[摘  要]針對航空航天大類人才培養(yǎng)面臨學科綜合性、交叉性強，對學生實踐能力要求高的問題，以提升項目為主的“大學生科研訓練計劃”（Students Research Training Program，SRTP）模式的培養(yǎng)成效為目標，通過建立“四階段”“一提升”的分階段漸進式科研能力培養(yǎng)機制，構(gòu)建教師和本科生科研實踐共同體，探索一種可持續(xù)的科研實踐引領(lǐng)航空航天大類人才全過程培養(yǎng)模式。面向航空航天大類本科生，以飛行器隱身技術(shù)科研項目為培養(yǎng)范例，開展具有科技前沿、跨專業(yè)知識交叉融合特點的SRTP實踐。實踐表明，基于分階段漸進式科研能力培養(yǎng)機制，開展以項目為主的SRTP，有助于實現(xiàn)本科生科研“軟、硬”技能的提升，培養(yǎng)本科生創(chuàng)新實踐和交叉應用能力，為其終身學習和發(fā)展奠定更為堅實的科學基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]大學生科研訓練計劃  航空航天大類人才培養(yǎng)  飛行器隱身技術(shù)  創(chuàng)新實踐能力

國家自然基金青年科學基金項目（62001388），陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃項目（2020JM-102），陜西省教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度課題（SGH21Y0010），陜西省教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度課題（SGH20Y1024），陜西省教育科學“十三五”規(guī)劃2018年度課題（SGH18H032），西北工業(yè)大學2021年度校級教育教學改革研究項目（2021JGY07），西北工業(yè)大學學生思想政治工作研究課題（D5000210452）。

引  言

高校作為學習科學知識、引證科學思想、提高實踐動手能力、發(fā)展創(chuàng)新思維的重要陣地，在實現(xiàn)加快培養(yǎng)適應和引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才方面發(fā)揮著重要作用。隨著“六卓越一拔尖”計劃2.0的啟動和實施，全國高校掀起了一場“質(zhì)量革命”。以支撐引領(lǐng)、交叉融合為導向，以新工科建設(shè)為重要抓手，國內(nèi)理工科大學實施了持續(xù)深化工程教育改革的系列舉措。西北工業(yè)大學緊緊圍繞培養(yǎng)航空航天領(lǐng)域高層次科技人才和服務國家重大戰(zhàn)略需求，已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域一個頗具影響力的人才培養(yǎng)基地和科學研究基地。然而，隨著推進新工科建設(shè)的再深化、再拓展、再突破、再出發(fā)，對航空航天領(lǐng)域高層次科技人才的要求也越來越高。

以西北工業(yè)大學航空航天大類人才培養(yǎng)為例，除了面臨專業(yè)本身覆蓋面廣、綜合性強、對學生實踐能力要求高的挑戰(zhàn)之外，要更加注重激發(fā)學生對前沿科技領(lǐng)域的興趣和潛能，在人才培養(yǎng)全過程中持續(xù)不斷地加強實踐形成創(chuàng)新素質(zhì)，提升交叉應用和科學研究等能力，做好未來航空航天科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才的前瞻性和戰(zhàn)略性培養(yǎng)。

科研訓練是本科生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，能有效提升本科生主動學習、創(chuàng)新實踐的能力和科學素養(yǎng)。本文通過建立基于分階段漸進式科研能力培養(yǎng)機制，面向航空航天大類本科生開展具有科技前沿、跨專業(yè)知識交叉融合特點的SRTP實踐。以航空航天領(lǐng)域的飛行器隱身技術(shù)項目為培養(yǎng)范例，探索一種可持續(xù)的科研實踐引領(lǐng)航空航天大類人才全過程培養(yǎng)模式。

現(xiàn)狀分析

科研訓練是本科人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)教學與科研的深度融合。本科生科研訓練由來已久，國內(nèi)外高校開展了較為豐富的研究與實踐。以西北工業(yè)大學為例，目前已將科研訓練設(shè)置為必修課程，形成了成熟的科研訓練開展模式：一種是以項目為主的“大學生科研訓練計劃（SRTP）”，教師設(shè)置項目，學生根據(jù)興趣與條件進行申請，個人或者小組為單位加入項目研究；另外一種是學生原創(chuàng)性項目，即本科生提出項目方案，向?qū)W校等機構(gòu)申請研究資助，然后在教師的指導下從事原創(chuàng)性研究，如“大創(chuàng)項目”和各類科技創(chuàng)新競賽?？偠灾?，只要本科生實質(zhì)性地參與了科研工作學習，實現(xiàn)科研訓練的既定研究內(nèi)容和目標，就可以完成科研訓練課程的學分認定。

