李元凯 刘磊 周泽波

摘  要：新工科卓越工程教育建设理念对研究型大学科教融合人才培养模式提出新要求。该文对新形势下的科教融合培养模式进行概念性分析，并以学术实践和工程实践协同牵引为原则，探索一种学术研究与工程教育共生发展的生长型科教融合方案。该文结合飞行器智能控制领域相关科研和教学实践，讨论该方案的可行性和具体实施途径，旨在为新时期空天控制学科专业人才培养模式转型提供新思考。

关键词：科教融合；新工科；生长型方案；人才培养；空天控制

Abstract： With construction of national New Engineering Disciplines （NED）， the emerging concept on outstanding engineer training promotes the requirement to the quality of Integration of Scientific Research and Teaching （ISRT） for academic-type universities. In this paper， the ISRT-based training pattern of the current new developing era is analyzed， and with principle of cooperative led by both science and engineering practice， an iterative growth pattern of ISRT is proposed， in which academic research and engineering training are developing symbiotically. Based on the authors' research and teaching practice on the area of intelligent control in aerospace， the feasibility and the approach of implementation of the proposed growth pattern are also discussed， aiming to provide a new view of promoting the talent training quality for the aerospace control disciplines in the new developing era.

Keywords： integration of scientific research and teaching; new engineering disciplines; iterative growth pattern; talent training; aerospace control

近年来，世界信息科学和技术的实质进步引发了新一轮产业和经济的快速变革。在新的时代背景下，国家推动创新驱动发展，实施了“人工智能”“互联网+”“中国制造2025”等重大战略，对工程科技人才提出了更高要求，我国工科教育改革迫在眉睫。

2017年，教育部适时提出新工科发展战略[1]，明确了改革工程教育的任务，规划了优势高校为主体学科交叉、综合高校为引领理工融合、地方高校为支撑改造升级的行动路线，半年内完成了“复旦共识”[2]“天大行动”[3]“北京指南”[4]三部曲，形成了“天大六问”的新工科建设理念。随后，国务院于2018年发布了《国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见》[5]，要求强化系统部署，加强应用基础研究，面向各类技术创新解决工程与行业所需的重大科学问题。两者先后实行，揭示了工科教育改革的“问题导向”核心理念，传统的“科技一统”工科教育范式被解构为“工程问题导向”的工程教育和“科学問题导向”的学术研究两个环节，并统一于服务创新型国家与世界科技强国建设需求。

面对新科技和新产业前端，工程教育首先受到变革带来的冲击和压力。当前，我国高等工程教育开始逐步重视实践导向，新工科建设要求未来高校学生需在基础、交叉、前沿学科知识之上兼具复杂工程问题解决能力、非结构化解决问题能力、工程领导力等专业能力[6]，我国《工程教育认证标准》也特别要求学生具备运用科学与工程专业知识、项目管理方法、现代工具等解决复杂工程问题的能力[7]。

然而，工程教育具体落实在人才培养模式上仍然存在短板[8-9]，主要原因可归结为内外两个方面。内部支撑上，工程知识体系固化，课程设计和教材内容不能快速反映日新月异的科学技术新面貌；外部驱动上，工程实践渠道还不通畅，实践来源质量参差不齐，需求混杂模糊，难以带动高校创新群体高水平发展。二者共同致使单一工程实践导向的人才培养模式很难满足未来卓越工程科技人才的培养要求。当前，国家高度重视破解“卡脖子”难题，把“卡脖子”技术作为创新驱动的突破方向，这就要求人才培养在以工程实践为导向的同时，还需开拓知识前沿进行学术实践，把学术研究融入到工程教育中，有机地合作，开辟工程实践和学术实践协同牵引的科教融合人才培养新模式。

本文即对该类培养模式进行概念性分析，初步探索一种工程教育与学术研究共生发展的生长型方案，并以控制学科飞行器轨迹优化设计领域科研和飞行器制导与控制原理专业课程为例讨论该方案实践途径，旨在为新时期人才培养模式的转型升级提供新思考。

一  面向新工科的科教融合特征分析

科教融合理念由来已久并且内涵丰富[10]。自1809年洪堡（Wilhelm von Humboldt）创办柏林大学提出“教学与科研统一”理念以来，科教融合经历了若干发展阶段，确立了研究型大学的主体性地位，以及教育与科学协调发展的根本宗旨。国内理论界把科教融合深入解构和拓展，提出由面向社会事业的广义维度和面向高等院校的狭义维度共同构成的概念体系[11]，其中，狭义维度上的科教融合具有三个层面表现：理念层面，教学达至科学思维；制度层面，科学构建培养体系；操作层面，教学科研互动融合。本文讨论仅涉及操作层面。

