談研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略
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［摘要］空間軌道設(shè)計競賽作為一類適合航天類專業(yè)研究生參加的高水平競賽，對研究生的學(xué)術(shù)能力有很好的提升作用。根據(jù)空間軌道設(shè)計競賽的特點，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)計競賽設(shè)計研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略的初步思考，在初步實踐中取得了良好的效果。
［關(guān)鍵詞］軌道設(shè)計；競賽；研究生；學(xué)術(shù)能力；培養(yǎng)策略
2019年6月，一條“中國高校，世界第一！首次打破歐美壟斷”的消息陸續(xù)被人民日報、中央電視臺、解放軍報、科技日報等國內(nèi)重要媒體報道。其主要內(nèi)容是國防科技大學(xué)與西安衛(wèi)星測控中心聯(lián)隊在第十屆國際空間軌道設(shè)計大賽中實現(xiàn)了中國參賽隊伍的首次奪冠，打破了歐美參賽隊對該賽事冠軍的壟斷。在該競賽中獲得冠亞軍的兩支國內(nèi)代表隊中，大部分成員是在讀的碩博研究生。這些世界一流隊伍中的研究生通過該競賽展現(xiàn)出了突出的學(xué)術(shù)能力。從國際空間軌道設(shè)計競賽的官網(wǎng)[1]也可以看到以歷年的競賽問題為背景發(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，全國空間軌道設(shè)計競賽也已走過了第十個年頭[1]。在軌道競賽歷程之中，許多研究生在競賽中獲得了鍛煉和成長，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。科技競賽是培養(yǎng)研究創(chuàng)新思維的重要載體[2]，對于培養(yǎng)研究生綜合能力有重要影響[3]。近年來，國內(nèi)外越來越多的創(chuàng)新型航天專業(yè)競賽為培養(yǎng)研究生的學(xué)術(shù)能力提供了更多的途徑?，F(xiàn)有的創(chuàng)新型航天專業(yè)競賽包括：國際性的國際空間軌道設(shè)計競賽、國際小行星防御任務(wù)設(shè)計競賽、中俄小衛(wèi)星設(shè)計競賽等；全國性的研究生未來飛行器創(chuàng)新大賽、全國空間軌道設(shè)計競賽、航天院所的航天任務(wù)或方案創(chuàng)新競賽等。本文將以空間軌道設(shè)計競賽為例，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)競賽培養(yǎng)研究生的學(xué)術(shù)能力。
一、空間軌道設(shè)計競賽簡介
空間軌道設(shè)計競賽包括國際空間軌道設(shè)計競賽（GTOC）和全國空間軌道設(shè)計競賽（CTOC），主要面向航天機(jī)構(gòu)和高校科技工作者及研究生，是具有航天工程任務(wù)背景的團(tuán)體競賽。該競賽的初衷是征集復(fù)雜且尚未很好解決的航天任務(wù)問題的最優(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)院和中國力學(xué)學(xué)會于2009年共同發(fā)起。每1～2年舉辦一屆，每屆競賽的冠軍團(tuán)隊將獲得下一屆競賽的承辦權(quán)和命題權(quán)。截至目前，國內(nèi)外空間軌道設(shè)計競賽均已成功舉辦十屆，第十一屆全國空間軌道設(shè)計競賽也即將開始。前十屆全國空間軌道設(shè)計競賽問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、多目標(biāo)多任務(wù)行星與小天體探測、多目標(biāo)多任務(wù)小天體探測、近地小行星取樣返回（甲題）/快速飛離太陽系（乙題）、不規(guī)則形狀小行星表面巡游（甲題）/近地軌道衛(wèi)星編隊重構(gòu)任務(wù)（乙題）、多目標(biāo)太陽同步軌道空間碎片清除任務(wù)（甲題）/地面多目標(biāo)點觀測的衛(wèi)星規(guī)劃和調(diào)度任務(wù)（乙題）、地球靜止軌道資源衛(wèi)星編隊監(jiān)測任務(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)磁場及木衛(wèi)科學(xué)探測[1]。前十屆國際空間軌道設(shè)計競賽問題的主題依次為小行星撞擊、多目標(biāo)小行星交會、多目標(biāo)小行星取樣返回、多目標(biāo)小行星飛越與交會、多目標(biāo)小行星撞擊與交會、伽利略木衛(wèi)巡游、多探測器主帶小行星探測、三星編隊宇宙射電源觀測、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)隊越來越多，賽事的影響力也越來越大。CTOC從第一屆的33支參賽隊增到第十屆的62支參賽隊，GTOC中國參賽隊從第一屆的11個有效結(jié)果提升到第十屆的40余個。來自包括清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國科學(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內(nèi)外高校在內(nèi)的研究生也參與到了空間軌道設(shè)計競賽之中。
二、空間軌道設(shè)計競賽促進(jìn)學(xué)術(shù)能力提升的因素分析
空間軌道設(shè)計競賽之所以能夠有效地促進(jìn)研究生提升學(xué)術(shù)能力，是因為該競賽包含了許多對培養(yǎng)學(xué)術(shù)能力有益的因素。下面從六個方面給出具體的分析。