學生原創(chuàng)性項目是學校層面組織學生參加“大創(chuàng)項目”和各類科技創(chuàng)新競賽，此類模式對學生的科研能力、全局統(tǒng)籌規(guī)劃能力和意志力等多方面的綜合素質(zhì)要求較高，但是絕大多數(shù)本科生都是科研新手，對指導教師和學生來說都是挑戰(zhàn)。同時，單一模式的學生原創(chuàng)性項目也難以實現(xiàn)科研訓練活動對學生群體的全覆蓋。事實上，學院層面在具體實施過程中發(fā)現(xiàn)，仍存在一定數(shù)量的學生有參與科學研究的興趣，但是難以與教師建立聯(lián)系并獲得有組織的系統(tǒng)性科研項目訓練指導。此外，在對航空航天大類人才培養(yǎng)過程的分析中發(fā)現(xiàn)，本科生到大三學年面臨專業(yè)選擇時，仍然有部分學生感到迷茫，其中一個原因是學生在大類培養(yǎng)階段仍然主要以理論學習為主，缺乏不同專業(yè)教師在科研實踐方面具體的、科學的、及時的引導，導致學生對具體專業(yè)的認知仍停留在比較空泛的理論層面。開展以項目為主的SRTP，構(gòu)建教師和學生科研實踐共同體，探索科研實踐引領(lǐng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，推動各類科研項目吸納本科生參與研究十分必要。

實施路徑

總體實施路徑：（1）每年向?qū)W院定期征集教師的科研訓練指南，面向本科生發(fā)布，列入指南的項目都是基于教師主持或參與的前沿性科研項目匯聚而來。（2）學生可根據(jù)指南要求，結(jié)合自己所學的知識和興趣，自由聯(lián)系發(fā)布項目的指導教師，在大一或大二均可參與教師科研項目，與教師協(xié)同制訂研究計劃和方案。（3）隨著科研訓練的開展，學生從一個科研新手，逐步提升科研能力和良好的科研素養(yǎng)，同時對前沿領(lǐng)域或交叉領(lǐng)域形成更為具象的認知。（4）指導教師方面也可持續(xù)性地根據(jù)學生的研究進展，進一步提煉出系統(tǒng)性、多領(lǐng)域和工程實踐性突出的項目申報大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。以項目為主的SRTP能有效提升學生的科研能力與素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識實踐能力，同時教師可以在指導學生的過程中將科研與教學內(nèi)容進行深入融合，可實現(xiàn)三方面的效果。

1.構(gòu)建教師和學生科研實踐共同體

以科研訓練為切入點，采用以項目為主的SRTP模式構(gòu)建教師和學生科研實踐共同體，打通本科生與教師之間的培養(yǎng)通道。教師和學生通過每年發(fā)布的科研訓練指南相互建立起聯(lián)系，教師針對學生的特點幫助學生設(shè)計研究計劃和培養(yǎng)方案，根據(jù)學生的課程安排靈活指導時間，有助于形成課堂之外的一種新型師生關(guān)系。同時，學院將實踐教學中心、科研專業(yè)實驗室的教學和科研儀器設(shè)備納入科研訓練的硬件環(huán)境保障中，輔助以第二課堂，通過設(shè)備教室管理預約系統(tǒng)，實現(xiàn)軟件條件上的保障，從空間和時間上營造了支撐項目順利實施的開放性教學科研環(huán)境。

2.形成漸進式本科生科研能力培養(yǎng)機制

構(gòu)建以項目為主的SRTP漸進式培養(yǎng)機制，可以促使學生快速進入項目制科研訓練角色，體現(xiàn)在三方面：一是學生提前步入科研初級階段，充裕的訓練時間能有效保證科研訓練的質(zhì)量；二是教師科研項目不限于某一個專業(yè)領(lǐng)域，能夠支撐創(chuàng)新人才培養(yǎng)所需的學科綜合性和交叉性；三是經(jīng)學院篩選的科研項目或具有較強的工程實際應用價值，或具有科技前沿性，能夠有效支撐學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。特別是針對低年級本科生科研零基礎(chǔ)的特點，建立了“四階段”“一提升”的分階段漸進式科研素養(yǎng)培養(yǎng)機制，如圖1所示。

