研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略探析

楊洪偉 李爽 劉宇航

[摘 要] 空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽作為一類適合航天類專業(yè)研究生參加的高水平競(jìng)賽，對(duì)研究生的學(xué)術(shù)能力有很好的提升作用。根據(jù)空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽的特點(diǎn)，分析了其促進(jìn)學(xué)術(shù)能力提升的因素，并給出了關(guān)于依托空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略的初步思考，在初步實(shí)踐中取得了良好的效果。

[關(guān)鍵詞] 軌道設(shè)計(jì);競(jìng)賽;研究生;學(xué)術(shù)能力;培養(yǎng)策略

[中圖分類號(hào)] G643? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）03-0177-04? ?[收稿日期] 2020-09-07

2019年6月，一條“中國(guó)高校，世界第一！首次打破歐美壟斷”的消息陸續(xù)被人民日?qǐng)?bào)、中央電視臺(tái)、解放軍報(bào)、科技日?qǐng)?bào)等國(guó)內(nèi)重要媒體報(bào)道。其主要內(nèi)容是國(guó)防科技大學(xué)與西安衛(wèi)星測(cè)控中心聯(lián)隊(duì)在第十屆國(guó)際空間軌道設(shè)計(jì)大賽中實(shí)現(xiàn)了中國(guó)參賽隊(duì)伍的首次奪冠，打破了歐美參賽隊(duì)對(duì)該賽事冠軍的壟斷。在該競(jìng)賽中獲得冠亞軍的兩支國(guó)內(nèi)代表隊(duì)中，大部分成員是在讀的碩博研究生。這些世界一流隊(duì)伍中的研究生通過(guò)該競(jìng)賽展現(xiàn)出了突出的學(xué)術(shù)能力。從國(guó)際空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽的官網(wǎng)[1]也可以看到以歷年的競(jìng)賽問(wèn)題為背景發(fā)表的一大批一流學(xué)術(shù)論文，其中有不少作者的身份是研究生。2019年，全國(guó)空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽也已走過(guò)了第十個(gè)年頭[1]。在軌道競(jìng)賽歷程之中，許多研究生在競(jìng)賽中獲得了鍛煉和成長(zhǎng)，部分博士生也已經(jīng)畢業(yè)并進(jìn)入了高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)工作。

科技競(jìng)賽是培養(yǎng)研究創(chuàng)新思維的重要載體[2]，對(duì)于培養(yǎng)研究生綜合能力有重要影響[3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的創(chuàng)新型航天專業(yè)競(jìng)賽為培養(yǎng)研究生的學(xué)術(shù)能力提供了更多的途徑。現(xiàn)有的創(chuàng)新型航天專業(yè)競(jìng)賽包括：國(guó)際性的國(guó)際空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽、國(guó)際小行星防御任務(wù)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、中俄小衛(wèi)星設(shè)計(jì)競(jìng)賽等;全國(guó)性的研究生未來(lái)飛行器創(chuàng)新大賽、全國(guó)空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽、航天院所的航天任務(wù)或方案創(chuàng)新競(jìng)賽等。本文將以空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽為例，分析其促進(jìn)學(xué)術(shù)能力提升的因素，探析如何依托創(chuàng)新型航天專業(yè)競(jìng)賽培養(yǎng)研究生的學(xué)術(shù)能力。

一、空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽簡(jiǎn)介

空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽包括國(guó)際空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽（GTOC）和全國(guó)空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽（CTOC），主要面向航天機(jī)構(gòu)和高?？萍脊ぷ髡呒把芯可?，是具有航天工程任務(wù)背景的團(tuán)體競(jìng)賽。該競(jìng)賽的初衷是征集復(fù)雜且尚未很好解決的航天任務(wù)問(wèn)題的最優(yōu)可行方案。GTOC由歐洲航天局先進(jìn)概念組于2005年提議發(fā)起，CTOC則由清華大學(xué)航天航空學(xué)院和中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)于2009年共同發(fā)起。每1～2年舉辦一屆，每屆競(jìng)賽的冠軍團(tuán)隊(duì)將獲得下一屆競(jìng)賽的承辦權(quán)和命題權(quán)。

