给排水科学与工程专业学生复杂工程问题解决能力培养研究

张纯 蒋海燕 邓玉梅 李好

摘  要：文章根据对复杂工程问题的界定，分析了复杂工程问题和复杂技术问题的差别;给出了给排水科学与工程专业复杂工程问题参数确定方法，阐述了复杂工程问题解决过程中的误区，介绍了工程伦理素质的培养方法，明确了给排水科学与工程专业学生解决复杂工程问题时需要的基本素养。

关键词：给水排水;复杂工程问题;工程伦理;能力培养

中图分类号：C961         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）27-0169-04

Abstract： The differences between complex engineering problems and complex technical problems were analyzed based on the definition of complex engineering problems. Besides， the parameter determination method for complex engineering problems in water supply and drainage science and engineering major was given and the mistakes in the process of solving complex engineering problems were also analyzed. The cultivation of engineering ethics was also introduced. Furthermore， the basic qualities to solve complex engineering problems needed by the students of the water supply and drainage science and engineering speciality are clarified.

Keywords： water supply and drainage; complex engineering problems; engineering ethics; ability cultivation

一、概述

工程教育认证标准中提到的“复杂工程问题”（Complex Engineering Problems），指复杂的系统性工程问题，而非复杂工程的问题。复杂工程问题的属性一般指现有的工程经验不具备，现有行业设计规范无涉及，文献亦查阅不到的工程问题[1]。复杂工程问题一般具备以下特征[1-2]：（1）需要运用较深入的工程原理和专业理论知识，经过分析才可能得到解决。该特征要求学生对给排水科学与工程专业学生对专业课的掌握要有一定的深度，不能套用以前的普遍的工程问题解决方法，会运用知识分析问题，从而解决复杂工程问题;（2）涉及专业知识的多方面技术、工程和其它因素，相互并可能冲突;该特征说明了复杂工程问题的属性，说明复杂工程问题涉及的专业面较广，甚至是学科交叉，且相互中间可能存在冲突;（3）依靠常用方法难以解决，需要通过建立合适的抽象工程模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性;（4）问题中涉及的因素可能在专业工程实践的标准和规范难以全部发现，工程问题相关各方的利益不完全一致，问题具有较高的综合性，涵括多个相互关联的多个方面。

“复杂工程问题”有别于“复杂技术问题”，“复杂技术问题”解决过程中往往可根据技术复杂度和技术高低进行最终成果评价，比如技术专利、学术论文、重大专项、创新项目等的数量和质量。此外，“复杂技术问题”还需考虑市场需求、客户需求、竞争要求，考虑技术可靠性、低成本、性能价格比等因素。“复杂技术问题”往往追求技术的先进性和复杂程度，追求在个别或部分技术指标达到最优，追求不同于过去的标新立异[3]。“复杂技术问题”还需考虑市场的认可，是商业价值、经济回报。因此不用“查新”、“查重”來鉴别成果的水平，反而要去掉对已有技术的重复使用，强调技术的继承性。给排水科学与工程专业复杂工程问题需要运用综合的专业知识，进行方案论证后解决，如某市机械工业废水含有含油废水、乳化液废水、油漆、磷化废水及生活污水等，工业废水需预处理，与生活污水接触后进行生化处理，四年出水仍不达标，后邀请国外某公司总部专家一起才解决出水水质问题。另外，某项目DN400的消防给水管道施工两次还不能稳住水压，在向政府投诉设计单位设计有问题，组织专家研究分析后，施工单位第三次施工解决问题。某五星级酒店，五层高，利用当地自来水直接供水，系统调试时发现顶层水龙头不出热水，两月余没有解决，专家考察后提出把水龙头橡胶垫片取出，从而解决问题。可见，解决复杂工程问题的能力就是能用知识分析问题、解决问题。在专业教学中增加解决问题的思路的教育，让学生学会如何把知识变成工程应用的切入点的提升。在解决复杂工程问题时，遇到工程中规范或者用以前的公式计算的问题，通过建模，用数学知识解决。可见，“复杂工程问题”需要利用综合的专业知识，结合一定的工程经验才能有效解决。

