楊世明

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387)

技術(shù)是實(shí)踐活動(dòng)展開(kāi)的基礎(chǔ)，處于主體和客觀世界的中介位置，支持著實(shí)踐目的的有效實(shí)現(xiàn)[1]。技術(shù)是影響工程質(zhì)量和工程成本的重要因素。根據(jù)唯物辯證法矛盾的普遍性原理，工程中必然存在矛盾，工程師面臨的主要矛盾就是工程目標(biāo)對(duì)技術(shù)的需求與能否提供高性能技術(shù)的矛盾。解決工程技術(shù)問(wèn)題是工程實(shí)踐的重要內(nèi)容，因此深刻認(rèn)識(shí)工程師解決工程技術(shù)問(wèn)題的模式，對(duì)如何培養(yǎng)工科大學(xué)生解決工程技術(shù)問(wèn)題能力具有積極的指導(dǎo)作用。本文將對(duì)此作一初步探討。

一、解決工程技術(shù)問(wèn)題模式的分析

為了培養(yǎng)解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力，需要認(rèn)識(shí)工程師解決工程技術(shù)問(wèn)題時(shí)是如何思考的。工程活動(dòng)都有明確目標(biāo)，所以工程思維以目標(biāo)為導(dǎo)向。工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)程度是工程自變量的函數(shù)，自變量包括構(gòu)造、材料、尺寸、精度、硬度等，工程師必須在不違背科學(xué)原理、技術(shù)原理以及各種約束條件下，通過(guò)選擇和開(kāi)發(fā)技術(shù)，確定構(gòu)造、材料、尺寸、精度、硬度等。所以，在為實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)制定技術(shù)方案時(shí)，必須考慮各種制約。

1.形成工程理念

理念即觀念，也就是看法、思想或思維活動(dòng)的結(jié)果。任何思想都是主觀對(duì)客觀的反映，凡根據(jù)和符合客觀事實(shí)的思想就是正確的思想[2]。工程理念是關(guān)于工程的戰(zhàn)略性思想，描述了工程目標(biāo)的核心內(nèi)容，正確的工程理念是基于對(duì)需求的正確判斷。比如，某一電梯制造公司對(duì)提高高層住宅電梯競(jìng)爭(zhēng)力的理念是降低成本；再比如，空客380飛機(jī)的設(shè)計(jì)理念是一次性將盡可能多的旅客運(yùn)送至主要航空樞紐，然后通過(guò)中小型飛機(jī)分流到其他中小城市，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減小對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的壓力。工程理念也與概念創(chuàng)新相聯(lián)系。工程理念對(duì)工程實(shí)踐起決定性作用，它決定了工程的核心目標(biāo)，直接影響產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和工程周期等。協(xié)和飛機(jī)的停飛表面看是安全事故造成的，但其內(nèi)在原因是設(shè)計(jì)理念不符合市場(chǎng)需求；蘋果智能手機(jī)之所以取得巨大的成功，其先進(jìn)的產(chǎn)品理念發(fā)揮了重要作用。

2.建立技術(shù)原則

如前所述，在確定或改進(jìn)構(gòu)造、材料、尺寸、精度和硬度等影響工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)程度的自變量時(shí)，需要符合科學(xué)原理和技術(shù)原理，滿足各種約束條件，這些約束條件涉及經(jīng)濟(jì)性、可制造性、法律法規(guī)和社會(huì)效益等。若技術(shù)方案與科學(xué)原理、技術(shù)原理及各種約束條件發(fā)生沖突，則該技術(shù)必是不可行的或性能不佳的。所以，解決工程技術(shù)問(wèn)題是在各種限制和約束圍成的可行區(qū)域內(nèi)尋找解決方案。

工程師通過(guò)建立若干技術(shù)原則處理解決工程技術(shù)問(wèn)題時(shí)的各種制約，工程理念通過(guò)技術(shù)原則體現(xiàn)。比如，要制造省油的汽車，則工程實(shí)踐中要建立輕量化原則；要實(shí)現(xiàn)智能制造，則工程實(shí)踐中要建立信息化原則和自動(dòng)化原則，信息化原則體現(xiàn)對(duì)信息采集和處理的要求，自動(dòng)化原則體現(xiàn)對(duì)決策信息直接驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)活動(dòng)的要求。抽象原則通過(guò)具體原則得到落實(shí)。比如，符合科學(xué)原理原則，需要用強(qiáng)度原則、剛度原則、振動(dòng)穩(wěn)定性原則等具體原則在工程實(shí)踐中表現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于復(fù)雜或高要求的工程，需建立多層次的技術(shù)原則體系。對(duì)技術(shù)原則不同達(dá)成度的要求既體現(xiàn)了工程理念，又體現(xiàn)了工程策略。技術(shù)原則要根據(jù)工程理念和工程實(shí)際確定，對(duì)工程涉及的問(wèn)題理解越深入，建立的技術(shù)原則越符合工程實(shí)際。

