新工科背景下科教融合人才培养的生长型方案探索与实践

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“科学问题导向”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。

综合来看，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。