[摘  要]针对航空航天大类人才培养面临学科综合性、交叉性强，对学生实践能力要求高的问题，以提升项目为主的“大学生科研训练计划”（Students Research Training Program，SRTP）模式的培养成效为目标，通过建立“四阶段”“一提升”的分阶段渐进式科研能力培养机制，构建教师和本科生科研实践共同体，探索一种可持续的科研实践引领航空航天大类人才全过程培养模式。面向航空航天大类本科生，以飞行器隐身技术科研项目为培养范例，开展具有科技前沿、跨专业知识交叉融合特点的SRTP实践。实践表明，基于分阶段渐进式科研能力培养机制，开展以项目为主的SRTP，有助于实现本科生科研“软、硬”技能的提升，培养本科生创新实践和交叉应用能力，为其终身学习和发展奠定更为坚实的科学基础。

[关键词]大学生科研训练计划  航空航天大类人才培养  飞行器隐身技术  创新实践能力

国家自然基金青年科学基金项目（62001388），陕西省自然科学基础研究计划项目（2020JM-102），陕西省教育科学“十四五”规划2021年度课题（SGH21Y0010），陕西省教育科学“十三五”规划2020年度课题（SGH20Y1024），陕西省教育科学“十三五”规划2018年度课题（SGH18H032），西北工业大学2021年度校级教育教学改革研究项目（2021JGY07），西北工业大学学生思想政治工作研究课题（D5000210452）。

引  言

高校作为学习科学知识、引证科学思想、提高实践动手能力、发展创新思维的重要阵地，在实现加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才方面发挥着重要作用。随着“六卓越一拔尖”计划2.0的启动和实施，全国高校掀起了一场“质量革命”。以支撑引领、交叉融合为导向，以新工科建设为重要抓手，国内理工科大学实施了持续深化工程教育改革的系列举措。西北工业大学紧紧围绕培养航空航天领域高层次科技人才和服务国家重大战略需求，已经成为航空航天领域一个颇具影响力的人才培养基地和科学研究基地。然而，随着推进新工科建设的再深化、再拓展、再突破、再出发，对航空航天领域高层次科技人才的要求也越来越高。

以西北工业大学航空航天大类人才培养为例，除了面临专业本身覆盖面广、综合性强、对学生实践能力要求高的挑战之外，要更加注重激发学生对前沿科技领域的兴趣和潜能，在人才培养全过程中持续不断地加强实践形成创新素质，提升交叉应用和科学研究等能力，做好未来航空航天科技创新领军人才的前瞻性和战略性培养。

科研训练是本科生创新实践能力培养的重要环节，能有效提升本科生主动学习、创新实践的能力和科学素养。本文通过建立基于分阶段渐进式科研能力培养机制，面向航空航天大类本科生开展具有科技前沿、跨专业知识交叉融合特点的SRTP实践。以航空航天领域的飞行器隐身技术项目为培养范例，探索一种可持续的科研实践引领航空航天大类人才全过程培养模式。

现状分析

科研训练是本科人才培养的重要环节，能够实现教学与科研的深度融合。本科生科研训练由来已久，国内外高校开展了较为丰富的研究与实践。以西北工业大学为例，目前已将科研训练设置为必修课程，形成了成熟的科研训练开展模式：一种是以项目为主的“大学生科研训练计划（SRTP）”，教师设置项目，学生根据兴趣与条件进行申请，个人或者小组为单位加入项目研究；另外一种是学生原创性项目，即本科生提出项目方案，向学校等机构申请研究资助，然后在教师的指导下从事原创性研究，如“大创项目”和各类科技创新竞赛。总而言之，只要本科生实质性地参与了科研工作学习，实现科研训练的既定研究内容和目标，就可以完成科研训练课程的学分认定。

学生原创性项目是学校层面组织学生参加“大创项目”和各类科技创新竞赛，此类模式对学生的科研能力、全局统筹规划能力和意志力等多方面的综合素质要求较高，但是绝大多数本科生都是科研新手，对指导教师和学生来说都是挑战。同时，单一模式的学生原创性项目也难以实现科研训练活动对学生群体的全覆盖。事实上，学院层面在具体实施过程中发现，仍存在一定数量的学生有参与科学研究的兴趣，但是难以与教师建立联系并获得有组织的系统性科研项目训练指导。此外，在对航空航天大类人才培养过程的分析中发现，本科生到大三学年面临专业选择时，仍然有部分学生感到迷茫，其中一个原因是学生在大类培养阶段仍然主要以理论学习为主，缺乏不同专业教师在科研实践方面具体的、科学的、及时的引导，导致学生对具体专业的认知仍停留在比较空泛的理论层面。开展以项目为主的SRTP，构建教师和学生科研实践共同体，探索科研实践引领创新人才培养模式，推动各类科研项目吸纳本科生参与研究十分必要。

