“航天器控制理論與方法”專業方向培養方案和教學團隊建設的實踐與思考

摘要：“航天器控制”是我校“探測制導與控制技術”專業的重要培養方向。該方向具有理學與工學的雙重屬性。在該方向的教學中，加入近現代應用數學和近代分析力學的課程，夯實學生的數理力學功底，能夠增加學生在專業領域的發展前景和創新能力；同時強化學生工程實驗能力的培養，使之樹立工程的思想觀念，掌握解決工程問題的基本方法。這對于實現理工融合的教育理念，培養我國未來創新型航天科技人才意義重大。師資隊伍建設是專業建設、人才培養的生命線，必須持續努力改善師資隊伍知識和能力結構，保障教學改革的貫徹落實和順利進行。

關鍵詞：航天器控制；數理力學；工程實驗；人才培養；師資隊伍建設

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）40-0143-04

一、緒論

“航天器控制理論與方法”是我校“探測制導與控制技術”本科專業的一個重要培養方向。該專業方向經過近十年的建設和發展，在人才培養和科學研究兩個方面取得了長足的進步。我校大批畢業生進入航天科研院所工作，不少人已成為業務骨干，為我國航天事業進步和發展做出了應有的貢獻。

當前，我國航天科技重大工程諸如載人航天、月球探測、北斗導航等均取得階段性重大成果，正在醞釀和制定下一階段主要發展目標和發展路線，我國航天事業處在承上啟下的關鍵時期。在科教體制方面，國家正在醞釀新一輪改革，以期進一步祛除發展中的體制性弊病和痼疾，促進科教興國大業順利發展。在社會對科技人才的需求方面，隨著我國社會主義市場經濟的逐步完善和開放度的提高，對人才的知識能力結構的要求愈來愈呈現出多元化特點，過去那種靠掌握單一專業技能、在一個工作單位或崗位干一輩子的現象很難再出現了。包括人才在內的各種社會資源在社會化生產中的重新配置和流動將愈益頻繁，也要求我們培養出的學生必須具備更厚的基礎、更廣的知識和技能、更強的適應性和開創性。

為了主動適應我國航天科技事業以及社會主義市場經濟對未來高科技、高素質人才的需求，作為重點大學航天主干專業的教師，我們必須進一步思考如何建設一支高水平的航天主干專業師資隊伍，如何進一步改革和改進教學內容和模式，如何更好地培養出我國未來航天科技事業的合格接班人，為早日圓中華名族強國夢做出我們這一代教育工作者的貢獻。

本文將從“航天器控制理論與方法”專業方向培養目標、教學內容、師資隊伍建設等方面闡述筆者近年來的實踐與思考，以期引起國內同仁的關注和討論，促進共同提高和進步。

二、“航天器控制理論與方法”專業方向培養目標的探討

顧名思義，“航天器控制理論與方法”專業方向的學科特質是航天器動力學與控制理論的交叉融合。即以各類航天器為對象，運用控制理論的觀點和方法，設計控制律，并分析其閉環或開環（取決于控制律）動態特性，用以指導工程設計和應用。具體到我們這樣一所在業內享有盛譽的重點大學，該專業方向的培養目標該如何定位，才能既符合國家和社會對人才的需求，又能體現我們的特色和優勢，這是我們院系領導和一線教師長期探索的一個重要課題。下面將從該專業方向在我校的發展歷史、存在的問題和解決的思路等方面闡述。