（一）競賽問題具有前沿航天工程背景不論是國內(nèi)的全國空間軌道設(shè)計競賽還是全球的國際空間軌道設(shè)計競賽，其問題都具有非常濃厚的前沿航天工程任務(wù)背景。例如，GTOC2與美國發(fā)射的黎明號小行星探測器任務(wù)密切相關(guān)，GTOC8與天基引力波探測器任務(wù)密切相關(guān)，GTOC9與未來空間碎片清理任務(wù)相關(guān)，CTOC6與我國未來太陽系邊際探測任務(wù)相關(guān)，CTOC7與未來小行星表面探測任務(wù)相關(guān)，GTOC6和CTOC10與未來木星系科學(xué)探測任務(wù)相關(guān)，等等。由于競賽問題具有前沿航天工程背景這一特點，這類問題非常值得研究生開展學(xué)術(shù)研究，并且航天相關(guān)研究生參與競賽可以有效地建立航天工程任務(wù)背景知識，學(xué)習(xí)前沿工程問題涉及的軌道設(shè)計技術(shù)。
（二）競賽問題在學(xué)術(shù)上尚未解決空間軌道設(shè)計競賽需要解決一個軌道優(yōu)化設(shè)計的問題，但是競賽問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)化問題求解非常困難。從學(xué)術(shù)上來說，現(xiàn)有的軌道優(yōu)化理論和方法尚未解決競賽涉及的全局軌道優(yōu)化設(shè)計問題。近年來，仍不斷有與競賽問題相關(guān)的國內(nèi)外學(xué)術(shù)，逐步推動軌道優(yōu)化理論和方法的發(fā)展。因此，從學(xué)術(shù)研究的角度來說，空間軌道設(shè)計競賽問題值得深入研究。依托空間軌道設(shè)計競賽，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賽隨著競賽的不斷發(fā)展，國內(nèi)外越來越多一流高校和科研機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊陸續(xù)參與進(jìn)來。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，國際空間軌道設(shè)計競賽的發(fā)起者歐空局先進(jìn)概念組以及美國噴氣推進(jìn)實驗室的研究人員和工程師就曾多次參與國際空間軌道設(shè)計競賽。噴氣推進(jìn)實驗室研究的探測器已經(jīng)到達(dá)過太陽系所有的大行星，其軌道優(yōu)化設(shè)計水平為世界頂尖水平。空間軌道競賽為研究生提供了一個可以和本領(lǐng)域一流研究人員同臺競技的平臺，可以激發(fā)他們研究并解決競賽問題的熱情和興趣。
（四）緊迫的競賽周期國內(nèi)外空間軌道設(shè)計競賽時間大約為四周至兩個月。由于需要求解極為復(fù)雜且前沿的競賽問題，競賽周期顯得十分緊迫。這就要求參賽團(tuán)隊中的成員之間互相配合，分解競賽問題，然后共同協(xié)作求解。因此，競賽可以鍛煉研究生在開展學(xué)術(shù)研究時所需的團(tuán)隊意識、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)計競賽的評價指標(biāo)是客觀的，競賽結(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。對待實驗數(shù)據(jù)時嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度在學(xué)術(shù)研究中十分重要。空間軌道設(shè)計競賽要求參賽者嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙Υ峤粩?shù)據(jù)。為了保障提交結(jié)果的正確性，參賽者也需要對軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗。這就要求學(xué)生要掌握驗證結(jié)果可靠性和合理性的能力。此外，通過空間軌道設(shè)計競賽積累的軌道優(yōu)化設(shè)計程序及檢驗程序，可以應(yīng)用于研究生階段后續(xù)涉及的軌道設(shè)計數(shù)值仿真實驗中，保障數(shù)據(jù)的規(guī)范性。
（六）賽后豐富的競賽研討活動到目前為止，每屆競賽結(jié)束之后都會由主辦方舉辦一次競賽研討會。研討會可能作為其他大型學(xué)術(shù)會議的一個分會，也可能單獨舉辦。在競賽研討會上，受邀的各參賽團(tuán)隊將對競賽中采用的新型軌道設(shè)計理論和方法進(jìn)行介紹和交流，可以有效地拓展參會研究生的學(xué)術(shù)視野。此外，在國內(nèi)外的許多學(xué)術(shù)會議上，也會有學(xué)者提交與空間軌道設(shè)計相關(guān)方法的研究論文并進(jìn)行交流。除了研討會與學(xué)術(shù)會議之外，許多研究方法也可以通過期刊論文進(jìn)行有效的傳播。例如，第九屆全國空間軌道設(shè)計競賽的多種優(yōu)秀解法在航天領(lǐng)域著名期刊ActaAstronautica上發(fā)表。
三、依托空間軌道設(shè)計競賽設(shè)計研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略
由于空間軌道設(shè)計競賽具有許多促進(jìn)學(xué)術(shù)能力提升的因素，依托空間軌道設(shè)計競賽設(shè)計研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略具有可行性。下面給出筆者對于培養(yǎng)策略的思考及初步實施后的效果。
