大學空間系統研討會（USSS）以及CanSat項目。USSS始于1998年，每年11月由JUSTSAP小衛星工作組在夏威夷舉辦。研討會的形式十分獨特，出席會議的日本和美國的大學首先提出自己衛星項目的構想，以及各大學自身的科研實力，然后將具有相同興趣、能力或科研實力的大學進行組隊。各組展開討論，在一天半的研討會后，各組需要向其他組展示他們的項目設計書。這些項目要在USSS結束后的一年內實施，他們的成果將在下一年的USSS上展示。其中最成功的項目就是CanSat（罐裝衛星）項目了。CanSat項目是1998年由特維格教授提出的。在最初的計劃中，每所大學都要制造一個350mL飲料罐大小的微型衛星，衛星將被發射到軌道上，在下一年的USSS上進行控制操作。（3）立方體衛星。立方體衛星項目由特維格教授在1999年的USSS大會上提出。立方體衛星為重1kg，長寬高均為10cm的微型衛星。每所大學制作的立方體衛星都被放在一個名為“P-POD”的盒形載體內，它由俄羅斯的“第聶伯”火箭裝載發射升空。為了減少立方體衛星和P-POD之間的機械和電氣接口，P-POD釋放機制設置得非常簡單：當P-POD的門打開，里面的立方體衛星就被P-POD末端的彈簧彈出。東京大學和東京工業大學已經開始了立方體衛星項目，并大致完成了設計和EM級別的模型制造。這些大學的學生已經在立方體衛星項目中獲得了微型衛星開發的基本專業知識。但他們現在需要面臨新的挑戰：如何使用現成的廉價的部件設計可靠的空間系統，如何進行空間環境試驗（如真空熱或輻射試驗）并獲得試驗結果，以及如何處理更大的風險，更多的人力資源、時間和成本。目前計劃于2002年底發射第一個立方體衛星。（4）歐洲大學生月球軌道航天器。歐洲大學生月球軌道航天器ESMO是歐空局教育衛星計劃的第四項任務，它是基于“歐洲大學生太空探索與技術倡議”計劃中的“SSETI-Express”衛星。ESMO項目是為了吸引和培養下一代的月球與其他行星的工程師和科學家。航天器有效載荷包括：船載液壓雙組元推進系統，用船從地球同步軌道通過“日地系統中的拉格朗日點L1”轉移到繞月運行軌道的過程，歷時3個月;表面光學成像的窄角相機和一個用于測繪全球引力場的子衛星，將在歷時超過6個月的時間里執行測量任務;可供選擇的載荷還包括一個生物實驗和一個微波輻射計。ESMO項目是未來歐洲的科學和勘探計劃的一個強大的動手教育和公共宣傳工具。它是一個面向大學生的項目，訓練和培養了下一代的月球任務的工程師和科學家。
三、建立基于PBL的航天工程教育實驗平臺和培養范式
我國在“十二五”規劃中提出了“創新驅動，實施科教興國戰略和人才強國戰略”，要“圍繞提高科技創新能力、建設創新型國家，以高層次創新型科技人才為重點，造就一批世界水平的科學家、科技領軍人才、工程師和高水平創新團隊。實施PBL教學是一項系統工程，由于受國情、傳統教育教學模式和人才培養機制的約束，在中國工科大學中實施PBL教學存在問題案例少、實施成本高、評價方式單一和師生角色僵化等問題，因此，需要根據我國工程教育的現狀和國情對PBL教學進行本地化處理，不能生搬硬套，具體來講有以下幾個方面需要注意。
1.樹立以學生為中心的教學理念。樹立以學生為中心的教學理念是實施PBL教學的前提條件，PBL強調以學生為中心，作為PBL教學的實施者，教師必須要深刻認識到這一點。
2.根據具體航天任務設計問題。豐富的問題案例是PBL教學成功的關鍵。每門專業課的設置都是基于學生已具備一定的先修課程基礎為前提，但個體的差異不容忽視，教師或教師團隊在進行某課程PBL問題設計的時候要充分了解學生的知識基礎，結合具體的實施條件進行問題案例的設計。為了保持熱情，學生們可以一種競賽的形式開始項目，學生們互相分享自己的認識，用自己的雙手選擇出最吸引人并且最有意義的項目。
3.提高衛星實驗平臺的開放性與多樣性。除了教育實踐空間項目對航空航天教育帶來的價值之外，學生建造空間項目長期承諾創新型大學的任務是可直接有利于空間行業本身。目前，各大學中設立的大學或研究生開放實驗室及其配套的開放創新基金都是一些很好的嘗試，取得了很好的效果，但其范圍需要擴大，讓大學生能夠進入一些比較前沿的和良好國際合作背景的研究型實驗室，使其很早就能受到良好的學術熏陶，以促進其產生向更高層次發展的內部動機和欲望。
4.加強學習能力的培養。發展學生的學習能力，使其成為高效、獨立的終生學習者是PBL的重要目標之一。通過參加PBL學習，讓學生明白學習不完全是個人的事情，在PBL小組中每個學生都擔當一定的角色，并承擔相應的責任，在小組討論中無私貢獻自己的學習成果，并吸取其他成員的學習成果，達到共同進步。
5.建立合理多樣化的評估體系。在實施PBL的過程中，可以采用學生自我評價、同學互評及教師評價相結合的辦法，注重學生的過程表現，而不是結果。創新人才的多樣性和創新思維的多樣性決定了我們不能用一刀切的方法來評價學生，而是要采取靈活多樣的評估體系，建立激發創新的長效機制。除了評估認知能力的發展和成就，情感變化也要被評估。評估學生們在問題處理過程中的信心、參與到解決具有挑戰性問題中的意愿和控制問題解決進展的感覺也很重要。
四、結論
PBL植根于建構主義理論之上，強調發現和知識意義的構建，是一種先進的培育創新精神和激發創新思維活動的教學/學習方式。PBL強調以學生為中心，問題、教師和團隊學習是PBL教學法實施的三大關鍵要素。本文在總結PBL理論的基礎上，在此基礎上根據我國航天工程教育的現狀，從國外幾個航空航天教育典型案例吸取經驗，討論了以小衛星作為航天工程教育工具的重要性;其次，敘述了它作為太空技術發展新成員的重要性。探討了基于PBL理論的航天工程教育在學生群體中推行的途徑，期望能促進教育工作者對有關問題的思考。
由學生運作衛星項目極具挑戰性，但這會給參與項目的學生和院校帶來巨大回報。這些項目提供大學生關于設計、分析、測試、制造和操作空間系統方面的實踐經歷。有證據表明，參與空間飛行器設計項目的學生，能力得到顯著提高。統計證據也顯示如果相當數量的大學參與空間飛行器設計活動，進入空間領域工作的學生數量會顯著增長。
參考文獻：
篇6
北方三所高校算是材料科學與工程領域傳統名校，值得注意的是，它們卻均未設置專門的納米材料研究機構，更多的是依托原有的強勢學科，在傳統材料研究領域引入納米科技，尋求突破。
北京科技大學
北京科技大學原名北京鋼鐵學院，曾被譽為“鋼鐵搖籃”，其材料科學研究側重點是金屬材料。除了材料學院這個重點學院外，從事材料科學研究的還有新金屬國家重點實驗室、高效軋制國家工程研究中心、國家材料服役安全科學中心等機構，側重點也不局限于金屬材料，在無機非金屬、高分子、生物醫藥材料等方面亦有建樹。
目前，北科大納米材料課題組主要研究納米材料制備與表征、納米材料改性、功能納米材料等方面。此外，亦有部分老師研究納米加工、納米組裝、納米器件等應用方向。
北京航空航天大學
與北科大不同，北航材料學院在北航不屬于重點學院，規模較小，師資力量僅百來人，這決定了北航材料學院的研究方向不會太廣。作為航天航空院校，北航材料學院也有自己的優勢，正在籌建的航空科學與技術國家實驗室（航空領域最高級別實驗室），它的側重點在金屬材料、樹脂基復合材料及失效分析、先進結構材料、新型功能材料等方面。
在納米材料上，北航材料學院重點關注納米器件和納米涂層。材料學院的納米材料研究發展趨勢可能是納米技術在航天航空領域的應用。
大連理工大學
