航天控制专业方向本硕贯通培养模式和课程体系的思考

摘要：在当前高等教育大众化背景下，研究型重点大学应坚持精英教育与大众化教育并举的原则，尤其是一些特殊专业，譬如航天控制类专业仍应坚持以精英教育为主。本硕贯通培养是实施精英教育的有效手段，其要素是培养模式和课程体系。本文就航天控制类专业本硕贯通培养目标的定位、模式、课程体系的创新设计等阐述了笔者的观点。

关键词：航天控制;精英教育;本硕贯通培养;数理力学基础;课程体系

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）44-0254-03

一、前言

上世纪90年代末我国高等教育逐步由精英教育转向大众化教育阶段，这样的改革既给我国高等教育的发展带来了巨大机遇，也给我们南京航空航天大学这样行业特色比较鲜明的高等工科院校以及“航天控制”这类特殊的专业或专业方向的人才培养和教学工作带来了很大挑战。我们要想在航天高技术领域的国际竞争中保持优势地位，最可靠的办法就是自主创新，而自主创新最重要的就是创新型人才的培养。南航作为新中国创办的首批航空航天重点院校，承载着国家和民族的期待，在航天科技创新型人才培养方面责无旁贷。但是伴随着高等教育大众化改革的推进，我校各专业的招生规模显著加大，对原来的精英教育模式产生了很大冲击。我们一线教师面临着突出的棘手问题：（1）学生水平和质量差异化明显，课不好教;（2）“航天控制”类专业要精英化教育还是大众化教育？笔者经过多年的人才培养工作实践与思考，认为：①像南航这样的重点大学应走精英教育与大众化教育并行的路子;②精英教育与大众化教育要分类分模式培养;③“航天控制”类这样的专业要以精英教育为主;④本硕贯通培养是“航天控制”类专业实行精英教育的有效手段。本文就“航天控制”类专业本硕贯通培养模式和课程体系建设谈谈笔者初步的构想，以期抛砖引玉，引起同行探讨，提出更好的观点和解决方案，促进我国航空航天专业高教事业的破局发展，早圆中华民族航天梦。

二、贯通培养目标的定位

（一）“航天控制”类专业实行精英教育的必要性

航天科技属高科技领域，航天控制是航天技术中的核心关键技术，是高科技中的高科技。这种专业属性决定了其从业人员（包括前期探索研究、中期技术和产品研发、后期使用和维护）素质和能力必须很高而数量规模又不大。这里所说的“素质”包括良好的思想政治素质（因为涉及国防安全）、心理素质（因为航天发射、飞行和回收工程的高风险性）、身体素质（因为重大科研攻关常常需要夜以继日的连续工作和奋战）和团队协作意识。这里所说的“能力”主要包括知识更新及自学能力、科研创新能力、技术研发能力。对素质的高要求和规模数量的低要求，自然需要该类专业要继续实行精英教育，以培养国家航天科技事业的合格接班人和高素质开拓者为目标，而非大众化高等教育所追求的一般性的素质提高和知识普及。

（二）贯通培养是精英教育的有效手段

上世纪八九十年代我国高等教育尚处于精英教育时代，国内一些重点大学就开始试行本硕连读制，一方面藉此吸引优秀生源报考，另一方面针对优秀生源中的部分尖子学生进行特色化精英培养，在本科低、中年级阶段（一般是大一至大三）不细化专业，而是按大类培养，以夯实其基础，中间经过比较严格的考核淘汰机制，对通过考核竞争的学生免试攻读硕士研究生，只有在此时才根据学生的兴趣、特长等因素细化学科和专业。这种培养模式确实取得了预期的效果，不少本硕连读生在后来的学术或专业生涯中取得了比同龄人更大的成绩，并且将其归功于本科阶段宽广扎实的基础。今天我们的研究型大学在适应国家高教大众化改革的同时，决不能放弃精英教育的理想和目标，尤其是一些特殊专业（譬如“航天控制”类专业）更是应该坚持以精英教育为主、大众化教育为辅的原则。

（三）贯通培养目标的定位

上文已述及，本硕贯通陪养的目标是造就专业精英人才。具体到我们“航天控制”类专业，就是要培养该领域具有强大的知识创新、技术研发的工程师或理论学术大师。毕业生将来具体选择工程道路还是学术道路，这取决于其自身兴趣、特长以及其他一些客观因素，我们的培养目标就是使其成为“理工融合的通才”。上世纪为我国“两弹一星”事业建立了卓越功勋的钱学森、郭永怀等，以及著名科学家、教育家钱伟长，都是理工融合的大家，这在很大程度上得益于他们的导师——哥廷根应用科学学派的传人冯卡门教授所倡导的理工融合的教学和科研理念。2005年，钱学森对前来探望他的温家宝同志感慨地说：“这么多年培养的学生，还没有哪一个的学术成就能够跟民国时期培养的大师相比。为什么我们的学校总是培养不出杰出的人才？”这就是著名的“钱学森之问”。钱老之问固然有国家政策体制、社会文化等多方面的深刻原因，但是笔者以为，新中国成立后的几十年来，我国高等工科教育对“理工融合”重视不够，甚至曾在某一历史阶段人为的割裂理工，导致培养的学生功底不厚、后劲不足，这也是重要原因。所以，今天我们“航天控制”类专业欲培养未来创新型精英人才，一定要把“理工融合”作为本硕贯通培养的目标和理念。我们科教战线上的同志深切地期待早日破解“钱学森之问”！