（一）原來的定位——發展歷史

我校是一所老牌航空航天高等院校，探測制導與控制技術專業在我校有著悠久的辦學歷史（盡管早先的專業名稱未必這樣），但傳統優勢方向是航空器和航空武器的探測制導與控制技術。在航天器控制方向，盡管也積累了較好的基礎，但是教學和科研力量比較分散，沒有以院系建制形式集中統一在一起。2006年航天控制系成立，同年“探測制導與控制技術”（航天控制方向）開始招生，標志著“航天器控制”作為我校“探測制導與控制技術”的一個重要專業方向以院系建制的形式被正式確立，也為我校“三航”（航空、航天、民航）特色辦學提供了重要的支撐。在培養目標的定位過程中，我們曾充分調研了國內兄弟院校，特別是傳統航空航天類重點院校的培養方案，初步確定將航天器軌道動力學與控制作為我們的重點培育和發展方向，這主要基于以下幾點考慮：①深空探測是我國乃至世界未來航天技術發展的一個重要方向，其中軌道動力學的分析和計算起著關鍵作用；②國內傳統航空航天類重點院校在軌道動力學方向比起我校沒有明顯優勢，我們選擇此方向作為重點建設方向完全可能迎頭趕上；③南京大學的天體力學（含天體軌道力學）在國內首屈一指，我校與南大毗鄰，因此在人才培養和交流、科研合作等方面具備獨特的地域優勢，可以藉此推動我校在航天器軌道力學方面的快速發展；④我校在飛行器控制理論與技術方面具備傳統優勢，將這方面的積累（成果和師資）轉移應用到航天器控制領域，有望實現航天器控制專業方向的跨越式發展。

由于專業培養目標定位合理明確，師資培養和引進工作順利，一線教師甘于奉獻、勤奮工作，我校探測制導與控制技術專業之“航天器控制”方向在短短幾年之內就在人才培養和科學研究方面取得了累累碩果。我們不僅培養了一大批優秀的本科生，而且選拔了一批優秀的學生繼續在航天器“導航、制導與控制”學科深造，攻讀碩士和博士學位。現在已有不少畢業生成為我國航天科研院所的專業技術骨干。這表明我們“航天器控制理論與方法”專業方向的辦學實踐是成功的。

（二）顯露出來的問題

盡管我校在“航天器控制理論與方法”專業方向上的辦學取得了較大的成績，但是在多年的教學實踐過程中，我們也逐漸發現了一些不足和缺陷。特別是在國家科技、教育、經濟、就業等形式發生重大變化的今天，這些不足和缺陷更應該引起我們足夠的重視，積極思考，認真應對，進一步改進工作，更好地適應國家和社會對人才培養的需要。下面逐一剖析我校探測制導與控制技術專業之“航天器控制理論與方法”方向在培養目標定位中顯露出的問題。

1.培養目標單一化，缺乏細化分類。我們在確立“航天器控制理論與方法”這一培養方向之初，就將“熟練掌握近地航天器軌道計算、分析和設計的基本理論、方法和技能，熟練掌握航天器軌道和姿態控制的基本理論、方法和技能”作為我系探測制導與控制技術專業本科的培養目標。在肯定其科學合理性的同時，應該看到其局限性所在。航天器控制無論是作為專業方向，還是科技產業門類，其所包含的內容是豐富的，近地航天器軌道動力學與控制只是其中之一（盡管是非常重要的）。我們在要求該專業方向學生熟練掌握近地航天器軌道計算和控制基本理論、方法和技能的同時，還應掌握航天器控制其他重要領域的基本知識和技能，比如再入大氣航天器的軌道（彈道）力學和控制方法、航天器交會對接的相對動力學與控制等。過于單一和狹窄的專業培養目標，一方面容易導致學生知識和能力結構欠缺，影響到其發展后勁，另一方面直接導致學生擇業時選擇余地不足，影響其就業。

