新工科背景下科教融合人才培養的生長型方案探索與實踐

李元凱 劉磊 周澤波

摘? 要：新工科卓越工程教育建設理念對研究型大學科教融合人才培養模式提出新要求。該文對新形勢下的科教融合培養模式進行概念性分析，并以學術實踐和工程實踐協同牽引為原則，探索一種學術研究與工程教育共生發展的生長型科教融合方案。該文結合飛行器智能控制領域相關科研和教學實踐，討論該方案的可行性和具體實施途徑，旨在為新時期空天控制學科專業人才培養模式轉型提供新思考。

關鍵詞：科教融合；新工科；生長型方案；人才培養；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

近年來，世界信息科學和技術的實質進步引發了新一輪產業和經濟的快速變革。在新的時代背景下，國家推動創新驅動發展，實施了“人工智能”“互聯網+”“中國制造2025”等重大戰略，對工程科技人才提出了更高要求，我國工科教育改革迫在眉睫。

2017年，教育部適時提出新工科發展戰略[1]，明確了改革工程教育的任務，規劃了優勢高校為主體學科交叉、綜合高校為引領理工融合、地方高校為支撐改造升級的行動路線，半年內完成了“復旦共識”[2]“天大行動”[3]“北京指南”[4]三部曲，形成了“天大六問”的新工科建設理念。隨后，國務院于2018年發布了《國務院關于全面加強基礎科學研究的若干意見》[5]，要求強化系統部署，加強應用基礎研究，面向各類技術創新解決工程與行業所需的重大科學問題。兩者先后實行，揭示了工科教育改革的“問題導向”核心理念，傳統的“科技一統”工科教育范式被解構為“工程問題導向”的工程教育和“科學問題導向”的學術研究兩個環節，并統一于服務創新型國家與世界科技強國建設需求。

面對新科技和新產業前端，工程教育首先受到變革帶來的沖擊和壓力。當前，我國高等工程教育開始逐步重視實踐導向，新工科建設要求未來高校學生需在基礎、交叉、前沿學科知識之上兼具復雜工程問題解決能力、非結構化解決問題能力、工程領導力等專業能力[6]，我國《工程教育認證標準》也特別要求學生具備運用科學與工程專業知識、項目管理方法、現代工具等解決復雜工程問題的能力[7]。

然而，工程教育具體落實在人才培養模式上仍然存在短板[8-9]，主要原因可歸結為內外兩個方面。內部支撐上，工程知識體系固化，課程設計和教材內容不能快速反映日新月異的科學技術新面貌；外部驅動上，工程實踐渠道還不通暢，實踐來源質量參差不齊，需求混雜模糊，難以帶動高校創新群體高水平發展。二者共同致使單一工程實踐導向的人才培養模式很難滿足未來卓越工程科技人才的培養要求。當前，國家高度重視破解“卡脖子”難題，把“卡脖子”技術作為創新驅動的突破方向，這就要求人才培養在以工程實踐為導向的同時，還需開拓知識前沿進行學術實踐，把學術研究融入到工程教育中，有機地合作，開辟工程實踐和學術實踐協同牽引的科教融合人才培養新模式。

本文即對該類培養模式進行概念性分析，初步探索一種工程教育與學術研究共生發展的生長型方案，并以控制學科飛行器軌跡優化設計領域科研和飛行器制導與控制原理專業課程為例討論該方案實踐途徑，旨在為新時期人才培養模式的轉型升級提供新思考。

一? 面向新工科的科教融合特征分析

科教融合理念由來已久并且內涵豐富[10]。自1809年洪堡（Wilhelm von Humboldt）創辦柏林大學提出“教學與科研統一”理念以來，科教融合經歷了若干發展階段，確立了研究型大學的主體性地位，以及教育與科學協調發展的根本宗旨。國內理論界把科教融合深入解構和拓展，提出由面向社會事業的廣義維度和面向高等院校的狹義維度共同構成的概念體系[11]，其中，狹義維度上的科教融合具有三個層面表現：理念層面，教學達至科學思維；制度層面，科學構建培養體系；操作層面，教學科研互動融合。本文討論僅涉及操作層面。

科教融合的主體是研究型大學，在于其具有“知識創造者”和“培養知識創造者”雙重功能。我國研究型大學多以“世界一流大學”為建設目標，大量有志于從事科學研究事業的研究生和本科生群體聚集其中，構成科教融合的主要培養對象。近年來，西方研究型大學為提升教學質量，對研究生和本科生一并實施科教融合培養，構建高質量研究性教學模式[12]。主要即在內外兩個方面進行，內部以課程改革為支撐，開發以創新和研究為導向的課程體系[13]，外部以研究項目為牽引，開展面向研究實踐的教學[14]。