三、培养模式的思考

贯通培养就是在本科新生中选拔对科研学术怀有浓厚兴趣、基础扎实（主要表现为高考数学和物理成绩优秀）的学生，单独组班，不按传统专业分类授课，而是按大类统一授课（比如“飞行器设计”与“飞行器控制”可以合并），以期夯实其基础，拓宽其知识面，并通过严格的考核淘汰机制，遴选优秀学生，免试进入硕士研究生阶段继续深造。所以下文仅就本科阶段的培养模式的几个要素进行阐述和分析。

（一）拆除专业壁垒，按大类和大方向统一培养

本科阶段的培养模式最能体现本硕贯通培养模式的特点，因为普通的大学本科生培养模式是按照教育部专业目录里的具体专业划分来制订培养方案和课程体系的，在这种培养方案下，工科各专业从大学二年级开始其课程设置就出现了分化，到了大学三年级各专业的课程设置就有显著区别了，明显地体现出专业化的差异。而本硕贯通培养的模式则不同，因其大学本科阶段按大类培养，没有过细的专业划分，所以一个专业大类的本硕连读班其课程设置是完全相同的。具体到我们“航天控制”类专业方向，在本科阶段可以把传统的“飞行器设计与工程”和“探测制导与控制技术”两专业合并起来，进行一体化培养。

（二）打造既宽且厚的理论基础，尤其是数理力学基础

理论基础的“宽度”和“厚度”是对立统一的辩证关系。说其对立是因为人的精力是有限的，在打厚基础的同时难免会牺牲宽度，反之亦然，这是容易理解的。但是我们还应充分认识到“宽度”和“厚度”之间的另一层关系，即统一性。这种统一性体现在理论基础的宽度和厚度可以互相促进。一个理论基础厚实的学者比理论基础薄弱的学者具有更强的接受新知识、新理论的能力，从而有利于其拓宽知识面，即理论基础的宽度;反过来，如果一个学者具有宽广的理论基础，其学术视野就会比较开阔，思维就会比较活跃，更容易打通各个知识领域间的联系，达到融会贯通的效果，加深其对已掌握的理论的理解，从而加厚其理论基础。在这里笔者分别举“以厚促宽”和“以宽促厚”的例子。我国著名科学家钱伟长院士本是力学专业出身，对力学中的变分方法和数学物理方法的运用达到了炉火纯青的地步，结果其在晚年写出了电磁学中的学术专著《格林函数和变分法在电磁场和电磁波计算中的应用》，可见钱老的理论功底已经很容易地拓展到电磁科学的领域，这是“以厚促宽”的例子。反过来的例子是：上世纪60年代美国学者卡尔曼将力学中的“状态空间”概念引入控制学科，创立了现代控制理论，为近现代科学史写下了浓墨重彩的一笔。这个例子说明，宽广的理论基础可以促使学者运用其他学科的方法和技巧加深自身学科领域的理论基础，甚至可能创新。

（三）本科阶段就注重研究性教学的实施，培养学生独立思考、批判创新的意识和能力

我们不能忘记，硕博连读班的本科阶段是为硕士阶段做准备的，这种准备工作不仅是理论知识的准备，更是独立思考、批判创新意识和能力的准备。而这种意识和能力需在本科阶段就要注重培养。具体怎么培养，笔者认为在大三的专业基础课阶段就要通过以问题为导向的、师生互动的研究性教学方式来实现。到了大四毕业设计阶段，本硕连读班应与普通班有明显的区别，主要体现在两个方面：①毕设题目要由学生自己提出，而非传统的“教师出题，学生选题”;②毕设论文中对创新性的要求高于普通班，我们可以不必拘泥于学生必须成功解决问题，关键是要运用新方法。我们允许其失败，只要能科学地分析失败的原因，毕业设计论文也可以认定为合格。

四、课程体系的思考

培养能否成功，关键因素有两个：优质师资的配备和课程体系的科学合理设置。本文仅对课程体系设置方面来谈谈个人粗浅的看法。

前面已述及，本硕贯通培养的本科阶段可以被视为硕士研究生的预科阶段，该阶段的主要任务是夯实学生数理力学基础和其他必要的理论技术基础。只要能从这个视角出发，我们就可以解放思想，突破传统的具体专业的本科培养方案和培养目标的约束。一言以蔽之，就是在本科阶段，他们的课程体系里仅包含很少的关于“飞行器”、“航天器”、“飞行控制”等之类的传统意义上的专业课程。在传统观念里，因为其所修的专业课门类和学分不达标，是不能授予学士学位的，但是在我们的本硕贯通培养体系里，可以大胆授予其“飞行器设计与工程”或“探测制导与控制技术”学士学位，甚至可以考虑授予其“工程力学”或“应用数学”专业的学士学位，当然，这需要学校相关管理部门，特别是学位管理部门的大力配合。