（一）培養(yǎng)策略1.安排人員配置合理的研究生團(tuán)隊參賽?？臻g軌道設(shè)計競賽是允許多人組隊參賽的團(tuán)隊式競賽，可以安排高年級研究生和低年級研究生同時參賽。高年級研究生具有一定的競賽經(jīng)驗及較好的軌道設(shè)計能力，主要作為主力負(fù)責(zé)參賽，帶領(lǐng)低年級學(xué)生前進(jìn)。這樣可以有效地保障競賽問題的推進(jìn)求解，幫助整個參賽團(tuán)隊提升競賽問題相關(guān)領(lǐng)域的軌道設(shè)計能力。低年級研究生雖然軌道設(shè)計能力較弱，甚至經(jīng)驗為零，但是通過實踐性很強(qiáng)的空間軌道設(shè)計競賽，跟著高年級研究生一同解決問題，可以較快地入門空間軌道設(shè)計，快速地掌握軌道設(shè)計所需的編程能力。因此，安排人員配置合理的研究生團(tuán)隊參賽有利于實驗室軌道方向研究生的梯隊式培養(yǎng)。2.競賽過程中組織技術(shù)問題討論?？臻g軌道設(shè)計競賽問題都是極具挑戰(zhàn)性的難題，在求解過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有思路。因此，在競賽期間，導(dǎo)師可以多次組織技術(shù)問題討論，縷清競賽問題中的難點，盡快地幫助參賽研究生找到解決困難的核心點。這樣對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賽問題求解新技術(shù)和新方法。3.鼓勵學(xué)生參與研討會并撰寫競賽問題相關(guān)學(xué)術(shù)論文。賽后的競賽研討會對于進(jìn)一步提升研究生的學(xué)術(shù)能力非常有益。導(dǎo)師可以鼓勵學(xué)生參與研討會并做學(xué)術(shù)報告，這對于整理求解思路和提煉創(chuàng)新點非常有益，研討會過程中的學(xué)術(shù)研討也可能碰撞出創(chuàng)新火花。針對競賽問題提出的新技術(shù)或新方法，導(dǎo)師可以鼓勵學(xué)生進(jìn)一步寫成學(xué)術(shù)論文進(jìn)行投稿，將科技競賽和學(xué)術(shù)論文研究建立直接密切的聯(lián)系。4.指導(dǎo)學(xué)生向與競賽相關(guān)的方向繼續(xù)深入開展科研?？臻g軌道設(shè)計競賽可以作為培養(yǎng)研究生學(xué)術(shù)能力的起點和契機(jī)。由于空間軌道設(shè)計競賽相關(guān)方向在學(xué)術(shù)上仍有許多尚未很好解決的問題，在競賽鍛煉之后可以進(jìn)一步安排學(xué)生參加相關(guān)的科研項目，繼續(xù)深入開展學(xué)術(shù)研究。而學(xué)生在競賽中獲得的軌道設(shè)計能力基礎(chǔ)則有利于其繼續(xù)在相關(guān)方向深入挖掘。
（二）效果評價與討論筆者所在團(tuán)隊在第九屆全國空間軌道設(shè)計競賽中組織了課題組多名研究生參賽，其中隊長為二年級的研究生，年級最低的是已取得保研資格的準(zhǔn)研究生。通過團(tuán)隊成員的互相配合，最終獲得了甲組冠軍的好成績。在競賽之后，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)計與控制的相關(guān)研究。參與的相關(guān)科研項目包括國家和江蘇省自然科學(xué)基金、航天相關(guān)院所開放基金、院所橫向課題等。另外，這幾名學(xué)生作為負(fù)責(zé)人也申請并獲評了校級和江蘇省的研究生科研創(chuàng)新項目。這些學(xué)生在競賽之后的學(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目內(nèi)容的同時，還發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文。以參加競賽時的隊長和年級最低的學(xué)生為例：隊長在賽后以第一作者的身份在SCI期刊ActaAstronautica上發(fā)表了競賽解法論文[4]，另外還發(fā)表了與軌道優(yōu)化設(shè)計相關(guān)的SCI論文2篇[5，6]和中文期刊論文2篇[7，8]；參賽時年級最低的學(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年中國宇航學(xué)會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會學(xué)術(shù)年會中獲得優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文獎。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ProgressinAerospaceSciences上發(fā)表了以空間軌道設(shè)計競賽優(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)計競賽培養(yǎng)研究生的學(xué)術(shù)能力是可行的。
四、結(jié)語
空間軌道設(shè)計競賽具有多種促進(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)計競賽的特點，給出了依托空間軌道設(shè)計競賽設(shè)計研究生學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)策略的初步思考。初步的實踐結(jié)果表明，依托空間軌道設(shè)計競賽培養(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踐，從而總結(jié)出更為有效的培養(yǎng)策略。
作者：楊洪偉 李爽 劉宇航 單位：南京航空航天大學(xué)
