航天控制專業(yè)方向本碩貫通培養(yǎng)模式和課程體系的思考

摘要：在當前高等教育大眾化背景下，研究型重點大學應堅持精英教育與大眾化教育并舉的原則，尤其是一些特殊專業(yè)，譬如航天控制類專業(yè)仍應堅持以精英教育為主。本碩貫通培養(yǎng)是實施精英教育的有效手段，其要素是培養(yǎng)模式和課程體系。本文就航天控制類專業(yè)本碩貫通培養(yǎng)目標的定位、模式、課程體系的創(chuàng)新設(shè)計等闡述了筆者的觀點。

關(guān)鍵詞：航天控制;精英教育;本碩貫通培養(yǎng);數(shù)理力學基礎(chǔ);課程體系

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）44-0254-03

一、前言

上世紀90年代末我國高等教育逐步由精英教育轉(zhuǎn)向大眾化教育階段，這樣的改革既給我國高等教育的發(fā)展帶來了巨大機遇，也給我們南京航空航天大學這樣行業(yè)特色比較鮮明的高等工科院校以及“航天控制”這類特殊的專業(yè)或?qū)I(yè)方向的人才培養(yǎng)和教學工作帶來了很大挑戰(zhàn)。我們要想在航天高技術(shù)領(lǐng)域的國際競爭中保持優(yōu)勢地位，最可靠的辦法就是自主創(chuàng)新，而自主創(chuàng)新最重要的就是創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。南航作為新中國創(chuàng)辦的首批航空航天重點院校，承載著國家和民族的期待，在航天科技創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面責無旁貸。但是伴隨著高等教育大眾化改革的推進，我校各專業(yè)的招生規(guī)模顯著加大，對原來的精英教育模式產(chǎn)生了很大沖擊。我們一線教師面臨著突出的棘手問題：（1）學生水平和質(zhì)量差異化明顯，課不好教;（2）“航天控制”類專業(yè)要精英化教育還是大眾化教育？筆者經(jīng)過多年的人才培養(yǎng)工作實踐與思考，認為：①像南航這樣的重點大學應走精英教育與大眾化教育并行的路子;②精英教育與大眾化教育要分類分模式培養(yǎng);③“航天控制”類這樣的專業(yè)要以精英教育為主;④本碩貫通培養(yǎng)是“航天控制”類專業(yè)實行精英教育的有效手段。本文就“航天控制”類專業(yè)本碩貫通培養(yǎng)模式和課程體系建設(shè)談?wù)劰P者初步的構(gòu)想，以期拋磚引玉，引起同行探討，提出更好的觀點和解決方案，促進我國航空航天專業(yè)高教事業(yè)的破局發(fā)展，早圓中華民族航天夢。

二、貫通培養(yǎng)目標的定位

（一）“航天控制”類專業(yè)實行精英教育的必要性

航天科技屬高科技領(lǐng)域，航天控制是航天技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù)，是高科技中的高科技。這種專業(yè)屬性決定了其從業(yè)人員（包括前期探索研究、中期技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)、后期使用和維護）素質(zhì)和能力必須很高而數(shù)量規(guī)模又不大。這里所說的“素質(zhì)”包括良好的思想政治素質(zhì)（因為涉及國防安全）、心理素質(zhì)（因為航天發(fā)射、飛行和回收工程的高風險性）、身體素質(zhì)（因為重大科研攻關(guān)常常需要夜以繼日的連續(xù)工作和奮戰(zhàn)）和團隊協(xié)作意識。這里所說的“能力”主要包括知識更新及自學能力、科研創(chuàng)新能力、技術(shù)研發(fā)能力。對素質(zhì)的高要求和規(guī)模數(shù)量的低要求，自然需要該類專業(yè)要繼續(xù)實行精英教育，以培養(yǎng)國家航天科技事業(yè)的合格接班人和高素質(zhì)開拓者為目標，而非大眾化高等教育所追求的一般性的素質(zhì)提高和知識普及。

