工程教育专业认证中复杂工程问题的内涵及其分析能力辨析

张彩丽 杨海波

【摘 要】 本文辨析了问题、工程问题及复杂工程问题的基本内涵，探讨了如何发现问题及复杂工程问题的能力培养途径，介绍了复杂工程问题的分析方法。汇信息——针对问题搜集、整理，研究文献，形成对问题的科学认识;论组成——研究问题的整体如何才能够被划分为若干较简单的组成部分;剖关系——论证组成整体的各个部分、影响因素之间的相互关联关系及其作用方式;找关键——抓住主要问题，确定主要问题的主要方面;析本质——运用工程原理，将实际问题转化为工程问题;建模型——深入运用工程原理和过程分析的数学方法，建立工程问题对应的分析模型;得结论——针对问题，以最小的代价、最高的质量、最快的速度、最低的影响实现问题解决的可行方案论证结果。

【关键词】 工程教育;专业认证;复杂工程问题;内涵;问题分析能力

一、引言

复杂工程问题源自于现代工程的综合性、多样性、跨学科交融等特征。2018版公布的工程教育认证标准的12条毕业要求中，有8条明确地含有“解决复杂工程问题”的要求，就说明复杂工程问题在专业认证中的重要性。但是目前我国高校各专业长期以来习惯于“知识、能力、素质”框架下的人才培养规格，对于能力驱动、目标导向的工程教育认证内涵理解尚不深入，各专业在学科交叉、课程设置及其内涵、面向工业界等方面还较难适应工程技术发展的需要。这些背景导致各专业在理解“复杂工程问题”、培养学生“解决复杂工程问题”的能力时，产生了比较大的困惑。

本文从问题出发，在剖析问题、工程问题、复杂工程问题概念的基础上，对于专业领域的“复杂工程问题”层层剖开，期望明晰相关概念，为解决学生复杂工程问题能力的培养发挥有益作用。

二、问题、工程问题及复杂工程问题的基本内涵

1、问题的基本含义

什么是问题？《现代汉语字典》这样解释：

①要求解答的题目。例如：关于这个知识点有六个问题。

②需要研究解决的疑难和矛盾。例如：学生为这个问题争论不休。

③关键;重点。例如：零件失效的问题在于结构设计。

④意外事故。例如：机器出问题了。

《毛泽东选集》第三卷、第二版指出，什么叫问题？问题就是事物的矛盾。哪里有没有解决的矛盾，哪里就有问题。

从工程教育专业认证的角度来看，专业教育过程中关心的问题，一般特指需要研究解决的疑难和矛盾;或者识别事物的关键环节和重点参数;或者需要解决的意外情况。

2、工程问题的基本含义

工程就是应用科学知识使自然资源最佳地为人类服务的一种专门技术，通过这一技术，使自然界的物质和能源的特性能够通过不同结构、机器、产品、系统和过程，以最短的时间和最少的人力做出高效、可靠并且对人类有用的东西，工程是一种实践行为。关于工程问题，MIT教授Steve Senturia这样定义：Engineering is the purposeful use of science. 即工程是有目的地应用科学。那么工程问题就是如何利用已知的科学设计出有益于人类的东西时遇到的问题，与之对应的技术问题则是怎么把设计变为现实时遇到的问题。因此可作出一个推断——工程教育中所谓的工程问题本质上讲就是一个优化决策问题，在论证优化决策的过程中利用所学工程理论知识，针对需要研究解决的疑难和矛盾或者事物的关键环节和重点参数或者需要解决的意外情况，回答可行的方案、可行方案实现的最佳途径以及面对任务失败时的补救措施的方法，均属于典型的工程问题。

3、复杂工程问题的基本含义

现代汉语词典中关于复杂的释义为：指事物的种类或头绪多而杂。复杂就是多而杂;具有各种不同的，而且常是数量众多的部分、因素、概念、方面或影响的相互联系，且这种相互联系又是难于分析、解答或理解的。

关于“复杂工程问题”的概念，工程教育认证协会给出定义如下：必须具备下述特征①，同时具备下述特征②-⑦的部分或全部：

①必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决;

②涉及多方面的技术、工程和其它因素，并可能相互有一定冲突;

③需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性;

④不是仅靠常用方法就可以完全解决的;

⑤问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中;

⑥问题相关各方利益不完全一致;

⑦具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

由上述可知，复杂工程问题首先是一个要解决的问题，而且这个问题是一个工程问题，同时还是一个多因素作用且相互联系的工程问题，该问题的解决需要运用深入的工程专业相关知识和原理，一般包含多个子问题，可能涉及到技术、工程和其它非技术因素之间的冲突，并且复杂工程问题的解决是一个优化决策的过程。