科教融合的主体是研究型大学，在于其具有“知识创造者”和“培养知识创造者”双重功能。我国研究型大学多以“世界一流大学”为建设目标，大量有志于从事科学研究事业的研究生和本科生群体聚集其中，构成科教融合的主要培养对象。近年来，西方研究型大学为提升教学质量，对研究生和本科生一并实施科教融合培养，构建高质量研究性教学模式[12]。主要即在内外两个方面进行，内部以课程改革为支撑，开发以创新和研究为导向的课程体系[13]，外部以研究项目为牵引，开展面向研究实践的教学[14]。

当前，我国新工科建设对人才培养模式提出了类似要求，区别在于更加注重工程实践与学科交叉。面向新工科，科教融合培养模式在我国研究型大学需具备更多内涵，其关键在于学术研究与工程教育的融合，具体可体现为如下几方面特征。

1）在问题驱动端，注重基础科学研究与重大工程研制导向一致。科学研究和工程研制分别由科学问题和工程问题驱动，两者在思想方法与论证手段上存在显著差异，但在人才培养总体目标上具有一致性，共同服务于卓越工程科技人才产出。2020年，教育部在部分试点高校开展基础学科招生改革试点工作，提出推进科教协同育人，探索建立结合重大科研任务进行人才培养的机制[15]。国家高度重视基础研究的突破在工程研制上的颠覆性作用，表明了基础科学与重大工程在问题牵引上的一致性导向。

2）在培养过程中，遵循学术实践与工程实践协同牵引根本原则。学术实践牵引教学是研究型大学全面提高质量的核心手段，然而工科学术实践中的科学问题往往来自两个方面，一是根植于科学机理自身的发展逻辑，二是来源于工程技术应用的发展需求，在新工科背景下，后者显然被放到了更加突出的位置；再从工程实践角度看，工程问题往往蕴含若干关键技术甚至“卡脖子”技术，学术攻关又必不可少。这意味着科教融合在学术实践的同时，还需考虑与工程实践的关联耦合，二者协同牵引，可共同促进科教融合培养的均衡性，也有利于未来科学人才与工程人才的统一联动。

3）在人才输出端，具有多元化多维度人才培养目标。研究型大学科教融合常以高层次创新人才为培养目标[11]，而新工科人才培养目标还要求人才要适应新技术和新产业的发展变化[8]，因此学术研究与工程教育的融合必然会激发出更多维度的人才类型输出，使得培养目标更加多元化。图1刻画了科技创新、工程应用、学科交叉三个维度下的人才类型。单一评价体系往往以某一维度的评价指标作为衡量准则，而在融合培养新模式下，至少具有三种基本人才类型：一是科技创新维度上，专攻科学与技术基础研究的纵向人才；二是工程应用维度上，专攻工程与技术研制开发的横向人才；三是兼顾学科交叉维度的具有合纵连横能力的卓越人才。可以看出，在各维度上该模式对不同程度权重的复合人才有极大包容性，更有利于多元化人才的价值涌现。

综合來看，以上特征对面向新工科的科教融合人才培养方式具体化提出了两点新要求。落实到融合方案上，一是要改善科学探索或工程项目单一类型驱动的状态，提高对问题来源的包容度，实现科学与工程问题驱动的一致性协同；二是要改善问题端对人才端单向驱动的静态程式化关系，优化融合方案的系统结构，建立问题与人才双向驱动的动态发展型机制。基于这两点要求，笔者总结科研和教学实践，提出一种生长型科教融合方案构想。

二  科教融合的生长型方案建模

实现协同驱动与动态发展，需要对问题驱动端和人才输出端的相互作用关系进行重构。本节基于系统的结构化设计思想，给出一种可动态生长的科教融合培养基本架构，并对结构组成和关键特征展开描述。

（一）  基本架构

生长型方案系统结构如图2所示，该系统由问题驱动、人才输出、平台支撑和教学呈现四个端口构成，形成教学、科研两个通道。

问题驱动端为培养者提供迭代更新的科学问题和工程问题，是系统动态运行的动力源；人才输出端为培养者提供培养对象（科教融合培养的本科生和研究生）的状态信息，是动态系统的产出端口；平台支撑端为培养者提供服务教学和科研的学科共享软硬件资源，是系统的共享开放端口；教学呈现端为培养者提供学术研究成果和工程应用成果的施教途径，包括基于教材专著的纸媒、基于仿真软件的电媒等多种样式，是系统的动态监控端口，也构成了系统从驱动端到输出端的教学传递通道。