在国际工程教育认证的毕业要求下，反复提及“复杂工程问题”，为什么在教学中重视复杂工程问题及其解决能力的培养呢？给排水科学与工程学科中复杂给排水工程问题是复杂问题在工程领域的体现。在工程设计及施工过程中，出现较多的复杂工程问题，需要我们能快速梳理出解决的思路，快速拿出解决方案，在这个过程中，需要从没有工程信息到快速梳理出可行的思路，相当于在较短的时间内，给出这个解决问题的、具有逻辑性的实施方案[4]。CDIO能力大纲对于系统思维角度有这样的描述：（1）识别工程系统整体相关的全部工程因素;（2）识别整体工程系统整体相关的关键因素或主要矛盾及解决给排水关键复杂工程问题所需要的资源分配，同时发现折中方法找寻解决问题的途径。

在实际专业课教学中，需要强调以下几个方面：

1. 强调对给排水复杂工程问题分析评估过程，即通过建模仿真、理论计算、软件模拟及参考已有方案，对比分析等方式进行评估，明晰复杂工程问题的关键因素。

2. 围绕关键因素设计解决复杂工程问题解决方案的过程，形成具有一定流程的可操作的解决方案。在从技术问题/工程伦理问题到系统或复杂工程问题的解决方案逻辑链条中，从具体的专业知识出发，不提供笼统问题（复杂问题），省略掉问题的分析部分，直接提供具体而直观的专业问题。

二、给排水科学与工程问题参数确定方法

1990年代以前工业水处理中的工程问题，大多依靠试验研究确定工程参数。随着大量水处理工程项目竣工和运行，积累了大量工程经验及设计数据，同时由于水工程行业相关的众多设计规范的不断完善，特别是从本世纪以来推行强制性条文审查制度，使得我国越来越依靠设计规范确定工程设计参数[5-6]。目前随着技术的发展和理论的广泛鉴赏力，国际社会从1980年代起开始，依据理论和运行数据建立起性能化设计计算机模拟软件，如SWMM，FDS，Fluent，Mathlab等，在工程建设领域开展性能化设计，即采用计算机模拟的方式确定设计参数。对于地下水除硝酸盐工程问题，没有专门规范，设计咨询单位以前缺少类似工程经验，很容易想到的办法是反硝化，文献查阅可以采用磁性专用树脂解决，工程应用是查阅大量文献，分析研究确定工程设计参数。又如设备安装过程中很多项目采用地下井的安装方式，实际上极不合理，设计人员考虑设置了排水泵地下安装方式，会造成空气污浊，也不合理。目前，工程问题参数来源广泛，可以通过科学实验和计算机模拟软件获得，亦可以通过工程建设标准及给排水行业设计参数获得;此外，文献查阅与运行过程调研也可以获得相关工程参数，具体如图2所示。

解决复杂工程问题的能力就是指能借助相关工具分析问题、解决问题的能力，一般包括图3所示几个方面，即思维掌握、知识智慧和工具掌握。针对给排水科学与工程学科中的复杂工程问题，如岸边泵站给水泵选择过程中的工程常见问题，需要掌握利用河流常水位、最低水位、洪水位、旱季水位、雨季水位等。

基本工程设计资料，完成水位位差对水泵扬程计算，运行的经济合理性的影响分析比较，确定最佳工程设计方案和结果。此外例如地下水水源中除硝酸盐的问题，学科与行业中缺少专门的设计规范，工程咨询及设计单位以前大多无类似的成熟的工程经验，根据常规市政污水脱氮除磷原理，很容易想到的措施是反硝化，但反硝化用于给水处理时需要增設的设备较多，使得给水处理工艺复杂化，欠缺合理性。通过文献查阅选择磁性专用离子交换树脂，操作工艺简单，树脂容易再生，具有较强的工程应用性。因此，复杂工程问题的解决可通过查阅大量文献，分析研究来确定工程设计参数。