（二）貫通培養(yǎng)是精英教育的有效手段

上世紀八九十年代我國高等教育尚處于精英教育時代，國內(nèi)一些重點大學就開始試行本碩連讀制，一方面藉此吸引優(yōu)秀生源報考，另一方面針對優(yōu)秀生源中的部分尖子學生進行特色化精英培養(yǎng)，在本科低、中年級階段（一般是大一至大三）不細化專業(yè)，而是按大類培養(yǎng)，以夯實其基礎(chǔ)，中間經(jīng)過比較嚴格的考核淘汰機制，對通過考核競爭的學生免試攻讀碩士研究生，只有在此時才根據(jù)學生的興趣、特長等因素細化學科和專業(yè)。這種培養(yǎng)模式確實取得了預期的效果，不少本碩連讀生在后來的學術(shù)或?qū)I(yè)生涯中取得了比同齡人更大的成績，并且將其歸功于本科階段寬廣扎實的基礎(chǔ)。今天我們的研究型大學在適應國家高教大眾化改革的同時，決不能放棄精英教育的理想和目標，尤其是一些特殊專業(yè)（譬如“航天控制”類專業(yè)）更是應該堅持以精英教育為主、大眾化教育為輔的原則。

（三）貫通培養(yǎng)目標的定位

上文已述及，本碩貫通陪養(yǎng)的目標是造就專業(yè)精英人才。具體到我們“航天控制”類專業(yè)，就是要培養(yǎng)該領(lǐng)域具有強大的知識創(chuàng)新、技術(shù)研發(fā)的工程師或理論學術(shù)大師。畢業(yè)生將來具體選擇工程道路還是學術(shù)道路，這取決于其自身興趣、特長以及其他一些客觀因素，我們的培養(yǎng)目標就是使其成為“理工融合的通才”。上世紀為我國“兩彈一星”事業(yè)建立了卓越功勛的錢學森、郭永懷等，以及著名科學家、教育家錢偉長，都是理工融合的大家，這在很大程度上得益于他們的導師——哥廷根應用科學學派的傳人馮卡門教授所倡導的理工融合的教學和科研理念。2005年，錢學森對前來探望他的溫家寶同志感慨地說：“這么多年培養(yǎng)的學生，還沒有哪一個的學術(shù)成就能夠跟民國時期培養(yǎng)的大師相比。為什么我們的學校總是培養(yǎng)不出杰出的人才？”這就是著名的“錢學森之問”。錢老之問固然有國家政策體制、社會文化等多方面的深刻原因，但是筆者以為，新中國成立后的幾十年來，我國高等工科教育對“理工融合”重視不夠，甚至曾在某一歷史階段人為的割裂理工，導致培養(yǎng)的學生功底不厚、后勁不足，這也是重要原因。所以，今天我們“航天控制”類專業(yè)欲培養(yǎng)未來創(chuàng)新型精英人才，一定要把“理工融合”作為本碩貫通培養(yǎng)的目標和理念。我們科教戰(zhàn)線上的同志深切地期待早日破解“錢學森之問”！

三、培養(yǎng)模式的思考

貫通培養(yǎng)就是在本科新生中選拔對科研學術(shù)懷有濃厚興趣、基礎(chǔ)扎實（主要表現(xiàn)為高考數(shù)學和物理成績優(yōu)秀）的學生，單獨組班，不按傳統(tǒng)專業(yè)分類授課，而是按大類統(tǒng)一授課（比如“飛行器設(shè)計”與“飛行器控制”可以合并），以期夯實其基礎(chǔ)，拓寬其知識面，并通過嚴格的考核淘汰機制，遴選優(yōu)秀學生，免試進入碩士研究生階段繼續(xù)深造。所以下文僅就本科階段的培養(yǎng)模式的幾個要素進行闡述和分析。

