实践性研究的工程思维方法

2018-04-01周光发卢天鸣

实验室研究与探索 2018年4期

周光发, 卢天鸣

(1.江苏警官学院基础部,南京 210031;2.南京理工大学机械工程学院,南京 210007)

0 引言

工程思维是人们在进行工程活动和工程研究过程中所形成的一种思维方式，是最具实践性的一种筹划型思维方法[1-2]。工程思维要求按照某一特定的目标，遵循一定的规范或标准进行设计，进而通过造物活动形成产品服务社会。实践性研究以实践活动准备和实施过程中的规律为主要研究内容，具有鲜明的实践性和筹划性，适合采用工程思维方式加以研究[3-4]。信息化时代使实践性问题求解的复杂性大大增强，更需要研究人员将科学、技术、艺术完美地结合起来，按工程思维方式把复杂的实践问题中的矛盾与冲突转化成筹划设计与工程构建活动，从而便于实践中加以灵活应用[5]。

1 工程思维的含义与特点分析

工程是人类为了改善生存、生活条件，并根据当时对自然的认识水平而进行的各类造物活动。工程不是简单的技术活动，更不是简单的科学应用。从知识和活动层面看，工程位于“科学—技术—工程—产业—经济—社会”的“知识链条”和“活动网络”的重要位置，它架起了科学发现、技术发明与社会发展之间的桥梁，是促进产业革命、经济发展和社会进步的强大“杠杆”，是创新活动的主战场。科学的本质在于发现规律，技术的本质在于发明工艺和方法，而工程的本质在于改造世界，它要回答“应该怎样做”，其主要范畴包括目的与计划、时机与条件、决策与优化、材料与组织、制度与规则、工具与操作、程序与控制等[6]。

工程思维强调将若干层面的理论非逻辑性地整合，通过知识固化、理论化、规范化，建立可重复使用的最优活动过程。工程思维是“造物导向”的思维，其基本内容是“工程问题”的求解。“工程问题”在来源、性质和指向上都不同于“科学问题”“工程问题求解”,也不同于“科学问题求解”。工程思维高度重视对特定的约束条件下制定出一个能够从初始状态经过一系列中间状态而达到目标状态的操作程序。与理论思维相比，工程思维具有设计性、建构性和实践性的特点[7-8]。

(1) 工程思维是价值定向的思维。科学思维是一种真理定向思维方式，它为设计师或工程师的工程思维提供一定的理论指导，划定了工程活动的“可能目标”“不可能行为”等严格限制。工程思维有别于科学思维，其目的是满足社会需要、创造更大的价值。

(2) 工程思维是与具体的“个别对象”联系在一起的“殊相”思维。科学思维是超越具体对象的“共相”思维。由于任何工程项目都是“唯一对象”或“一次性”，世界上不可能存在两个完全相同的工程，于是，工程思维就成以“个别性”为灵魂的一种思维方式。

(3) 工程思维是一种“当时当地性”的思维。科学思维是超越具体时空的对象或问题的一种思维。工程思维必然与具体的时间或具体时段联系在一起，在工程的“选址”、“工期”的确定，甚至在工程思维的所有环节，都具有“当时当地性”。

(4) 工程思维是一种逻辑思维和超协调逻辑相统一的思维。在“板块内”坚持普通逻辑思维原则，遵守矛盾律、排中律等逻辑思维规律；在“板块外”，决策者、设计师、工程师常常不得不面对“矛盾的要求”，采取“权衡协调”的立场和态度。

(5) 工程思维是一种“艺术性”的思维。一般地，工程问题存在众多解决方案，工程思维通常采用启发法，在众多方案中选择“最优”方案。这种问题求解的启发法具有4个特点：①不能保证一定能给出求解方案；②一种启发法可能与另一种启发法相冲突；③启发法要考虑减少必须的研究时间；④一种启发法的可接受性依赖于直接脉络而不是依赖于某个绝对标准。工程师在特定时间内使用一组启发法解决一个特定工程问题时，这种工程实践是一种具有“艺术性”的活动。

(6) 工程思维是具有工具理性和集成性的思维。工程活动需要运用一定的设备、通过一定的工艺流程或一定的工程手段才能实现活动的目的。因而，工程思维成为了“目的—工具性思维”“设计—运筹性思维”，具有工具理性。此外，工程活动是技术因素、经济因素、管理因素、社会因素、审美因素和伦理因素等多种要素的集成，具有集成性。

(7) 工程思维是一种“不确定性”的思维。由于客观世界存在着许多不确定性因素，任何工程都存在一定程度的风险，决策者、设计者和管理者必须对此保持清醒的认识、明确的自觉和防范意识，通过鲁棒性设计使工程项目具有较高的可靠性。工程思维必须面对工程活动中的可错性、安全性、可靠性之间的矛盾，坚持不懈地找出一条尽可能好的处理这一矛盾的方法和途径，提高可靠性和健壮性，使工程活动具有容错性。

