摘要：“航天器控制”是我?！疤綔y制導與控制技術”專業(yè)的重要培養(yǎng)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(xiàn)代應用數(shù)學和近代分析力學的課程，夯實學生的數(shù)理力學功底，能夠增加學生在專業(yè)領域的發(fā)展前景和創(chuàng)新能力；同時強化學生工程實驗能力的培養(yǎng)，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(xiàn)理工融合的教育理念，培養(yǎng)我國未來創(chuàng)新型航天科技人才意義重大。師資隊伍建設是專業(yè)建設、人才培養(yǎng)的生命線，必須持續(xù)努力改善師資隊伍知識和能力結(jié)構(gòu)，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(shù)理力學；工程實驗；人才培養(yǎng)；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(yè)的一個重要培養(yǎng)方向。該專業(yè)方向經(jīng)過近十年的建設和發(fā)展，在人才培養(yǎng)和科學研究兩個方面取得了長足的進步。我校大批畢業(yè)生進入航天科研院所工作，不少人已成為業(yè)務骨干，為我國航天事業(yè)進步和發(fā)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(fā)展目標和發(fā)展路線，我國航天事業(yè)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(fā)展中的體制性弊病和痼疾，促進科教興國大業(yè)順利發(fā)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(jīng)濟的逐步完善和開放度的提高，對人才的知識能力結(jié)構(gòu)的要求愈來愈呈現(xiàn)出多元化特點，過去那種靠掌握單一專業(yè)技能、在一個工作單位或崗位干一輩子的現(xiàn)象很難再出現(xiàn)了。包括人才在內(nèi)的各種社會資源在社會化生產(chǎn)中的重新配置和流動將愈益頻繁，也要求我們培養(yǎng)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(chuàng)性。

為了主動適應我國航天科技事業(yè)以及社會主義市場經(jīng)濟對未來高科技、高素質(zhì)人才的需求，作為重點大學航天主干專業(yè)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(yè)師資隊伍，如何進一步改革和改進教學內(nèi)容和模式，如何更好地培養(yǎng)出我國未來航天科技事業(yè)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(yè)方向培養(yǎng)目標、教學內(nèi)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(nèi)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(yè)方向培養(yǎng)目標的探討

顧名思義，“航天器控制理論與方法”專業(yè)方向的學科特質(zhì)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(huán)或開環(huán)（取決于控制律）動態(tài)特性，用以指導工程設計和應用。具體到我們這樣一所在業(yè)內(nèi)享有盛譽的重點大學，該專業(yè)方向的培養(yǎng)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(xiàn)我們的特色和優(yōu)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(yè)方向在我校的發(fā)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(fā)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(yè)在我校有著悠久的辦學歷史（盡管早先的專業(yè)名稱未必這樣），但傳統(tǒng)優(yōu)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(tǒng)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?！疤綔y制導與控制技術”的一個重要專業(yè)方向以院系建制的形式被正式確立，也為我?！叭健保ê娇?、航天、民航）特色辦學提供了重要的支撐。在培養(yǎng)目標的定位過程中，我們曾充分調(diào)研了國內(nèi)兄弟院校，特別是傳統(tǒng)航空航天類重點院校的培養(yǎng)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(fā)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(fā)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(nèi)傳統(tǒng)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(yōu)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(nèi)首屈一指，我校與南大毗鄰，因此在人才培養(yǎng)和交流、科研合作等方面具備獨特的地域優(yōu)勢，可以藉此推動我校在航天器軌道力學方面的快速發(fā)展；④我校在飛行器控制理論與技術方面具備傳統(tǒng)優(yōu)勢，將這方面的積累（成果和師資）轉(zhuǎn)移應用到航天器控制領域，有望實現(xiàn)航天器控制專業(yè)方向的跨越式發(fā)展。

由于專業(yè)培養(yǎng)目標定位合理明確，師資培養(yǎng)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(yè)之“航天器控制”方向在短短幾年之內(nèi)就在人才培養(yǎng)和科學研究方面取得了累累碩果。我們不僅培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的本科生，而且選拔了一批優(yōu)秀的學生繼續(xù)在航天器“導航、制導與控制”學科深造，攻讀碩士和博士學位?，F(xiàn)在已有不少畢業(yè)生成為我國航天科研院所的專業(yè)技術骨干。這表明我們“航天器控制理論與方法”專業(yè)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(yè)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(fā)現(xiàn)了一些不足和缺陷。特別是在國家科技、教育、經(jīng)濟、就業(yè)等形式發(fā)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(yǎng)的需要。下面逐一剖析我校探測制導與控制技術專業(yè)之“航天器控制理論與方法”方向在培養(yǎng)目標定位中顯露出的問題。