实施路径

总体实施路径：（1）每年向学院定期征集教师的科研训练指南，面向本科生发布，列入指南的项目都是基于教师主持或参与的前沿性科研项目汇聚而来。（2）学生可根据指南要求，结合自己所学的知识和兴趣，自由联系发布项目的指导教师，在大一或大二均可参与教师科研项目，与教师协同制订研究计划和方案。（3）随着科研训练的开展，学生从一个科研新手，逐步提升科研能力和良好的科研素养，同时对前沿领域或交叉领域形成更为具象的认知。（4）指导教师方面也可持续性地根据学生的研究进展，进一步提炼出系统性、多领域和工程实践性突出的项目申报大学生创新创业项目。以项目为主的SRTP能有效提升学生的科研能力与素养，培养学生的创新意识实践能力，同时教师可以在指导学生的过程中将科研与教学内容进行深入融合，可实现三方面的效果。

1.构建教师和学生科研实践共同体

以科研训练为切入点，采用以项目为主的SRTP模式构建教师和学生科研实践共同体，打通本科生与教师之间的培养通道。教师和学生通过每年发布的科研训练指南相互建立起联系，教师针对学生的特点帮助学生设计研究计划和培养方案，根据学生的课程安排灵活指导时间，有助于形成课堂之外的一种新型师生关系。同时，学院将实践教学中心、科研专业实验室的教学和科研仪器设备纳入科研训练的硬件环境保障中，辅助以第二课堂，通过设备教室管理预约系统，实现软件条件上的保障，从空间和时间上营造了支撑项目顺利实施的开放性教学科研环境。

2.形成渐进式本科生科研能力培养机制

构建以项目为主的SRTP渐进式培养机制，可以促使学生快速进入项目制科研训练角色，体现在三方面：一是学生提前步入科研初级阶段，充裕的训练时间能有效保证科研训练的质量；二是教师科研项目不限于某一个专业领域，能够支撑创新人才培养所需的学科综合性和交叉性；三是经学院筛选的科研项目或具有较强的工程实际应用价值，或具有科技前沿性，能够有效支撑学生实践创新能力培养。特别是针对低年级本科生科研零基础的特点，建立了“四阶段”“一提升”的分阶段渐进式科研素养培养机制，如图1所示。

在初级认知阶段，大多数学生还不知道“研究”为何物，需要引路人带领“入门”，因此该阶段主要培养学生从事科研活动应具备的基本能力，包括了解从事领域的研究热点、自学相关基础知识、熟练使用检索工具、文献查阅分类管理等能力，以学生自学为主，同时与教师利用灵活时间和空间展开沟通交流，此阶段主要实现明确研究方向的目的。

深度学习阶段要求学生在广泛阅读的基础上精选研究方向文献精读，对文献中的理论进行公式推导，复现文献中的仿真结果，采用每周一次线下充分的文献讨论，此阶段主要实现确定研究目标和内容的目的。

理解应用阶段要求学生根据所学知识对已有的方法和研究结果提出质疑，训练学生的批判思维和提出问题、发现问题的能力，针对具体问题和科研想法形成初步的解决方案，此阶段采用指导教师讲解加引导的方式，并把关形成可行的技术路线与研究方法。

在实践创新阶段，教师指导学生实践具体的解决方案。此阶段要求学生周六周日有整块的时间进入实验室开启沉浸式科研模式，用大量的实验去验证科研想法并反复对比实验结果，获得研究结论，提升实践创新能力。

通过上述四个层次渐进式的科研能力培养机制，学生在具备科学研究“硬技能”的同时，包括沟通交流、责任意识、意志锻炼、认真严谨等潜在的“软技能”也能获得有效提升。

3.探索可持续的科研实践引领创新人才的全过程培养模式

低年级学生提前参与渐进式科研能力培养，学生带着实践问题学理论，带着理论问题去实践，实现实践学习和理论学习双向流通；在大四毕业设计前已经完成一次实际的科研训练预演练，具备了一定的科研能力和良好的科研素养，可将更多的精力投入到毕设相关科学问题的研究，有助于毕设质量的提升。另一方面，指导教师根据项目开展情况，将系统性强、工程实践性突出的项目持续培育，指导学生参加创新创业项目或各类科技竞赛；也可提炼科研实践涉及知识点，与教学内容深度融合以提升教学的高阶性。这种以项目为主的SRTP模式，在分阶段渐进式的本科生科研能力培养机制保障下，有助于形成可持续性更好的学生与教师实践共同体，有效提升学生的实践效果，从而实现一种科研实践引领创新人才的全过程培养模式。