當前，我國新工科建設對人才培養模式提出了類似要求，區別在于更加注重工程實踐與學科交叉。面向新工科，科教融合培養模式在我國研究型大學需具備更多內涵，其關鍵在于學術研究與工程教育的融合，具體可體現為如下幾方面特征。

1）在問題驅動端，注重基礎科學研究與重大工程研制導向一致。科學研究和工程研制分別由科學問題和工程問題驅動，兩者在思想方法與論證手段上存在顯著差異，但在人才培養總體目標上具有一致性，共同服務于卓越工程科技人才產出。2020年，教育部在部分試點高校開展基礎學科招生改革試點工作，提出推進科教協同育人，探索建立結合重大科研任務進行人才培養的機制[15]。國家高度重視基礎研究的突破在工程研制上的顛覆性作用，表明了基礎科學與重大工程在問題牽引上的一致性導向。

2）在培養過程中，遵循學術實踐與工程實踐協同牽引根本原則。學術實踐牽引教學是研究型大學全面提高質量的核心手段，然而工科學術實踐中的科學問題往往來自兩個方面，一是根植于科學機理自身的發展邏輯，二是來源于工程技術應用的發展需求，在新工科背景下，后者顯然被放到了更加突出的位置；再從工程實踐角度看，工程問題往往蘊含若干關鍵技術甚至“卡脖子”技術，學術攻關又必不可少。這意味著科教融合在學術實踐的同時，還需考慮與工程實踐的關聯耦合，二者協同牽引，可共同促進科教融合培養的均衡性，也有利于未來科學人才與工程人才的統一聯動。

3）在人才輸出端，具有多元化多維度人才培養目標。研究型大學科教融合常以高層次創新人才為培養目標[11]，而新工科人才培養目標還要求人才要適應新技術和新產業的發展變化[8]，因此學術研究與工程教育的融合必然會激發出更多維度的人才類型輸出，使得培養目標更加多元化。圖1刻畫了科技創新、工程應用、學科交叉三個維度下的人才類型。單一評價體系往往以某一維度的評價指標作為衡量準則，而在融合培養新模式下，至少具有三種基本人才類型：一是科技創新維度上，專攻科學與技術基礎研究的縱向人才；二是工程應用維度上，專攻工程與技術研制開發的橫向人才；三是兼顧學科交叉維度的具有合縱連橫能力的卓越人才。可以看出，在各維度上該模式對不同程度權重的復合人才有極大包容性，更有利于多元化人才的價值涌現。

綜合來看，以上特征對面向新工科的科教融合人才培養方式具體化提出了兩點新要求。落實到融合方案上，一是要改善科學探索或工程項目單一類型驅動的狀態，提高對問題來源的包容度，實現科學與工程問題驅動的一致性協同；二是要改善問題端對人才端單向驅動的靜態程式化關系，優化融合方案的系統結構，建立問題與人才雙向驅動的動態發展型機制。基于這兩點要求，筆者總結科研和教學實踐，提出一種生長型科教融合方案構想。

二? 科教融合的生長型方案建模

實現協同驅動與動態發展，需要對問題驅動端和人才輸出端的相互作用關系進行重構。本節基于系統的結構化設計思想，給出一種可動態生長的科教融合培養基本架構，并對結構組成和關鍵特征展開描述。

（一）? 基本架構

生長型方案系統結構如圖2所示，該系統由問題驅動、人才輸出、平臺支撐和教學呈現四個端口構成，形成教學、科研兩個通道。

問題驅動端為培養者提供迭代更新的科學問題和工程問題，是系統動態運行的動力源；人才輸出端為培養者提供培養對象（科教融合培養的本科生和研究生）的狀態信息，是動態系統的產出端口；平臺支撐端為培養者提供服務教學和科研的學科共享軟硬件資源，是系統的共享開放端口；教學呈現端為培養者提供學術研究成果和工程應用成果的施教途徑，包括基于教材專著的紙媒、基于仿真軟件的電媒等多種樣式，是系統的動態監控端口，也構成了系統從驅動端到輸出端的教學傳遞通道。