大連理工大學的材料學院在金屬材料、材料加工方面實力強，基于大連的地理位置，材料學院還開設了五年制金屬材料工程日語強化班。不過，納米材料與技術專業并非隸屬于材料能源學部，而是化工與環境學部。因而，大連理工大學的納米材料研究偏化工類，包括納米粒子合成化學技術、無機納米功能材料、納米復合材料等方向。納米材料與技術專業開設的專業課中，亦有化工原理、基礎化學、材料化學等化工類課程。可以說，這是大連理工大學納米材料與技術專業的一大特色。
與北方三所高校相比，蘇州大學和南京理工大學納米材料與技術專業的發展方向截然不同。兩所南方高校均成立多個納米材料研發機構，在研究方向上，兩所高校側重于納米材料器件應用，嘗試產業化。這些特點可能與江浙一帶出現納米高新技術企業有關。
蘇州大學
蘇州大學沒有材料科學與工程學院，而是材料與化工學部，研究偏向化工，在無機非金屬、高分子材料方面實力不錯。納米材料與技術專業并沒有開設在材料與化工學部，而是2010年成立的納米科學技術學院。除了納米科學技術學院，蘇州大學研究納米材料的機構還有2008年成立的蘇州大學功能納米與軟物質研究院、2011年成立的蘇州大學-滑鐵盧大學蘇州納米科技研究院。其中，以中科院院士李述湯教授領銜組建的功能納米與軟物質研究院已初具規模，它以功能納米材料和軟物質為研究對象，側重于功能納米材料與器件、有機光電材料與器件、納米生物醫學技術等，尋求在納米器件以及新能源、環保、醫用等領域的應用。
南京理工大學
南京理工大學由軍工學院演變發展而來，其材料科學與工程學院的材料學研究側重于金屬材料及復合材料。不過，南理工是國內最早開展納米材料與技術研究的大學之一，正籌建納米結構研究中心，研究側重點是與納米結構材料相關的分析、材料力學、電化學性能評估等。由南理工化工系和南京部分企業共同支持的南京市高聚物納米復合材料工程技術中心，研究側重點是納米材料制備、應用、納米催化聚合反應、納米復合材料，該中心已與江蘇部分納米企業開展納米技術產業化合作。此外，南理工還共建了金屬納米材料與技術聯合實驗室。
其他高校納米特色
上海交通大學
上海交通大學材料科學與工程學院在各類相關排名中居首，教職工200多人，研究側重點包括金屬材料、復合材料、塑性成形、輕合金精密成型等，在中國是材料科學與工程學子公認的夢想學府。其材料學院也涉及納米材料，比如，復合材料研究所部分老師從事納米復合材料研究，微電子材料與技術研究所從事納米電子材料研究。此外，上海交通大學還成立了微納科學技術研究院，研究方向為納米生物醫學、納米電子學與器件。生物醫藥工程學院也開展納米材料的可控合成與制備、納米生物材料等方面的研究。
清華大學
與北京航空航天大學相似，清華大學材料科學與工程系是學校名氣大于院系實力，每年有數百人爭奪材料系不足30個研究生名額。材料系建有新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室，研究側重點以陶瓷材料為主，同時涉及磁性材料、復合材料、電極材料和核材料。在納米材料方面，清華材料系主要研究納米材料結構、納米材料合成和微納米顆粒等。2010年，清華大學成立了微納米力學與多學科交叉創新研究中心，主要研究微納米器件、納米復合材料在電能存儲上應用和微納米設備研發等。
北京大學
北大材料科學與工程系成立于2005年，教職工10余人，成立之初就把材料科學與納米技術結合起來，欲在納米材料與微納器件方面有所突破。此外，北大成立了納米化學研究中心，教職工7人直博生卻達45人，主要研究領域包括低維新材料與納米器件、納米領域的基本物理化學問題。
西北工業大學
西工大是西部材料科學與工程實力最強的院校，其材料學院師資隊伍近200人，有凝固技術國家重點實驗室和超高溫復合材料國防科技重點實驗室。因此，其研究側重點在凝固，復合材料和金屬材料的實力亦不俗。在納米材料方面，西工大成立了微/納米系統研究中心，致力于航空航天微系統技術、微納器件設計制造技術、微納功能結構技術。總之，西工大的納米材料研究可能集中于納米器件在航天、航空、航海方面的應用。
留學兩大國
納米技術是交叉學科，包括納米科技、物理、化學、數學、分子生物學等課程。報考納米專業或方向的研究生在本科一般學的是材料學、材料物理與化學、凝聚態物理、物理化學等。就留學而言，由于納米材料處于基礎研究階段，容易；各個國家在納米材料方面投入大量資金，使得科研經費相對充足，相比于其他專業容易申請獎學金。這兩點決定了留學攻讀納米技術專業研究生相對容易。
2000年，美國白宮國家納米技術計劃，美國的納米技術得到飛速發展。總體上看，美國的納米技術已經處在納米技術實用化階段，而其他各國仍處在納米技術的基礎研究階段。美國各大高校也爭相進入納米材料各個研究領域——
實力強勁的麻省理工學院在太陽能存儲、航空材料、燃料電池薄膜、封裝材料耐磨織物和生物醫療設備領域的碳納米管、聚合納米復合材料等方面成果顯著。
加州大學伯克利分校注重于納米材料在能源、藥物、環境等方面的應用，已卓有成效。
哈佛大學則側重在生物納米科技，即生物學、工程學與納米科學的交叉領域。
康奈爾大學已經在納米級電子機械設備、碳納米管應用電池、納米纖維等方面獲得突破。
斯坦福大學重在納米晶的光學性能、輸運性能和生物應用，以及納米傳感器、納米圖形技術等。
普渡大學的納米電子學、納米光子學、計算納米技術，尤其是計算納米技術全球領先。
紐約州立大學奧爾巴尼分校專注于納米工程、納米生物科學，其納米技術研究中心是全球該領域最先進的研究機構。
萊斯大學在納米碳材料領域成果顯著，在學校的研究人員中，納米材料研究人員的比重約為四分之一，是美國納米材料研究人員最多的大學之一。
此外，美國有很多研究納米技術的實驗室，它們比較愿意招中國大學生，這一點也值得注意。
日本算是最早開展納米技術基礎及應用研究的國家，早在1981年，日本政府就建立了納米技術扶持計劃。美國公布國家納米技術計劃前，曾派人去日本做調查。日本納米技術的研發特點是企業界是主力軍，它們試圖將納米技術融入到產業中。比如，日本企業紛紛斥巨資建納米技術研究機構，同時建立納米材料分廠實現產業化。此外，企業與大學、科研院所合作，開發納米技術。比如，富士通和德國慕尼黑大學合作，三菱公司和日本京都大學合作。
與美國在納米技術基礎研究和生物工程技術領域領先不同，日本在精細元器件及材料的制造方面獨占鰲頭，日本對納米材料研究的投入不斷加大，也使得去日本讀納米專業是一個不錯的選擇。
Tips：何去何從
篇7
1 引言
高等教育承擔著人才培養、科學研究、社會服務和文化傳承四大任務，其中，人才培養是核心。創新能力和實踐能力培養是人才培養的重中之重，是衡量人才培養質量和教育教學改革效果的重要指標。2011年4月，同志在清華大學建校100周年大會上指出，高等學校要把提高質量作為教育改革發展最核心最緊迫的任務，創新教育教學方法，強化實踐教學環節，形成人才培養新優勢[1]。建立創新實踐基地，開展創新實踐活動，是提高高校學生創新能力和實踐能力的有效方式。國外的劍橋大學、麻省理工學院、多倫多大學、普度大學、波士頓大學等很早就已積極探索本科生、研究生創新實踐活動組織形式，開設了形形的創新實踐項目。
浮空飛行器是指依靠浮力升空的無動力飛行器，包括高空科學氣球、飛艇等。浮空飛行器具有可快速部署、操作使用方便、經濟性好等諸多優點，無論在軍事領域，還是在民用領域，都具有廣闊應用前景。尤其隨著世界各國對臨近空間開發利用的高度重視，平流層浮空器的研究和發展更是受到極度青睞[2]。