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在初級認知階段，大多數(shù)學生還不知道“研究”為何物，需要引路人帶領(lǐng)“入門”，因此該階段主要培養(yǎng)學生從事科研活動應具備的基本能力，包括了解從事領(lǐng)域的研究熱點、自學相關(guān)基礎(chǔ)知識、熟練使用檢索工具、文獻查閱分類管理等能力，以學生自學為主，同時與教師利用靈活時間和空間展開溝通交流，此階段主要實現(xiàn)明確研究方向的目的。

深度學習階段要求學生在廣泛閱讀的基礎(chǔ)上精選研究方向文獻精讀，對文獻中的理論進行公式推導，復現(xiàn)文獻中的仿真結(jié)果，采用每周一次線下充分的文獻討論，此階段主要實現(xiàn)確定研究目標和內(nèi)容的目的。

理解應用階段要求學生根據(jù)所學知識對已有的方法和研究結(jié)果提出質(zhì)疑，訓練學生的批判思維和提出問題、發(fā)現(xiàn)問題的能力，針對具體問題和科研想法形成初步的解決方案，此階段采用指導教師講解加引導的方式，并把關(guān)形成可行的技術(shù)路線與研究方法。

在實踐創(chuàng)新階段，教師指導學生實踐具體的解決方案。此階段要求學生周六周日有整塊的時間進入實驗室開啟沉浸式科研模式，用大量的實驗去驗證科研想法并反復對比實驗結(jié)果，獲得研究結(jié)論，提升實踐創(chuàng)新能力。

通過上述四個層次漸進式的科研能力培養(yǎng)機制，學生在具備科學研究“硬技能”的同時，包括溝通交流、責任意識、意志鍛煉、認真嚴謹?shù)葷撛诘摹败浖寄堋币材塬@得有效提升。

3.探索可持續(xù)的科研實踐引領(lǐng)創(chuàng)新人才的全過程培養(yǎng)模式

低年級學生提前參與漸進式科研能力培養(yǎng)，學生帶著實踐問題學理論，帶著理論問題去實踐，實現(xiàn)實踐學習和理論學習雙向流通；在大四畢業(yè)設(shè)計前已經(jīng)完成一次實際的科研訓練預演練，具備了一定的科研能力和良好的科研素養(yǎng)，可將更多的精力投入到畢設(shè)相關(guān)科學問題的研究，有助于畢設(shè)質(zhì)量的提升。另一方面，指導教師根據(jù)項目開展情況，將系統(tǒng)性強、工程實踐性突出的項目持續(xù)培育，指導學生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目或各類科技競賽；也可提煉科研實踐涉及知識點，與教學內(nèi)容深度融合以提升教學的高階性。這種以項目為主的SRTP模式，在分階段漸進式的本科生科研能力培養(yǎng)機制保障下，有助于形成可持續(xù)性更好的學生與教師實踐共同體，有效提升學生的實踐效果，從而實現(xiàn)一種科研實踐引領(lǐng)創(chuàng)新人才的全過程培養(yǎng)模式。

項目實施案例

西北工業(yè)大學航空航天大類人才培養(yǎng)目標要求學生能夠基于科學原理并采用科學方法對航空航天領(lǐng)域的復雜工程問題、科學問題進行研究。面向航空航天大類從大一或大二階段開展SRTP模式科研訓練活動，要求教師發(fā)布的科研項目指南能夠滿足緊扣航空航天領(lǐng)域的復雜工程問題和科學問題的條件。航空航天飛行器隱身技術(shù)無論從應用還是研制都是現(xiàn)代軍事高技術(shù)的一個重要研究領(lǐng)域，對未來戰(zhàn)爭具有重要的影響，具有較強的科技前沿性和學科交叉性。

作為飛行器隱身技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵——雷達吸波材料（Radar Absorbent Materials，RAM）是一個非常重要的研究方向。為了實現(xiàn)隱身，可將RAM涂覆在航空航天飛行器外側(cè)，使雷達回波能量嚴重衰減，雷達探測目標變得十分困難，有效提升航空航天飛行器的生存能力和突防能力。采用RAM實現(xiàn)隱身已廣泛應用于某些飛行器，然而傳統(tǒng)的吸波材料例如有氧鐵、鈦酸鋇、碳化硅、石墨、導電纖維等往往會出現(xiàn)密度大、維護昂貴或者吸收頻帶窄的情況，在重量以及吸收效能等方面都有待提高，對新型RAM的研究需求十分迫切。