3.確定技術(shù)方案

技術(shù)原則是確定技術(shù)方案的依據(jù)，規(guī)定了技術(shù)方案應(yīng)具有的屬性，就是給出了技術(shù)方案的可行區(qū)域。技術(shù)問(wèn)題具有多解性，但也常常出現(xiàn)技術(shù)不能滿足工程實(shí)踐需求的情況。因此，建立技術(shù)原則后，工程師解決工程技術(shù)問(wèn)題有兩種方法，一是在現(xiàn)有技術(shù)中擇優(yōu)，二是進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)。一般的技術(shù)選擇可以依據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)，但關(guān)鍵技術(shù)的選擇必須慎重。如何選擇最有利的技術(shù)，對(duì)于一個(gè)部門、一個(gè)企業(yè)、一個(gè)地區(qū)、一個(gè)國(guó)家乃至整個(gè)世界的發(fā)展，都有重要的戰(zhàn)略意義。技術(shù)選擇要遵循先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、適用性和關(guān)聯(lián)性原則[3]。技術(shù)開(kāi)發(fā)指技術(shù)發(fā)明、技術(shù)改造。技術(shù)開(kāi)發(fā)是從概念的形成,經(jīng)過(guò)科研、設(shè)計(jì)、建設(shè),使一項(xiàng)新的技術(shù)或新的工藝付諸實(shí)施的整個(gè)過(guò)程[4]。按技術(shù)開(kāi)發(fā)的方式可分為獨(dú)創(chuàng)型、綜合型和改良型三種技術(shù)開(kāi)發(fā)[3]。

根據(jù)上述分析，我們認(rèn)為工程師解決工程技術(shù)問(wèn)題的模式是：樹立工程理念，在該理念指導(dǎo)下依據(jù)科學(xué)原理和技術(shù)原理，考慮工程約束條件形成技術(shù)原則；根據(jù)技術(shù)原則及對(duì)不同技術(shù)原則重要性的認(rèn)識(shí)，通過(guò)選擇或開(kāi)發(fā)，確定技術(shù)方案。簡(jiǎn)稱之為“工程理念—技術(shù)原則—技術(shù)方案”模式。

二、解決工程技術(shù)問(wèn)題的模式與工程優(yōu)化程序一致

技術(shù)是影響工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的核心因素。解決工程技術(shù)問(wèn)題就是尋找技術(shù)解和尋找較優(yōu)技術(shù)解的過(guò)程，尋找技術(shù)解可視為尋找較優(yōu)技術(shù)解的最簡(jiǎn)單情況，因此可以說(shuō)解決工程技術(shù)問(wèn)題的核心就是尋找較優(yōu)技術(shù)解。工程常有多個(gè)目標(biāo)和若干約束，工程尋找較優(yōu)技術(shù)解可以類比有約束多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。單一目標(biāo)下尋求較優(yōu)技術(shù)解可認(rèn)為是多目標(biāo)優(yōu)化的特例。

根據(jù)數(shù)學(xué)規(guī)劃理論，有約束多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型如下：

minY=f(X)=[f1(X),f2(X),…,fn(X)]T

n=1,2,…，N

受約束于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為D維決策列向量；xd表示向量中一個(gè)分量；f(X)為目標(biāo)函數(shù)；N為優(yōu)化目標(biāo)總數(shù)；m為不等式約束方程數(shù)；k為等式約束方程數(shù)。

(1)工程優(yōu)化中，確定優(yōu)化目標(biāo)和對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化中優(yōu)化目標(biāo)重要性的權(quán)衡體現(xiàn)了工程理念。比如設(shè)計(jì)一桁架，其工程理念是降低成本，則桁架重量最輕是優(yōu)化目標(biāo)。

(2)技術(shù)原則是構(gòu)建優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的基本依據(jù)。技術(shù)原則就是優(yōu)化設(shè)計(jì)中的準(zhǔn)則。比如，對(duì)優(yōu)化目標(biāo)是桁架重量最輕的設(shè)計(jì)，技術(shù)原則是各桿滿足強(qiáng)度條件，或許根據(jù)桁架具體應(yīng)用場(chǎng)合，滿足剛度條件也是技術(shù)原則；然后依據(jù)強(qiáng)度條件或強(qiáng)度和剛度條件，得到各桿截面積表達(dá)式，才能進(jìn)行優(yōu)化。技術(shù)原則是建立優(yōu)化目標(biāo)與自變量函數(shù)關(guān)系、確定約束條件的依據(jù)，同時(shí)也是判斷優(yōu)化目標(biāo)是否合理的依據(jù)。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)優(yōu)化，必須以符合科學(xué)原理、符合技術(shù)原理和滿足實(shí)現(xiàn)功能的約束條件等為技術(shù)原則，以保證優(yōu)化目標(biāo)正確和各項(xiàng)工程任務(wù)指標(biāo)優(yōu)良。