三、如何发现问题及复杂工程问题的能力构建

工程教育专业认证要求学生应具备复杂工程问题的分析能力、设计/开发能力、研究能力、理解与评价现代复杂工程问题对社会的影响能力等。而发现和提出问题是这些能力的前提，如果没有发现问题，不能提出问题，复杂工程问题的各种能力培养就无从谈起。爱因斯坦曾经说过：提出问题往往比解决问题更重要。学生不知道用专业技术干什么的主要原因就是没有发现问题、提出问题，只要有问题，用专业的技术解决问题，就锻炼了技术能力。而且从技术的角度看，人类社会进步与发展的过程就是不断发现问题、不断解决问题的过程，这也就是发现问题、提出问题的重要性。

那么问题从哪里来呢？一般认为问题、尤其是工程技术问题有3种来源：

一是来源于生产生活的实际问题。亦即人类生产生活活动中遇到的困难，需要寻找解决方案。这一类问题几乎是一切工程技術问题的总来源。

二是来源于别人提出的需要。这是绝大部分工程技术人员问题的基本来源。工程专业认证中，这一类问题以综合性或者设计性实验、课程设计、综合設计、毕业设计等为典型代表。

三是来源于一定目的下的积极主动地思考，由设计者自主发现并且根据需要提出的问题。发现这类问题往往有三种典型的途径：一是观察法。既然问题源自于实际与期望的不符，那就通过深入细致的观察生产生活中的现象，寻找不足和差距，从而找出问题，抓住问题。二是信息收集、分析的方法。了解实际生产生活的需要或缺陷，从而找出问题。三是技术试验方法。通过技术试验发现新现象、新问题，或者从技术试验过程中获得灵感、顿悟，进而创造性的发现新问题。

关于解决复杂问题的知识、能力、素质形成，其前提就在于人才培养的过程中，怎么发现、定义复杂工程问题。按照上述方法发现了问题之后，按照工程问题、复杂工程问题的概念对其进行问题重构——改变以往仅仅关注技术问题解决的传统，改为按照复杂工程问题的基本内涵对于典型专业问题进行封装，提出新要求，设置新障碍，进行非技术性因素的设计约束和限制，使其尽可能地模拟、逼近实际的复杂工程问题，最终形成工程专业各自典型的复杂工程问题。

四、复杂工程问题的分析方法

研究复杂工程问题的分析，那么究竟什么是分析呢？

《现代汉语词典》关于分析的解释如下：把一件事物、一种现象、一个概念分成比较简单的组成部分，找出这些部分的本质属性和彼此之间的关系。那么分析的意义在于把一个整体分解成多个部分，并细致的寻找各部分之间的本质属性和相互关系，最终找到解决问题的主线，并以此解决问题。

工程教育认证标准中，关于问题分析提出如下要求：能够运用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。

系统工程学科泰斗钱学森院士曾经在《工程与工程科学》中指出，关于工程技术人员分析、解决复杂工程问题必须具备的手段有：

其一，工程设计和实施的原理;其二，工程问题的科学基础;其三，工程分析的数学方法。

综合上述观点，可总结出复杂工程问题的分析方法，其实也不是看不见、摸不着、说不清、道不明的过程，抓住以下几个重要环节，即可有效训练复杂工程问题的分析能力：

汇信息——针对问题搜集、整理文献，并通过对文献的研究，形成对问题的科学认识。

论组成——利用系统分析方法，研究问题的整体如何才能够被划分为若干较简单的组成部分。

剖关系——论证组成整体的各个部分、各类影响因素之间的相互关联关系及其作用方式。

找关键——抓住主要问题，确定主要问题的主要方面，比如问题的关键环节、关键参数等。

析本质——运用工程原理、科学原理，将实际问题转化为工程问题（或专业领域的技术问题）。

建模型——深入运用工程原理和过程分析的数学方法，建立工程问题对应的分析模型，能够有效表达工程问题，定量的分析问题。

得结论——复杂工程问题分析的结论就是针对问题，怎样以最小的代价、最高的质量、最快的速度、最低的影响实现问题解决的可行方案论证结果。

在上述方法的具体实施过程中，典型的手段包括：对问题进行系统分析、因果分析、定性分析、定量分析等手段。

五、结语

工程教育专业认证标准就是围绕解决复杂工程问题对于人才培养提出的若干基本要求，但是复杂工程问题的基本内涵和要求却未明确提出，尤其是不同层次的高校，对于复杂工程问题的界定更加困惑——复杂是一个相对的概念，如何定义与自己学校办学层次匹配的复杂工程问题成为认证院校的一个重要障碍。其实问题往往源自于认识不到位，基于此，本文对于问题、工程问题、复杂工程问题进行了剖析，从问题的基本概念出发，深入论证分析了复杂工程问题的基本内涵、问题的提出及解决复杂工程问题能力的构建、复杂工程问题分析的一般方法，希望能够在有关院校认证工作中发挥有益的参考作用。

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【作者简介】

张彩丽（1973.10—）女，汉族，陕西渭南人，硕士，副教授，研究方向：机械设计制造及其自动化专业的教学改革及科研工作.