下面就对课程体系里的相关课程进行分类阐述。

（一）数学类

恩格斯给数学的定义是：“数学是研究现实世界数量关系和空间形式的科学”，并且说：“要想辩证而唯物地了解自然，就必须熟悉数学”。马克思说：“任何一门科学只有成功地运用到数学时才算达到真正完善的地步”。革命导师的语录从一个侧面反映出数学在自然科学领域中的极端重要性。作为“航天控制”类专业当然也不例外地强烈地依赖于数学基础。在本硕贯通培养体系里，我们首要的任务就是夯实学生的数学基础。其中《数学分析》、《线性代数》、《概率论与数理统计》要按数学专业的要求去修。工程数学类课程，除了传统的《复变函数与积分变换》、《数值计算方法》外，还应加入《微分几何初步》、《张量初步》、《矢量场论》、《数学物理方程》、《随机过程》、《微分方程近似解》等重要课程。

（二）力学类

首先我们看：什么是力学？“力学是一门应用性很强的基础科学，是研究力与运动规律的学科。力学建立在牛顿力学和经典力学的基础上，主要涉及宏观运动，目前已扩展至微纳观层次”。这是国家自然科学基金委员会组织撰写的《力学学科发展研究报告》（2007年版）中给力学下的定义。从这个定义中我们看到了力学的双重属性：基础性和应用性。“航天控制”类专业首当其冲的问题就是给航天器进行动力学建模，包括轨道动力学、姿态动力学以及其他更复杂的高阶模型，所以力学知识非常重要，这是力学学科在我们“航天控制”类专业中应用属性的体现。但是力学的功效还不仅于此，因为它还提供了分析和解决问题的思维方式，力学中的观点和方法可以直接借鉴引用到控制学科中去，这又是力学学科基础性的重要体现。所以，在我们的“航天控制”类本硕贯通培养方案中要给力学类课程留以十分突出的地位，其课程规格和学时要按力学专业的标准来要求。初步考虑开设如下课程：《理论力学》（含分析力学）、《天体轨道力学》（按天文专业的标准开课）、《连续介质力学》、《材料力学》、《弹性力学》、《流体力学》、《空气动力学》、《变分法与有限元》等。

（三）系统建模、分析与控制类

这里所谓的“系统”是比较抽象的系统，既非传统机械专业中的机械系统，或电类专业的电路系统，或信号传输与处理系统，也非传统自动化专业中的自动控制系统，等等。我们期望将以上各类物理形态迥异的动态系统抽象出其共同的数学特性或微分动力学特性，运用统一的观点和方法来进行建模、分析与控制。比如我们知道，在引入“流”和“势”的概念后，电路分析中的网孔法和节点法可以方便地移植到力学系统中。我们也知道，在引入了“能量”和“拉格朗日函数”的概念后，力学中的拉格朗日动力学方程可以方便地用于电路系统建模或机电耦合一体化系统建模。还有，我们知道，描述离散机械振动系统和晶体管振荡电路的系统的数学模型都是二阶常微分方程，而描述机械弹性波、声波、电磁波的数学模型都是双曲型二阶偏微分方程。钟万勰院士发现，结构力学与现代控制理论之间具有很强的相似性。以上种种，生动地印证了列宁所指出的：“自然界的统一性显示在关于各种现象领域的微分方程式的惊人相似性中”。所以我们的这种设想是可以找到充分的哲学依据和事实依据的，从而也是合理的。但是在具体落实上，我们还可能遇到师资条件方面的制约，有待于上下一心来解决。

（四）仿真和实验技能类

仿真和实验是工科学生必备的基本技能，作为本硕贯通培养的优秀学生更是应该扎实掌握系统仿真和物理实验的基本理论和技能。这里所说的“仿真”包括计算机数值仿真、半物理仿真、全物理仿真。实验技能不仅包括实验操作技能，更重要的是设计实验方案的技能和事后处理数据的技能。根据以上要求，除了正常的实验课程外，我们拟新开设的相关课程有：《基于matlab/simulink的系统仿真技术》、《量纲分析与相似原理》、《系统辨识》、《误差分析》、《故障诊断技术》等。

五、结语

“航天控制”类专业精英人才需要特殊培养，本硕贯通培养是有效的手段。在培养方案和课程体系的设计上，关键的是打破了传统专业壁垒的限制和思维模式的禁锢，解放思想，大胆创新实践，并及时总结经验教训，改进工作。笔者以为，随着高等学校办学自主权的不断增加，笔者的这些构想总会一步步地变成现实，为助中华民族航天梦、强国梦的实现而起到积极的作用。

参考文献：

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