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(dāng)前高等教育大眾化背景下，研究型重點(diǎn)大學(xué)應(yīng)堅(jiān)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(yīng)堅(jiān)持以精英教育為主。本碩貫通培養(yǎng)是實(shí)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(biāo)的定位、模式、課程體系的創(chuàng)新設(shè)計(jì)等闡述了筆者的觀點(diǎn)。

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

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

一、前言

上世紀(jì)90年代末我國(guó)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(guó)高等教育的發(fā)展帶來了巨大機(jī)遇，也給我們南京航空航天大學(xué)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(xué)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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)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(guó)創(chuàng)辦的首批航空航天重點(diǎn)院校，承載著國(guó)家和民族的期待，在航天科技創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面責(zé)無旁貸。但是伴隨著高等教育大眾化改革的推進(jìn)，我校各專業(yè)的招生規(guī)模顯著加大，對(duì)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(xué)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(shí)踐與思考，認(rèn)為：①像南航這樣的重點(diǎn)大學(xué)應(yīng)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(shí)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(diǎn)和解決方案，促進(jìn)我國(guó)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(mèng)。

二、貫通培養(yǎng)目標(biāo)的定位

（一）“航天控制”類專業(yè)實(shí)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(hù)）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?yàn)樯婕皣?guó)防安全）、心理素質(zhì)（因?yàn)楹教彀l(fā)射、飛行和回收工程的高風(fēng)險(xiǎn)性）、身體素質(zhì)（因?yàn)橹卮罂蒲泄リP(guān)常常需要夜以繼日的連續(xù)工作和奮戰(zhàn)）和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。這里所說的“能力”主要包括知識(shí)更新及自學(xué)能力、科研創(chuàng)新能力、技術(shù)研發(fā)能力。對(duì)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(shí)行精英教育，以培養(yǎng)國(guó)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(biāo)，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(shí)普及。

（二）貫通培養(yǎng)是精英教育的有效手段

上世紀(jì)八九十年代我國(guó)高等教育尚處于精英教育時(shí)代，國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)大學(xué)就開始試行本碩連讀制，一方面藉此吸引優(yōu)秀生源報(bào)考，另一方面針對(duì)優(yōu)秀生源中的部分尖子學(xué)生進(jìn)行特色化精英培養(yǎng)，在本科低、中年級(jí)階段（一般是大一至大三）不細(xì)化專業(yè)，而是按大類培養(yǎng)，以夯實(shí)其基礎(chǔ)，中間經(jīng)過比較嚴(yán)格的考核淘汰機(jī)制，對(duì)通過考核競(jìng)爭(zhēng)的學(xué)生免試攻讀碩士研究生，只有在此時(shí)才根據(jù)學(xué)生的興趣、特長(zhǎng)等因素細(xì)化學(xué)科和專業(yè)。這種培養(yǎng)模式確實(shí)取得了預(yù)期的效果，不少本碩連讀生在后來的學(xué)術(shù)或?qū)I(yè)生涯中取得了比同齡人更大的成績(jī)，并且將其歸功于本科階段寬廣扎實(shí)的基礎(chǔ)。今天我們的研究型大學(xué)在適應(yīng)國(guó)家高教大眾化改革的同時(shí)，決不能放棄精英教育的理想和目標(biāo)，尤其是一些特殊專業(yè)（譬如“航天控制”類專業(yè)）更是應(yīng)該堅(jiān)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(biāo)的定位

上文已述及，本碩貫通陪養(yǎng)的目標(biāo)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(qiáng)大的知識(shí)創(chuàng)新、技術(shù)研發(fā)的工程師或理論學(xué)術(shù)大師。畢業(yè)生將來具體選擇工程道路還是學(xué)術(shù)道路，這取決于其自身興趣、特長(zhǎng)以及其他一些客觀因素，我們的培養(yǎng)目標(biāo)就是使其成為“理工融合的通才”。上世紀(jì)為我國(guó)“兩彈一星”事業(yè)建立了卓越功勛的錢學(xué)森、郭永懷等，以及著名科學(xué)家、教育家錢偉長(zhǎng)，都是理工融合的大家，這在很大程度上得益于他們的導(dǎo)師——哥廷根應(yīng)用科學(xué)學(xué)派的傳人馮卡門教授所倡導(dǎo)的理工融合的教學(xué)和科研理念。2005年，錢學(xué)森對(duì)前來探望他的溫家寶同志感慨地說：“這么多年培養(yǎng)的學(xué)生，還沒有哪一個(gè)的學(xué)術(shù)成就能夠跟民國(guó)時(shí)期培養(yǎng)的大師相比。為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出的人才？”這就是著名的“錢學(xué)森之問”。錢老之問固然有國(guó)家政策體制、社會(huì)文化等多方面的深刻原因，但是筆者以為，新中國(guó)成立后的幾十年來，我國(guó)高等工科教育對(duì)“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(dǎo)致培養(yǎng)的學(xué)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(biāo)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(xué)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(duì)科研學(xué)術(shù)懷有濃厚興趣、基礎(chǔ)扎實(shí)（主要表現(xiàn)為高考數(shù)學(xué)和物理成績(jī)優(yōu)秀）的學(xué)生，單獨(dú)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(jì)”與“飛行器控制”可以合并），以期夯實(shí)其基礎(chǔ)，拓寬其知識(shí)面，并通過嚴(yán)格的考核淘汰機(jī)制，遴選優(yōu)秀學(xué)生，免試進(jìn)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(gè)要素進(jìn)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(diǎn)，因?yàn)槠胀ǖ拇髮W(xué)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(xué)二年級(jí)開始其課程設(shè)置就出現(xiàn)了分化，到了大學(xué)三年級(jí)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(xué)本科階段按大類培養(yǎng)，沒有過細(xì)的專業(yè)劃分，所以一個(gè)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(jì)與工程”和“探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)”兩專業(yè)合并起來，進(jìn)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(xué)基礎(chǔ)