截至目前，國(guó)內(nèi)外空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽均已成功舉辦十屆，第十一屆全國(guó)空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽也即將開(kāi)始。前十屆全國(guó)空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽問(wèn)題的主題依次為近地小行星取樣返回、火星與多目標(biāo)小行星探測(cè)、多目標(biāo)多任務(wù)行星與小天體探測(cè)、多目標(biāo)多任務(wù)小天體探測(cè)、近地小行星取樣返回（甲題）/快速飛離太陽(yáng)系（乙題）、不規(guī)則形狀小行星表面巡游（甲題）/近地軌道衛(wèi)星編隊(duì)重構(gòu)任務(wù)（乙題）、多目標(biāo)太陽(yáng)同步軌道空間碎片清除任務(wù)（甲題）/地面多目標(biāo)點(diǎn)觀測(cè)的衛(wèi)星規(guī)劃和調(diào)度任務(wù)（乙題）、地球靜止軌道資源衛(wèi)星編隊(duì)監(jiān)測(cè)任務(wù)（甲題）/地球低軌道衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)任務(wù)（乙題）和木星系內(nèi)磁場(chǎng)及木衛(wèi)科學(xué)探測(cè)[1]。前十屆國(guó)際空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽問(wèn)題的主題依次為小行星撞擊、多目標(biāo)小行星交會(huì)、多目標(biāo)小行星取樣返回、多目標(biāo)小行星飛越與交會(huì)、多目標(biāo)小行星撞擊與交會(huì)、伽利略木衛(wèi)巡游、多探測(cè)器主帶小行星探測(cè)、三星編隊(duì)宇宙射電源觀測(cè)、多衛(wèi)星清除空間碎片和人類銀河系移民[1]。

隨著比賽的舉辦，參賽團(tuán)隊(duì)越來(lái)越多，賽事的影響力也越來(lái)越大。CTOC從第一屆的33支參賽隊(duì)增到第十屆的62支參賽隊(duì)，GTOC中國(guó)參賽隊(duì)從第一屆的11個(gè)有效結(jié)果提升到第十屆的40余個(gè)。來(lái)自包括清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、都靈理工大學(xué)、米蘭理工大學(xué)、莫斯科國(guó)立大學(xué)、格拉斯哥大學(xué)、德州大學(xué)奧斯汀分校、密歇根安娜堡分校、科羅拉多大學(xué)波德分校等一大批國(guó)內(nèi)外高校在內(nèi)的研究生也參與到了空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽之中。

二、空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽促進(jìn)學(xué)術(shù)能力提升的因素分析

空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽之所以能夠有效地促進(jìn)研究生提升學(xué)術(shù)能力，是因?yàn)樵摳?jìng)賽包含了許多對(duì)培養(yǎng)學(xué)術(shù)能力有益的因素。下面從六個(gè)方面給出具體的分析。

（一）競(jìng)賽問(wèn)題具有前沿航天工程背景

不論是國(guó)內(nèi)的全國(guó)空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽還是全球的國(guó)際空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽，其問(wèn)題都具有非常濃厚的前沿航天工程任務(wù)背景。例如，GTOC2與美國(guó)發(fā)射的黎明號(hào)小行星探測(cè)器任務(wù)密切相關(guān)，GTOC8與天基引力波探測(cè)器任務(wù)密切相關(guān)，GTOC9與未來(lái)空間碎片清理任務(wù)相關(guān)，CTOC6與我國(guó)未來(lái)太陽(yáng)系邊際探測(cè)任務(wù)相關(guān)，CTOC7與未來(lái)小行星表面探測(cè)任務(wù)相關(guān)，GTOC6和CTOC10與未來(lái)木星系科學(xué)探測(cè)任務(wù)相關(guān)，等等。由于競(jìng)賽問(wèn)題具有前沿航天工程背景這一特點(diǎn)，這類問(wèn)題非常值得研究生開(kāi)展學(xué)術(shù)研究，并且航天相關(guān)研究生參與競(jìng)賽可以有效地建立航天工程任務(wù)背景知識(shí)，學(xué)習(xí)前沿工程問(wèn)題涉及的軌道設(shè)計(jì)技術(shù)。