驅動端到輸出端的科研傳遞通道則由一個科學與工程共性設計的正反饋外部回路構成。由圖中可知，驅動端更關注問題的共性驅動，而非科學或工程問題的單一牽引，輸出端則更關注人才的共性輸出，而非本科生或研究生的固化分類。這種共性培養方式實際上是利用復雜度的適量增加來提高創新涌現的可能性，從而體現出融合優勢。不僅如此，這種優勢還可以通過正反饋機制實現迭代生長，進而得到優勢強化。如圖2所示，驅動端和輸出端之間建有前饋通道和反饋通道的雙向動態聯系。在前饋通道，問題驅動跨過教學呈現直接作用于人才能力和成果輸出，這對于部分優質培養對象，特別是課程學習任務較多的本科生的快速成長具有積極作用；在反饋通道，培養對象的科學和工程研究產出不斷積累，這些研究積累在培養者監督下可對驅動問題進行迭代升級，形成外部回路的良性動態循環。

綜合來看，共性設計和正反饋機制下的科研傳遞通道，結合多樣施教途徑下的教學傳遞通道，共同構成了生長型科教融合培養架構主體，由于其兼顧科學、工程與教學的融合性和生長性。因此在培養者操作層面上，有利于學術研究和工程教育的共生發展。

（二）? 關鍵特征

根據上述架構，生長型科教融合方案具有協同牽引、本研一體、循環反饋、多樣呈現和學科共享五個關鍵特征。

1? 問題驅動端：注重科學問題和工程問題協同牽引

問題驅動是高端創新人才培養和卓越工程人才培養的共識原則，比如北京科技大學薄膜材料研究驅動的科研實例教學[16]，以及中央民族大學圖像處理項目驅動的工程實踐教學[17]等，均是科學問題或工程問題牽引下的教學模式。然而對于既定學科領域，這兩類問題往往有很強的關聯性，單一牽引容易顧此失彼。以控制學科為例，控制新理論和新方法可以成就眾多工程對象的新應用，而新興工程對象新特性也可以倒逼方法甚至原理的革新，從而形成互為促進和協同牽引的局面。該方案的驅動端能夠包容和鼓勵這種局面的產生，尋求科學與工程問題導向的一致性。

2? 人才輸出端：注重培養對象本研一體化

對于我國研究型大學，本研界限并不明顯[12]，培養對象對學術實踐和工程實踐均有較高要求，就控制學科而言，很大一部分畢業生將在高等院校、科研機構、高新企業擔任研究性職位，理論方法和工程應用會各有側重，但難以割裂，因此對本科生和研究生傳統的平行式或分段式培養[12]并不利于創新人才和工程人才的多元化產出。該方案的輸出端淡化了身份特征，將培養對象有機融合，可以充分考慮本研學生之間的關聯耦合，以此挖掘潛在的培養效率，實現多維度個性化的人才輸出。

3? 科研通道：注重科研過程的循環反饋

該方案中，驅動問題對培養對象的直接前饋，以及培養對象對驅動問題的正向反饋共同構成了具有生長能力的動態循環。其生長性源于正向反饋通路，該通路通過正反饋機制實現研究積累，是培養者監督的科研進程得以良性發展的必要途徑。直接前饋通路則為發展預期提供了一種干預機制，可通過對優質人才實施科研、產研等協同育人舉措[18]加速或調整科研進程，使得整個通道能夠可控生長。

4? 教學通道：注重施教途徑的多樣呈現

教學樣式創新在科教融合人才培養中被高度重視，現有樣式可歸納為紙媒和電媒兩類，如南方科技大學以“設計、表達、實現”為主線創新設計的工程學引論課程和教材[9]屬紙媒創新，而北京化工大學基于虛擬仿真的機器人控制技術課程教學[19]則屬電媒創新。該方案的教學呈現端可以兼容紙電等多類媒介的教學樣式，并且在協同牽引下，教學內容的深度和廣度也有更大的空間，使得培養者對原理性強的理論課程，以及操作性強的實驗課程均能靈活施教，從而滿足培養對象的多元化需求。

5? 平臺支撐端：注重學科領域的開放共享

科教融合培養過程中，科研和教學、理論教學和實驗教學均需軟硬件平臺的融合支撐，例如武漢工程大學面向電氣與自動化大類的工程實踐教學平臺[20]，采用一體化構架服務于產學研教協同育人模式。為此，本文方案設有支撐平臺，為科研通道和教學通道提供統一的實踐驗證環境，同時對相關學科領域開放共享，形成軟硬件資源的交叉融合，為科研和教學效果涌現創造外部條件。

三? 科教融合的生長型方案實踐

基于生長型科教融合思想和方案架構，筆者在飛行器智能控制領域開展了科教融合初步實踐。為便于論述，歸納為相應的科研通道實踐、教學通道實踐、平臺建設實踐三個方面。

（一）? 科研通道實踐

科研實踐方面，關注驅動問題質量的生長（驅動端）和人才科研能力的提升（輸出端）雙重目標，采取協同育人（前饋通道）和研究監督（反饋通道）兩個途徑，就高超聲速飛行器軌跡優化設計問題進行科研培養。