(3)確定技術(shù)原則之后，還需要結(jié)合具體技術(shù)方案才能建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。利用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論進(jìn)行優(yōu)化是定量分析過(guò)程，只有確定了技術(shù)方案后才能對(duì)性能參數(shù)或結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。比如，優(yōu)化一個(gè)實(shí)現(xiàn)輸出和輸入滿足某函數(shù)關(guān)系的連桿機(jī)構(gòu)，要建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，必須確定連桿機(jī)構(gòu)的具體類型，如選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)優(yōu)化。

通過(guò)上述分析可以看出，工程優(yōu)化的程序是：形成工程理念→建立技術(shù)原則→確定技術(shù)方案→進(jìn)行工程優(yōu)化。

假定對(duì)欲解決的工程技術(shù)問(wèn)題都有一個(gè)適用的數(shù)學(xué)分析表達(dá)式，則工程技術(shù)問(wèn)題都可以用優(yōu)化方法求得較優(yōu)解。所以工程優(yōu)化的程序就是解決工程技術(shù)問(wèn)題的基本步驟。從上述分析可以看出，“工程理念—技術(shù)原則—技術(shù)方案”的解決工程技術(shù)問(wèn)題模式與從工程優(yōu)化方法分析得出的解決工程技術(shù)問(wèn)題程序一致，這也說(shuō)明“工程理念—技術(shù)原則—技術(shù)方案”模式具有普遍性。一些工程因?yàn)槭軙r(shí)間等因素制約，只能采用“可行”或“不可行”作為是否采用某一技術(shù)方案的標(biāo)準(zhǔn)。

三、對(duì)工程教育的啟示

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的高等工程教育取得了巨大成就，但也存在一些不足，比如，人才供需之間存在矛盾。由于教學(xué)存在的問(wèn)題，畢業(yè)生的質(zhì)量達(dá)不到用人單位的要求，這是導(dǎo)致供需矛盾的一個(gè)重要原因[5]。畢業(yè)生質(zhì)量達(dá)不到用人單位的要求，是知識(shí)、能力和素質(zhì)欠缺的綜合表現(xiàn)。其原因是多方面的，比如課程體系和教學(xué)內(nèi)容不能反映工程實(shí)踐需求，實(shí)踐教學(xué)的工程性不夠，教師缺少工程經(jīng)驗(yàn)。從課程體系和教學(xué)內(nèi)容看，大多數(shù)課程教學(xué)內(nèi)容按學(xué)科知識(shí)體系組織，其核心是本學(xué)科的基本概念和理論。如設(shè)計(jì)制造類課程主要論述特定工程系統(tǒng)或零部件的設(shè)計(jì)、制造等，缺少講授發(fā)現(xiàn)、解決綜合性工程問(wèn)題的課程和相關(guān)實(shí)踐。畢業(yè)生缺少對(duì)解決工程技術(shù)問(wèn)題基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)和相關(guān)訓(xùn)練，他們?cè)谔幚砭C合性強(qiáng)、比較復(fù)雜的工程技術(shù)問(wèn)題時(shí)就會(huì)束手無(wú)策。

根據(jù)前述對(duì)工程師解決工程技術(shù)問(wèn)題模式的分析，結(jié)合對(duì)工程教育課程體系和教學(xué)內(nèi)容不足的分析，為加強(qiáng)工科大學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，工程教育要在保證學(xué)生學(xué)習(xí)必要學(xué)科基本知識(shí)的同時(shí)，使學(xué)生掌握解決工程技術(shù)問(wèn)題的基本模式?？梢酝ㄟ^(guò)專業(yè)概論等綜合性課程、專題講座或結(jié)合工程案例講授解決工程技術(shù)問(wèn)題的基本模式，使學(xué)生理解樹立工程理念的重要性和技術(shù)原則在解決工程技術(shù)問(wèn)題中的作用，幫助學(xué)生掌握解決工程技術(shù)問(wèn)題的方法，使處理工程技術(shù)問(wèn)題有“章”可循。要提高實(shí)踐教學(xué)的綜合性和工程性，貼近工程的實(shí)踐可以加深學(xué)生對(duì)解決工程技術(shù)問(wèn)題模式的認(rèn)識(shí)，體驗(yàn)根據(jù)需求及工程實(shí)際形成工程理念和建立技術(shù)原則的過(guò)程。在工程教育中還應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生能根據(jù)工程理念和工程實(shí)際給予不同技術(shù)原則不同的重視程度的能力。

四、結(jié)語(yǔ)

工程教育的核心是培養(yǎng)學(xué)生解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力。基于對(duì)工程師解決工程技術(shù)問(wèn)題基本模式的研究和認(rèn)識(shí)，針對(duì)工程教育課程體系和教學(xué)內(nèi)容存在的不足，提出了培養(yǎng)解決工程技術(shù)問(wèn)題能力的新思路。本研究成果對(duì)工程教育改革具有理論和應(yīng)用價(jià)值，對(duì)提高工科大學(xué)生實(shí)踐能力具有重要作用。