（二）競(jìng)賽問(wèn)題在學(xué)術(shù)上尚未解決

空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽需要解決一個(gè)軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題，但是競(jìng)賽問(wèn)題涉及的約束條件多，優(yōu)化變量和指標(biāo)復(fù)雜，求解空間十分龐大，相應(yīng)的軌道優(yōu)化問(wèn)題求解非常困難。從學(xué)術(shù)上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的軌道優(yōu)化理論和方法尚未解決競(jìng)賽涉及的全局軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。近年來(lái)，仍不斷有與競(jìng)賽問(wèn)題相關(guān)的國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)論文發(fā)表，逐步推動(dòng)軌道優(yōu)化理論和方法的發(fā)展。因此，從學(xué)術(shù)研究的角度來(lái)說(shuō)，空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽問(wèn)題值得深入研究。依托空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽，可以很好地幫助學(xué)生尋找和發(fā)現(xiàn)學(xué)術(shù)方向。

（三）與本領(lǐng)域一流研究人員共同競(jìng)賽

隨著競(jìng)賽的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多一流高校和科研機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)陸續(xù)參與進(jìn)來(lái)。參賽人員中除了研究生之外，還有本領(lǐng)域一流的科學(xué)家、工程師和青年學(xué)者。例如，國(guó)際空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽的發(fā)起者歐空局先進(jìn)概念組以及美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員和工程師就曾多次參與國(guó)際空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研究的探測(cè)器已經(jīng)到達(dá)過(guò)太陽(yáng)系所有的大行星，其軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)水平為世界頂尖水平?？臻g軌道競(jìng)賽為研究生提供了一個(gè)可以和本領(lǐng)域一流研究人員同臺(tái)競(jìng)技的平臺(tái)，可以激發(fā)他們研究并解決競(jìng)賽問(wèn)題的熱情和興趣。

（四）緊迫的競(jìng)賽周期

國(guó)內(nèi)外空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽時(shí)間大約為四周至兩個(gè)月。由于需要求解極為復(fù)雜且前沿的競(jìng)賽問(wèn)題，競(jìng)賽周期顯得十分緊迫。這就要求參賽團(tuán)隊(duì)中的成員之間互相配合，分解競(jìng)賽問(wèn)題，然后共同協(xié)作求解。因此，競(jìng)賽可以鍛煉研究生在開(kāi)展學(xué)術(shù)研究時(shí)所需的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、信任和默契。

（五）客觀的指標(biāo)與嚴(yán)格的數(shù)據(jù)規(guī)范

空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽的評(píng)價(jià)指標(biāo)是客觀的，競(jìng)賽結(jié)果提交的數(shù)據(jù)也必須符合嚴(yán)格的數(shù)據(jù)格式規(guī)范及約束條件要求。對(duì)待實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度在學(xué)術(shù)研究中十分重要?？臻g軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽要求參賽者嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙?duì)待提交數(shù)據(jù)。為了保障提交結(jié)果的正確性，參賽者也需要對(duì)軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。這就要求學(xué)生要掌握驗(yàn)證結(jié)果可靠性和合理性的能力。此外，通過(guò)空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽積累的軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)程序及檢驗(yàn)程序，可以應(yīng)用于研究生階段后續(xù)涉及的軌道設(shè)計(jì)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)中，保障數(shù)據(jù)的規(guī)范性。

（六）賽后豐富的競(jìng)賽研討活動(dòng)

