工程教育專業(yè)認(rèn)證中復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵及其分析能力辨析

張彩麗 楊海波

【摘 要】 本文辨析了問題、工程問題及復(fù)雜工程問題的基本內(nèi)涵，探討了如何發(fā)現(xiàn)問題及復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)途徑，介紹了復(fù)雜工程問題的分析方法。匯信息——針對問題搜集、整理，研究文獻，形成對問題的科學(xué)認(rèn)識;論組成——研究問題的整體如何才能夠被劃分為若干較簡單的組成部分;剖關(guān)系——論證組成整體的各個部分、影響因素之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系及其作用方式;找關(guān)鍵——抓住主要問題，確定主要問題的主要方面;析本質(zhì)——運用工程原理，將實際問題轉(zhuǎn)化為工程問題;建模型——深入運用工程原理和過程分析的數(shù)學(xué)方法，建立工程問題對應(yīng)的分析模型;得結(jié)論——針對問題，以最小的代價、最高的質(zhì)量、最快的速度、最低的影響實現(xiàn)問題解決的可行方案論證結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】 工程教育;專業(yè)認(rèn)證;復(fù)雜工程問題;內(nèi)涵;問題分析能力

一、引言

復(fù)雜工程問題源自于現(xiàn)代工程的綜合性、多樣性、跨學(xué)科交融等特征。2018版公布的工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的12條畢業(yè)要求中，有8條明確地含有“解決復(fù)雜工程問題”的要求，就說明復(fù)雜工程問題在專業(yè)認(rèn)證中的重要性。但是目前我國高校各專業(yè)長期以來習(xí)慣于“知識、能力、素質(zhì)”框架下的人才培養(yǎng)規(guī)格，對于能力驅(qū)動、目標(biāo)導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證內(nèi)涵理解尚不深入，各專業(yè)在學(xué)科交叉、課程設(shè)置及其內(nèi)涵、面向工業(yè)界等方面還較難適應(yīng)工程技術(shù)發(fā)展的需要。這些背景導(dǎo)致各專業(yè)在理解“復(fù)雜工程問題”、培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的能力時，產(chǎn)生了比較大的困惑。

本文從問題出發(fā)，在剖析問題、工程問題、復(fù)雜工程問題概念的基礎(chǔ)上，對于專業(yè)領(lǐng)域的“復(fù)雜工程問題”層層剖開，期望明晰相關(guān)概念，為解決學(xué)生復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)發(fā)揮有益作用。

二、問題、工程問題及復(fù)雜工程問題的基本內(nèi)涵

1、問題的基本含義

什么是問題？《現(xiàn)代漢語字典》這樣解釋：

①要求解答的題目。例如：關(guān)于這個知識點有六個問題。

②需要研究解決的疑難和矛盾。例如：學(xué)生為這個問題爭論不休。

③關(guān)鍵;重點。例如：零件失效的問題在于結(jié)構(gòu)設(shè)計。

④意外事故。例如：機器出問題了。

《毛澤東選集》第三卷、第二版指出，什么叫問題？問題就是事物的矛盾。哪里有沒有解決的矛盾，哪里就有問題。

從工程教育專業(yè)認(rèn)證的角度來看，專業(yè)教育過程中關(guān)心的問題，一般特指需要研究解決的疑難和矛盾;或者識別事物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重點參數(shù);或者需要解決的意外情況。

2、工程問題的基本含義

工程就是應(yīng)用科學(xué)知識使自然資源最佳地為人類服務(wù)的一種專門技術(shù)，通過這一技術(shù)，使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過不同結(jié)構(gòu)、機器、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程，以最短的時間和最少的人力做出高效、可靠并且對人類有用的東西，工程是一種實踐行為。關(guān)于工程問題，MIT教授Steve Senturia這樣定義：Engineering is the purposeful use of science. 即工程是有目的地應(yīng)用科學(xué)。那么工程問題就是如何利用已知的科學(xué)設(shè)計出有益于人類的東西時遇到的問題，與之對應(yīng)的技術(shù)問題則是怎么把設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實時遇到的問題。因此可作出一個推斷——工程教育中所謂的工程問題本質(zhì)上講就是一個優(yōu)化決策問題，在論證優(yōu)化決策的過程中利用所學(xué)工程理論知識，針對需要研究解決的疑難和矛盾或者事物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重點參數(shù)或者需要解決的意外情況，回答可行的方案、可行方案實現(xiàn)的最佳途徑以及面對任務(wù)失敗時的補救措施的方法，均屬于典型的工程問題。