近年來，在國外高校開展的學生創新實踐活動中，浮空飛行器類項目占有重要地位。據不完全統計，全世界目前有50余所大學組織開展以高空氣球為工具的臨近空間探測等研究，其中，絕大多數項目都有本科生。本文對國外高校浮空器類學生創新實踐活動的開展現狀進行系統總結，對其特點進行深入分析，對國內高校開展學生創新實踐活動，充分發揮創新實踐活動在人才培養中的作用重要現實意義。
2 國外高校浮空飛行器學生創新實踐項目概況
據不完全統計，國外目前有50余所大學組織開展以高空氣球為代表的學生創新實踐活動，本節選取實踐項目特色鮮明、實踐內容豐富、較具代表性的典型大學開展的典型項目進行詳細介紹。
2.1 高空學生平臺（HASP）
高空學生平臺（High Altitude Students Platform ，HASP）是首個專為單次飛行搭載多個有效載荷而設計的高空氣球平臺項目，由Louisiana州立大學、美國航空航天局（NASA）氣球項目組（BPO）、哥倫比亞科學氣球站（CSBF）等共同發起，Louisiana州立大學主導[3]。項目旨在為學生提供在臨近空間實現較長時間飛行的實驗機會，培養新一代航空航天科學家和工程師，以解決美國目前空天領域專業人才緊缺的危機。
HASP可用零壓聚乙烯薄膜氣球將12個學生有效載荷搭載至36km的高空，航時可達15-20小時。項目首次飛行是在2006年9月4日，平臺共搭載了8個學生有效載荷。在HASP項目實施過程中，學生將完成整個氣球相關的所有分系統設計、制造、測試、發射等活動。自2006-2012年，HASP項目每年至少安排一次飛行試驗活動。多年來，參與HASP項目的學生人數穩步上升，美國國內共計有27個獨立機構將HASP作為學生培訓項目的一部分。從2011年開始，HASP開始向國際學生團隊開放，加拿大阿爾伯塔大學在2011年作為首個國際團隊參與其中。
2.2 Montana州立大學高空氣球學生實踐項目
BOREALIS高空氣球項目是美國Montana州政府支持的學生創新實踐項目[4]。在項目中，來自不同專業的學生一起構想，設計和制造自己的有效載荷并放飛至30km的高空。BOREALIS在Montana州立大學和Montana大學有兩個獨立完整的氣球項目，其余規模較小的學校則僅負責開發有效載荷，并與這兩所大學進行合作飛行。
在2011年BOREALIS項目中，由6名工程專業的學生組成一個跨學科項目團隊設計高空氣球有效載荷。有效載荷攜帶一個由Montana州立大學研發的輻射傳感器。有效載荷的設計和原型制作作為一個為期8周的暑期項目，于6-8月份進行，項目預算約450美元，所有參與此項目的學生在這個跨學科項目團隊中遵循系統工程的原則進行合作，開展包括方案設計、分系統設計、項目風險評估、半實物仿真等內容的所有工程流程研究。
2.3 Alberta大學高空氣球計劃
加拿大Alberta大學的高空氣球計劃是學校組織的、以學生為主體的科技創新實踐活動，旨在通過學生參與活動，使其獲得相應的科學研究、工程項目方面的經驗。Alberta大學高空氣球計劃（UAHAB）啟動于2009年秋季，2010年秋季得到加拿大航天局的資金支持，同時其成員被選派參加了高空學生平臺（HASP）項目，開發了“楓葉粒子探測器”，成功的組織和完成了相關任務[5]。UAH隊對2011年HASP的成功參與，極大地鼓舞了周圍的學生，激發了Alberta大學學生對于高空氣球計劃的熱情。UAHAB迄今已經進行了十多次相關試驗，形成了UAHABXX系列，項目最近一次放飛試驗是在2012年3月25日，有效載荷重量為15kg（包括相機和加速度計），最大飛行高度28km，飛行時間1小時56分鐘，飛行距離約130km。
3 國外高校浮空飛行器學生創新實踐項目的啟示
3.1 注重通過創新實踐活動培養學生的知識運用能力、實踐能力和創新能力
知識運用能力、創新能力和實踐能力培養是高等院校人才培養工作的關鍵內容，也是國內外高校開展學生創新實踐活動最直接的目的。縱觀國外高校開展的浮空類創新實踐項目，無不將上述三種能力培養擺在極其突出的地位，鼓勵學生充分利用所學理論知識解決實際問題，通過動手實踐，將創新性設想應用于解決實際問題，強化知識運用能力，提高動手實踐能力，培養創新思維，培育創新素養。除本文第二節提到的項目外，Louisiana州立大學的學生航空促進計劃，提出所謂“爬，走，跑，飛”循序漸進飛行器實踐教學方法，首先將廣泛學科內容知識和親身體驗教授給學生，然后讓學生應用這些知識進行小型氣球有效載荷的設計，制造，測試和操作，學生在實踐活動實施過程中，可大膽設想創新，提出新概念、新思想并進行應用。
3.2 注重通過創新實踐活動培養學生的團隊合作精神
人類科技史表明，絕大多數成功的科學家都具有良好的團隊協作精神[6]。大力協同、合力攻關的團隊協作精神，是從事現代重大基礎科研項目、大型工程項目等必備的科研素養。國外高校充分利用浮空飛行器創新實踐項目系統性強、分系統眾多（包括蒙皮、結構、能源、控制、載荷、推進等若干子系統）、參與學生多的特點，在創新實踐活動實施中，安排多名學生共同完成實踐項目，集智創新，合力攻關，很多大學甚至采用了校校合作方式，讓學生與很多新面孔開展合作，如第二節提到的眾多高校參與的高空學生平臺計劃，很好地培養了學生的團隊協作精神和集體榮譽感。
3.3 注重通過創新實踐活動培養學生的工程素養
在校期間所學知識技能與工程實際脫鉤，缺乏工程素養，畢業后無法很快適應崗位要求，在很長一段時期內都是國內外高校人才培養共同面臨的問題[7]，因此，國外高校在浮空器創新實踐活動實施過程別注重引發學生對工程項目的興趣，借鑒工程模式組織實踐活動，培養學生良好的工程素養。如Louisiana州立大學的學生航空促進計劃的一個很重要的目的就是，吸引更多學生參與航空相關工程項目，為學生提供項目管理、數據的收集、分析和解釋等工程經驗。
3.4 注重實踐項目設置規劃，由簡到繁，持續發展，形成系列
實踐項目設置是學生創新實踐活動別關鍵的內容，直接關系到創新實踐活動的效果。國外高校特別注重創新實踐項目長遠規劃和持續發展，按照由簡到繁，由易到難原則，建立項目系列，一脈相承，逐年逐步有序推進。本文第二節中介紹的高空學生平臺項目，無論是氣球，還是有效載荷，都形成了系列化，按照飛行試驗開展年份，命名為“HASP+發射年”，如HASP2010。
參考文獻：
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篇8
協同創新是一項復雜的創新組織形式，為了實現重大科技創新，政府、高校、科研院所、企業等突破本體間的壁壘，而展開的多元整合的創新互利合作模式。其核心是知識增值，它是通過激活創新要素，共享創新資源，優化創新主體的資源配置，將各個創新要素不斷地從不協同狀態走向協同，從而追求資源要素效用的最大化。
二、交易費用與協同創新的關聯