到目前為止，每屆競(jìng)賽結(jié)束之后都會(huì)由主辦方舉辦一次競(jìng)賽研討會(huì)。研討會(huì)可能作為其他大型學(xué)術(shù)會(huì)議的一個(gè)分會(huì)，也可能單獨(dú)舉辦。在競(jìng)賽研討會(huì)上，受邀的各參賽團(tuán)隊(duì)將對(duì)競(jìng)賽中采用的新型軌道設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行介紹和交流，可以有效地拓展參會(huì)研究生的學(xué)術(shù)視野。此外，在國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)術(shù)會(huì)議上，也會(huì)有學(xué)者提交與空間軌道設(shè)計(jì)相關(guān)方法的研究論文并進(jìn)行交流。除了研討會(huì)與學(xué)術(shù)會(huì)議之外，許多研究方法也可以通過(guò)期刊論文進(jìn)行有效的傳播。例如，第九屆全國(guó)空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽的多種優(yōu)秀解法在航天領(lǐng)域著名期刊Acta Astronautica上發(fā)表。

三、依托空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略

由于空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽具有許多促進(jìn)學(xué)術(shù)能力提升的因素，依托空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略具有可行性。下面給出筆者對(duì)于培養(yǎng)策略的思考及初步實(shí)施后的效果。

（一）培養(yǎng)策略

1.安排人員配置合理的研究生團(tuán)隊(duì)參賽。空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽是允許多人組隊(duì)參賽的團(tuán)隊(duì)式競(jìng)賽，可以安排高年級(jí)研究生和低年級(jí)研究生同時(shí)參賽。高年級(jí)研究生具有一定的競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)及較好的軌道設(shè)計(jì)能力，主要作為主力負(fù)責(zé)參賽，帶領(lǐng)低年級(jí)學(xué)生前進(jìn)。這樣可以有效地保障競(jìng)賽問(wèn)題的推進(jìn)求解，幫助整個(gè)參賽團(tuán)隊(duì)提升競(jìng)賽問(wèn)題相關(guān)領(lǐng)域的軌道設(shè)計(jì)能力。低年級(jí)研究生雖然軌道設(shè)計(jì)能力較弱，甚至經(jīng)驗(yàn)為零，但是通過(guò)實(shí)踐性很強(qiáng)的空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽，跟著高年級(jí)研究生一同解決問(wèn)題，可以較快地入門空間軌道設(shè)計(jì)，快速地掌握軌道設(shè)計(jì)所需的編程能力。因此，安排人員配置合理的研究生團(tuán)隊(duì)參賽有利于實(shí)驗(yàn)室軌道方向研究生的梯隊(duì)式培養(yǎng)。

2.競(jìng)賽過(guò)程中組織技術(shù)問(wèn)題討論?？臻g軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽問(wèn)題都是極具挑戰(zhàn)性的難題，在求解過(guò)程中容易遇到許多技術(shù)困難，甚至在看完題目之后可能完全沒(méi)有思路。因此，在競(jìng)賽期間，導(dǎo)師可以多次組織技術(shù)問(wèn)題討論，縷清競(jìng)賽問(wèn)題中的難點(diǎn)，盡快地幫助參賽研究生找到解決困難的核心點(diǎn)。這樣對(duì)于避免陷入局部技術(shù)困難非常有益，也可以拓寬研究生的思路，幫助研究生更加深入地探索有效的競(jìng)賽問(wèn)題求解新技術(shù)和新方法。

3.鼓勵(lì)學(xué)生參與研討會(huì)并撰寫(xiě)競(jìng)賽問(wèn)題相關(guān)學(xué)術(shù)論文。賽后的競(jìng)賽研討會(huì)對(duì)于進(jìn)一步提升研究生的學(xué)術(shù)能力非常有益。導(dǎo)師可以鼓勵(lì)學(xué)生參與研討會(huì)并做學(xué)術(shù)報(bào)告，這對(duì)于整理求解思路和提煉創(chuàng)新點(diǎn)非常有益，研討會(huì)過(guò)程中的學(xué)術(shù)研討也可能碰撞出創(chuàng)新火花。針對(duì)競(jìng)賽問(wèn)題提出的新技術(shù)或新方法，導(dǎo)師可以鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步寫(xiě)成學(xué)術(shù)論文進(jìn)行投稿，將科技競(jìng)賽和學(xué)術(shù)論文研究建立直接密切的聯(lián)系。