1.培養(yǎng)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(yǎng)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(tài)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(yè)本科的培養(yǎng)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(yè)方向，還是科技產(chǎn)業(yè)門類，其所包含的內(nèi)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(yè)方向?qū)W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(yè)培養(yǎng)目標，一方面容易導致學生知識和能力結(jié)構(gòu)欠缺，影響到其發(fā)展后勁，另一方面直接導致學生擇業(yè)時選擇余地不足，影響其就業(yè)。

2.理工融合不夠，培養(yǎng)目標在體現(xiàn)厚基礎寬口徑方面有待進一步優(yōu)化。誠如上述，我們的“航天器控制理論與方法”專業(yè)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(yè)方向。它的理學特色體現(xiàn)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(shù)學、力學家在天體軌道計算方面的開創(chuàng)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(shù)理力學功底。它的工學特色又體現(xiàn)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(yè)方向的培養(yǎng)，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(guī)律和技術方案。但是反觀我們現(xiàn)有的培養(yǎng)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(xiàn)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(xiàn)代應用數(shù)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(yè)的規(guī)格和學時去教學的，直接導致數(shù)理力學功底偏薄弱，發(fā)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(shù)據(jù)處理技能方面沒有納入培養(yǎng)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(zhàn)性的課題。粗淺地講，“理工融合”的培養(yǎng)目標就是要培養(yǎng)“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(xiàn)在，我國的重點工科大學還沒能普遍地實現(xiàn)這樣的目標。

（三）解決的思路——培養(yǎng)目標重定位和優(yōu)化

1.培養(yǎng)目標細化分類，實現(xiàn)個性化培養(yǎng)。誠如前述，“航天器控制理論與方法”本身所包含的內(nèi)容是廣泛的，我們在強調(diào)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(yè)部門對人才的廣泛需求。為此，我們考慮在新一輪培養(yǎng)方案的改革和調(diào)整中，將培養(yǎng)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(yè)課程在一起教學外，在大三下學期或大四上學期就要根據(jù)不同的亞類分班教學。對于個別學術科研苗子，要早發(fā)現(xiàn)、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(yǎng)目標中凸顯對數(shù)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(shù)理力學功底不可。否則，我們培養(yǎng)出來的學生，學近地軌道的設計不了深空探測軌道，學衛(wèi)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(fā)展后勁不足，工作適應性差，更不能期待做出創(chuàng)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(yǎng)方案中，必須強調(diào)“培養(yǎng)學生具備扎實的數(shù)理力學功底”。

3.培養(yǎng)目標中應強調(diào)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(yè)，這樣的本質(zhì)屬性要求我們須臾不能忘記本專業(yè)的培養(yǎng)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(shù)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(shù)據(jù)分析和處理能力。只有具備這樣的實驗能力，才算達到了我?！昂教炱骺刂评碚撆c方法”專業(yè)方向本科畢業(yè)生的要求。