1937年，科斯在《企業的性質》中提出了交易費用的思想：“我覺察到利用價格機制是有費用的。必須去發現價格是什么。”但科斯沒有直接提出這個概念。這個概念由威廉姆森提出的。威廉姆森認為，交易費用之所以存在，取決于3個因素：受到限制的理性思考、機會主義以及資產的專用性。若以上3個因素不同時存在，交易費用就不會存在。他將交易費用分為兩部分：一是事先的交易費用，即為簽訂契約、規定交易雙方的權利、責任等所花費的費用；二是簽訂契約后，為解決契約本身所存在的問題，從改變條款到退出契約所花費的費用。盡管協同創新中的交易存在大量的諸如搜尋成本、談判成本、履約成本、監督成本和風險成本等交易成本，但協同創新的構建仍然不失為一種能降低交易費用的組織形式。首先，協同創新中的各單位進行資源要素的投入，這樣形成了類似抵押的形式，使得各方得按照規定的規范工作，這樣既降低了交易的不確定性和交易成本，又提高了交易的頻率。其次，協同創新中資產專用性，使各合方維持交易的連續性，避免了資產價值因過早終止而損失，防止了機會主義，進而降低了交易成本。
三、協同創新運行中的缺失
1.政府主導發揮不足
在正常交易情況下，政府的支持和推進將有利于經濟主體在交易合作中形成穩定的預期并降低交易成本，政府主導不足將不利于協同產業的發展，增加經濟主體在交易合作中的交易成本。當任何一方的交易成本超過資源要素的收益時交易就可能停止，當必須交易時就會以投機方式降低實際成本支出。
2.企業動力不足
各協同體是不同性質的組織。高校、科研院所作為以人才培養、科學研究為主的非營利性組織；而企業是對市場的一種替代，它主要是以最小的成本來獲取最大化的利益，是典型的營利性組織；不同組織的性質不同，所以他們追求的目標完全不相同。經濟學中的成本總是指機會成本，即把相同的資源用于其他的行業當中去可以獲得的最高收益，這是一種主觀成本，但卻是決策人面臨多鐘方案的行動依據。企業作為一個理性的經濟主體，很可能認為不參與或不以某種方式參與校企合作獲得的最高凈收益要高于以某種方式參與校企合作獲得的最高凈收益，以至于合作積極性普遍不高。
3.溝通不暢
協同創新能夠形成的一個重要動因就是能夠降低通過市場獲取資源的交易成本。如果因為逆向選擇、道德風險等原因導致合作伙伴的選擇、甄別成本的提高，那么就會從源頭上削弱協同的效應。伙伴選擇的風險還會增加契約制定時的溝通成本和協同過程中的監督成本，從而削弱合作的穩定性，增加合作破裂的可能。
四、以 “先進通用飛機設計制造與示范協同創新中心”為例構建協同創新機制
1.保障機制
協同創新通過資源共享、優勢互補來實現“雙贏”，因此，不需要過多的行政干預，但政府更多的需要組織保障。遼寧省政府為推進通用航空產業發展，將發展通用飛機列入了《遼寧省國民經濟和社會發展“十二五”規劃》、《東北老工業基地振興計劃》和《沈陽市裝備制造業產業發展規劃綱要（2009-2020年）》中。并于2012年成立遼寧通用航空研究院，于同年批準成立了“先進通用飛機設計制造與示范協同創新中心”。該中心是以遼寧省政府為主導，沈陽航空航天大學依托遼寧通用航空研究院組建的，以航空技術學科為主體，以培育通用航空產業為重點，通過與北京航空航天大學、沈陽飛機設計研究所、中航工業空氣氣動研究院、沈飛、中航工業復合材料有限責任公司、中國民用航空東北地區管理局等統一航空領域專業的科研和管理機構的深度融合。“先進通用飛機設計制造與示范協同創新中心”研究制造了一款立體遙感型全鋰電無人機SY1，于2012年5月成功首飛；國內首架燃料電池動力無人機LN60，于2012年7月成功首飛；設計制造完成了全復合材料雙座電動輕型運動飛機RX1E有人飛機，于2013年6月成功首飛，2014年11月，在珠海航展上進行展示并空中表演，是航展上唯一一架新能源通用飛機。與中國民用航空東北地區管理局組建聯合團隊，在其指導和監督下，于2015年順利通過適航認證，是世界上第一款通過適航認證的雙座電動輕型運動飛機。打入市場后，獲得了28架訂單，收到了良好的社會效益和經濟效益。該中心要是沒有省政府的重視和主導是不會有如此雙贏的。
2.激勵機制
經濟學人的假設提出，任何一個從事經濟活動的個體都試圖要以最小的經濟代價來獲取最大的經濟利益。在當今的市場經濟下，互贏互利是合作的基礎，為此，激勵機制是是至關重要的，是激發合作的關鍵。由于協同創新各方在價值取向和獲利目標上存在著較大的差別，為此就需要尋找雙方利益的平衡點，塑造雙方的共同目標。高校和科研機構不僅要關注人才培養、科研成果，還要看最終產品的市場潛力和利潤空間以及企業的經濟利益。企業應該在關注自身的經濟利益的同時還要關注合作帶來的名聲和聲譽。“先進通用飛機設計制造與示范協同創新中心”一方面采取經濟激勵方式，整合人才隊伍、儀器設備、科研平臺、資金、信息等資源，以“當量股份制”作為投入和分配機制，建立動態、高效、融合的協同創新體系。理事會對各單位投入的資源進行篩選評估確定所占當量股份比例，由科學發展咨詢委員會和理事會每3年進行一次重新評估，動態調整當量股比，各協同體的收益則按照評估折算各協同體所占的當量股份比率進行分配；另一方面采取非經濟方式，項目著眼于新能源通用飛機，新能源通用飛機是當前國際研究的熱點和前沿，不僅符合我國新能源動力發展戰略，也有利于使我國快速占領世界新型飛機的制高點。目前，擁有自主知識產權的銳翔（RX1E）雙座電動輕型飛機，是世界上第一款取得適航型號設計批準證書的LSA類電動輕型飛機，開創了電動輕型飛機適航取證的國際先河，在國內和國際都享有盛譽。
3.溝通機制
要解決信息不對稱所造成過高的交易成本和過高的回報風險，就需要建立信息溝通機制。地方高校與地方產業經濟有著天然的聯系，為此，幾方通過溝通，熟知本地資源和本產業的協同體就可以降低通過市場獲取資源的交易成本，避免了逆向選擇和道德風險等因素。“先進通用飛機設計制造與示范協同創新中心”的建立就利用了本地區的產業資源。沈陽在航空領域有著厚重的歷史，沈陽飛機設計、沈陽空氣動力研究所是國家級重點航空研究所，中航工業集團沈陽飛機集團公司是國家級重點航空制造企業，沈陽航空航天大學是東北地區惟一的航空院校和中國民用航空局中九大地區管理局中之一的東北地區管理局。和熟知的同行業著名的北京航空航天大學及中航工業復合材料有限責任公司協同，經過溝通，都有意愿培育通航市場，構建通航產業，這樣減少了搜尋成本和談判成本，也避免了履約成本、監督成本的風險。經協同成立了“遼寧銳翔通用飛機制造有限公司”和“遼寧銳翔通用飛機有限公司”，來做具體的產品制造和實體運營示范。
參考文獻：
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篇9
文章編號：1007-7685（2013）01-0090-04
近期，英國《經濟學人》雜志在《第三次工業革命》一文中，將3D打印技術作為第三次工業革命的重要標志之一，引發了世人的關注。作為新生事物，什么是3D打印技術？它與傳統產品開發和生產制造有什么區別？發展的意義何在？我國發展現狀如何？下一步應如何發展？
一、3D打印概況
（一）3D打印的概念
3D打印技術是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，被稱為“具有工業革命意義的制造技術”。運用該技術進行生產的主要流程是：應用計算機軟件設計出立體的加工樣式，然后通過特定的成型設備（俗稱“3D打印機”），用液化、粉末化、絲化的固體材料逐層“打印”出產品。3D打印技術是“增材制造”的主要實現形式。“增材制造”的理念區別于傳統的“去除型”制造。傳統數控制造一般是在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產品。而“增材制造”與之不同，無需原胚和模具，就能直接根據計算機圖形數據，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產品的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并降低成本。