2 实践性研究的工程思维方法的主要步骤

工程思维适应了实践性问题所具有的不确定性、集成性、艺术性等特点，是实践性研究的一种新的思维方式。实践性研究的工程思维方法的主要步骤如下。

(1) 采用系统分析的方法对研究进行总体设计。实践性研究要通过明确问题、确定目标、制定方案、建立模型、实施评价、决策分析等步骤，真正搞清楚6个方面(6W)的问题：①What——研究什么问题？问题的相关要素是什么？②Why——为什么要研究该问题？目标状态是什么？③Where——问题的边界和环境如何？④When——分析的是什么时候的情况？⑤Who——决策者、行动者、所有者等关键主体是谁？问题与谁有直接关系？⑥How——如何实现工程的目标状态？在系统分析时，要注意使用情景分析法等综合创造性方法，来提高系统分析的有效性。用于定性分析的情景分析方法的一般基本步骤为：①建立信息库；②确定主题目标；③分析并构造影响区域；④确定描述影响区域的关键变量；⑤探寻各种可能的未来发展趋势；⑥选择并解释环境情景；⑦引入“突发事件”检验其对未来情景的影响；⑧详细阐明主题情景。

(2) 采用工作分解结构、网络计划方法对研究过程进行计划安排。工作分解结构(Works Breakdown Structure,WBS)方法通过分级描述,将研究任务分解成具体的工作，为全体参与者提供对任务共同认知的基础，便于明确各工作的责任人及相互关系，利于进行时间安排、费用估算。基于网络计划的关键路线方法(Critical Path Method,CPM)能够以图示的方式反映活动之间的逻辑关系和从属关系，突出了前导关系，通过理论计算能优化任务完成的时间，便于任务进度和资源的管理。实践性研究要采用WBS、CPM以及路线图、特征因素图、关联树图、问题树图、目的功能树图、决策树图、缺陷树图以及工作一览表、工作分配表、工作进度表(甘特表)等图表法辅助手段，使对实践性研究的过程调控易于被参与人员理解、便于执行。

(3) 采用软件能力成熟度模型等标准化方法对研究活动进行动态管控。标准是为了一定范围内获得最佳秩序，共同使用的和重复使用的一种规范性文件。标准化脱颖于科学技术，汇源于现代管理，是社会发展全球化的必然结果。采用标准化方法，进行实践性研究成果的动态梳理与过程总结，有助于研究人员更加容易使用工作积累的经验、知识、技术和方法，提升个人的学习效率，也有助于提高研究团队的科研创新效益。软件能力成熟度模型(Capability Marurity Model,CMM)汇集全球软件项目过程管理的经验和智慧而提出的专门针对软件项目开发的评估模型，也是对软件开发过程改进的指导性模型。CMM主要关注软件开发项目的过程调整和控制，提供了一套改进软件开发过程管理工作的方法。CMM认证和评估的5个成熟度评估级别，已成为软件工业界权威认证评估体系。实践性研究活动要充分利用信息社会软件产业成熟的管理经验，使研究活动从混乱的过程(初始级)逐步向已定义的过程(可重复级)、标准统一的过程(已定义级)、可预测的过程(定量管理级)、持续改进的过程(优化级)递进。

(4) 使用定性与定量相综合的方法对研究成果的价值进行系统评价。要突破传统的单一评价指标视角，走向涵盖应用价值、社会价值、人文价值、科学价值的整体性评价。要鼓励更多的利益相关者参与评价，通过理性交流和平等协商，使评价更为全面、公正、客观。定量评价要确保数据的真实性和可靠性，定性评价要通盘考虑所有利益相关者的主观价值评价排序。既要有项目实施前的事前预估，又要有项目研究过程中的事中评价，还要有项目完成后的事后评价。最后通过价值评价检验环节，确保综合价值评价的结果符合客观实际。

3 实践性研究的工程思维方法需要重点关注的几个问题

基于工程思维的实践性研究，需要扬弃“冲突论”的矛盾分析理念，树立“和谐论”和“协调论”的新理念，正确处理理性与非理性、共性与个性、继承与创新之间的辩证关系，灵活运用各种思维方式研究解决实践性研究出现的新问题。

(1) 正确处理研究中理性和非理性之间的关系。实践性研究具有有限理性性，工程活动与决策需要以理性为基石，但理性又是一个复杂的哲学范畴。韦伯提出把理性分为价值理性和工具理性两种类型，西蒙把理性的约束因素归结为信息的不完备和不完全、问题的复杂性、人类处理信息的能力限制、决策的时间限制和针对组织目标的争议等5条，提出了有限理性的概念和不同于“最优”原则的“满意”原则。实践性问题决策活动受到先前的决策和行为、特定的信念、个人价值、社会和职业标准、认知偏好、个性和特定环境的压力等诸多因素影响，使得决策过程呈现出有限理性的特点。实践性科学研究要注意情感和意志等因素对实践活动与决策的影响，慎重考虑理性、情感和意志的共同作用，做好研究中的权衡、协调和优化，最大限度地寻求社会效益与团体效益的统一。

