給排水科學與工程專業學生復雜工程問題解決能力培養研究

張純 蔣海燕 鄧玉梅 李好

摘? 要：文章根據對復雜工程問題的界定，分析了復雜工程問題和復雜技術問題的差別;給出了給排水科學與工程專業復雜工程問題參數確定方法，闡述了復雜工程問題解決過程中的誤區，介紹了工程倫理素質的培養方法，明確了給排水科學與工程專業學生解決復雜工程問題時需要的基本素養。

關鍵詞：給水排水;復雜工程問題;工程倫理;能力培養

中圖分類號：C961? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

工程教育認證標準中提到的“復雜工程問題”（Complex Engineering Problems），指復雜的系統性工程問題，而非復雜工程的問題。復雜工程問題的屬性一般指現有的工程經驗不具備，現有行業設計規范無涉及，文獻亦查閱不到的工程問題[1]。復雜工程問題一般具備以下特征[1-2]：（1）需要運用較深入的工程原理和專業理論知識，經過分析才可能得到解決。該特征要求學生對給排水科學與工程專業學生對專業課的掌握要有一定的深度，不能套用以前的普遍的工程問題解決方法，會運用知識分析問題，從而解決復雜工程問題;（2）涉及專業知識的多方面技術、工程和其它因素，相互并可能沖突;該特征說明了復雜工程問題的屬性，說明復雜工程問題涉及的專業面較廣，甚至是學科交叉，且相互中間可能存在沖突;（3）依靠常用方法難以解決，需要通過建立合適的抽象工程模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性;（4）問題中涉及的因素可能在專業工程實踐的標準和規范難以全部發現，工程問題相關各方的利益不完全一致，問題具有較高的綜合性，涵括多個相互關聯的多個方面。

“復雜工程問題”有別于“復雜技術問題”，“復雜技術問題”解決過程中往往可根據技術復雜度和技術高低進行最終成果評價，比如技術專利、學術論文、重大專項、創新項目等的數量和質量。此外，“復雜技術問題”還需考慮市場需求、客戶需求、競爭要求，考慮技術可靠性、低成本、性能價格比等因素。“復雜技術問題”往往追求技術的先進性和復雜程度，追求在個別或部分技術指標達到最優，追求不同于過去的標新立異[3]。“復雜技術問題”還需考慮市場的認可，是商業價值、經濟回報。因此不用“查新”、“查重”來鑒別成果的水平，反而要去掉對已有技術的重復使用，強調技術的繼承性。給排水科學與工程專業復雜工程問題需要運用綜合的專業知識，進行方案論證后解決，如某市機械工業廢水含有含油廢水、乳化液廢水、油漆、磷化廢水及生活污水等，工業廢水需預處理，與生活污水接觸后進行生化處理，四年出水仍不達標，后邀請國外某公司總部專家一起才解決出水水質問題。另外，某項目DN400的消防給水管道施工兩次還不能穩住水壓，在向政府投訴設計單位設計有問題，組織專家研究分析后，施工單位第三次施工解決問題。某五星級酒店，五層高，利用當地自來水直接供水，系統調試時發現頂層水龍頭不出熱水，兩月余沒有解決，專家考察后提出把水龍頭橡膠墊片取出，從而解決問題。可見，解決復雜工程問題的能力就是能用知識分析問題、解決問題。在專業教學中增加解決問題的思路的教育，讓學生學會如何把知識變成工程應用的切入點的提升。在解決復雜工程問題時，遇到工程中規范或者用以前的公式計算的問題，通過建模，用數學知識解決。可見，“復雜工程問題”需要利用綜合的專業知識，結合一定的工程經驗才能有效解決。

在國際工程教育認證的畢業要求下，反復提及“復雜工程問題”，為什么在教學中重視復雜工程問題及其解決能力的培養呢？給排水科學與工程學科中復雜給排水工程問題是復雜問題在工程領域的體現。在工程設計及施工過程中，出現較多的復雜工程問題，需要我們能快速梳理出解決的思路，快速拿出解決方案，在這個過程中，需要從沒有工程信息到快速梳理出可行的思路，相當于在較短的時間內，給出這個解決問題的、具有邏輯性的實施方案[4]。CDIO能力大綱對于系統思維角度有這樣的描述：（1）識別工程系統整體相關的全部工程因素;（2）識別整體工程系統整體相關的關鍵因素或主要矛盾及解決給排水關鍵復雜工程問題所需要的資源分配，同時發現折中方法找尋解決問題的途徑。