驱动端到输出端的科研传递通道则由一个科学与工程共性设计的正反馈外部回路构成。由图中可知，驱动端更关注问题的共性驱动，而非科学或工程问题的单一牵引，输出端则更关注人才的共性输出，而非本科生或研究生的固化分类。这种共性培养方式实际上是利用复杂度的适量增加来提高创新涌现的可能性，从而体现出融合优势。不仅如此，这种优势还可以通过正反馈机制实现迭代生长，进而得到优势强化。如图2所示，驱动端和输出端之间建有前馈通道和反馈通道的双向动态联系。在前馈通道，问题驱动跨过教学呈现直接作用于人才能力和成果输出，这对于部分优质培养对象，特别是课程学习任务较多的本科生的快速成长具有积极作用；在反馈通道，培养对象的科学和工程研究产出不断积累，这些研究积累在培养者监督下可对驱动问题进行迭代升级，形成外部回路的良性动态循环。

综合来看，共性设计和正反馈机制下的科研传递通道，结合多样施教途径下的教学传递通道，共同构成了生长型科教融合培养架构主体，由于其兼顾科学、工程与教学的融合性和生长性。因此在培养者操作层面上，有利于学术研究和工程教育的共生发展。

（二）  关键特征

根据上述架构，生长型科教融合方案具有协同牵引、本研一体、循环反馈、多样呈现和学科共享五个关键特征。

1  问题驱动端：注重科学问题和工程问题协同牵引

问题驱动是高端创新人才培养和卓越工程人才培养的共识原则，比如北京科技大学薄膜材料研究驱动的科研实例教学[16]，以及中央民族大学图像处理项目驱动的工程实践教学[17]等，均是科学问题或工程问题牵引下的教学模式。然而对于既定学科领域，这两类问题往往有很强的关联性，单一牵引容易顾此失彼。以控制学科为例，控制新理论和新方法可以成就众多工程对象的新应用，而新兴工程对象新特性也可以倒逼方法甚至原理的革新，从而形成互为促进和协同牵引的局面。该方案的驱动端能够包容和鼓励这种局面的产生，寻求科学与工程问题导向的一致性。

2  人才输出端：注重培养对象本研一体化

对于我国研究型大学，本研界限并不明显[12]，培养对象对学术实践和工程实践均有较高要求，就控制学科而言，很大一部分毕业生将在高等院校、科研机构、高新企业担任研究性职位，理论方法和工程应用会各有侧重，但难以割裂，因此对本科生和研究生传统的平行式或分段式培养[12]并不利于创新人才和工程人才的多元化产出。该方案的输出端淡化了身份特征，将培养对象有机融合，可以充分考虑本研学生之间的关联耦合，以此挖掘潜在的培养效率，实现多维度个性化的人才输出。

3  科研通道：注重科研过程的循环反馈

该方案中，驱动问题对培养对象的直接前馈，以及培养对象对驱动问题的正向反馈共同构成了具有生长能力的动态循环。其生长性源于正向反馈通路，该通路通过正反馈机制实现研究积累，是培养者监督的科研进程得以良性发展的必要途径。直接前馈通路则为发展预期提供了一种干预机制，可通过对优质人才实施科研、产研等协同育人举措[18]加速或调整科研进程，使得整个通道能够可控生长。

4  教学通道：注重施教途径的多样呈现

教学样式创新在科教融合人才培养中被高度重视，现有样式可归纳为纸媒和电媒两类，如南方科技大学以“设计、表达、实现”为主线创新设计的工程学引论课程和教材[9]属纸媒创新，而北京化工大学基于虚拟仿真的机器人控制技术课程教学[19]则属电媒创新。该方案的教学呈现端可以兼容纸电等多类媒介的教学样式，并且在协同牵引下，教学内容的深度和广度也有更大的空间，使得培养者对原理性强的理论课程，以及操作性强的实验课程均能灵活施教，从而满足培养对象的多元化需求。

5  平台支撑端：注重学科领域的开放共享

科教融合培养过程中，科研和教学、理论教学和实验教学均需软硬件平台的融合支撑，例如武汉工程大学面向电气与自动化大类的工程实践教学平台[20]，采用一体化构架服务于产学研教协同育人模式。为此，本文方案设有支撑平台，为科研通道和教学通道提供统一的实践验证环境，同时对相关学科领域开放共享，形成软硬件资源的交叉融合，为科研和教学效果涌现创造外部条件。