项目实施案例

西北工业大学航空航天大类人才培养目标要求学生能够基于科学原理并采用科学方法对航空航天领域的复杂工程问题、科学问题进行研究。面向航空航天大类从大一或大二阶段开展SRTP模式科研训练活动，要求教师发布的科研项目指南能够满足紧扣航空航天领域的复杂工程问题和科学问题的条件。航空航天飞行器隐身技术无论从应用还是研制都是现代军事高技术的一个重要研究领域，对未来战争具有重要的影响，具有较强的科技前沿性和学科交叉性。

作为飞行器隐身技术实现的关键——雷达吸波材料（Radar Absorbent Materials，RAM）是一个非常重要的研究方向。为了实现隐身，可将RAM涂覆在航空航天飞行器外侧，使雷达回波能量严重衰减，雷达探测目标变得十分困难，有效提升航空航天飞行器的生存能力和突防能力。采用RAM实现隐身已广泛应用于某些飞行器，然而传统的吸波材料例如有氧铁、钛酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等往往会出现密度大、维护昂贵或者吸收频带窄的情况，在重量以及吸收效能等方面都有待提高，对新型RAM的研究需求十分迫切。

基于分段渐进式的本科生科研能力培养机制，研究以项目为主的SRTP模式在航空航天飞行器隐身技术中的具体实践。学生在教师指导下从初级认知阶段、深度学习阶段、理解应用阶段到实践创新阶段，开展航空航天飞行器隐身技术科学原理的学习，采用科学方法对航空航天飞行器隐身技术中的新型雷达吸波材料进行设计和研究，通过反复的实验和数据分析获得研究结论，经历完整的四个阶段培养获得科研“软、硬”技能渐进式提升。

1.认知研究方向——基于新型吸波材料的空间飞行器隐身技术

在初级认知阶段明确研究方向。学生作为科研新手加上对航空航天飞行器隐身技术相关知识了解较少，需要指导教师投入较多的时间和精力及时引导，帮助学生提升文献信息检索、分析和总结归纳能力。学生通过文献阅读和自学相关基础知识，首先要了解RAM作为飞行器隐身技术实现的关键，原理是RAM能显著减弱飞行器探测雷达的回波强度，从而对雷达探测系统和精确制导武器形成一个很好的制约；其次理解RAM对雷达信号实现吸收所需要的两个条件；最后了解采用雷达吸波材料实现飞行器隐身技术的国内外研究现状——国内外学者在研究传统吸波材料性能提升问题的同时，对新型的吸波材料解决“宽、高、轻、薄”的问题方面也进行了大量的探索。基于上述三方面工作的认知和完成，学生在指导教师帮助下掌握采用雷达吸波材料实现飞行器隐身技术的原理，明确了采用新型雷达吸波材料实现飞行器高效隐身的研究方向。

2.确定研究目标——基于电磁超表面的谐振吸收机理及结构设计

在深度学习阶段确定研究目标。通过广泛文献阅读了解到使用电磁超表面作为吸波体能够解决传统的吸波材料受到1/4波长限制所导致的尺寸、体积较大或者质量偏大的问题，因此确定了以具有周期性亚波长尺寸结构的电磁超表面为研究对象，实现飞行器雷达波超薄隐身的研究目标。教师精选电磁超表面用于飞行器雷达波隐身的相关文献，指导学生文献精读，通过仿真验证文献中的研究结果。采用每周一次的线下文献阅读讨论，交流学生在文献阅读中遇到的问题，加强学生对电磁超表面的吸波机理的理解。由于不同结构的电磁超表面的电磁谐振效应会对入射雷达波产生欧姆损耗和介电损耗，学生需要掌握等效参数描述其电磁特性的方法，能通过仿真实验研究调整电磁材料内部单元结构的形状和尺寸参数，最终研究的目标是实现完美吸收。本项目就是利用超材料厚度薄、吸收能力强的特点，要求学生通过结构设计优化得到有利于实现飞行器隐身效果的谐振吸收效应。