基于分段漸進式的本科生科研能力培養(yǎng)機制，研究以項目為主的SRTP模式在航空航天飛行器隱身技術(shù)中的具體實踐。學生在教師指導下從初級認知階段、深度學習階段、理解應用階段到實踐創(chuàng)新階段，開展航空航天飛行器隱身技術(shù)科學原理的學習，采用科學方法對航空航天飛行器隱身技術(shù)中的新型雷達吸波材料進行設(shè)計和研究，通過反復的實驗和數(shù)據(jù)分析獲得研究結(jié)論，經(jīng)歷完整的四個階段培養(yǎng)獲得科研“軟、硬”技能漸進式提升。

1.認知研究方向——基于新型吸波材料的空間飛行器隱身技術(shù)

在初級認知階段明確研究方向。學生作為科研新手加上對航空航天飛行器隱身技術(shù)相關(guān)知識了解較少，需要指導教師投入較多的時間和精力及時引導，幫助學生提升文獻信息檢索、分析和總結(jié)歸納能力。學生通過文獻閱讀和自學相關(guān)基礎(chǔ)知識，首先要了解RAM作為飛行器隱身技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵，原理是RAM能顯著減弱飛行器探測雷達的回波強度，從而對雷達探測系統(tǒng)和精確制導武器形成一個很好的制約；其次理解RAM對雷達信號實現(xiàn)吸收所需要的兩個條件；最后了解采用雷達吸波材料實現(xiàn)飛行器隱身技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀——國內(nèi)外學者在研究傳統(tǒng)吸波材料性能提升問題的同時，對新型的吸波材料解決“寬、高、輕、薄”的問題方面也進行了大量的探索?；谏鲜鋈矫婀ぷ鞯恼J知和完成，學生在指導教師幫助下掌握采用雷達吸波材料實現(xiàn)飛行器隱身技術(shù)的原理，明確了采用新型雷達吸波材料實現(xiàn)飛行器高效隱身的研究方向。

2.確定研究目標——基于電磁超表面的諧振吸收機理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

在深度學習階段確定研究目標。通過廣泛文獻閱讀了解到使用電磁超表面作為吸波體能夠解決傳統(tǒng)的吸波材料受到1/4波長限制所導致的尺寸、體積較大或者質(zhì)量偏大的問題，因此確定了以具有周期性亞波長尺寸結(jié)構(gòu)的電磁超表面為研究對象，實現(xiàn)飛行器雷達波超薄隱身的研究目標。教師精選電磁超表面用于飛行器雷達波隱身的相關(guān)文獻，指導學生文獻精讀，通過仿真驗證文獻中的研究結(jié)果。采用每周一次的線下文獻閱讀討論，交流學生在文獻閱讀中遇到的問題，加強學生對電磁超表面的吸波機理的理解。由于不同結(jié)構(gòu)的電磁超表面的電磁諧振效應會對入射雷達波產(chǎn)生歐姆損耗和介電損耗，學生需要掌握等效參數(shù)描述其電磁特性的方法，能通過仿真實驗研究調(diào)整電磁材料內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸參數(shù)，最終研究的目標是實現(xiàn)完美吸收。本項目就是利用超材料厚度薄、吸收能力強的特點，要求學生通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化得到有利于實現(xiàn)飛行器隱身效果的諧振吸收效應。

3.掌握研究方法——電磁超表面包覆目標的反射特性分析方法

在理解應用階段形成技術(shù)路線。學生能夠在掌握理論的基礎(chǔ)上思考如何在具體科研項目中進行正確的實踐應用。首先對已有方法和研究結(jié)果進行獨立思考并能提出問題；針對具體問題和科研想法形成初步的解決方案，通過與教師討論交流，依據(jù)研究目標制訂科學合理的研究方法。采用電磁超表面實現(xiàn)飛行器隱身，重點要解決的問題是依據(jù)雷達波入射到電磁超表面結(jié)構(gòu)的物理模型，對雷達電磁信號入射電磁超表面的反射特性計算。但是由于電磁超表面是一種三維立體結(jié)構(gòu)，采用解析法求解其與電磁信號的作用過程將極其復雜，學生在教師指導下選定能夠求解任意復雜結(jié)構(gòu)的電磁特性的有限積分算法，并理解該算法在分析電磁超表面電磁特性上的優(yōu)勢。在確定研究方法后，在教師的引導下學生確定采用電磁超表面實現(xiàn)對雷達波隱身效果研究的技術(shù)路線。

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4.獲得研究結(jié)論——電磁超表面對雷達信號的諧振吸收效應