2.理工融合不夠，培養目標在體現厚基礎寬口徑方面有待進一步優化。誠如上述，我們的“航天器控制理論與方法”專業方向的建設重點是航天器軌道動力學與控制。而航天器軌道動力學與控制是典型的同時具有理學和工學特色的專業方向。它的理學特色體現于“軌道力學”，最早可以上溯到18世紀以來拉普拉斯、龐加萊這些數學、力學家在天體軌道計算方面的開創性工作。因此，要想真正掌握航天器軌道力學，哪怕只是近地橢圓軌道力學，也須具備非常扎實的數理力學功底。它的工學特色又體現在“控制理論和方法”方面。航天器的控制不僅是個理論問題，更是一個需要綜合考慮諸多工程實際限制因素的工程技術問題。通過該專業方向的培養，我們的重要目標是讓學生牢固樹立工程的思想和觀念，有能力設計有實際應用價值的控制規律和技術方案。但是反觀我們現有的培養目標，在“理”和“工”兩方面都欠火候，在“理工融合”方面就更是有問題了，具體表現在：①在“理”方面，我們沒有要求學生熟練掌握近代分析力學、近現代應用數學的基本知識和方法，學生的理論力學課程也是按照非力學專業的規格和學時去教學的，直接導致數理力學功底偏薄弱，發展后勁受限。②在“工”方面，航天器控制領域的必要的實驗設計、實驗操作和實驗數據處理技能方面沒有納入培養目標。一方面導致學生動手實踐能力差，更重要的是難以樹立工程的思想和觀點，以及解決工程問題的思維方法和套路訓練。③至于“理工融合”，就更是一個有挑戰性的課題。粗淺地講，“理工融合”的培養目標就是要培養“工程師中的科學家”和“科學家中的工程師”，這實際上也是我國老一輩科學大師，如錢學森、錢偉長等哥廷根學派傳承人極力倡導的高等工科教育的理念，可惜直到現在，我國的重點工科大學還沒能普遍地實現這樣的目標。

（三）解決的思路——培養目標重定位和優化

1.培養目標細化分類，實現個性化培養。誠如前述，“航天器控制理論與方法”本身所包含的內容是廣泛的，我們在強調重點方向（航天器軌道動力學與控制）的同時，決不能忽略其他方向，以適應我國航天科技工業部門對人才的廣泛需求。為此，我們考慮在新一輪培養方案的改革和調整中，將培養目標細化分類。除了“航天器控制理論與方法”方面的共同專業課程在一起教學外，在大三下學期或大四上學期就要根據不同的亞類分班教學。對于個別學術科研苗子，要早發現、早培育，“單獨開小灶”，加大課程深度，及早進行科研方法的訓練。如果符合推免研究生條件，則要吸收進相關老師的科研團隊。

2.在培養目標中凸顯對數理力學基本功底的要求。無論是近地航天器軌道動力學，還是再入航天器彈道學，要想真正學懂學透，融會貫通，舉一反三，非具備扎實的數理力學功底不可。否則，我們培養出來的學生，學近地軌道的設計不了深空探測軌道，學衛星控制的搞不了飛船再入控制，學再入彈道的不會計算繞地橢圓軌道。這樣的學生發展后勁不足，工作適應性差，更不能期待做出創新性的成果來。因此，我們在探測制導與控制技術之“航天器控制理論與方法”的培養方案中，必須強調“培養學生具備扎實的數理力學功底”。

3.培養目標中應強調對實驗技能和工程實踐能力的要求。我校是一所工科院校，探測制導與控制技術（航天器控制方向）是工科專業，這樣的本質屬性要求我們須臾不能忘記本專業的培養目標中必須包含對實驗技能的要求。而且這種實驗技能不僅僅是普通的實驗技能，比如《大學物理》、《模擬電路》、《數子電路》、《自動控制原理》、《微機原理》等課程中所要求的基本技能，而是要求學生具備一定的工程實驗技能，即是為解決一個比較綜合的工程問題，進行實驗方案設計、實驗操作、事后的實驗數據分析和處理能力。只有具備這樣的實驗能力，才算達到了我校“航天器控制理論與方法”專業方向本科畢業生的要求。

三、教學內容和教學模式改革探討

教學內容和教學模式是為培養目標服務的，有什么樣的培養目標就應該制定什么樣的教學內容，實行什么樣的教學模式。圍繞以上培養目標的調整，本專業方向的教學內容和模式也宜作以下調整或改革。