三  科教融合的生长型方案实践

基于生长型科教融合思想和方案架构，笔者在飞行器智能控制领域开展了科教融合初步实践。为便于论述，归纳为相应的科研通道实践、教学通道实践、平台建设实践三个方面。

（一）  科研通道实践

科研实践方面，关注驱动问题质量的生长（驱动端）和人才科研能力的提升（输出端）双重目标，采取协同育人（前馈通道）和研究监督（反馈通道）两个途径，就高超声速飞行器轨迹优化设计问题进行科研培养。

培养过程中，驱动问题源自两个方面，一是笔者与航天一院合作项目中高超声速飞行器轨迹设计与动态模拟等工程问题，二是高超声速目标运动轨迹优化以及高动态目标跟踪方法等科学问题。在两方面问题协同牵引下，指导本科生和研究生共同开展科研攻关，提高整体科研能力。实施途径上，笔者通过电子科技大学“面向未来航空航天拔尖人才的科研育人”项目将四名优秀本科生纳入课题组，与研究生协同科研，提出一系列多约束优化、天基多站纯角度跟踪等科学方法，发表了学术期刊和学术会议论文，同时开发出一套基于Qt的模拟演示软件，界面如图3所示，并完成了软件著作权登记。与此同时，笔者将科研成果有机地反馈回驱动问题，实现科研问题的迭代生长。

（二）  教学通道实践

教学实践方面，关注教学呈现方式的效果（呈现端）和人才学科知识的提升（输出端）双重目标，通过纸媒形态的教材专著建设和电媒形态的虚拟仿真开发（呈现端）两种形式，对飞行器制导与控制相关专业课程进行教学培养。

培養过程中，驱动问题的生长会促使学术研究和工程应用成果更新，于是笔者将新成果通过纸媒和电媒形式纳入到理论和实验课程中。具体实施途径上，纸媒方面，笔者通过电子科技大学“新编特色教材”项目进行课程建设，出版《飞行器制导与控制原理》教材[21]，将高超声速飞行器轨迹优化与制导、天基目标跟踪与控制等新内容反映到同名理论课程中，并在教学设计中融入思维导图、视频动画、参考阅读等电子资源，进行纸媒与电媒融合呈现。电媒方面，通过电子科技大学“高超声速导弹飞行原理与突防作战”虚拟仿真实验教学项目将相关科研项目成果进行可视化软件开发和教学应用，并在实验空间网页发布[22]，校内界面如图4所示，服务于笔者高超声速飞行器制导控制实验课程建设。

教学呈现方式具有多样性，因此除教学媒介之外，还可包括其他维度上的形式。笔者在现代飞行器GNC理论课程中考虑了学科扩展和交叉，以对象为中心对所涉及的各学科关键理论技术进行教学呈现。具体地说，该课程以精确制导飞行器为中心对象，不仅包括本体概念、应用环境、传统原理等基本内容的教学，还包括该对象随现代科技不断创新发展的探测识别、精确制导、自主导航、测控飞控、信息融合、数据链、网络通信、信息对抗、指控综合、总体设计和仿真试验等关键技术教学，涉及多个学科分支，有助于学生进行面向对象的多学科知识体系构建。

总之，在教学实践上，多种呈现方式相辅相成，可以让学科知识得到多角度呈现，从而促进培养对象学科素养的个性化高水平提升。

（三）  平台建设实践

平台建设方面，关注平台支持覆盖的能力（平台端），利用开放共享的半实物仿真实验平台对飞行器智能控制领域相关科研和教学提供软硬件设备保障。

科教融合培养过程中，教学呈现和科研攻关均离不开实验平台支撑，笔者通过电子科技大学“学科共享平台建设”项目构建飞行器智能控制技术半实物仿真验证平台，对制导控制方向的教学培养以及轨迹优化方向的科研培养提供实验设备支持。平台在信息处理、控制、系统综合等既定方向上具有支持能力外，还具有开放性和学科覆盖能力，可以在设定问题的驱动下对相关学科领域开放共享，支持多学科协同创新。如图5所示的半实物仿真验证系统即为飞行器智能控制平台在自主越障控制操作任务驱动下重构而成的具体实例，该系统不仅可以对自主控制策略进行实验验证，还能够支持光学检测、图像分析、智能计算和目标跟踪等多方向的教学和科研培养活动。

四  结束语

在新工科建设背景下，研究型大学科教融合人才培养模式亟待融入卓越工程教育要求。为此，本文探索了一种生长型科教融合方案，该方案以学术实践和工程实践协同牵引为根本原则，具有协同牵引、本研一体、循环反馈、多样呈现及学科共享等关键特征，有利于促进学术研究与工程教育的共生发展。本文结合飞行器智能控制领域相关科研和教学实践，说明了该方案的可行性和可操作性，能够为新时期控制学科专业人才培养模式转型提供新思路。

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