（二）3D打印技術所依托的關鍵技術
3D打印技術需要依托多個學科領域的尖端技術，主要包括以下方面：信息技術，即要有先進的設計軟件及數字化工具，輔助設計人員制作出產品的三維數字模型，并根據模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向；精密機械，即3D打印技術以“每層的疊加”為加工方式，產品的生產要求高精度，必須對打印設備的精準程度、穩定性有較高的要求；材料科學，即用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結合起來，并具有合格的物理、化學性質。客觀說，目前3D打印技術尚不成熟。作為一項多學科交叉的高新技術，還需要在各相關領域投入較大的研發力量，才能掌握完整的核心技術。
（三）3D打印技術的應用領域
近年來，3D打印技術發展迅速，在各領域都取得了長足發展，已成為現代模型、模具和零部件制造的有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫學等領域得到了一定應用，在工程和教學研究等領域也占有獨特地位。
具體應用領域包括：工業制造。可應用于產品概念設計、原型制作、產品評審、功能驗證。制作模具原型或直接打印模具，直接打印產品：3D打印技術制造的小型無人飛機、小型汽車等概念產品已問世，家用器具模型也被用于企業的宣傳、營銷活動中；文化創意和數碼娛樂：可作為形狀和結構復雜、材料特殊的藝術表達載體。科幻類電影《阿凡達》運用3D打印技術塑造了部分角色和道具，3D打印技術制造的小提琴接近了手工藝的水平；航空航天、國防軍工：可對形狀復雜、尺寸微細、性能特殊的零部件、機構進行直接制造；生物醫療：可應用于人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等的制作；消費品：可應用于珠寶、服飾、鞋類、玩具、創意DIY作品的設計和制造；建筑工程：可應用于建筑模型風動實驗和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬；教育：可應用于模型驗證科學假設，用于不同學科實驗、教學。在北美的一些中學、普通高校和軍事院校，3D打印機已經被用于教學和科研；個性化定制：可提供基于網絡的數據下載、電子商務的個性化打印定制服務。
從市場應用份額看，3D打印技術應用在汽車及零配件領域占37%，在消費品領域占18.2%，應用于航空航天和國防軍工占13.7%，在商業機器領域占11.2%，在醫療領域占8.8%，在科研方面占8.6%。
二、我國3D打印產業發展現狀及面臨的問題
近年來，我國積極探索3D打印技術的研發，初步取得成效。自20世紀90年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工大學、北京航空航天大學、西北工業大學等高校，在3D打印設備制造技術、3D打印材料技術、3D設計與成型軟件開發、3D打印工業應用研究等方面，開展了積極的探索，已有部分技術處于世界先進水平。其中，激光直接加工金屬技術發展較快，已基本滿足特種零部件的機械性能要求，有望率先應用于航天、航空裝備制造；生物細胞3D打印技術取得顯著進展，已可以制造立體的模擬生物組織，為我國生物、醫學領域尖端科學研究提供了關鍵的技術支撐。目前，依托高校的研究成果，對3D打印設備進行產業化運作的公司實體主要有：北京殷華（依托于清華大學）、陜西恒通智能機器（依托西安交通大學）、湖北濱湖機電（依托華中科技大學）。這些企業都已實現了一定程度的產業化，部分企業生產的便攜式桌面3D打印機的價格已具備國際競爭力，成功進入歐美市場。
一些中小企業成為國外3D打印設備的商，經銷全套打印設備、成型軟件和特種材料。還有一些中小企業購買了國內外各類3D打印設備，專門為相關企業的研發、生產提供服務。其中，廣東省工業設計中心、杭州先臨快速成型技術有限公司等企業，設立了3D打印服務中心，發揮科技人才密集的優勢，向國內外客戶提供服務，取得了良好的經濟效益。
在家用電器、汽車配件、通信技術、航天、軍工等領域，3D打印技術被越來越多應用到產品研發和生產中。在醫療領域，國內高水平的醫院使用3D打印技術，為患者提供定制的牙齒和骨骼替代物以及具有仿生性能的體內植入物。在教育領域，我國有很多高校購買了3D打印設備，開展多個學科的教學和研究工作。目前，中國已成為美國、日本、德國之后的3D打印設備擁有國。
3D打印產業正成為投資熱點。不少原來從事數字化技術、材料技術、精密機械技術的企業紛紛考慮投資開發3D打印設備生產和服務。
資料來源：《3D打印技術將掀起“第三次工業革命”？》，載自《科學研究動態監測快報》，中國科學院國家科學圖書館，2012年10月1日。
目前，我國3D打印產業處于起步階段，存在一系列影響3D打印產業快速發展的問題。
第一，缺乏宏觀規劃和引導。3D打印產業上游包括材料技術、控制技術、光機電技術、軟件技術，中游是立足于信息技術的數字化平臺，下游涉及國防科工、航空航天、汽車摩配、家電電子、醫療衛生、文化創意等行業，其發展將會深刻影響先進制造業、工業設計業、生產業、文化創意業、電子商務業及制造業信息化工程。但在我國工業轉型升級、發展智能制造業的相關規劃中，對3D打印產業的總體規劃與重視不夠。
第二，對技術研發投入不足。我國雖已有幾家企業能自主制造3D打印設備，但企業規模普遍較小，研發力量不足。在加工流程穩定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術等諸多環節，存在較大缺陷，難以完全滿足產品制造的需求。而占據3D打印產業主導地位的一些美國公司，每年研發投入占銷售收入的10%左右。目前，歐美一些3D打印企業依托其技術優勢，正加緊謀劃拓展我國市場。我國對3D打印技術的研發投入與美國有較大差距，占銷售收入的比重很少。
第三，產業鏈缺乏統籌發展。3D打印產業的發展需要完善的供應商和服務商體系和市場平臺。在供應商和服務商體系中，包含工業設計機構、3D數字化技術提供商、3D打印機及耗材提供商、3D打印設備經銷商、3D打印服務商。市場平臺包含第三方檢測驗證支持、金融支持、電子商務、知識產權保護等支持。而目前國內的3D打印企業還處于“單打獨斗”的初級發展階段，產業整合度較低，主導的技術標準、開發平臺尚未確立，技術研發和推廣應用還處于無序狀態。
第四，缺乏教育培訓和社會推廣。目前，我國多數制造企業尚未接受“數字化設計”、“批量個性化生產”等先進制造理念，對3D打印這一新興技術的戰略意義認識不足。企業購置3D打印設備的數量非常有限，應用范圍狹窄。在機械、材料、信息技術等工程學科的教學課程體系中，缺乏與3D打印技術相關的必修環節，還停留在部分學生的課外興趣研究層面。
三、我國發展3D打印產業具有重要的戰略意義
當前，全球正在興起新一輪數字化制造浪潮。發達國家為解決近年來制造業競爭力下降的難題，大力倡導“再工業化、再制造化”戰略，提出智能機器人、人工智能、3D打印技術是實現數字化制造的關鍵技術，并希望通過這三大數字化制造技術的突破，鞏固和提升制造業的主導權。雖然3D打印等數字化制造的核心技術仍處在發展的初級階段，產業還不成熟，但在產品設計、復雜和特殊產品生產、個性化服務等方面已顯示其獨特優勢。所以，我們應充分認識智能制造、數字化制造對我國的深刻影響，加快3D打印產業的發展，推動我國由“工業大國”向“工業強國”轉變。
