工程师解决工程技术问题模式及其对工程教育的启示

杨世明

(天津工业大学 机械工程学院，天津 300387)

技术是实践活动展开的基础，处于主体和客观世界的中介位置，支持着实践目的的有效实现[1]。技术是影响工程质量和工程成本的重要因素。根据唯物辩证法矛盾的普遍性原理，工程中必然存在矛盾，工程师面临的主要矛盾就是工程目标对技术的需求与能否提供高性能技术的矛盾。解决工程技术问题是工程实践的重要内容，因此深刻认识工程师解决工程技术问题的模式，对如何培养工科大学生解决工程技术问题能力具有积极的指导作用。本文将对此作一初步探讨。

一、 解决工程技术问题模式的分析

为了培养解决工程技术问题的能力，需要认识工程师解决工程技术问题时是如何思考的。工程活动都有明确目标，所以工程思维以目标为导向。工程目标实现程度是工程自变量的函数，自变量包括构造、材料、尺寸、精度、硬度等，工程师必须在不违背科学原理、技术原理以及各种约束条件下，通过选择和开发技术，确定构造、材料、尺寸、精度、硬度等。所以，在为实现工程目标制定技术方案时，必须考虑各种制约。

1. 形成工程理念

理念即观念，也就是看法、思想或思维活动的结果。任何思想都是主观对客观的反映，凡根据和符合客观事实的思想就是正确的思想[2]。工程理念是关于工程的战略性思想，描述了工程目标的核心内容，正确的工程理念是基于对需求的正确判断。比如，某一电梯制造公司对提高高层住宅电梯竞争力的理念是降低成本；再比如，空客380飞机的设计理念是一次性将尽可能多的旅客运送至主要航空枢纽，然后通过中小型飞机分流到其他中小城市，以提高燃油经济性和减小对机场跑道的压力。工程理念也与概念创新相联系。工程理念对工程实践起决定性作用，它决定了工程的核心目标，直接影响产品竞争力和工程周期等。协和飞机的停飞表面看是安全事故造成的，但其内在原因是设计理念不符合市场需求；苹果智能手机之所以取得巨大的成功，其先进的产品理念发挥了重要作用。

2. 建立技术原则

如前所述，在确定或改进构造、材料、尺寸、精度和硬度等影响工程目标实现程度的自变量时，需要符合科学原理和技术原理，满足各种约束条件，这些约束条件涉及经济性、可制造性、法律法规和社会效益等。若技术方案与科学原理、技术原理及各种约束条件发生冲突，则该技术必是不可行的或性能不佳的。所以，解决工程技术问题是在各种限制和约束围成的可行区域内寻找解决方案。

工程师通过建立若干技术原则处理解决工程技术问题时的各种制约，工程理念通过技术原则体现。比如，要制造省油的汽车，则工程实践中要建立轻量化原则；要实现智能制造，则工程实践中要建立信息化原则和自动化原则，信息化原则体现对信息采集和处理的要求，自动化原则体现对决策信息直接驱动生产活动的要求。抽象原则通过具体原则得到落实。比如，符合科学原理原则，需要用强度原则、刚度原则、振动稳定性原则等具体原则在工程实践中表现出来。对于复杂或高要求的工程，需建立多层次的技术原则体系。对技术原则不同达成度的要求既体现了工程理念，又体现了工程策略。技术原则要根据工程理念和工程实际确定，对工程涉及的问题理解越深入，建立的技术原则越符合工程实际。

3. 确定技术方案

技术原则是确定技术方案的依据，规定了技术方案应具有的属性，就是给出了技术方案的可行区域。技术问题具有多解性，但也常常出现技术不能满足工程实践需求的情况。因此，建立技术原则后，工程师解决工程技术问题有两种方法，一是在现有技术中择优，二是进行技术开发。一般的技术选择可以依据工程师的经验，但关键技术的选择必须慎重。如何选择最有利的技术，对于一个部门、一个企业、一个地区、一个国家乃至整个世界的发展，都有重要的战略意义。技术选择要遵循先进性、经济性、适用性和关联性原则[3]。技术开发指技术发明、技术改造。技术开发是从概念的形成,经过科研、设计、建设,使一项新的技术或新的工艺付诸实施的整个过程[4]。按技术开发的方式可分为独创型、综合型和改良型三种技术开发[3]。

根据上述分析，我们认为工程师解决工程技术问题的模式是：树立工程理念，在该理念指导下依据科学原理和技术原理，考虑工程约束条件形成技术原则；根据技术原则及对不同技术原则重要性的认识，通过选择或开发，确定技术方案。简称之为“工程理念—技术原则—技术方案”模式。