培養過程中，驅動問題源自兩個方面，一是筆者與航天一院合作項目中高超聲速飛行器軌跡設計與動態模擬等工程問題，二是高超聲速目標運動軌跡優化以及高動態目標跟蹤方法等科學問題。在兩方面問題協同牽引下，指導本科生和研究生共同開展科研攻關，提高整體科研能力。實施途徑上，筆者通過電子科技大學“面向未來航空航天拔尖人才的科研育人”項目將四名優秀本科生納入課題組，與研究生協同科研，提出一系列多約束優化、天基多站純角度跟蹤等科學方法，發表了學術期刊和學術會議論文，同時開發出一套基于Qt的模擬演示軟件，界面如圖3所示，并完成了軟件著作權登記。與此同時，筆者將科研成果有機地反饋回驅動問題，實現科研問題的迭代生長。

（二）? 教學通道實踐

教學實踐方面，關注教學呈現方式的效果（呈現端）和人才學科知識的提升（輸出端）雙重目標，通過紙媒形態的教材專著建設和電媒形態的虛擬仿真開發（呈現端）兩種形式，對飛行器制導與控制相關專業課程進行教學培養。

培養過程中，驅動問題的生長會促使學術研究和工程應用成果更新，于是筆者將新成果通過紙媒和電媒形式納入到理論和實驗課程中。具體實施途徑上，紙媒方面，筆者通過電子科技大學“新編特色教材”項目進行課程建設，出版《飛行器制導與控制原理》教材[21]，將高超聲速飛行器軌跡優化與制導、天基目標跟蹤與控制等新內容反映到同名理論課程中，并在教學設計中融入思維導圖、視頻動畫、參考閱讀等電子資源，進行紙媒與電媒融合呈現。電媒方面，通過電子科技大學“高超聲速導彈飛行原理與突防作戰”虛擬仿真實驗教學項目將相關科研項目成果進行可視化軟件開發和教學應用，并在實驗空間網頁發布[22]，校內界面如圖4所示，服務于筆者高超聲速飛行器制導控制實驗課程建設。

教學呈現方式具有多樣性，因此除教學媒介之外，還可包括其他維度上的形式。筆者在現代飛行器GNC理論課程中考慮了學科擴展和交叉，以對象為中心對所涉及的各學科關鍵理論技術進行教學呈現。具體地說，該課程以精確制導飛行器為中心對象，不僅包括本體概念、應用環境、傳統原理等基本內容的教學，還包括該對象隨現代科技不斷創新發展的探測識別、精確制導、自主導航、測控飛控、信息融合、數據鏈、網絡通信、信息對抗、指控綜合、總體設計和仿真試驗等關鍵技術教學，涉及多個學科分支，有助于學生進行面向對象的多學科知識體系構建。

總之，在教學實踐上，多種呈現方式相輔相成，可以讓學科知識得到多角度呈現，從而促進培養對象學科素養的個性化高水平提升。

（三）? 平臺建設實踐

平臺建設方面，關注平臺支持覆蓋的能力（平臺端），利用開放共享的半實物仿真實驗平臺對飛行器智能控制領域相關科研和教學提供軟硬件設備保障。

科教融合培養過程中，教學呈現和科研攻關均離不開實驗平臺支撐，筆者通過電子科技大學“學科共享平臺建設”項目構建飛行器智能控制技術半實物仿真驗證平臺，對制導控制方向的教學培養以及軌跡優化方向的科研培養提供實驗設備支持。平臺在信息處理、控制、系統綜合等既定方向上具有支持能力外，還具有開放性和學科覆蓋能力，可以在設定問題的驅動下對相關學科領域開放共享，支持多學科協同創新。如圖5所示的半實物仿真驗證系統即為飛行器智能控制平臺在自主越障控制操作任務驅動下重構而成的具體實例，該系統不僅可以對自主控制策略進行實驗驗證，還能夠支持光學檢測、圖像分析、智能計算和目標跟蹤等多方向的教學和科研培養活動。

四? 結束語

在新工科建設背景下，研究型大學科教融合人才培養模式亟待融入卓越工程教育要求。為此，本文探索了一種生長型科教融合方案，該方案以學術實踐和工程實踐協同牽引為根本原則，具有協同牽引、本研一體、循環反饋、多樣呈現及學科共享等關鍵特征，有利于促進學術研究與工程教育的共生發展。本文結合飛行器智能控制領域相關科研和教學實踐，說明了該方案的可行性和可操作性，能夠為新時期控制學科專業人才培養模式轉型提供新思路。

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