工程師解決工程技術問題模式及其對工程教育的啟示

楊世明

(天津工業大學 機械工程學院，天津 300387)

技術是實踐活動展開的基礎，處于主體和客觀世界的中介位置，支持著實踐目的的有效實現[1]。技術是影響工程質量和工程成本的重要因素。根據唯物辯證法矛盾的普遍性原理，工程中必然存在矛盾，工程師面臨的主要矛盾就是工程目標對技術的需求與能否提供高性能技術的矛盾。解決工程技術問題是工程實踐的重要內容，因此深刻認識工程師解決工程技術問題的模式，對如何培養工科大學生解決工程技術問題能力具有積極的指導作用。本文將對此作一初步探討。

一、 解決工程技術問題模式的分析

為了培養解決工程技術問題的能力，需要認識工程師解決工程技術問題時是如何思考的。工程活動都有明確目標，所以工程思維以目標為導向。工程目標實現程度是工程自變量的函數，自變量包括構造、材料、尺寸、精度、硬度等，工程師必須在不違背科學原理、技術原理以及各種約束條件下，通過選擇和開發技術，確定構造、材料、尺寸、精度、硬度等。所以，在為實現工程目標制定技術方案時，必須考慮各種制約。

1. 形成工程理念

理念即觀念，也就是看法、思想或思維活動的結果。任何思想都是主觀對客觀的反映，凡根據和符合客觀事實的思想就是正確的思想[2]。工程理念是關于工程的戰略性思想，描述了工程目標的核心內容，正確的工程理念是基于對需求的正確判斷。比如，某一電梯制造公司對提高高層住宅電梯競爭力的理念是降低成本；再比如，空客380飛機的設計理念是一次性將盡可能多的旅客運送至主要航空樞紐，然后通過中小型飛機分流到其他中小城市，以提高燃油經濟性和減小對機場跑道的壓力。工程理念也與概念創新相聯系。工程理念對工程實踐起決定性作用，它決定了工程的核心目標，直接影響產品競爭力和工程周期等。協和飛機的停飛表面看是安全事故造成的，但其內在原因是設計理念不符合市場需求；蘋果智能手機之所以取得巨大的成功，其先進的產品理念發揮了重要作用。

2. 建立技術原則

如前所述，在確定或改進構造、材料、尺寸、精度和硬度等影響工程目標實現程度的自變量時，需要符合科學原理和技術原理，滿足各種約束條件，這些約束條件涉及經濟性、可制造性、法律法規和社會效益等。若技術方案與科學原理、技術原理及各種約束條件發生沖突，則該技術必是不可行的或性能不佳的。所以，解決工程技術問題是在各種限制和約束圍成的可行區域內尋找解決方案。

工程師通過建立若干技術原則處理解決工程技術問題時的各種制約，工程理念通過技術原則體現。比如，要制造省油的汽車，則工程實踐中要建立輕量化原則；要實現智能制造，則工程實踐中要建立信息化原則和自動化原則，信息化原則體現對信息采集和處理的要求，自動化原則體現對決策信息直接驅動生產活動的要求。抽象原則通過具體原則得到落實。比如，符合科學原理原則，需要用強度原則、剛度原則、振動穩定性原則等具體原則在工程實踐中表現出來。對于復雜或高要求的工程，需建立多層次的技術原則體系。對技術原則不同達成度的要求既體現了工程理念，又體現了工程策略。技術原則要根據工程理念和工程實際確定，對工程涉及的問題理解越深入，建立的技術原則越符合工程實際。

3. 確定技術方案

技術原則是確定技術方案的依據，規定了技術方案應具有的屬性，就是給出了技術方案的可行區域。技術問題具有多解性，但也常常出現技術不能滿足工程實踐需求的情況。因此，建立技術原則后，工程師解決工程技術問題有兩種方法，一是在現有技術中擇優，二是進行技術開發。一般的技術選擇可以依據工程師的經驗，但關鍵技術的選擇必須慎重。如何選擇最有利的技術，對于一個部門、一個企業、一個地區、一個國家乃至整個世界的發展，都有重要的戰略意義。技術選擇要遵循先進性、經濟性、適用性和關聯性原則[3]。技術開發指技術發明、技術改造。技術開發是從概念的形成,經過科研、設計、建設,使一項新的技術或新的工藝付諸實施的整個過程[4]。按技術開發的方式可分為獨創型、綜合型和改良型三種技術開發[3]。

根據上述分析，我們認為工程師解決工程技術問題的模式是：樹立工程理念，在該理念指導下依據科學原理和技術原理，考慮工程約束條件形成技術原則；根據技術原則及對不同技術原則重要性的認識，通過選擇或開發，確定技術方案。簡稱之為“工程理念—技術原則—技術方案”模式。