（一）發展3D打印產業，可提升我國工業領域的產品開發水平，提高工業設計能力
傳統的工業產品開發方法往往是先做模具，然后再做出樣品，而運用3D打印技術，無需模具，就可以把制造時間降低為以前的1/10到l/5，費用降低到1/3以下。一些好的設計理念，無論其結構和工藝多么復雜，均可以利用3D打印技術短時間內制造出來，從而極大地促進產品的創新設計，能夠有效克服我國工業設計能力薄弱的問題。
（二）發展3D打印產業，可生產出復雜、特殊、個性化的產品，有助于攻克技術難關
3D打印技術可為基礎科學的研究提供重要的技術支持。在航天、航空、大型武器等裝備制造業，零部件種類多、性能要求高，需要進行反復測試。運用3D打印技術，既在研制速度上具有優勢，還可以直接加工出特殊、復雜的形狀，簡化裝備的結構設計，化解技術難題，實現關鍵性能的趕超。在生命科學的研究和應用中，3D打印以“細胞打印”、“仿生定制”等形式出現，把標準化、自動化的機械加工業生產方式，應用到生物工程、生物制藥和臨床醫學等領域，已取得豐碩成果。以生物組織為原材料的制造業，有望成為高端制造業的重要組成部分。發展3D打印技術，將促進我國在生物能源開發利用、生物和化學藥劑試驗、人體組織和器官再造等領域取得技術進步。
（三）發展3D打印產業，可形成新的經濟增長點，促進就業
隨著3D打印技術的普及，“大批量的個性化定制”將成為重要的生產模式。3D打印技術與現代服務業的緊密結合，將衍生出新的細分產業、新的商業模式，創造出新的經濟增長點。如，自主創業者可通過購置或租賃低成本的3D打印設備（一些3D打印設備已低于1萬元），利用電子商務等平臺，為大量消費者定制生活用品、文體器具、工藝裝飾品等各類中小產品，激發個性化需求，形成一個數百億甚至數千億元規模的文化創意制造產業，并增加社會就業。
四、我國3D打印產業發展的政策建議
（一）制定3D打印產業發展規劃，促進其優先發展
建議將3D打印技術定位為生產業、文化創意、工業設計、先進制造、電子商務及制造業信息化工程的關鍵技術和共性技術，將該產業納入優先發展產業及產品目錄。在財稅金融政策上，鼓勵企業投資、研發、生產和應用3D打印技術，支持3D打印設備的進出口。
（二）加強3D打印產業聯盟、行業協會建設，推動產業協同發展
積極引導工業設計企業、3D數字化技術提供商、3D打印機及材料研發企業和機構、3D打印服務應用提供商組建產業聯盟，利用有關學會、協會的平臺加強研討和交流，共同推動3D打印技術研發和行業標準制定。促進3D打印技術發展的市場建設，包括3D打印電子商務平臺、3D打印數據安全和產權保護機制、3D打印技術及關聯項目投融資機制等，促進產業可持續發展。
（三）加大科技扶持力度，提升3D打印技術水平
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一、點面結合，整體構建優秀學生培養平臺
所謂“點面結合”，就是由點帶面，實行“試點、大步走，帶面、小步走”策略，積極穩妥地推進優秀生培養模式改革。從1996年組建強化班開始，學校陸續成立了工研班、中烏聯合培養班、錢偉長班和理學實驗班，不斷探索和建設各類培養“點”，并綜合試點改革的成果，于2010年成立“長空學院”，構建了寬基礎、交叉性、研究型、個性化的優秀學生培養平臺。
1. 培優班――“點”的探索實踐
隨著時代的演變，有關人才素質結構的研究已經逐步由知識結構轉向能力結構，進而轉向整體素質等各方面。人才培養效果的滯后性決定了必須不斷探索培養過程的作用要素和機理，持續創新和完善培養模式。因此，“點”的探索圍繞人才素質的形成逐步推進：第一階段，重視知識結構的牢固基礎，強化大類基礎的培養，構建了以大數理類、大力學類、大電類課程為主干的學科專業基礎課程體系，為學生系統學習創造條件。以強化班為例，學校采取“2+2”培養模式即前兩年集中組班強化數理和學科基礎，后兩年回本專業學習，注重提高學生的學習能力。第二階段，重視知識結構與能力結構的貫通培養。以工研班為例，工研班是從強化班演進而來的。但工研班并不是強化班的簡單延續，在教學觀念上摒棄“學時多加，內容多教”的量的強化，更加注重學習的自主探究性和能力素質的綜合培養。按照“知行統一、寓教于研”的理念，大力推進啟發式教學，讓學生成為主動學習者和探究者。工研班實行本碩博連讀培養，學生在一、二學年集中進行基礎課程學習，第三、四學年按照個性化培養方案學習，并加入導師學術團隊開展科研活動，注重培養綜合實踐能力。第三階段，以“工研班”模式帶動、輻射到各學科專業，形成定向學科專業的特色培養“點”。例如，發揮我校辦學優勢，面向航空等領域開設工程力學“錢偉長班”，培養力學素養深厚的拔尖人才；開設“中烏聯合培養班”，通過實行本科生雙導師制和雙學歷學位制，培養航天領域高素質創新人才。學生一、二學年在國內接受寬口徑、厚基礎的前期培養，三、四學年赴烏克蘭學習并進行畢業論文答辯；開設理科實驗班，實行數學+X的本碩博貫通培養機制，培養具備堅實數學基礎、跨學科知識結構的理科高素質創新人才。其他如飛行器動力工程培優班、材料科學與工程培優班、適航技術與管理培優班等，都是根植于學科專業特色建立起的培養目標、課程體系與教學方法各有特色的“點”。通過各階段“點”的探索，學校的人才培養模式日趨成熟和完善。
2. 長空學院――“面”的整體構建
耶魯大學校長理查德?萊文尖銳地指出，跨學科知識的廣度、批判性思維的培養是中國學生最缺乏的。中國大學急需補上“跨學科和創新思維培養”的“短板”。為了構筑寬、專、交的知識體系，激發學生的創新創造潛能，學校利用各“點”打下的良好基礎，聚集優質教育資源，將分散的培優班凝聚為整體工程，成立了“長空學院”。長空學院按照“格物致知，融通致用，創新致善，弘毅致遠”的理念，根據不同層次類型規格確定培養目標，注重因材施教，以自由選擇和個性化培養的學分制取代按專業招生和培養的傳統模式。以研究性教學和探究式學習培養學生的研究潛質和創新潛能，拓寬學生專業口徑，系統實施跨學科培養、中外合作雙學位培養、本碩博貫通培養。系統制定優秀生選拔方案、培養方案和課程體系，集中開展教學研究，創新教學模式。例如，通過菜單式課程選修，開設了工程教育、創新教育、創業教育專項教學，通過名師授課計劃、長空講壇，建立導師聯盟等形式，實行特區式、廣平臺教學管理，為學生全面發展提供了廣闊平臺。學院通過下設院務委員會、院長聯盟、導師聯盟、學生聯盟四大主要機構開展工作，實現了“虛體實辦”，為創新培養模式提供了生動的個案。2010年，學校以此為基礎組織申報的《人才培養模式改革》課題成為國家教育體制改革試點項目。
二、兩線并舉，全方位建立創新創業教育體系
所謂“兩線并舉”，即第一和第二課堂并舉。學校按照“學以致用、學思結合、學研結合”的理念，強化培養過程和質量的全面性，將“第一課堂”與“第二課堂”并舉，注重培養學生的工程實踐能力和創新創業能力。
1. 創新工程教育模式，培養學生的工程實踐能力