在實踐創(chuàng)新階段獲得研究結(jié)論。學生相對自主獨立地按照技術(shù)路線開展仿真實驗研究驗證科研想法，反復對比實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，形成研究結(jié)論。該項目最終采用了一種簡單易于實現(xiàn)的十字型金屬單元形狀結(jié)構(gòu)的超材料吸波體結(jié)構(gòu)，針對雷達波目標頻點通過反復的實驗仿真對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，獲得能夠?qū)崿F(xiàn)高效吸收的諧振吸收效果。

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以中心頻率3GHz，帶寬50MHz，脈寬10μs，調(diào)頻率為5×1012MHz/s的雷達線性調(diào)頻信號波為例，當十字型電磁超表面參數(shù)取值為w=9mm，l=12.13mm，p=13mm時，計算獲得雷達波入射到十字型超材料結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生強烈的電磁耦合諧振作用后反射回來的回波波形，結(jié)果表明線性調(diào)頻波的回波波形發(fā)生了強烈幅度衰減和相位畸變，在雷達頻率帶寬內(nèi)衰減量的變化差達到25dB，在目標頻點3.025GHz處實現(xiàn)了“完美吸收”。


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5.學生自主探索創(chuàng)新設(shè)計案例

依托教師科研項目，采用分段漸進式的本科生科研能力培養(yǎng)機制，學生完整地體驗了科研工作的整個過程，完成了電磁超表面對線性調(diào)頻波雷達信號吸收影響的研究，具有了一定的科研素養(yǎng)和科研能力。基于此研究，學生與教師形成了可持續(xù)性更好的學生與教師實踐共同體，在畢業(yè)設(shè)計中針對單一結(jié)構(gòu)的電磁超表面吸波帶寬較窄的問題，學生開展了自主探索，創(chuàng)新性地設(shè)計了基于耶路撒冷十字結(jié)構(gòu)多層超材料寬頻帶吸波體、電磁超表面-等離子體融合結(jié)構(gòu)寬頻帶吸波體，實現(xiàn)了對雷達波寬頻帶上的吸收隱身效果。

（1）基于耶路撒冷十字結(jié)構(gòu)多層超材料吸波體的寬頻化設(shè)計

通過之前的研究發(fā)現(xiàn)，超材料吸波體的諧振吸收頻率對其結(jié)構(gòu)參數(shù)具有非常強的依賴性，通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)可以調(diào)節(jié)諧振吸收頻點。依據(jù)這一現(xiàn)象，可以考慮設(shè)計多重或多層復合結(jié)構(gòu)，構(gòu)建不同幾何參數(shù)的復合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超材料產(chǎn)生多頻諧振，進而實現(xiàn)多頻吸收甚至寬頻吸收，最終實現(xiàn)吸波體吸收頻帶的有效展寬。學生根據(jù)這一思路設(shè)計了基于耶路撒冷十字結(jié)構(gòu)的多層超材料寬頻吸波體，在9-11GHz的頻帶上實現(xiàn)多頻點的諧振吸收效果，達到寬頻帶吸收的目的。

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（2）電磁超表面-等離子體融合吸波結(jié)構(gòu)的寬頻化設(shè)計

學生在對雷達吸波材料的吸波原理、影響吸波性能的因素以及各自吸波特點深入研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了一種電磁超表面-等離子體融合結(jié)構(gòu)，成功地實現(xiàn)了在1-12GHz的頻帶上滿足雷達回波強度降低10分貝的指標，該結(jié)構(gòu)對寬頻段的雷達波具有較好的隱身效果，擁有十分廣闊的研究空間和發(fā)展前景。

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結(jié)  語

本文針對航空航天大類專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的問題，通過建立“四階段”“一提升”的分階段漸進式科研能力培養(yǎng)機制，構(gòu)建教師和本科生科研實踐共同體，開展以項目為主的SRTP，探索一種可持續(xù)的科研實踐引領(lǐng)航空航天大類人才全過程培養(yǎng)模式。以飛行器隱身技術(shù)科研項目為培養(yǎng)范例，開展具有科技前沿、跨專業(yè)知識交叉融合特點的SRTP實踐。經(jīng)實踐證明，該模式有助于實現(xiàn)本科生科研“軟、硬”技能的漸進式提升，對于培養(yǎng)具有創(chuàng)新實踐和交叉應用能力的航空航天大類人才具有重要意義。

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（許錦、孟中杰、韓治國、李偉：西北工業(yè)大學航天學院）

責任編輯：張言