3、復(fù)雜工程問題的基本含義

現(xiàn)代漢語詞典中關(guān)于復(fù)雜的釋義為：指事物的種類或頭緒多而雜。復(fù)雜就是多而雜;具有各種不同的，而且常是數(shù)量眾多的部分、因素、概念、方面或影響的相互聯(lián)系，且這種相互聯(lián)系又是難于分析、解答或理解的。

關(guān)于“復(fù)雜工程問題”的概念，工程教育認(rèn)證協(xié)會給出定義如下：必須具備下述特征①，同時具備下述特征②-⑦的部分或全部：

①必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決;

②涉及多方面的技術(shù)、工程和其它因素，并可能相互有一定沖突;

③需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;

④不是僅靠常用方法就可以完全解決的;

⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;

⑥問題相關(guān)各方利益不完全一致;

⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。

由上述可知，復(fù)雜工程問題首先是一個要解決的問題，而且這個問題是一個工程問題，同時還是一個多因素作用且相互聯(lián)系的工程問題，該問題的解決需要運用深入的工程專業(yè)相關(guān)知識和原理，一般包含多個子問題，可能涉及到技術(shù)、工程和其它非技術(shù)因素之間的沖突，并且復(fù)雜工程問題的解決是一個優(yōu)化決策的過程。

三、如何發(fā)現(xiàn)問題及復(fù)雜工程問題的能力構(gòu)建

工程教育專業(yè)認(rèn)證要求學(xué)生應(yīng)具備復(fù)雜工程問題的分析能力、設(shè)計/開發(fā)能力、研究能力、理解與評價現(xiàn)代復(fù)雜工程問題對社會的影響能力等。而發(fā)現(xiàn)和提出問題是這些能力的前提，如果沒有發(fā)現(xiàn)問題，不能提出問題，復(fù)雜工程問題的各種能力培養(yǎng)就無從談起。愛因斯坦曾經(jīng)說過：提出問題往往比解決問題更重要。學(xué)生不知道用專業(yè)技術(shù)干什么的主要原因就是沒有發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，只要有問題，用專業(yè)的技術(shù)解決問題，就鍛煉了技術(shù)能力。而且從技術(shù)的角度看，人類社會進步與發(fā)展的過程就是不斷發(fā)現(xiàn)問題、不斷解決問題的過程，這也就是發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的重要性。

那么問題從哪里來呢？一般認(rèn)為問題、尤其是工程技術(shù)問題有3種來源：

一是來源于生產(chǎn)生活的實際問題。亦即人類生產(chǎn)生活活動中遇到的困難，需要尋找解決方案。這一類問題幾乎是一切工程技術(shù)問題的總來源。

二是來源于別人提出的需要。這是絕大部分工程技術(shù)人員問題的基本來源。工程專業(yè)認(rèn)證中，這一類問題以綜合性或者設(shè)計性實驗、課程設(shè)計、綜合設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等為典型代表。

三是來源于一定目的下的積極主動地思考，由設(shè)計者自主發(fā)現(xiàn)并且根據(jù)需要提出的問題。發(fā)現(xiàn)這類問題往往有三種典型的途徑：一是觀察法。既然問題源自于實際與期望的不符，那就通過深入細(xì)致的觀察生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象，尋找不足和差距，從而找出問題，抓住問題。二是信息收集、分析的方法。了解實際生產(chǎn)生活的需要或缺陷，從而找出問題。三是技術(shù)試驗方法。通過技術(shù)試驗發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新問題，或者從技術(shù)試驗過程中獲得靈感、頓悟，進而創(chuàng)造性的發(fā)現(xiàn)新問題。

