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理学院设有数学系、物理系、系统与控制科学系、凝聚态物理与材料物理研究中心，是一个多学科交叉的学院，其中基础数学、控制理论与控制工程、一般力学与力学基础和材料物理与化学等学科在国内外有较大影响。理学院与国外有广泛的学术交流与合作，并与美国AIMS联合创办国际期刊《Mathematical
Biosciences and Engineering (MBE)》（生物与工程数学）。
学院具有高水平的本科、硕士和博士高层次人才培养体系。数学系设有2个本科专业，在数学学科有一级学科硕士授予权；在基础数学学科和应用数学学科有博士授予权。物理系设有1个本科专业，在光学、测试计量技术与仪器、物理电子学等学科有硕士授予权，在凝聚态物理、材料物理与化学学科有硕士和博士授予权。系统与控制科学系设有1个本科专业，在控制理论与控制工程、一般力学与力学基础学科有硕士和博士授予权以及博士后流动站。理学院具有一支高素质的师资队伍，其中不乏有在国内外有较大影响的优秀专家学者，现有院士1名，长江学者特聘教授4名，国家级教学名师奖获得者2名，教授42名（其中博士生导师28名），副教授62名。理学院承担多项国家重点、国防科技和国家自然科学基金研究项目和教学研究课题，曾获国家和省部级科技进步奖、优秀教学成果奖以及教学名师奖等60余项。
学院具有优越的学习环境和良好的培养条件，治学严谨，学风端正。本科生主要的基础课程均由教学经验丰富的教授担任主讲，主干专业课程均由资深的博士生导师担任主讲。理学院为全校开设的公共基础课程多年来一直是北航的优质课程，其中工科数学分析、高等数学、大学物理为北京市的精品课程，线性代数和理论力学为国家级精品课。数学基础课程教学团队获得首批教育部高等学校本科教学质量与改革工程国家级教学团队。实验物理教学团队被评为北京市优秀教学团队。
学院建有科研和教学实验中心，包括“信息、数学与行为”教育部重点实验室、系统与控制实验室、世界银行贷款建设的物理实验教学中心（包括普通物理、现代物理和专业物理实验室），其中物理实验教学中心是北京市实验教学示范中心。可使学生在校期间不仅能掌握扎实的基础理论，还能通过多种实验环节培养学生的实验技能、解决实际问题的能力和创新意识。
数学系的2个本科专业致力于培养具有坚实的数学基础，较强的创新意识并掌握一定的信息科学、计算机科学等现代科技理论的高素质、复合型人才。采用“2+2”培养方案，即前两年不分专业，加强基础知识学习，后两年根据不同专业开设具有特色的专业必修课和选修课。数学与应用数学专业（教育部高等学校特色专业建设点）着重培养掌握扎实的数学基础理论，具有较强的计算机应用与开发能力的高级人才。毕业生主要从事数学及相关领域的研究或从事金融数学、管理科学和大型软件开发等方面的工作。信息与计算科学专业主要培养掌握扎实的数学基础理论，在信息处理、信息安全、科学计算等方面具有专门知识的高级人才。毕业生可从事数学及相关领域的研究或从事信息技术开发与应用、工程计算和科学管理等方面的工作。
物理系的应用物理专业致力于培养造就面向未来发展，富有创新潜质和团队精神，善于学习实践的高层次、综合性、复合型高素质人才。使
该专业学生具有坚实的数学物理基础和较强的物理素养，掌握凝聚态物理、材料物理或应用电子技术方面的基础知识，在继续深造和从事科学研究、技术开发及在边缘学科与交叉学科领域内工作等方面均具有很好的竞争力和发展潜力。
系统与控制科学系的信息与计算科学（系统与控制）专业致力于培养具有坚实的数学和力学理论基础，又有具备复杂工程系统分析与控制研究能力和计算机应用能力，理工结合、有持续发展后劲的高层次人才。
该专业毕业生可在高等学校、科研院所、高科技公司和行政事业单位从事与系统分析和控制设计以及计算机软件开发与应用等相关的科研、教学、技术开发与管理等工作。
学院各专业毕业生具有宽广的就业面和继续深造的机会，每年都要选拔部分优秀的本科毕业生免试攻读硕士学位或博士学位。由于理学院的毕业生具有扎实的基础理论，因此受到各个研究生招生单位和用人单位的普遍欢迎。本科生的考研率和就业率在我校均名列前茅。
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