學校實施“工程教育行動計劃”，開設了“工程專項教育”輔修專業，開出“工程導論”、“創造學技術”、“工程倫理學”、“工程組織與管理”等工程基礎系列課程，在各工程專業的專業導論課程和專業基礎課程的緒論課中強化工程背景和工程觀念，突出現代工程師基本素質的培養。以強化工程師“角色訓練”為重點，建立了工程訓練教學服務質量管理體系（該體系通過ISO9000質量管理體系認證），實現了訓練過程管理與工程過程管理的有機結合。鼓勵教師把科研成果融入教學，組織學生依托教師承擔的工程項目做課程設計、畢業設計和學位論文，在解決實際問題的過程中培養實踐能力。經過不斷探索，形成了工程基礎教育、工程訓練與工程實踐“三位一體”的工程教育模式。同時，學校還把工程教育陣地延伸至校外，促進行業企業深度參與培養過程，構建校企聯合培養機制。在頂層設計上，發揮行業特色，緊緊圍繞大型飛機、載人航天與探月、核高基等國家重大科技專項，發揮學校在新材料、新能源等新興產業中的技術研發優勢，將“卓越工程師培養計劃”列入與航空航天等領域大型企事業單位的戰略合作，以此為導向，構筑聯合培養平臺，根據企業需求和學校人才培養定位確定培養目標，按通用標準和行業標準培養創新人才。例如，在“卓越計劃”中實施連貫培養、分段管理的“4+2.5”模式，一、二年級實行基于問題的研究性學習，二、三年級實行基于項目的團隊式學習，三、四年級實行集中式企業學習，研究生階段實行工程頂崗學習。由校企雙導師共同指導學生課程學習和畢業設計，以企業為主實施對學生的考核，形成了實習實踐、畢業設計、頂崗見習“三連貫”模式，有效地避免了傳統的實踐時間短、連貫性差、效果不好等問題。目前，學校正探索建立工程實踐和學生就業的“無縫對接”，依托中國第一飛機設計研究院、中國直升機研究院、“中國商飛”、東方航空公司等企事業單位，已建立了70余個穩定的聯合培養平臺，并著力打造具有行業規模效應的教學品牌。
2. 實施創新訓練計劃，開展以問題為核心的科技創新活動
鼓勵優秀學生盡早進入科研訓練階段，是激發學生興趣、促進學生自主、探索學習的重要手段。學校按照“寓創新于實踐，在實踐中體驗創新”的思路，構建了“四個層次一個專項”的科技創新訓練體系，即“院級、校級、江蘇省、國家大學生實踐創新基金項目或創新訓練計劃”加“科研素質訓練專項”。同時，構建了以“挑戰杯”科技作品競賽為龍頭的多層次、開放式的課外科技創新活動體系，如“飛豹杯”未來飛行器設計系列大賽、“挑戰飛行員”和“機場模擬大賽”等等，為學生創造了參與創新、體驗創新的廣闊舞臺。學校通過制訂和實施《大學生創新性實驗計劃管理辦法》，將上述“科技創新訓練計劃”和“課外科技創新活動”納入人才培養方案，學生參與創新項目的情況記入學習檔案。學校還通過組建“科技創新研修學院”，將各重點學科、工程研究中心和重點實驗室也納入科研創新訓練體系，建設了飛機創新設計實驗室、大學生科技中心等22個本科生創新實驗室、24個研究生創新實驗室和4個創新基地，建成了2個“國家級人才培養模式創新實驗區”，為學生搭建了廣闊的學習交流平臺，每年有超過10000人次學生參與各類科技創新活動。
3. 全面開展創業教育，提升學生事業發展能力
學校立足學生未來發展，遵循“創新引領創業，創業推動創新”的理念，構建了“創新教育基礎之上的創業教育，普惠教育基礎之上的精英教育”的創業教育模式，形成了“創新引領創業，系統化創新實踐、個性化創業培養、市場化創業活動”的培養機制。創業教育分兩個層次展開，一是廣泛開展“普慧式”創業教育，將創業教育融通專業教育，開設了“創業專項教育”輔修專業，實行“創新創業導師計劃”和學分認定制度。例如，學校要求每門課的備課方案中，突出有關對學生創新思維、實踐能力培養的內容，創新思維訓練是教學檢查的必查環節。學生選修創業課程滿25個學分，將認定為創業輔修專業。二是開展“精英式”創業培育，鼓勵學生開展科技創業，引導學生結合興趣愛好訂制創業方案，形成了“高科技、高層次、高成長、高素質”的精英人才培養特色。圍繞上述兩個層次，學校成立了創業教育學院，下設教學研究中心、科技創新中心、精英培育中心、創業孵化中心，系統實施創業教育教學研究。同時，統籌科技創新資源，加強與地方政府合作、與校外創業孵化資源進行廣泛對接，共建大學生創業平臺，形成了科技創業特色模式。自2008年以來，學生創業呈蓬勃之勢，已涌現了60余個科技創業典型，學校因此獲得江蘇省首批“創業教育示范校”稱號。
三、兩級融通，不斷完善人才培養質量保障機制
所謂“兩級融通”，即學校、學院兩個層級圍繞創新人才培養體系的構建，上下聯動互通，政策措施融合，共同致力于教學評價、激勵和管理，切實保障人才培養質量的提高。
1. 建立“學習力”和“教學力”綜合評價體系
遵循“學”的規律建立學生“學習力”形成性評價體系。學校一級抓“進出”兩頭，重點實施招生選拔和學位授予評價。例如，改革本科生入學選拔機制，建立統一考試錄取為主、多元化評價相結合的優秀學生選拔機制，重點考察學生的知識面、綜合應用能力和發展潛質等。學院一級管“中間”，實施學習過程評價。創新人才培養的關鍵在于培養批判性、創新性思維。因此，“學習力”評價改變以往注重學習結果、忽視學習過程，注重記憶能力、忽視邏輯能力，注重理論推導、忽視問題綜合解決能力的簡單方式，建立有利于學生自主探究學習的評價導向，除了將學生的課內表現（聽課狀態、作業情況等）納入指標體系，還兼顧學科專業差異，突出學生的個性特質，將學生參與創新活動、自主學習表現等納入考核，建立以“績點制”為基礎的多維評價體系。
遵循“教”的規律構建教師“教學力”狀態評估體系。教學力包含了教師的學習能力、課程開發能力、專業教學能力和實踐能力、技術服務能力以及教學研究能力等，具體表現為對學生的凝聚力、控制力和轉化力等。學校依據“教學力”內涵，改革教學是“軟指標”為“硬指標”，實施“教學力”評估。校院兩級共同制訂教學、實驗等主要環節的質量標準，構建動態評價、多維評價、分類評價、團隊評價“四位一體”的綜合評價體系。例如，針對課堂教學，學校制訂了《本科課堂教學質量評估辦法》和《教學質量評價工作辦法》，學校一級組成校評估專家組、學院一級組成同行專家評估組實行學生評估、同行評估和專家評估三結合的綜合評估。同時強化“教學力”評估結果在任課資格制、教學質量一票否決制、職稱評聘和獎勵等監督管理中的作用。
2. 完善教學激勵機制
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1.我國機械工程領域研究進展
機械工程科學研究為先進制造技術提供了源源動力。先進的制造技術是推動我國制造業自主發展的主要驅動力，自主創新技術為我國航天和國防先進裝備提供了重要的技術支撐，自主創新技術在航空、家電、車輛、輕工業、石化、微電子、工程機械等眾多制造業中都得到了廣泛的應用，自主品牌也隨之越來越多。
1.1.機械動力學領域
南京航空航天大學提出了含時滯控制系統動力學、含彈性約束的振動控制系統分叉機理和控制方法、含遲滯阻尼振動控制系統的建模和控制方法。西南交通大學發展了機車車輛一軌道系統禍合動力學模型，研制了自主知識產權的機車車輛軌道禍合動力學仿真系統和安全性現場測試評估體系。
1.2.摩擦學領域
摩擦學成為我國機械工程學科在國際學術界最具影響的學科之一。中國科學院蘭州化學物理研究所摩擦、磨損與實驗室，所將研究發明的納米固體技術用于我國航空航天工程。清華大學在納米摩擦學及其技術研究領域也取得了重要進展，在計算機硬盤基片表面超精化學機械拋光（CMP）研究中，提出了超精表面納米粒子的行為機制，并發現了化學與機械作用均衡規律，探索出硬盤基片超精表面新型CMP技術及先進的拋光工藝，使拋光后表面波紋度和粗糙度均低于0.1nm。西南交通大學結合了高速鐵路中的輪軌關系問題進行研究，首次在試驗中再現了輪軌波磨現象，并從理論和試驗兩個層面上深入分析了輪軌波磨的形成機制。