關(guān)于解決復(fù)雜問題的知識、能力、素質(zhì)形成，其前提就在于人才培養(yǎng)的過程中，怎么發(fā)現(xiàn)、定義復(fù)雜工程問題。按照上述方法發(fā)現(xiàn)了問題之后，按照工程問題、復(fù)雜工程問題的概念對其進行問題重構(gòu)——改變以往僅僅關(guān)注技術(shù)問題解決的傳統(tǒng)，改為按照復(fù)雜工程問題的基本內(nèi)涵對于典型專業(yè)問題進行封裝，提出新要求，設(shè)置新障礙，進行非技術(shù)性因素的設(shè)計約束和限制，使其盡可能地模擬、逼近實際的復(fù)雜工程問題，最終形成工程專業(yè)各自典型的復(fù)雜工程問題。

四、復(fù)雜工程問題的分析方法

研究復(fù)雜工程問題的分析，那么究竟什么是分析呢？

《現(xiàn)代漢語詞典》關(guān)于分析的解釋如下：把一件事物、一種現(xiàn)象、一個概念分成比較簡單的組成部分，找出這些部分的本質(zhì)屬性和彼此之間的關(guān)系。那么分析的意義在于把一個整體分解成多個部分，并細(xì)致的尋找各部分之間的本質(zhì)屬性和相互關(guān)系，最終找到解決問題的主線，并以此解決問題。

工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于問題分析提出如下要求：能夠運用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。

系統(tǒng)工程學(xué)科泰斗錢學(xué)森院士曾經(jīng)在《工程與工程科學(xué)》中指出，關(guān)于工程技術(shù)人員分析、解決復(fù)雜工程問題必須具備的手段有：

其一，工程設(shè)計和實施的原理;其二，工程問題的科學(xué)基礎(chǔ);其三，工程分析的數(shù)學(xué)方法。

綜合上述觀點，可總結(jié)出復(fù)雜工程問題的分析方法，其實也不是看不見、摸不著、說不清、道不明的過程，抓住以下幾個重要環(huán)節(jié)，即可有效訓(xùn)練復(fù)雜工程問題的分析能力：

匯信息——針對問題搜集、整理文獻，并通過對文獻的研究，形成對問題的科學(xué)認(rèn)識。

論組成——利用系統(tǒng)分析方法，研究問題的整體如何才能夠被劃分為若干較簡單的組成部分。

剖關(guān)系——論證組成整體的各個部分、各類影響因素之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系及其作用方式。

找關(guān)鍵——抓住主要問題，確定主要問題的主要方面，比如問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵參數(shù)等。

析本質(zhì)——運用工程原理、科學(xué)原理，將實際問題轉(zhuǎn)化為工程問題（或?qū)I(yè)領(lǐng)域的技術(shù)問題）。

建模型——深入運用工程原理和過程分析的數(shù)學(xué)方法，建立工程問題對應(yīng)的分析模型，能夠有效表達工程問題，定量的分析問題。

得結(jié)論——復(fù)雜工程問題分析的結(jié)論就是針對問題，怎樣以最小的代價、最高的質(zhì)量、最快的速度、最低的影響實現(xiàn)問題解決的可行方案論證結(jié)果。

在上述方法的具體實施過程中，典型的手段包括：對問題進行系統(tǒng)分析、因果分析、定性分析、定量分析等手段。

五、結(jié)語

工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)就是圍繞解決復(fù)雜工程問題對于人才培養(yǎng)提出的若干基本要求，但是復(fù)雜工程問題的基本內(nèi)涵和要求卻未明確提出，尤其是不同層次的高校，對于復(fù)雜工程問題的界定更加困惑——復(fù)雜是一個相對的概念，如何定義與自己學(xué)校辦學(xué)層次匹配的復(fù)雜工程問題成為認(rèn)證院校的一個重要障礙。其實問題往往源自于認(rèn)識不到位，基于此，本文對于問題、工程問題、復(fù)雜工程問題進行了剖析，從問題的基本概念出發(fā)，深入論證分析了復(fù)雜工程問題的基本內(nèi)涵、問題的提出及解決復(fù)雜工程問題能力的構(gòu)建、復(fù)雜工程問題分析的一般方法，希望能夠在有關(guān)院校認(rèn)證工作中發(fā)揮有益的參考作用。

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【作者簡介】

張彩麗（1973.10—）女，漢族，陜西渭南人，碩士，副教授，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的教學(xué)改革及科研工作.