（一）大幅度增加近現代應用數學和近代分析力學的課程

現在我校探測制導與控制技術（航天控制方向）專業教學計劃中所涉及的數學課程，除了包括全校公共基礎課的《高等數學》、《線性代數》、《概率論與數理統計》外，僅有《復變函數與積分變換》、《數值計算方法》兩門課，而且課時都較小。《理論力學》是按非力學類專業的培養規格教學的，內容只涉及古老的牛頓矢量力學部分，缺乏作為近代力學基礎的拉格朗日分析力學。而且隨著一輪又一輪的所謂教學改革，為學生“減負”，以上課程的課時被一縮再縮，學生的數理力學基本功訓練得不到必要保證，一線教師普遍感覺到學生的基礎越來越薄弱，前景堪憂。為了改變這種狀況，培養基本功底扎實的航天控制類精英人才，我們擬在修訂培養方案和教學計劃中，大幅度增加近現代應用數學和近代分析力學的課程，初步計劃增加如下課程：《數學物理方法》、《張量初步》、《攝動方法》、《量綱分析》、《分析力學》。這些課程所能提供給學生的不僅僅是知識，更重要的是思考和解決廣泛的數學、物理和工程問題的方法和技能，作為“航天器控制理論與方法”專業方向的學生，當然應該熟練掌握之。下面僅就《張量初步》、《攝動方法》、《量綱分析》等課程的必要性做簡要說明。張量理論是數學的一個分支，其概念源自力學，最早用來表示彈性介質中各點的應力狀態，后來人們發現許多物理量均具有張量的屬性——對坐標變換的不變性。現在工科學生熟知的矢量和標量都是張量的特例，分別是一階張量和零階張量，它們均具有對坐標變換的不變性。但是世界上的物理量僅用標量和矢量來描述是不夠的，比如航天器的轉動慣量，既非矢量也非標量，而是一個二階張量。如果我們用張量的概念來描述航天器的轉動慣量，就比通常大部分教科書所用的轉動慣量矩陣更能反映其本質。因為慣量矩陣對坐標變換是變化的，而張量是不變的，不變的量恰恰是事物的本質屬性。下面再說《攝動方法》。攝動方法是近似求解非線性代數方程、常微分方程、偏微分方程的強有力工具。該方法誕生于數子電子計算機還沒有問世的近代，最早被科學家用來計算天體軌道。1946年數字電子計算機問世后，數值求解成為人們最熱衷的方法，但是數值解很難給出帶有規律性的結果。攝動法可以通過引入小參數攝動，給出復雜問題的近似解析解，不僅求解方便，而且能夠發現解的結構中一些規律性的東西，更利于我們認識事物的本質。所以《攝動方法》是一門具有方法論性質的重要課程。最后講《量綱分析》。量綱分析是一門十分重要但幾乎被我國高等工科學校嚴重忽視的課程。上世紀我國一大批數理力學家均能十分熟練地運用量綱分析的方法來對系統建模、實驗數據進行分析。但是不知何故，現在這門課在高等工科學校的教學計劃中幾乎絕跡。據傳，牛頓最早就是用量綱分析的方法從開普勒第三定律導出萬有引力定律的！我們呼吁高等工科學校盡快給《量綱分析》以應有地位。

（二）加大綜合實驗課的比重，提高學生工程實驗技能

我校探測制導與控制技術（航天控制方向）專業的教學計劃中，課程實驗的課時不少，但是綜合實驗課的課時嚴重不足，而綜合實驗課是培養學生工程實驗技能，使其確立工程觀念和思想，培養其用實驗或試驗的手段解決工程問題的最重要的機會。造成此種局面的原因是復雜的，既涉及到師資隊伍本身的知識和能力結構，也涉及到當前高校內部考核評價機制不夠健全，影響廣大教師從事實驗教學的積極性等。因此，要根本解決此問題，必須從學校內部管理和評價機制等深層次入手，大刀闊斧改革，進一步健全實踐教學評價機制，鼓勵一部分優秀教師能專心從事綜合實驗課的教學工作。

（三）對學生實行“精英化”和“大眾化”分離的分類教學模式

探測制導與控制技術（航天控制方向）專業的畢業生未必全部到航天科技工業部門就業，更未必全部從事該領域的學術科研工作。相當數量的畢業生會進入國民經濟建設的其他各業，比如工業自動化、機電設計、企業管理等。對于那部分有志于從事航天科技，尤其是在學術科研方面有發展潛力的學生，我們在教學計劃中應加大必修課的比重，降低選修課的比重，因為必修課是為今后從事學術科研打基礎的非常重要的課程。對于其他學生，則可適度減小必修課的比重，根據其個人興趣和未來擇業方向，給其以自由選課的機會，只要修滿規定學分，就是合格的畢業生。當然可以預見，這種改革方案在操作層面上將會遇到不少困難，比如怎么分類、何時分類、分類后能否再調整等問題。改革得好，大家滿意；改革得不好，影響穩定。因此，需要我們上下一心，積極探索，謹慎實施。