二、 解决工程技术问题的模式与工程优化程序一致

技术是影响工程目标实现的核心因素。解决工程技术问题就是寻找技术解和寻找较优技术解的过程，寻找技术解可视为寻找较优技术解的最简单情况，因此可以说解决工程技术问题的核心就是寻找较优技术解。工程常有多个目标和若干约束，工程寻找较优技术解可以类比有约束多目标优化问题。单一目标下寻求较优技术解可认为是多目标优化的特例。

根据数学规划理论，有约束多目标优化问题的数学模型如下：

minY=f(X)=[f1(X),f2(X),…,fn(X)]T

n=1,2,…，N

受约束于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为D维决策列向量；xd表示向量中一个分量；f(X)为目标函数；N为优化目标总数；m为不等式约束方程数；k为等式约束方程数。

(1) 工程优化中，确定优化目标和对多目标优化中优化目标重要性的权衡体现了工程理念。比如设计一桁架，其工程理念是降低成本，则桁架重量最轻是优化目标。

(2) 技术原则是构建优化数学模型的基本依据。技术原则就是优化设计中的准则。比如，对优化目标是桁架重量最轻的设计，技术原则是各杆满足强度条件，或许根据桁架具体应用场合，满足刚度条件也是技术原则；然后依据强度条件或强度和刚度条件，得到各杆截面积表达式，才能进行优化。技术原则是建立优化目标与自变量函数关系、确定约束条件的依据，同时也是判断优化目标是否合理的依据。实现目标优化，必须以符合科学原理、符合技术原理和满足实现功能的约束条件等为技术原则，以保证优化目标正确和各项工程任务指标优良。

(3) 确定技术原则之后，还需要结合具体技术方案才能建立优化数学模型。利用数学规划理论进行优化是定量分析过程，只有确定了技术方案后才能对性能参数或结构尺寸参数进行优化。比如，优化一个实现输出和输入满足某函数关系的连杆机构，要建立优化数学模型，必须确定连杆机构的具体类型，如选择曲柄摇杆机构来优化。

通过上述分析可以看出，工程优化的程序是：形成工程理念→建立技术原则→确定技术方案→进行工程优化。

假定对欲解决的工程技术问题都有一个适用的数学分析表达式，则工程技术问题都可以用优化方法求得较优解。所以工程优化的程序就是解决工程技术问题的基本步骤。从上述分析可以看出，“工程理念—技术原则—技术方案”的解决工程技术问题模式与从工程优化方法分析得出的解决工程技术问题程序一致，这也说明“工程理念—技术原则—技术方案”模式具有普遍性。一些工程因为受时间等因素制约，只能采用“可行”或“不可行”作为是否采用某一技术方案的标准。

三、 对工程教育的启示

改革开放以来，我国的高等工程教育取得了巨大成就，但也存在一些不足，比如，人才供需之间存在矛盾。由于教学存在的问题，毕业生的质量达不到用人单位的要求，这是导致供需矛盾的一个重要原因[5]。毕业生质量达不到用人单位的要求，是知识、能力和素质欠缺的综合表现。其原因是多方面的，比如课程体系和教学内容不能反映工程实践需求，实践教学的工程性不够，教师缺少工程经验。从课程体系和教学内容看，大多数课程教学内容按学科知识体系组织，其核心是本学科的基本概念和理论。如设计制造类课程主要论述特定工程系统或零部件的设计、制造等，缺少讲授发现、解决综合性工程问题的课程和相关实践。毕业生缺少对解决工程技术问题基本规律的认识和相关训练，他们在处理综合性强、比较复杂的工程技术问题时就会束手无策。

根据前述对工程师解决工程技术问题模式的分析，结合对工程教育课程体系和教学内容不足的分析，为加强工科大学生工程实践能力培养，工程教育要在保证学生学习必要学科基本知识的同时，使学生掌握解决工程技术问题的基本模式。可以通过专业概论等综合性课程、专题讲座或结合工程案例讲授解决工程技术问题的基本模式，使学生理解树立工程理念的重要性和技术原则在解决工程技术问题中的作用，帮助学生掌握解决工程技术问题的方法，使处理工程技术问题有“章”可循。要提高实践教学的综合性和工程性，贴近工程的实践可以加深学生对解决工程技术问题模式的认识，体验根据需求及工程实际形成工程理念和建立技术原则的过程。在工程教育中还应注意培养学生能根据工程理念和工程实际给予不同技术原则不同的重视程度的能力。

四、 结语

工程教育的核心是培养学生解决工程技术问题的能力。基于对工程师解决工程技术问题基本模式的研究和认识，针对工程教育课程体系和教学内容存在的不足，提出了培养解决工程技术问题能力的新思路。本研究成果对工程教育改革具有理论和应用价值，对提高工科大学生实践能力具有重要作用。