（一）拆除專業(yè)壁壘，按大類和大方向統(tǒng)一培養(yǎng)

本科階段的培養(yǎng)模式最能體現(xiàn)本碩貫通培養(yǎng)模式的特點，因為普通的大學本科生培養(yǎng)模式是按照教育部專業(yè)目錄里的具體專業(yè)劃分來制訂培養(yǎng)方案和課程體系的，在這種培養(yǎng)方案下，工科各專業(yè)從大學二年級開始其課程設(shè)置就出現(xiàn)了分化，到了大學三年級各專業(yè)的課程設(shè)置就有顯著區(qū)別了，明顯地體現(xiàn)出專業(yè)化的差異。而本碩貫通培養(yǎng)的模式則不同，因其大學本科階段按大類培養(yǎng)，沒有過細的專業(yè)劃分，所以一個專業(yè)大類的本碩連讀班其課程設(shè)置是完全相同的。具體到我們“航天控制”類專業(yè)方向，在本科階段可以把傳統(tǒng)的“飛行器設(shè)計與工程”和“探測制導與控制技術(shù)”兩專業(yè)合并起來，進行一體化培養(yǎng)。

（二）打造既寬且厚的理論基礎(chǔ)，尤其是數(shù)理力學基礎(chǔ)

理論基礎(chǔ)的“寬度”和“厚度”是對立統(tǒng)一的辯證關(guān)系。說其對立是因為人的精力是有限的，在打厚基礎(chǔ)的同時難免會犧牲寬度，反之亦然，這是容易理解的。但是我們還應充分認識到“寬度”和“厚度”之間的另一層關(guān)系，即統(tǒng)一性。這種統(tǒng)一性體現(xiàn)在理論基礎(chǔ)的寬度和厚度可以互相促進。一個理論基礎(chǔ)厚實的學者比理論基礎(chǔ)薄弱的學者具有更強的接受新知識、新理論的能力，從而有利于其拓寬知識面，即理論基礎(chǔ)的寬度;反過來，如果一個學者具有寬廣的理論基礎(chǔ)，其學術(shù)視野就會比較開闊，思維就會比較活躍，更容易打通各個知識領(lǐng)域間的聯(lián)系，達到融會貫通的效果，加深其對已掌握的理論的理解，從而加厚其理論基礎(chǔ)。在這里筆者分別舉“以厚促寬”和“以寬促厚”的例子。我國著名科學家錢偉長院士本是力學專業(yè)出身，對力學中的變分方法和數(shù)學物理方法的運用達到了爐火純青的地步，結(jié)果其在晚年寫出了電磁學中的學術(shù)專著《格林函數(shù)和變分法在電磁場和電磁波計算中的應用》，可見錢老的理論功底已經(jīng)很容易地拓展到電磁科學的領(lǐng)域，這是“以厚促寬”的例子。反過來的例子是：上世紀60年代美國學者卡爾曼將力學中的“狀態(tài)空間”概念引入控制學科，創(chuàng)立了現(xiàn)代控制理論，為近現(xiàn)代科學史寫下了濃墨重彩的一筆。這個例子說明，寬廣的理論基礎(chǔ)可以促使學者運用其他學科的方法和技巧加深自身學科領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，甚至可能創(chuàng)新。

（三）本科階段就注重研究性教學的實施，培養(yǎng)學生獨立思考、批判創(chuàng)新的意識和能力

我們不能忘記，碩博連讀班的本科階段是為碩士階段做準備的，這種準備工作不僅是理論知識的準備，更是獨立思考、批判創(chuàng)新意識和能力的準備。而這種意識和能力需在本科階段就要注重培養(yǎng)。具體怎么培養(yǎng)，筆者認為在大三的專業(yè)基礎(chǔ)課階段就要通過以問題為導向的、師生互動的研究性教學方式來實現(xiàn)。到了大四畢業(yè)設(shè)計階段，本碩連讀班應與普通班有明顯的區(qū)別，主要體現(xiàn)在兩個方面：①畢設(shè)題目要由學生自己提出，而非傳統(tǒng)的“教師出題，學生選題”;②畢設(shè)論文中對創(chuàng)新性的要求高于普通班，我們可以不必拘泥于學生必須成功解決問題，關(guān)鍵是要運用新方法。我們允許其失敗，只要能科學地分析失敗的原因，畢業(yè)設(shè)計論文也可以認定為合格。