二、 解決工程技術問題的模式與工程優化程序一致

技術是影響工程目標實現的核心因素。解決工程技術問題就是尋找技術解和尋找較優技術解的過程，尋找技術解可視為尋找較優技術解的最簡單情況，因此可以說解決工程技術問題的核心就是尋找較優技術解。工程常有多個目標和若干約束，工程尋找較優技術解可以類比有約束多目標優化問題。單一目標下尋求較優技術解可認為是多目標優化的特例。

根據數學規劃理論，有約束多目標優化問題的數學模型如下：

minY=f(X)=[f1(X),f2(X),…,fn(X)]T

n=1,2,…，N

受約束于gi(X)≤0i=1,2,…,m

hj(X)=0j=1,2,…,k

X=[x1,x2,…，xd,…,xD]T

xdmin≤xd≤xdmaxd=1,2,…,D

其中:X為D維決策列向量；xd表示向量中一個分量；f(X)為目標函數；N為優化目標總數；m為不等式約束方程數；k為等式約束方程數。

(1) 工程優化中，確定優化目標和對多目標優化中優化目標重要性的權衡體現了工程理念。比如設計一桁架，其工程理念是降低成本，則桁架重量最輕是優化目標。

(2) 技術原則是構建優化數學模型的基本依據。技術原則就是優化設計中的準則。比如，對優化目標是桁架重量最輕的設計，技術原則是各桿滿足強度條件，或許根據桁架具體應用場合，滿足剛度條件也是技術原則；然后依據強度條件或強度和剛度條件，得到各桿截面積表達式，才能進行優化。技術原則是建立優化目標與自變量函數關系、確定約束條件的依據，同時也是判斷優化目標是否合理的依據。實現目標優化，必須以符合科學原理、符合技術原理和滿足實現功能的約束條件等為技術原則，以保證優化目標正確和各項工程任務指標優良。

(3) 確定技術原則之后，還需要結合具體技術方案才能建立優化數學模型。利用數學規劃理論進行優化是定量分析過程，只有確定了技術方案后才能對性能參數或結構尺寸參數進行優化。比如，優化一個實現輸出和輸入滿足某函數關系的連桿機構，要建立優化數學模型，必須確定連桿機構的具體類型，如選擇曲柄搖桿機構來優化。

通過上述分析可以看出，工程優化的程序是：形成工程理念→建立技術原則→確定技術方案→進行工程優化。

假定對欲解決的工程技術問題都有一個適用的數學分析表達式，則工程技術問題都可以用優化方法求得較優解。所以工程優化的程序就是解決工程技術問題的基本步驟。從上述分析可以看出，“工程理念—技術原則—技術方案”的解決工程技術問題模式與從工程優化方法分析得出的解決工程技術問題程序一致，這也說明“工程理念—技術原則—技術方案”模式具有普遍性。一些工程因為受時間等因素制約，只能采用“可行”或“不可行”作為是否采用某一技術方案的標準。

三、 對工程教育的啟示

改革開放以來，我國的高等工程教育取得了巨大成就，但也存在一些不足，比如，人才供需之間存在矛盾。由于教學存在的問題，畢業生的質量達不到用人單位的要求，這是導致供需矛盾的一個重要原因[5]。畢業生質量達不到用人單位的要求，是知識、能力和素質欠缺的綜合表現。其原因是多方面的，比如課程體系和教學內容不能反映工程實踐需求，實踐教學的工程性不夠，教師缺少工程經驗。從課程體系和教學內容看，大多數課程教學內容按學科知識體系組織，其核心是本學科的基本概念和理論。如設計制造類課程主要論述特定工程系統或零部件的設計、制造等，缺少講授發現、解決綜合性工程問題的課程和相關實踐。畢業生缺少對解決工程技術問題基本規律的認識和相關訓練，他們在處理綜合性強、比較復雜的工程技術問題時就會束手無策。

根據前述對工程師解決工程技術問題模式的分析，結合對工程教育課程體系和教學內容不足的分析，為加強工科大學生工程實踐能力培養，工程教育要在保證學生學習必要學科基本知識的同時，使學生掌握解決工程技術問題的基本模式。可以通過專業概論等綜合性課程、專題講座或結合工程案例講授解決工程技術問題的基本模式，使學生理解樹立工程理念的重要性和技術原則在解決工程技術問題中的作用，幫助學生掌握解決工程技術問題的方法，使處理工程技術問題有“章”可循。要提高實踐教學的綜合性和工程性，貼近工程的實踐可以加深學生對解決工程技術問題模式的認識，體驗根據需求及工程實際形成工程理念和建立技術原則的過程。在工程教育中還應注意培養學生能根據工程理念和工程實際給予不同技術原則不同的重視程度的能力。

四、 結語

工程教育的核心是培養學生解決工程技術問題的能力。基于對工程師解決工程技術問題基本模式的研究和認識，針對工程教育課程體系和教學內容存在的不足，提出了培養解決工程技術問題能力的新思路。本研究成果對工程教育改革具有理論和應用價值，對提高工科大學生實踐能力具有重要作用。