在實際專業課教學中，需要強調以下幾個方面：

1. 強調對給排水復雜工程問題分析評估過程，即通過建模仿真、理論計算、軟件模擬及參考已有方案，對比分析等方式進行評估，明晰復雜工程問題的關鍵因素。

2. 圍繞關鍵因素設計解決復雜工程問題解決方案的過程，形成具有一定流程的可操作的解決方案。在從技術問題/工程倫理問題到系統或復雜工程問題的解決方案邏輯鏈條中，從具體的專業知識出發，不提供籠統問題（復雜問題），省略掉問題的分析部分，直接提供具體而直觀的專業問題。

二、給排水科學與工程問題參數確定方法

1990年代以前工業水處理中的工程問題，大多依靠試驗研究確定工程參數。隨著大量水處理工程項目竣工和運行，積累了大量工程經驗及設計數據，同時由于水工程行業相關的眾多設計規范的不斷完善，特別是從本世紀以來推行強制性條文審查制度，使得我國越來越依靠設計規范確定工程設計參數[5-6]。目前隨著技術的發展和理論的廣泛鑒賞力，國際社會從1980年代起開始，依據理論和運行數據建立起性能化設計計算機模擬軟件，如SWMM，FDS，Fluent，Mathlab等，在工程建設領域開展性能化設計，即采用計算機模擬的方式確定設計參數。對于地下水除硝酸鹽工程問題，沒有專門規范，設計咨詢單位以前缺少類似工程經驗，很容易想到的辦法是反硝化，文獻查閱可以采用磁性專用樹脂解決，工程應用是查閱大量文獻，分析研究確定工程設計參數。又如設備安裝過程中很多項目采用地下井的安裝方式，實際上極不合理，設計人員考慮設置了排水泵地下安裝方式，會造成空氣污濁，也不合理。目前，工程問題參數來源廣泛，可以通過科學實驗和計算機模擬軟件獲得，亦可以通過工程建設標準及給排水行業設計參數獲得;此外，文獻查閱與運行過程調研也可以獲得相關工程參數，具體如圖2所示。

解決復雜工程問題的能力就是指能借助相關工具分析問題、解決問題的能力，一般包括圖3所示幾個方面，即思維掌握、知識智慧和工具掌握。針對給排水科學與工程學科中的復雜工程問題，如岸邊泵站給水泵選擇過程中的工程常見問題，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。

基本工程設計資料，完成水位位差對水泵揚程計算，運行的經濟合理性的影響分析比較，確定最佳工程設計方案和結果。此外例如地下水水源中除硝酸鹽的問題，學科與行業中缺少專門的設計規范，工程咨詢及設計單位以前大多無類似的成熟的工程經驗，根據常規市政污水脫氮除磷原理，很容易想到的措施是反硝化，但反硝化用于給水處理時需要增設的設備較多，使得給水處理工藝復雜化，欠缺合理性。通過文獻查閱選擇磁性專用離子交換樹脂，操作工藝簡單，樹脂容易再生，具有較強的工程應用性。因此，復雜工程問題的解決可通過查閱大量文獻，分析研究來確定工程設計參數。

三、“復雜工程問題”解決過程誤區分析

給排水科學與工程專業復雜工程問題不能僅靠開設專業技術基礎課、專業課等課程來達成工程知識積累，缺乏對解決給排水工程規劃、施工圖設計及水廠方案設計、水處理產品及技術工藝開發等工程問題方法論的培養，培養過程應加強解決工程問題所需要的數學（微積分、概率論、矩陣及數學建模）、計算機（程序設計、專業設計軟件）等知識的教學與積累。學生培養過程僅通過提高專業課、實驗課、課程設計等教學環節的技術難度，難以體現對“復雜”工程問題的解決能力培養。同時，針對工程社會、工程倫理、工程經濟決策等非技術因素的相關課程，培養階段沒有與實際工程結合，學生缺乏在非技術因素與技術成果存在沖突時解決問題的實踐經驗，使得學生在學校甚至畢業后若干年內很難具備獨自解決復雜工程問題的能力[3]。如圖4所示，在解決泵站復雜工程問題時，學生需要系統分析泵與泵站的設計流量、泵揚程、運行、能耗比及占地面積之間的關系與相關影響。