(2) 正确处理研究中的共性和个性的关系。既要体现研究人员对项目设计的“独特个性”的“独特认识”和“个性化”认识与把握，更要遵循项目研究的一般规律；使研究人员的直觉、天分、灵感和经验，通过“可说的”“可编码、的”甚至是“程序性”的知识为更多非专业人员、非设计人员所了解和认可。把灵活性和规范性要求有机结合起来，以严肃认真的态度面对新的时代背景，结合新的知识修订原有的设计规范。要注重非专业人员的想法和需求表达，采用团队设计方法，通过沟通交流，使具有不同的专业背景和不同实践背景的人员对问题理解相互交融、互相碰撞，形成创新性的求解方案[9]。

(3) 正确处理研究中继承性与创新性之间的关系。实践性研究要充分继承已有的知识、技术和经验，最大程度降低研究风险，提高研究成果的实用性、可行性。既要学习传统的经验、公理、形象、实证、计算等思维方式，又要学习模糊思维、数据思维、互联网思维等思维方式；要突破传统的思维定势的羁绊，以开放、进取、创新的精神对待现有的研究成果；要学习西方发达国家标准化、精确化、工具化的思维方式，使实践性研究向新的高度和境界发展[10]。

4 应用实例

美国国防部通过武器装备系统研究的工程化方法，提升了武器装备的背景鲁棒性、环境适应性、响应灵活性、效能可信任性、经济可承受性。美国国防部为使武器装备研究系统建立起可信(trust)和可靠(assured)的灵活创新能力，将工程化的弹性系统(Engineered Resilient System)作为2013～2017财年的重点推广应用领域，为转型中的武器装备研究的系统设计和开发提供工程方法、过程、技术和工具[11]。主要包括：①采用概念工程、设计工程以及高性能计算、移动互联网等工程和技术的最新研究成果，提升武器装备适应复杂系统的能力；②采用基于模型工程、基于平台工程等先进的工程工具，通过模型的跨域耦合、数据驱动实现跨装备寿命周期的、一体化的设计开发；③通过协同设计和决策支持手段，推进不同领域、地域和技术专长的工程人员、作战人员、工业部门人员等利益共同体之间的广泛合作；④增加系统设计试验，提升不可信组件得到可信任的装备系统的能力，提高装备系统的可信任性。

5 结语

2002～2003年，美国采用工程思维的方法，对旨在推翻伊拉克萨达姆政权的第二次海湾战争行动进行了筹划，筹划内容包括兵力的部署、打击方案的论证、取得国际社会的支持等，采用工程项目管理的方式，对包括战争准备、战斗实施、收尾、完成等整个项目进行1年多的精心设计，通过优化资源配置、训练模拟、动态评估与实时控制等工程化手段，使之成为项目管理课程的经典案例。我国的郭其胜教授对装备需求论证工程化理论进行了探讨，提出了装备需求论证工程化的基本技术思路，即“流程规范化、环节模型化、手段工具化、应用资源化”[12]；秦永刚对指挥工程化进行了研究，提出了以指挥信息工程化为突破口，以指挥手段工程化为抓手，最终实现指挥模式工程化的发展思路[13]。他们的研究工作，为实践性研究的工程思维方法提供了有益的参考。

工程思维是工程师必备的一种思维方式，它以系统科学为指导、以信息理论为基础、以工程方法为手段。从事实践性研究的工作人员，要掌握工程思维的特点与规律，重视工程思维“选择—集成—建构”的特征和机制，使理论研究更加符合实际需求，大力培养具有工程思维的人才[14]，为全面提升我国现代化水平贡献能用、管用、实用的研究成果和智力支持。

参考文献(References)：

[1] 赵晓闻,刘宁.基于工程思维视角的我国卓越工程师教育培养计划[J].现代教育管理,2013(2):69-72.

[2] 李伯聪.工程与工程思维[J].科学,2014(6):13-16.

[3] 孙章.工程思维与创新思维[J].科学,2013(3):1.

[4] 李永胜.论工程思维的内涵、特征与要求[J].洛阳师范学院学报,2015,34(4):12-18.

[5] 衡考庆,魏星梅.工程思维简论[J].哈尔滨学院学报,2010,31(1):13-116.

[6] 殷瑞钰,汪应洛,李伯聪. 工程哲学[M].2版.北京:高等教育出版社,2013.

[7] 徐长福.理论思维与工程思维[M].重庆:重庆大学出版社,2013.

[8] 王彩君,宋雷,孟南昆,等.在《模拟电路实验》中建立工程技术思维[J].实验科学与技术,2012,10(3):118-120.

[9] 金爱英,高青,李文博. 工科学生工程思维能力培养研究与实践[J].中国教育技术装备,2015(12):93-94.

[10] 游光荣,张最良.美国国防部工程化弹性系统概况与启示[J].论证与研究,2014,30(4):1-5.

[11] 郭其胜.装备需求论证工程化理论探讨[J].论证与研究,2014,30(2):6-10.