理論基礎(chǔ)的“寬度”和“厚度”是對(duì)立統(tǒng)一的辯證關(guān)系。說其對(duì)立是因?yàn)槿说木κ怯邢薜?，在打厚基礎(chǔ)的同時(shí)難免會(huì)犧牲寬度，反之亦然，這是容易理解的。但是我們還應(yīng)充分認(rèn)識(shí)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(jìn)。一個(gè)理論基礎(chǔ)厚實(shí)的學(xué)者比理論基礎(chǔ)薄弱的學(xué)者具有更強(qiáng)的接受新知識(shí)、新理論的能力，從而有利于其拓寬知識(shí)面，即理論基礎(chǔ)的寬度;反過來，如果一個(gè)學(xué)者具有寬廣的理論基礎(chǔ)，其學(xué)術(shù)視野就會(huì)比較開闊，思維就會(huì)比較活躍，更容易打通各個(gè)知識(shí)領(lǐng)域間的聯(lián)系，達(dá)到融會(huì)貫通的效果，加深其對(duì)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(guó)著名科學(xué)家錢偉長(zhǎng)院士本是力學(xué)專業(yè)出身，對(duì)力學(xué)中的變分方法和數(shù)學(xué)物理方法的運(yùn)用達(dá)到了爐火純青的地步，結(jié)果其在晚年寫出了電磁學(xué)中的學(xué)術(shù)專著《格林函數(shù)和變分法在電磁場(chǎng)和電磁波計(jì)算中的應(yīng)用》，可見錢老的理論功底已經(jīng)很容易地拓展到電磁科學(xué)的領(lǐng)域，這是“以厚促寬”的例子。反過來的例子是：上世紀(jì)60年代美國(guó)學(xué)者卡爾曼將力學(xué)中的“狀態(tài)空間”概念引入控制學(xué)科，創(chuàng)立了現(xiàn)代控制理論，為近現(xiàn)代科學(xué)史寫下了濃墨重彩的一筆。這個(gè)例子說明，寬廣的理論基礎(chǔ)可以促使學(xué)者運(yùn)用其他學(xué)科的方法和技巧加深自身學(xué)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(xué)的實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、批判創(chuàng)新的意識(shí)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(zhǔn)備的，這種準(zhǔn)備工作不僅是理論知識(shí)的準(zhǔn)備，更是獨(dú)立思考、批判創(chuàng)新意識(shí)和能力的準(zhǔn)備。而這種意識(shí)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(rèn)為在大三的專業(yè)基礎(chǔ)課階段就要通過以問題為導(dǎo)向的、師生互動(dòng)的研究性教學(xué)方式來實(shí)現(xiàn)。到了大四畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，本碩連讀班應(yīng)與普通班有明顯的區(qū)別，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①畢設(shè)題目要由學(xué)生自己提出，而非傳統(tǒng)的“教師出題，學(xué)生選題”;②畢設(shè)論文中對(duì)創(chuàng)新性的要求高于普通班，我們可以不必拘泥于學(xué)生必須成功解決問題，關(guān)鍵是要運(yùn)用新方法。我們?cè)试S其失敗，只要能科學(xué)地分析失敗的原因，畢業(yè)設(shè)計(jì)論文也可以認(rèn)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(gè)：優(yōu)質(zhì)師資的配備和課程體系的科學(xué)合理設(shè)置。本文僅對(duì)課程體系設(shè)置方面來談?wù)剛€(gè)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(yù)科階段，該階段的主要任務(wù)是夯實(shí)學(xué)生數(shù)理力學(xué)基礎(chǔ)和其他必要的理論技術(shù)基礎(chǔ)。只要能從這個(gè)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(biāo)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?yàn)槠渌薜膶I(yè)課門類和學(xué)分不達(dá)標(biāo)，是不能授予學(xué)士學(xué)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(jì)與工程”或“探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)”學(xué)士學(xué)位，甚至可以考慮授予其“工程力學(xué)”或“應(yīng)用數(shù)學(xué)”專業(yè)的學(xué)士學(xué)位，當(dāng)然，這需要學(xué)校相關(guān)管理部門，特別是學(xué)位管理部門的大力配合。