四、“復雜工程問題”解決能力需具備的素養

工程倫理教育以培養工程師及其他工程從業者的倫理意識和責任感，使其掌握工程倫理的基本規范，提高其工程倫理的決策能力為基本目標，當前，在專業教育過程中，學生工程倫理意識淡薄，這直接影響到工程倫理學的發展，也會妨礙學生將來擔任設計師和工程師的職業倫理責任。給排水科學與工程專業學生復雜工程能力的培養是一個綜合、復雜過程，需要學生在基礎課階段掌握專業課所需的數學、化學、計算機等基礎知識。同時在專業課學習階段需要專業工程問題分析方法，學會進行工程設計過程必要的設計方案的制定和比選以及進行科學研究的基本方法;需要掌握專業技術、工具的使用以及復雜工程問題解決過程需要的工程背景及工程倫理知識，同時需要考慮復雜工程問題解決復雜工程問題對環境和社會的影響及所需的必要人際溝通能力和團隊協作精神[5]。此外，復雜工程能力培養過程中工程倫理教育亦較為重要。工程是一項重要且需要經過學習而得的專業領域，工程師們背負著社會的期待，應展現最高標準的誠實與正直。由于工程對大眾的生活質量直接產生重大的影響，工程師必須提供誠實、無私、公正及公平的服務，并維護公共衛生安全。工程師的專業行為，必須符合最高的倫理原則。工程倫理的教育模式主要有四個方面：（1）工程倫理案例分析。案例分析能更直觀培養工程專業學生的倫理分析能力，并由此激發學生的道德想象。（2）開設專門工程倫理課程。系統性地學習工程倫理知識、問題和解決方案。（3）融滲式教學體系。將工程倫理模塊融入工程專業課程之中、研討會或實踐環節中。（4）師資要求。教師要具備倫理意識和運用倫理原則解決問題的技能存在的倫理與社會問題，有針對性地提高設計水平。

五、結束語

給排水科學與工程專業復雜工程問題解決能力的培養是一個系統工程，涉及多項資源、多方面可能沖突的因素、科學創新及復雜后果，需要超越工程經驗才能解決[5]。學生在人才培養方案、課程設置、實踐教學環節培養及產學研協作等方面協調發展。目前本校給排水科學與專業面臨專業認證的發展契機，教學硬件設施得到進一步改善，新修訂培養方案更注重校企協作辦學，注重學生應用型能力提升和工程能力的培養，比如增加了學生在規劃設計院及相關水務公司實習的時間，課程體系增加了水務公司運營及行業設計規范解讀課程，要求設計院工程經驗的工程師授課，結合理論課的學習，增強學生的專業興趣與工程設計能力，收到良好效果。

參考文獻：

[1]張朝磊，張在云.基于工程教育認證標準培養解決復雜工程問題能力[J].中國冶金教育，2017（04）：14-17.

[2]林健.如何理解和解決復雜工程問題——基于《華盛頓協議》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（05）：17-26.

[3]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J].中國大學教學，2016（11）：27-30，84.

[4]彭文慶，朱永健，彭剛.基于“培養解決復雜工程問題能力”的工程教育專業認證探討[J].當代教育理論與實踐，2017，9（6）：14-18.

[5]閻群，李擎，崔家瑞，等.大學生解決復雜工程問題能力的培養[J].實驗技術與管理，2017，34（11）：178-181，186.

[6]蔣智杰，李文波，羅美香，等.在專業實驗中培養本科學生解決復雜工程問題的能力[J].化纖與紡織技術，2018，47（3）：28-33.

[7]韓耀振，孫毅，馬榮琳，等.工程教育認證背景下電氣工程專業課程設計構建與實施[J].科教導刊，2017（33）：58-59.

[8]郭麗萍，韓良.國外工科新生教學實例分析與人才培養模式探討——美國Lehigh University學習見聞與思考[J].高等工程教育研究，2013（01）：176-182.