4.指導(dǎo)學(xué)生向與競(jìng)賽相關(guān)的方向繼續(xù)深入開(kāi)展科研?？臻g軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽可以作為培養(yǎng)研究生學(xué)術(shù)能力的起點(diǎn)和契機(jī)。由于空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽相關(guān)方向在學(xué)術(shù)上仍有許多尚未很好解決的問(wèn)題，在競(jìng)賽鍛煉之后可以進(jìn)一步安排學(xué)生參加相關(guān)的科研項(xiàng)目，繼續(xù)深入開(kāi)展學(xué)術(shù)研究。而學(xué)生在競(jìng)賽中獲得的軌道設(shè)計(jì)能力基礎(chǔ)則有利于其繼續(xù)在相關(guān)方向深入挖掘。

（二）效果評(píng)價(jià)與討論

筆者所在團(tuán)隊(duì)在第九屆全國(guó)空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽中組織了課題組多名研究生參賽，其中隊(duì)長(zhǎng)為二年級(jí)的研究生，年級(jí)最低的是已取得保研資格的準(zhǔn)研究生。通過(guò)團(tuán)隊(duì)成員的互相配合，最終獲得了甲組冠軍的好成績(jī)。在競(jìng)賽之后，四名軌道方向的研究生陸續(xù)碩轉(zhuǎn)博，繼續(xù)從事軌道設(shè)計(jì)與控制的相關(guān)研究。參與的相關(guān)科研項(xiàng)目包括國(guó)家和江蘇省自然科學(xué)基金、航天相關(guān)院所開(kāi)放基金、院所橫向課題等。另外，這幾名學(xué)生作為負(fù)責(zé)人也申請(qǐng)并獲評(píng)了校級(jí)和江蘇省的研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目。這些學(xué)生在競(jìng)賽之后的學(xué)習(xí)中展現(xiàn)出了優(yōu)異的學(xué)術(shù)能力，在較好地完成科研項(xiàng)目?jī)?nèi)容的同時(shí)，還發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文。以參加競(jìng)賽時(shí)的隊(duì)長(zhǎng)和年級(jí)最低的學(xué)生為例：隊(duì)長(zhǎng)在賽后以第一作者的身份在SCI期刊Acta Astronautica上發(fā)表了競(jìng)賽解法論文[4]，另外還發(fā)表了與軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的SCI論文2篇[5，6]和中文期刊論文2篇[7，8];參賽時(shí)年級(jí)最低的學(xué)生目前已以第一作者的身份發(fā)表了與軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的SCI論文1篇[9]和核心期刊論文1篇[ 10 ]，并在2019年中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)中獲得優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文獎(jiǎng)。此外，課題組研究生作為論文主要共同作者在航天工程領(lǐng)域的頂刊Progress in Aerospace Sciences上發(fā)表了以空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽優(yōu)化方法為主題的綜述論文1篇。初步結(jié)果表明，依托空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽培養(yǎng)研究生的學(xué)術(shù)能力是可行的。

四、結(jié)語(yǔ)

空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽具有多種促進(jìn)研究生學(xué)術(shù)能力提升的因素，可以為培養(yǎng)航天專業(yè)研究生學(xué)術(shù)能力提供有效途徑。本文結(jié)合空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽的特點(diǎn)，給出了依托空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略的初步思考。初步的實(shí)踐結(jié)果表明，依托空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽培養(yǎng)研究生學(xué)術(shù)能力具有良好的效果。當(dāng)然，如何依托創(chuàng)新型競(jìng)賽制定研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略工作需要不斷深入探索和實(shí)踐，從而總結(jié)出更為有效的培養(yǎng)策略。

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