四、師資隊伍建設中的問題與解決思路

師資隊伍建設始終是專業建設中的核心關鍵。上述培養目標、教學內容和教學模式改革無一不牽扯到師資隊伍本身的建設。因為教學內容要靠教師傳授給學生，教學活動要靠教師來實施，教學改革也要靠教師來貫徹落實，師資隊伍的水平決定了教學效果的“最大理論值”和培養目標的實現程度。欲實施前述教學內容的改革，我們感覺到當前在師資隊伍方面最突出的問題如下。

（一）任課教師學科專業結構過于單一

我校探測制導與控制技術（航天控制方向）的一線任課教師基本均畢業于“導航、制導與控制”或“飛行器設計”二級學科，學科專業結構過于單一，難以完全適應“航天器控制理論與方法”專業方向厚基礎寬口徑人才培養的需要。前文提到，要在教學內容中大幅度增加近現代應用數學和近代分析力學的課程，比如《數學物理方法》、《張量初步》、《攝動方法》、《量綱分析》、《分析力學》等，對于這些課程我們就缺乏專業的授課教師。雖然部分課程比如《數學物理方法》在我校其他專業（比如流體力學或電磁場專業）有授，可以讓我專業學生全部去他院修課，但是畢竟不同專業對該課的要求和課時均不同，在課程教學管理和課程考試協調上會遇到很大障礙。還有一些課程，即便在其他專業也未必有授，比如《攝動方法》和《量綱分析》等。

（二）一線任課教師中具備較強工程實驗技能和教學經驗的教師匱乏

近十年來，我們專業新引進的教師全部是國內重點名牌大學畢業的博士，整體上理論學術水平較高，科研創新能力也較強，但是工程實驗技能相對薄弱。造成此種現象的原因是多方面的，比如各學校對博士生學術考核的要求偏重于理論水平，而工程實踐能力受到一定淡化。這就造成了我們的一線教師中具備較強工程實驗技能的比較匱乏。

解決以上問題的初步考慮如下。

1.在現有師資中發掘并動員一些數理力學功底厚實的教師，鼓勵其早日為本科生開出上述近現代應用數學和分析力學的課程來，并在教學工作量計算、職稱評聘等方面給予傾斜或適當照顧，以激勵其為打牢學生基本功多多出力。

2.在新引進師資中，我們不必局限于接收“導航、制導與控制”、“飛行器設計”等學科專業的博士畢業生。對于“應用數學”、“力學”等學科專業的優秀博士畢業生，只要熱愛航天及國防教育事業、有志于轉型從事航天器動力學與控制方面的應用數學問題或力學問題研究，我們應該張開雙臂歡迎。引進這些師資后就不愁我們專業的本科生數理力學功底打不扎實了。

3.盡快引進高水平的實驗技師，為我專業的學生開設高水平的綜合實驗課。在引進師資的學歷中，也應該解放思想，實事求是，不能一刀切地“非博士不要”。古人早就說過“不拘一格降人才”，我們現在難道不應該比古人更開明、更有胸懷和眼界嗎？

五、結論與展望

世界新一波科技革命浪潮已經掀起，祖國航天事業和科教興國偉大戰略已經向我們吹響了沖鋒的號角，國家和社會對新一代高素質、復合型科技人才的需求比歷史上任何時期都迫切。作為重點工科大學的一線教育工作者，我們責任重大，必須深刻認識到：越是在科技日新月異的今天，越是要夯實學生的基礎；越是在知識翻新快的時候，越是要加強師資隊伍自身的建設。只要我們著眼于夯實學生數理力學基本功和工程實踐能力基本功，抓住師資隊伍建設這條主線，就抓住了問題的要害，相信我們專業方向的人才培養工作會更上一層樓，為祖國航天事業、科教興國和國民經濟建設輸送更好、更多的合格人才。

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