下面就對(duì)課程體系里的相關(guān)課程進(jìn)行分類闡述。

（一）數(shù)學(xué)類

恩格斯給數(shù)學(xué)的定義是：“數(shù)學(xué)是研究現(xiàn)實(shí)世界數(shù)量關(guān)系和空間形式的科學(xué)”，并且說：“要想辯證而唯物地了解自然，就必須熟悉數(shù)學(xué)”。馬克思說：“任何一門科學(xué)只有成功地運(yùn)用到數(shù)學(xué)時(shí)才算達(dá)到真正完善的地步”。革命導(dǎo)師的語(yǔ)錄從一個(gè)側(cè)面反映出數(shù)學(xué)在自然科學(xué)領(lǐng)域中的極端重要性。作為“航天控制”類專業(yè)當(dāng)然也不例外地強(qiáng)烈地依賴于數(shù)學(xué)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(shí)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。其中《數(shù)學(xué)分析》、《線性代數(shù)》、《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》要按數(shù)學(xué)專業(yè)的要求去修。工程數(shù)學(xué)類課程，除了傳統(tǒng)的《復(fù)變函數(shù)與積分變換》、《數(shù)值計(jì)算方法》外，還應(yīng)加入《微分幾何初步》、《張量初步》、《矢量場(chǎng)論》、《數(shù)學(xué)物理方程》、《隨機(jī)過程》、《微分方程近似解》等重要課程。

（二）力學(xué)類

首先我們看：什么是力學(xué)？“力學(xué)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的基礎(chǔ)科學(xué)，是研究力與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。力學(xué)建立在牛頓力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上，主要涉及宏觀運(yùn)動(dòng)，目前已擴(kuò)展至微納觀層次”。這是國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織撰寫的《力學(xué)學(xué)科發(fā)展研究報(bào)告》（2007年版）中給力學(xué)下的定義。從這個(gè)定義中我們看到了力學(xué)的雙重屬性：基礎(chǔ)性和應(yīng)用性?！昂教炜刂啤鳖悓I(yè)首當(dāng)其沖的問題就是給航天器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，包括軌道動(dòng)力學(xué)、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)以及其他更復(fù)雜的高階模型，所以力學(xué)知識(shí)非常重要，這是力學(xué)學(xué)科在我們“航天控制”類專業(yè)中應(yīng)用屬性的體現(xiàn)。但是力學(xué)的功效還不僅于此，因?yàn)樗€提供了分析和解決問題的思維方式，力學(xué)中的觀點(diǎn)和方法可以直接借鑒引用到控制學(xué)科中去，這又是力學(xué)學(xué)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(xué)類課程留以十分突出的地位，其課程規(guī)格和學(xué)時(shí)要按力學(xué)專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)來要求。初步考慮開設(shè)如下課程：《理論力學(xué)》（含分析力學(xué)）、《天體軌道力學(xué)》（按天文專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)開課）、《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》、《材料力學(xué)》、《彈性力學(xué)》、《流體力學(xué)》、《空氣動(dòng)力學(xué)》、《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(jī)械專業(yè)中的機(jī)械系統(tǒng)，或電類專業(yè)的電路系統(tǒng)，或信號(hào)傳輸與處理系統(tǒng)，也非傳統(tǒng)自動(dòng)化專業(yè)中的自動(dòng)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)抽象出其共同的數(shù)學(xué)特性或微分動(dòng)力學(xué)特性，運(yùn)用統(tǒng)一的觀點(diǎn)和方法來進(jìn)行建模、分析與控制。比如我們知道，在引入“流”和“勢(shì)”的概念后，電路分析中的網(wǎng)孔法和節(jié)點(diǎn)法可以方便地移植到力學(xué)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(xué)中的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程可以方便地用于電路系統(tǒng)建?；驒C(jī)電耦合一體化系統(tǒng)建模。還有，我們知道，描述離散機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)和晶體管振蕩電路的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型都是二階常微分方程，而描述機(jī)械彈性波、聲波、電磁波的數(shù)學(xué)模型都是雙曲型二階偏微分方程。鐘萬(wàn)勰院士發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)力學(xué)與現(xiàn)代控制理論之間具有很強(qiáng)的相似性。以上種種，生動(dòng)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(xué)依據(jù)和事實(shí)依據(jù)的，從而也是合理的。但是在具體落實(shí)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(shí)驗(yàn)技能類

仿真和實(shí)驗(yàn)是工科學(xué)生必備的基本技能，作為本碩貫通培養(yǎng)的優(yōu)秀學(xué)生更是應(yīng)該扎實(shí)掌握系統(tǒng)仿真和物理實(shí)驗(yàn)的基本理論和技能。這里所說的“仿真”包括計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真、半物理仿真、全物理仿真。實(shí)驗(yàn)技能不僅包括實(shí)驗(yàn)操作技能，更重要的是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)》、《誤差分析》、《故障診斷技術(shù)》等。

五、結(jié)語(yǔ)

“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(jì)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(shí)踐，并及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，改進(jìn)工作。筆者以為，隨著高等學(xué)校辦學(xué)自主權(quán)的不斷增加，筆者的這些構(gòu)想總會(huì)一步步地變成現(xiàn)實(shí)，為助中華民族航天夢(mèng)、強(qiáng)國(guó)夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)而起到積極的作用。

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