談研究生學術能力培養策略

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［摘要］空間軌道設計競賽作為一類適合航天類專業研究生參加的高水平競賽，對研究生的學術能力有很好的提升作用。根據空間軌道設計競賽的特點，分析了其促進學術能力提升的因素，并給出了關于依托空間軌道設計競賽設計研究生學術能力培養策略的初步思考，在初步實踐中取得了良好的效果。

［關鍵詞］軌道設計；競賽；研究生；學術能力；培養策略

2019年6月，一條“中國高校，世界第一！首次打破歐美壟斷”的消息陸續被人民日報、中央電視臺、解放軍報、科技日報等國內重要媒體報道。其主要內容是國防科技大學與西安衛星測控中心聯隊在第十屆國際空間軌道設計大賽中實現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出了突出的學術能力。從國際空間軌道設計競賽的官網[1]也可以看到以歷年的競賽問題為背景發表的一大批一流學術論文，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，部分博士生也已經畢業并進入了高校或科研機構工作。科技競賽是培養研究創新思維的重要載體[2]，對于培養研究生綜合能力有重要影響[3]。近年來，國內外越來越多的創新型航天專業競賽為培養研究生的學術能力提供了更多的途徑。現有的創新型航天專業競賽包括：國際性的國際空間軌道設計競賽、國際小行星防御任務設計競賽、中俄小衛星設計競賽等；全國性的研究生未來飛行器創新大賽、全國空間軌道設計競賽、航天院所的航天任務或方案創新競賽等。本文將以空間軌道設計競賽為例，分析其促進學術能力提升的因素，探析如何依托創新型航天專業競賽培養研究生的學術能力。

一、空間軌道設計競賽簡介

空間軌道設計競賽包括國際空間軌道設計競賽（GTOC）和全國空間軌道設計競賽（CTOC），主要面向航天機構和高校科技工作者及研究生，是具有航天工程任務背景的團體競賽。該競賽的初衷是征集復雜且尚未很好解決的航天任務問題的最優可行方案。GTOC由歐洲航天局先進概念組于2005年提議發起，CTOC則由清華大學航天航空學院和中國力學學會于2009年共同發起。每1～2年舉辦一屆，每屆競賽的冠軍團隊將獲得下一屆競賽的承辦權和命題權。截至目前，國內外空間軌道設計競賽均已成功舉辦十屆，第十一屆全國空間軌道設計競賽也即將開始。前十屆全國空間軌道設計競賽問題的主題依次為近地小行星取樣返回、火星與多目標小行星探測、多目標多任務行星與小天體探測、多目標多任務小天體探測、近地小行星取樣返回（甲題）/快速飛離太陽系（乙題）、不規則形狀小行星表面巡游（甲題）/近地軌道衛星編隊重構任務（乙題）、多目標太陽同步軌道空間碎片清除任務（甲題）/地面多目標點觀測的衛星規劃和調度任務（乙題）、地球靜止軌道資源衛星編隊監測任務（甲題）/地球低軌道衛星導航增強任務（乙題）和木星系內磁場及木衛科學探測[1]。前十屆國際空間軌道設計競賽問題的主題依次為小行星撞擊、多目標小行星交會、多目標小行星取樣返回、多目標小行星飛越與交會、多目標小行星撞擊與交會、伽利略木衛巡游、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個有效結果提升到第十屆的40余個。來自包括清華大學、國防科技大學、中國科學院大學、哈爾濱工業大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學、都靈理工大學、米蘭理工大學、莫斯科國立大學、格拉斯哥大學、德州大學奧斯汀分校、密歇根安娜堡分校、科羅拉多大學波德分校等一大批國內外高校在內的研究生也參與到了空間軌道設計競賽之中。

二、空間軌道設計競賽促進學術能力提升的因素分析

空間軌道設計競賽之所以能夠有效地促進研究生提升學術能力，是因為該競賽包含了許多對培養學術能力有益的因素。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的全國空間軌道設計競賽還是全球的國際空間軌道設計競賽，其問題都具有非常濃厚的前沿航天工程任務背景。例如，GTOC2與美國發射的黎明號小行星探測器任務密切相關，GTOC8與天基引力波探測器任務密切相關，GTOC9與未來空間碎片清理任務相關，CTOC6與我國未來太陽系邊際探測任務相關，CTOC7與未來小行星表面探測任務相關，GTOC6和CTOC10與未來木星系科學探測任務相關，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術研究，并且航天相關研究生參與競賽可以有效地建立航天工程任務背景知識，學習前沿工程問題涉及的軌道設計技術。

（二）競賽問題在學術上尚未解決空間軌道設計競賽需要解決一個軌道優化設計的問題，但是競賽問題涉及的約束條件多，優化變量和指標復雜，求解空間十分龐大，相應的軌道優化問題求解非常困難。從學術上來說，現有的軌道優化理論和方法尚未解決競賽涉及的全局軌道優化設計問題。近年來，仍不斷有與競賽問題相關的國內外學術，逐步推動軌道優化理論和方法的發展。因此，從學術研究的角度來說，空間軌道設計競賽問題值得深入研究。依托空間軌道設計競賽，可以很好地幫助學生尋找和發現學術方向。

（三）與本領域一流研究人員共同競賽隨著競賽的不斷發展，國內外越來越多一流高校和科研機構的團隊陸續參與進來。參賽人員中除了研究生之外，還有本領域一流的科學家、工程師和青年學者。例如，國際空間軌道設計競賽的發起者歐空局先進概念組以及美國噴氣推進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計競賽。噴氣推進實驗室研究的探測器已經到達過太陽系所有的大行星，其軌道優化設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域一流研究人員同臺競技的平臺，可以激發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外空間軌道設計競賽時間大約為四周至兩個月。由于需要求解極為復雜且前沿的競賽問題，競賽周期顯得十分緊迫。這就要求參賽團隊中的成員之間互相配合，分解競賽問題，然后共同協作求解。因此，競賽可以鍛煉研究生在開展學術研究時所需的團隊意識、信任和默契。