1.3.仿生機械和生物制造領域
仿生機械和生物制造是一個創新性和挑戰性并存的前沿領域。吉林大學在仿生柔性動態減阻、仿生電滲脫附理論研究中已經取得了重要進展，并創建和發展了機械仿生學科，發明了一系列地面機械脫附減阻仿生技術，并成功將其應用于農業機械和國防工程。西安交通大學在人工骨仿生制造研究中建立了骨組織的模型，提出了骨缺損的復合結構修復方法，采用快速成型法制造了人工骨的結構框架，并在動物骨缺損修補中獲得成功。
2.我國機械工程領域的發展趨勢
由于機械工程領域設計到國家的核心利益，因此在未來我國將大力推進擁有自主知識產權的儀器、設備的發展，因此，在自主創新的高新技術領域的儀器與設備的設計制造等方面的基礎研究將會成為機械領域研究的重點，此外由于我國資源與環境等方面面臨著嚴峻的挑戰，這就要求機械制造領域要更重視環保與節能，在未來綠色機械也將為成為我國機械領域研發的重點領域。
2.1.機械學領域發展展望
2.1.1.機構學是機械工程學重要內容之一。機構學研究既要注重理論知識的研究，從而確保我國在該領域研究的絕對優勢，同時又要注重制造與控制相交叉學科的研究，從而在理論與技術兩方面同時取得進步，以開發出性能優良的新裝備。
2.1.2.擦學領域也有了長足進步，其基本經驗是與生物、納米、計算機以及一些相關交叉學科的結合，從而衍生出納米摩擦學、分子動力學模擬、生物摩擦學等相關學科。中國摩擦學領域的青年學者應當在國際學術界進一步加強自身影響力，爭取在國際學術界占有更重要的位置"
2.1.3.研究領域中，復雜機電系統動力學分析、非線性動力學以及機械系統故障監測等領域都取得了較大的進步。但目前我國在大型復雜機電系統動力方面的仿真設計、微納米系統動力學等研究領域均面臨著較大的問題。目前我國機械制造行業中的高端技術裝備絕大多數均是需要進口，這嚴重制約著我國經濟的自主發展，因此我國急需在機械動力領域進行深入研究，以突破國外的技術封鎖。
2.2.科技領域發展展望
機械制造領域發展的總趨勢將會是朝著基于環保與節能基礎上的遠程遙控、智能化、精確化等方面發展，在未來一段時間我國在機械制造領域將主要向如下幾個方面發展：
2.2.1.行器或是深海潛水機械領域將取得較大進步；飛機方面將向著更大、更快、更輕、更舒適、更安全的方向發展；同時在微小制導、超真空、超低溫、等極端條件下的機械技術將會成為研究重點。
2.2.2.在未來機械制造領域將仍然是重點研究方向，未來若干年內量子通信技術、納米技術、網絡光通訊技術、商業基因計算機等技術將會成為現實邊以產品的形式出現，來影響人們的日常生活。同時衛星通訊技術、基于網絡的虛擬制造技術、基因計算機芯片等技術也會有較大的發展。總之未來在通信領域的機械技術將會向著智能、精細化等方向發展。
2.2.3.造技術將成為機械制造領域的永恒話題，由于化石能源的逐漸枯竭，因此人們不得不轉向其他的渠道來獲取能源，而其他的能源，如核能、熱能、風能、潮汐能等清潔能源的開發需要有雄厚的技術資本來支撐，因此在未來人們勢必在這些清潔能源領域的機械技術取得較大突破。
3.結語
目前，我國在機械領域已取得長足的進步，但與西方發達國家還存在著較大的差距。因此我們必須具有長遠的眼光，加強對機械相關研究領域的資金投入，創新人才培養模式，支持自主創新，確保我國在機械高新技術方面擁有一席之地，并努力將科技成果轉化為生產力，實現我國機械制造領域相關產品走向全世界。
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(SSCI,SocialSciencesCitationIndex)以及藝術和人文引文索引(A&HCI,Arts&HumanitiesCitationIndex)。該數據庫可通過WebofScience在線訪問，它提供了過去至今的書目信息和引用參考文獻的信息。它還包括了從大約1200標題中挑選出的有關的項目，大多數是藝術和人文科學期刊，但也有數目不詳的其他學科的標題。
2.AGRICOLA(AGRICulturalOnLineAccess)
AGRICOLA是由美國國家農業圖書館（NAL）和其合作者創造的引文書目數據庫。這些記錄的電子形式起始于1970年，但是該數據庫涵蓋了所有出版形式，包括自從15世紀以來的印刷作品。這些記錄涵蓋各農業方面及其相關學科的資源，包括動物和獸醫科學，昆蟲學，植物學，林業，養殖業和漁業，養殖和農業系統，農業經濟，推廣和教育，食品與人類營養，地球和環境科學。
3.BiosisPreviews®
BIOSISPreviews涵蓋了全球各地所有生物和生物醫學專題的文獻，其記錄包含索引信息和大多數參考文獻的摘要。要使期刊被列入其內，要提交期刊到BIOSIS信息權威及發行部門。申請的期刊會在各方面被進行評估，如主題，地域范圍，同行評審等。評估結果并不能保證該期刊會被納入BIOSIS數據庫。
4.ChemicalAbstracts
篇13
學科專業未來就業指數是盈速教育網獨家研究推出的就業趨勢預測指標。簡單來說就是相關學科專業在未來三到五年內的就業趨勢指標，指數測算的主要思路和參考依據，是以國家未來三至五年的宏觀經濟發展趨勢為主線，通過對教育政策、經濟政策的研究，并結合各類高等教育在校生總數、社會用人供求最新動態、學科專業的共通性、行業邊際效益等可能影響未來就業的各項因素，在適當的量化后，根據各項因素對未來就業供求的影響程度，分別以不同的權重，列入測算公式，最終計算出結果（見附表）。
從對有關數據分析看，指數的范圍從 -1到1，指數為零表示未來幾年該學科專業供求平衡，小于零表示供過于求，大于零表示供不應求，指數數值越高，表示需求越大而供應不足。
根據權威統計數據，全國各類高等教育總規模超過2700萬人，高等教育毛入學率達到 23% 。高等教育招生數和在校生規模持續增加，預計今后幾年內，每年的總數還將以 5%左右的速度遞增。
與上一次（2006年第二季度）測算結果相比，指數產生變化的有 11個學科（專業），其中 6個學科（專業）指數出現遞增， 5個學科（專業）指數出現遞減，這種上下變化，和《勞動合同法》頒布實施后，國內正在經歷產業結構調整的情況有密切關系。
能源科學、航空航天科學技術是未來需求一直保持增長的學科，而數字時代的來臨，使電子、通信與自動控制技術也保持在少數派的未來熱門學科中。
有一點需要強調的是，教育部近來新批準試點的新學科專業不一定是未來需求的熱門，例如“應急管理 ”專業，目前還只是定向培養，少量試點，“新”并不代表需求量大。
盈速教育網自從 2005年 9月以來，已經先后五次測算并修訂、公布了“學科專業未來就業指數 ”。 2007年度的指數原于當年底測算完畢，但因有關法規的頒布實施對未來就業趨勢影響較大，相關測算的指標公式需要重新評估調整，因而暫停公布。本次 2008年度的測算結果，已經考慮了相關法規實施的影響因素。
據悉，鑒于教育部二級學科專業（方向）每年均有一定程度的調整，且具體專業相關統計數據較缺乏，為此，盈速教育網課題組采納了專家意見，從 2008年起僅測算、公布一級學科，不再公布具體的二級學科專業 (方向 )的指數。
教育部新試點尚未正式列入國標的部分新增學科專業本次也未列入測算范圍。