三、“复杂工程问题”解决过程误区分析

给排水科学与工程专业复杂工程问题不能仅靠开设专业技术基础课、专业课等课程来达成工程知识积累，缺乏对解决给排水工程规划、施工图设计及水厂方案设计、水处理产品及技术工艺开发等工程问题方法论的培养，培养过程应加强解决工程问题所需要的数学（微积分、概率论、矩阵及数学建模）、计算机（程序设计、专业设计软件）等知识的教学与积累。学生培养过程仅通过提高专业课、实验课、课程设计等教学环节的技术难度，难以体现对“复杂”工程问题的解决能力培养。同时，针对工程社会、工程伦理、工程经济决策等非技术因素的相关课程，培养阶段没有与实际工程结合，学生缺乏在非技术因素与技术成果存在冲突时解决问题的实践经验，使得学生在学校甚至毕业后若干年内很难具备独自解决复杂工程问题的能力[3]。如图4所示，在解决泵站复杂工程问题时，学生需要系统分析泵与泵站的设计流量、泵扬程、运行、能耗比及占地面积之间的关系与相关影响。

四、“复杂工程问题”解决能力需具备的素养

工程伦理教育以培养工程师及其他工程从业者的伦理意识和责任感，使其掌握工程伦理的基本规范，提高其工程伦理的决策能力为基本目标，当前，在专业教育过程中，学生工程伦理意识淡薄，这直接影响到工程伦理学的发展，也会妨碍学生将来担任设计师和工程师的职业伦理责任。给排水科学与工程专业学生复杂工程能力的培养是一个综合、复杂过程，需要学生在基础课阶段掌握专业课所需的数学、化学、计算机等基础知识。同时在专业课学习阶段需要专业工程问题分析方法，学会进行工程设计过程必要的设计方案的制定和比选以及进行科学研究的基本方法;需要掌握专业技术、工具的使用以及复杂工程问题解决过程需要的工程背景及工程伦理知识，同时需要考虑复杂工程问题解决复杂工程问题对环境和社会的影响及所需的必要人际沟通能力和团队协作精神[5]。此外，复杂工程能力培养过程中工程伦理教育亦较为重要。工程是一项重要且需要经过学习而得的专业领域，工程师们背负着社会的期待，应展现最高标准的诚实与正直。由于工程对大众的生活质量直接产生重大的影响，工程师必须提供诚实、无私、公正及公平的服务，并维护公共卫生安全。工程师的专业行为，必须符合最高的伦理原则。工程伦理的教育模式主要有四个方面：（1）工程伦理案例分析。案例分析能更直观培养工程专业学生的伦理分析能力，并由此激发学生的道德想象。（2）开设专门工程伦理课程。系统性地学习工程伦理知识、问题和解决方案。（3）融渗式教学体系。将工程伦理模块融入工程专业课程之中、研讨会或实践环节中。（4）师资要求。教师要具备伦理意识和运用伦理原则解决问题的技能存在的伦理与社会问题，有针对性地提高设计水平。

五、结束语

给排水科学与工程专业复杂工程问题解决能力的培养是一个系统工程，涉及多项资源、多方面可能冲突的因素、科学创新及复杂后果，需要超越工程经验才能解决[5]。学生在人才培养方案、课程设置、实践教学环节培养及产学研协作等方面协调发展。目前本校给排水科学与专业面临专业认证的发展契机，教学硬件设施得到进一步改善，新修订培养方案更注重校企协作办学，注重学生应用型能力提升和工程能力的培养，比如增加了学生在规划设计院及相关水务公司实习的时间，课程体系增加了水务公司运营及行业设计规范解读课程，要求设计院工程经验的工程师授课，结合理论课的学习，增强学生的专业兴趣与工程设计能力，收到良好效果。

参考文献：

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[2]林健.如何理解和解决复杂工程问题——基于《华盛顿协议》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（05）：17-26.

[3]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J].中国大学教学，2016（11）：27-30，84.

[4]彭文庆，朱永健，彭刚.基于“培养解决复杂工程问题能力”的工程教育专业认证探讨[J].当代教育理论与实践，2017，9（6）：14-18.

[5]阎群，李擎，崔家瑞，等.大学生解决复杂工程问题能力的培养[J].实验技术与管理，2017，34（11）：178-181，186.

[6]蒋智杰，李文波，罗美香，等.在专业实验中培养本科学生解决复杂工程问题的能力[J].化纤与纺织技术，2018，47（3）：28-33.

[7]韩耀振，孙毅，马荣琳，等.工程教育认证背景下电气工程专业课程设计构建与实施[J].科教导刊，2017（33）：58-59.

[8]郭丽萍，韩良.国外工科新生教学实例分析与人才培养模式探讨——美国Lehigh University学习见闻与思考[J].高等工程教育研究，2013（01）：176-182.