四、課程體系的思考

培養(yǎng)能否成功，關(guān)鍵因素有兩個：優(yōu)質(zhì)師資的配備和課程體系的科學合理設(shè)置。本文僅對課程體系設(shè)置方面來談?wù)剛€人粗淺的看法。

前面已述及，本碩貫通培養(yǎng)的本科階段可以被視為碩士研究生的預科階段，該階段的主要任務(wù)是夯實學生數(shù)理力學基礎(chǔ)和其他必要的理論技術(shù)基礎(chǔ)。只要能從這個視角出發(fā)，我們就可以解放思想，突破傳統(tǒng)的具體專業(yè)的本科培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標的約束。一言以蔽之，就是在本科階段，他們的課程體系里僅包含很少的關(guān)于“飛行器”、“航天器”、“飛行控制”等之類的傳統(tǒng)意義上的專業(yè)課程。在傳統(tǒng)觀念里，因為其所修的專業(yè)課門類和學分不達標，是不能授予學士學位的，但是在我們的本碩貫通培養(yǎng)體系里，可以大膽授予其“飛行器設(shè)計與工程”或“探測制導與控制技術(shù)”學士學位，甚至可以考慮授予其“工程力學”或“應用數(shù)學”專業(yè)的學士學位，當然，這需要學校相關(guān)管理部門，特別是學位管理部門的大力配合。

下面就對課程體系里的相關(guān)課程進行分類闡述。

（一）數(shù)學類

恩格斯給數(shù)學的定義是：“數(shù)學是研究現(xiàn)實世界數(shù)量關(guān)系和空間形式的科學”，并且說：“要想辯證而唯物地了解自然，就必須熟悉數(shù)學”。馬克思說：“任何一門科學只有成功地運用到數(shù)學時才算達到真正完善的地步”。革命導師的語錄從一個側(cè)面反映出數(shù)學在自然科學領(lǐng)域中的極端重要性。作為“航天控制”類專業(yè)當然也不例外地強烈地依賴于數(shù)學基礎(chǔ)。在本碩貫通培養(yǎng)體系里，我們首要的任務(wù)就是夯實學生的數(shù)學基礎(chǔ)。其中《數(shù)學分析》、《線性代數(shù)》、《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》要按數(shù)學專業(yè)的要求去修。工程數(shù)學類課程，除了傳統(tǒng)的《復變函數(shù)與積分變換》、《數(shù)值計算方法》外，還應加入《微分幾何初步》、《張量初步》、《矢量場論》、《數(shù)學物理方程》、《隨機過程》、《微分方程近似解》等重要課程。

（二）力學類

首先我們看：什么是力學？“力學是一門應用性很強的基礎(chǔ)科學，是研究力與運動規(guī)律的學科。力學建立在牛頓力學和經(jīng)典力學的基礎(chǔ)上，主要涉及宏觀運動，目前已擴展至微納觀層次”。這是國家自然科學基金委員會組織撰寫的《力學學科發(fā)展研究報告》（2007年版）中給力學下的定義。從這個定義中我們看到了力學的雙重屬性：基礎(chǔ)性和應用性。“航天控制”類專業(yè)首當其沖的問題就是給航天器進行動力學建模，包括軌道動力學、姿態(tài)動力學以及其他更復雜的高階模型，所以力學知識非常重要，這是力學學科在我們“航天控制”類專業(yè)中應用屬性的體現(xiàn)。但是力學的功效還不僅于此，因為它還提供了分析和解決問題的思維方式，力學中的觀點和方法可以直接借鑒引用到控制學科中去，這又是力學學科基礎(chǔ)性的重要體現(xiàn)。所以，在我們的“航天控制”類本碩貫通培養(yǎng)方案中要給力學類課程留以十分突出的地位，其課程規(guī)格和學時要按力學專業(yè)的標準來要求。初步考慮開設(shè)如下課程：《理論力學》（含分析力學）、《天體軌道力學》（按天文專業(yè)的標準開課）、《連續(xù)介質(zhì)力學》、《材料力學》、《彈性力學》、《流體力學》、《空氣動力學》、《變分法與有限元》等。