（五）客觀的指標與嚴格的數據規范空間軌道設計競賽的評價指標是客觀的，競賽結果提交的數據也必須符合嚴格的數據格式規范及約束條件要求。對待實驗數據時嚴謹的態度在學術研究中十分重要。空間軌道設計競賽要求參賽者嚴謹地對待提交數據。為了保障提交結果的正確性，參賽者也需要對軌道數據進行檢驗。這就要求學生要掌握驗證結果可靠性和合理性的能力。此外，通過空間軌道設計競賽積累的軌道優化設計程序及檢驗程序，可以應用于研究生階段后續涉及的軌道設計數值仿真實驗中，保障數據的規范性。

（六）賽后豐富的競賽研討活動到目前為止，每屆競賽結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術會議的一個分會，也可能單獨舉辦。在競賽研討會上，受邀的各參賽團隊將對競賽中采用的新型軌道設計理論和方法進行介紹和交流，可以有效地拓展參會研究生的學術視野。此外，在國內外的許多學術會議上，也會有學者提交與空間軌道設計相關方法的研究論文并進行交流。除了研討會與學術會議之外，許多研究方法也可以通過期刊論文進行有效的傳播。例如，第九屆全國空間軌道設計競賽的多種優秀解法在航天領域著名期刊ActaAstronautica上發表。

三、依托空間軌道設計競賽設計研究生學術能力培養策略

由于空間軌道設計競賽具有許多促進學術能力提升的因素，依托空間軌道設計競賽設計研究生學術能力培養策略具有可行性。下面給出筆者對于培養策略的思考及初步實施后的效果。

（一）培養策略1.安排人員配置合理的研究生團隊參賽。空間軌道設計競賽是允許多人組隊參賽的團隊式競賽，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驗及較好的軌道設計能力，主要作為主力負責參賽，帶領低年級學生前進。這樣可以有效地保障競賽問題的推進求解，幫助整個參賽團隊提升競賽問題相關領域的軌道設計能力。低年級研究生雖然軌道設計能力較弱，甚至經驗為零，但是通過實踐性很強的空間軌道設計競賽，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計，快速地掌握軌道設計所需的編程能力。因此，安排人員配置合理的研究生團隊參賽有利于實驗室軌道方向研究生的梯隊式培養。2.競賽過程中組織技術問題討論。空間軌道設計競賽問題都是極具挑戰性的難題，在求解過程中容易遇到許多技術困難，甚至在看完題目之后可能完全沒有思路。因此，在競賽期間，導師可以多次組織技術問題討論，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和新方法。3.鼓勵學生參與研討會并撰寫競賽問題相關學術論文。賽后的競賽研討會對于進一步提升研究生的學術能力非常有益。導師可以鼓勵學生參與研討會并做學術報告，這對于整理求解思路和提煉創新點非常有益，研討會過程中的學術研討也可能碰撞出創新火花。針對競賽問題提出的新技術或新方法，導師可以鼓勵學生進一步寫成學術論文進行投稿，將科技競賽和學術論文研究建立直接密切的聯系。4.指導學生向與競賽相關的方向繼續深入開展科研。空間軌道設計競賽可以作為培養研究生學術能力的起點和契機。由于空間軌道設計競賽相關方向在學術上仍有許多尚未很好解決的問題，在競賽鍛煉之后可以進一步安排學生參加相關的科研項目，繼續深入開展學術研究。而學生在競賽中獲得的軌道設計能力基礎則有利于其繼續在相關方向深入挖掘。

（二）效果評價與討論筆者所在團隊在第九屆全國空間軌道設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研究生。通過團隊成員的互相配合，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碩轉博，繼續從事軌道設計與控制的相關研究。參與的相關科研項目包括國家和江蘇省自然科學基金、航天相關院所開放基金、院所橫向課題等。另外，這幾名學生作為負責人也申請并獲評了校級和江蘇省的研究生科研創新項目。這些學生在競賽之后的學習中展現出了優異的學術能力，在較好地完成科研項目內容的同時，還發表了多篇學術論文。以參加競賽時的隊長和年級最低的學生為例：隊長在賽后以第一作者的身份在SCI期刊ActaAstronautica上發表了競賽解法論文[4]，另外還發表了與軌道優化設計相關的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生目前已以第一作者的身份發表了與軌道優化設計相關的SCI論文1篇[9]和核心期刊論文1篇[10]，并在2019年中國宇航學會深空探測技術專業委員會學術年會中獲得優秀學術論文獎。此外，課題組研究生作為論文主要共同作者在航天工程領域的頂刊ProgressinAerospaceSciences上發表了以空間軌道設計競賽優化方法為主題的綜述論文1篇。初步結果表明，依托空間軌道設計競賽培養研究生的學術能力是可行的。

四、結語

空間軌道設計競賽具有多種促進研究生學術能力提升的因素，可以為培養航天專業研究生學術能力提供有效途徑。本文結合空間軌道設計競賽的特點，給出了依托空間軌道設計競賽設計研究生學術能力培養策略的初步思考。初步的實踐結果表明，依托空間軌道設計競賽培養研究生學術能力具有良好的效果。當然，如何依托創新型競賽制定研究生學術能力培養策略工作需要不斷深入探索和實踐，從而總結出更為有效的培養策略。

作者：楊洪偉 李爽 劉宇航 單位：南京航空航天大學