3.掌握研究方法——电磁超表面包覆目标的反射特性分析方法

在理解应用阶段形成技术路线。学生能够在掌握理论的基础上思考如何在具体科研项目中进行正确的实践应用。首先对已有方法和研究结果进行独立思考并能提出问题；针对具体问题和科研想法形成初步的解决方案，通过与教师讨论交流，依据研究目标制订科学合理的研究方法。采用电磁超表面实现飞行器隐身，重点要解决的问题是依据雷达波入射到电磁超表面结构的物理模型，对雷达电磁信号入射电磁超表面的反射特性计算。但是由于电磁超表面是一种三维立体结构，采用解析法求解其与电磁信号的作用过程将极其复杂，学生在教师指导下选定能够求解任意复杂结构的电磁特性的有限积分算法，并理解该算法在分析电磁超表面电磁特性上的优势。在确定研究方法后，在教师的引导下学生确定采用电磁超表面实现对雷达波隐身效果研究的技术路线。

4.获得研究结论——电磁超表面对雷达信号的谐振吸收效应

在实践创新阶段获得研究结论。学生相对自主独立地按照技术路线开展仿真实验研究验证科研想法，反复对比实验结果进行数据分析，形成研究结论。该项目最终采用了一种简单易于实现的十字型金属单元形状结构的超材料吸波体结构，针对雷达波目标频点通过反复的实验仿真对其结构参数进行优化设计，获得能够实现高效吸收的谐振吸收效果。

以中心频率3GHz，带宽50MHz，脉宽10μs，调频率为5×1012MHz/s的雷达线性调频信号波为例，当十字型电磁超表面参数取值为w=9mm，l=12.13mm，p=13mm时，计算获得雷达波入射到十字型超材料结构上产生强烈的电磁耦合谐振作用后反射回来的回波波形，结果表明线性调频波的回波波形发生了强烈幅度衰减和相位畸变，在雷达频率带宽内衰减量的变化差达到25dB，在目标频点3.025GHz处实现了“完美吸收”。

5.学生自主探索创新设计案例

依托教师科研项目，采用分段渐进式的本科生科研能力培养机制，学生完整地体验了科研工作的整个过程，完成了电磁超表面对线性调频波雷达信号吸收影响的研究，具有了一定的科研素养和科研能力。基于此研究，学生与教师形成了可持续性更好的学生与教师实践共同体，在毕业设计中针对单一结构的电磁超表面吸波带宽较窄的问题，学生开展了自主探索，创新性地设计了基于耶路撒冷十字结构多层超材料宽频带吸波体、电磁超表面-等离子体融合结构宽频带吸波体，实现了对雷达波宽频带上的吸收隐身效果。

（1）基于耶路撒冷十字结构多层超材料吸波体的宽频化设计

通过之前的研究发现，超材料吸波体的谐振吸收频率对其结构参数具有非常强的依赖性，通过改变结构参数可以调节谐振吸收频点。依据这一现象，可以考虑设计多重或多层复合结构，构建不同几何参数的复合结构实现超材料产生多频谐振，进而实现多频吸收甚至宽频吸收，最终实现吸波体吸收频带的有效展宽。学生根据这一思路设计了基于耶路撒冷十字结构的多层超材料宽频吸波体，在9-11GHz的频带上实现多频点的谐振吸收效果，达到宽频带吸收的目的。

（2）电磁超表面-等离子体融合吸波结构的宽频化设计

学生在对雷达吸波材料的吸波原理、影响吸波性能的因素以及各自吸波特点深入研究的基础上，设计出了一种电磁超表面-等离子体融合结构，成功地实现了在1-12GHz的频带上满足雷达回波强度降低10分贝的指标，该结构对宽频段的雷达波具有较好的隐身效果，拥有十分广阔的研究空间和发展前景。

结  语

本文针对航空航天大类专业人才培养面临的问题，通过建立“四阶段”“一提升”的分阶段渐进式科研能力培养机制，构建教师和本科生科研实践共同体，开展以项目为主的SRTP，探索一种可持续的科研实践引领航空航天大类人才全过程培养模式。以飞行器隐身技术科研项目为培养范例，开展具有科技前沿、跨专业知识交叉融合特点的SRTP实践。经实践证明，该模式有助于实现本科生科研“软、硬”技能的渐进式提升，对于培养具有创新实践和交叉应用能力的航空航天大类人才具有重要意义。

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（许锦、孟中杰、韩治国、李伟：西北工业大学航天学院）