（三）系統(tǒng)建模、分析與控制類

這里所謂的“系統(tǒng)”是比較抽象的系統(tǒng)，既非傳統(tǒng)機械專業(yè)中的機械系統(tǒng)，或電類專業(yè)的電路系統(tǒng)，或信號傳輸與處理系統(tǒng)，也非傳統(tǒng)自動化專業(yè)中的自動控制系統(tǒng)，等等。我們期望將以上各類物理形態(tài)迥異的動態(tài)系統(tǒng)抽象出其共同的數(shù)學特性或微分動力學特性，運用統(tǒng)一的觀點和方法來進行建模、分析與控制。比如我們知道，在引入“流”和“勢”的概念后，電路分析中的網(wǎng)孔法和節(jié)點法可以方便地移植到力學系統(tǒng)中。我們也知道，在引入了“能量”和“拉格朗日函數(shù)”的概念后，力學中的拉格朗日動力學方程可以方便地用于電路系統(tǒng)建模或機電耦合一體化系統(tǒng)建模。還有，我們知道，描述離散機械振動系統(tǒng)和晶體管振蕩電路的系統(tǒng)的數(shù)學模型都是二階常微分方程，而描述機械彈性波、聲波、電磁波的數(shù)學模型都是雙曲型二階偏微分方程。鐘萬勰院士發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)力學與現(xiàn)代控制理論之間具有很強的相似性。以上種種，生動地印證了列寧所指出的：“自然界的統(tǒng)一性顯示在關(guān)于各種現(xiàn)象領(lǐng)域的微分方程式的驚人相似性中”。所以我們的這種設(shè)想是可以找到充分的哲學依據(jù)和事實依據(jù)的，從而也是合理的。但是在具體落實上，我們還可能遇到師資條件方面的制約，有待于上下一心來解決。

（四）仿真和實驗技能類

仿真和實驗是工科學生必備的基本技能，作為本碩貫通培養(yǎng)的優(yōu)秀學生更是應該扎實掌握系統(tǒng)仿真和物理實驗的基本理論和技能。這里所說的“仿真”包括計算機數(shù)值仿真、半物理仿真、全物理仿真。實驗技能不僅包括實驗操作技能，更重要的是設(shè)計實驗方案的技能和事后處理數(shù)據(jù)的技能。根據(jù)以上要求，除了正常的實驗課程外，我們擬新開設(shè)的相關(guān)課程有：《基于matlab/simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)》、《量綱分析與相似原理》、《系統(tǒng)辨識》、《誤差分析》、《故障診斷技術(shù)》等。

五、結(jié)語

“航天控制”類專業(yè)精英人才需要特殊培養(yǎng)，本碩貫通培養(yǎng)是有效的手段。在培養(yǎng)方案和課程體系的設(shè)計上，關(guān)鍵的是打破了傳統(tǒng)專業(yè)壁壘的限制和思維模式的禁錮，解放思想，大膽創(chuàng)新實踐，并及時總結(jié)經(jīng)驗教訓，改進工作。筆者以為，隨著高等學校辦學自主權(quán)的不斷增加，筆者的這些構(gòu)想總會一步步地變成現(xiàn)實，為助中華民族航天夢、強國夢的實現(xiàn)而起到積極的作用。

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