三、教學內(nèi)容和教學模式改革探討

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

（一）大幅度增加近現(xiàn)代應用數(shù)學和近代分析力學的課程

現(xiàn)在我校探測制導與控制技術（航天控制方向）專業(yè)教學計劃中所涉及的數(shù)學課程，除了包括全校公共基礎課的《高等數(shù)學》、《線性代數(shù)》、《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》外，僅有《復變函數(shù)與積分變換》、《數(shù)值計算方法》兩門課，而且課時都較小?！独碚摿W》是按非力學類專業(yè)的培養(yǎng)規(guī)格教學的，內(nèi)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(shù)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(yǎng)基本功底扎實的航天控制類精英人才，我們擬在修訂培養(yǎng)方案和教學計劃中，大幅度增加近現(xiàn)代應用數(shù)學和近代分析力學的課程，初步計劃增加如下課程：《數(shù)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(shù)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(yè)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(shù)學的一個分支，其概念源自力學，最早用來表示彈性介質(zhì)中各點的應力狀態(tài)，后來人們發(fā)現(xiàn)許多物理量均具有張量的屬性——對坐標變換的不變性?，F(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量，就比通常大部分教科書所用的轉(zhuǎn)動慣量矩陣更能反映其本質(zhì)。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(zhì)屬性。下面再說《攝動方法》。攝動方法是近似求解非線性代數(shù)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(shù)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(shù)字電子計算機問世后，數(shù)值求解成為人們最熱衷的方法，但是數(shù)值解很難給出帶有規(guī)律性的結(jié)果。攝動法可以通過引入小參數(shù)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(fā)現(xiàn)解的結(jié)構(gòu)中一些規(guī)律性的東西，更利于我們認識事物的本質(zhì)。所以《攝動方法》是一門具有方法論性質(zhì)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(shù)理力學家均能十分熟練地運用量綱分析的方法來對系統(tǒng)建模、實驗數(shù)據(jù)進行分析。但是不知何故，現(xiàn)在這門課在高等工科學校的教學計劃中幾乎絕跡。據(jù)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(yè)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(yǎng)學生工程實驗技能，使其確立工程觀念和思想，培養(yǎng)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(jié)構(gòu)，也涉及到當前高校內(nèi)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(nèi)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(yōu)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(yè)的畢業(yè)生未必全部到航天科技工業(yè)部門就業(yè)，更未必全部從事該領域的學術科研工作。相當數(shù)量的畢業(yè)生會進入國民經(jīng)濟建設的其他各業(yè)，比如工業(yè)自動化、機電設計、企業(yè)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(fā)展?jié)摿Φ膶W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(jù)其個人興趣和未來擇業(yè)方向，給其以自由選課的機會，只要修滿規(guī)定學分，就是合格的畢業(yè)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(diào)整等問題。改革得好，大家滿意；改革得不好，影響穩(wěn)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(yè)建設中的核心關鍵。上述培養(yǎng)目標、教學內(nèi)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(nèi)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?jīng)Q定了教學效果的“最大理論值”和培養(yǎng)目標的實現(xiàn)程度。欲實施前述教學內(nèi)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(yè)結(jié)構(gòu)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(yè)于“導航、制導與控制”或“飛行器設計”二級學科，學科專業(yè)結(jié)構(gòu)過于單一，難以完全適應“航天器控制理論與方法”專業(yè)方向厚基礎寬口徑人才培養(yǎng)的需要。前文提到，要在教學內(nèi)容中大幅度增加近現(xiàn)代應用數(shù)學和近代分析力學的課程，比如《數(shù)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(yè)的授課教師。雖然部分課程比如《數(shù)學物理方法》在我校其他專業(yè)（比如流體力學或電磁場專業(yè)）有授，可以讓我專業(yè)學生全部去他院修課，但是畢竟不同專業(yè)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(xié)調(diào)上會遇到很大障礙。還有一些課程，即便在其他專業(yè)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(jīng)驗的教師匱乏

近十年來，我們專業(yè)新引進的教師全部是國內(nèi)重點名牌大學畢業(yè)的博士，整體上理論學術水平較高，科研創(chuàng)新能力也較強，但是工程實驗技能相對薄弱。造成此種現(xiàn)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(xiàn)有師資中發(fā)掘并動員一些數(shù)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(xiàn)代應用數(shù)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(yè)的博士畢業(yè)生。對于“應用數(shù)學”、“力學”等學科專業(yè)的優(yōu)秀博士畢業(yè)生，只要熱愛航天及國防教育事業(yè)、有志于轉(zhuǎn)型從事航天器動力學與控制方面的應用數(shù)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(yè)的本科生數(shù)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(yè)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(xiàn)在難道不應該比古人更開明、更有胸懷和眼界嗎？

五、結(jié)論與展望

世界新一波科技革命浪潮已經(jīng)掀起，祖國航天事業(yè)和科教興國偉大戰(zhàn)略已經(jīng)向我們吹響了沖鋒的號角，國家和社會對新一代高素質(zhì)、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(shù)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(yè)方向的人才培養(yǎng)工作會更上一層樓，為祖國航天事業(yè)、科教興國和國民經(jīng)濟建設輸送更好、更多的合格人才。

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