構(gòu)建工程思維培養(yǎng)體系

趙輝 韓非非 代君

摘 要：航空航天專業(yè)是我國工科類專業(yè)的一個重要分支，航空航天專業(yè)人才的培養(yǎng)離不開工程實(shí)踐。因此，對該類人才的培養(yǎng)，需要統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，構(gòu)建工程思維培養(yǎng)體系。本研究通過對工程學(xué)和工程思維的探討，明確了工程思維的特征，并從認(rèn)識的科學(xué)規(guī)律以及工程思維培養(yǎng)方式和參與組織等角度出發(fā)，分析了航空航天本科專業(yè)如何構(gòu)建工程思維培養(yǎng)體系，以期為航空航天專業(yè)的人才培養(yǎng)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：工程思維;航空航天;人才培養(yǎng)體系

近年，工程教育在世界范圍內(nèi)得到高度重視。一些系統(tǒng)的工程教育思想，如CDIO工程教育模式，在高校的人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。工程哲學(xué)在近年也得到了快速發(fā)展。工程思維作為工程哲學(xué)的重要內(nèi)容，日益受到重視。但是，我國對工程思維的重視程度以及在人才培養(yǎng)中的應(yīng)用等仍處于初級階段。隨著STEAM教育在國內(nèi)推廣，很多學(xué)校已經(jīng)開始改變傳統(tǒng)的強(qiáng)調(diào)學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)的模式，注重對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)。在高校，工程思維培養(yǎng)必然是工科類大學(xué)生培養(yǎng)體系中不可或缺的核心內(nèi)容。

航空航天專業(yè)是我國工科類專業(yè)的一個重要分支，具有綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)，航空航天專業(yè)和行業(yè)緊密相關(guān)，在國防、航空等國民經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。近年，越來越多的高校認(rèn)識到航空航天領(lǐng)域在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性，開設(shè)了航空航天專業(yè)。如何將工程思維落地，進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，成為高等教育亟須關(guān)注的重要問題。

一、工程思維

工程思維和工程技術(shù)伴隨著人類文明逐步產(chǎn)生和發(fā)展。工程思維具有哪些特征？從不同的角度觀察、分析和思考，會得到不同的答案。例如：西安交通大學(xué)的李永勝認(rèn)為，工程思維具有系統(tǒng)性、集成性、跨學(xué)科性、綜合性、建構(gòu)性、創(chuàng)造性與復(fù)雜性等特征;中國科學(xué)院大學(xué)的李伯聰通過對比工程思維、科學(xué)思維和藝術(shù)思維，得出工程思維具有價(jià)值導(dǎo)向、與個別對象聯(lián)系在一起、當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)匦缘忍卣?。從航空航天專業(yè)人才培養(yǎng)角度看，工程思維具有以下特征：

（一）以設(shè)計(jì)為核心

設(shè)計(jì)既是工程的起點(diǎn)，也是工程的核心。對工程師而言，設(shè)計(jì)就是初心。工程設(shè)計(jì)的結(jié)果必然要經(jīng)受實(shí)踐的檢驗(yàn)，所以工程師必須實(shí)事求是，容不得一絲馬虎和弄虛作假。以設(shè)計(jì)為核心，也就決定了工程師運(yùn)用工程思維來解決問題的通常模式為從假設(shè)到檢驗(yàn)，如此反復(fù)，最后再到實(shí)現(xiàn)。這里的假設(shè)，包括客戶需求、工程實(shí)現(xiàn)需求兩個方面的內(nèi)容。

（二）人和物的統(tǒng)一

人和物是工程的兩大要素。如何將這兩個要素組織起來，離不開系統(tǒng)工程，如在諾斯洛普-格魯曼公司，就有“系統(tǒng)工程是設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)”這一理念。正是通過系統(tǒng)工程，將工程的兩大要素有機(jī)結(jié)合，才確保了工程順利得以實(shí)現(xiàn)。

（三）宏觀和微觀的統(tǒng)一

一方面，工程需要從整體角度出發(fā)去考慮;另一方面，工程中的每一個細(xì)節(jié)都需要進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和處理。這兩個方面缺一不可。20世紀(jì)80年代，美國“挑戰(zhàn)者號”航天飛機(jī)失事，就是因?yàn)榛鸺破髅芊馊收?。這是一起典型的“千里之堤，潰于蟻穴”的案例。因此，在工程中，微觀和宏觀同樣重要。

（四）精確性和模糊性的統(tǒng)一

精確性是科學(xué)知識的主要特性，工程領(lǐng)域同樣離不開精確性。但如果過于堅(jiān)持精確性，往往會限制工程問題的解決。比如，在設(shè)計(jì)飛機(jī)螺旋槳時(shí)，理論建模會忽略很多條件，如損耗，而以普朗特-邁耶函數(shù)的形式將這些損耗計(jì)入其中，這種做法就放棄了采用精確損耗（實(shí)際上也難以表示）。但從工程實(shí)踐角度看，在忽略損耗條件下所設(shè)計(jì)的螺旋槳性能十分優(yōu)良。正是把精確性和模糊性完美統(tǒng)一，才有效解決了大量工程問題。

（五）傳統(tǒng)和創(chuàng)新的統(tǒng)一

工程離不開成熟的技術(shù)和方法，但這并非意味著工程對創(chuàng)新的排斥。恰恰相反，工程離不開創(chuàng)新。通過創(chuàng)新，才能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造。比如，翼型的發(fā)展就是一部創(chuàng)新史，從簡單翼型到低速翼型，再到各類現(xiàn)代翼型。

（六）抽象和具體的統(tǒng)一

解決工程問題離不開抽象這一思維方法。比如，分析航空燃?xì)廨啓C(jī)性能時(shí)，將其抽象為一個控制體積系統(tǒng)，從而構(gòu)建熱力學(xué)模型，并獲得其相應(yīng)的性能。但同時(shí)，工程中的抽象又離不開具體。比如，在分析機(jī)翼強(qiáng)度過程中，對機(jī)翼幾何、所受載荷等各種抽象必須建立在與其相對應(yīng)的具體對象基礎(chǔ)之上。

二、構(gòu)建工程思維培養(yǎng)體系

國內(nèi)外的航空航天專業(yè)人才培養(yǎng)方案一般都包含數(shù)學(xué)、力學(xué)、電子電氣、控制、經(jīng)濟(jì)和管理等方面的內(nèi)容。斯坦福大學(xué)沃爾特·文森蒂將工程知識劃分為設(shè)計(jì)的基本概念、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、理論工具、數(shù)據(jù)、實(shí)踐考慮和設(shè)計(jì)手段。這一劃分，有助于教師在設(shè)計(jì)航空航天專業(yè)人才培養(yǎng)方案時(shí)，從不同的角度去思考如何構(gòu)建工程思維培養(yǎng)體系。構(gòu)建工程思維培養(yǎng)體系，需要從課程內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)等多方面出發(fā)，以實(shí)現(xiàn)本科生在各個階段的工程思維培養(yǎng)。

（一）按照科學(xué)認(rèn)知邏輯，構(gòu)建涵蓋設(shè)計(jì)、制造、檢測、維修的工程思維培養(yǎng)體系

工程思維培養(yǎng)不是一蹴而就的，而是一個長期過程。學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，同樣是一個循序漸進(jìn)的過程。同時(shí)，教師需要結(jié)合專業(yè)特色，綜合考慮設(shè)計(jì)、制造、檢測和維修等內(nèi)容，構(gòu)建一個綜合體系，實(shí)現(xiàn)學(xué)生工程思維的培養(yǎng)。

大一學(xué)年，學(xué)校主要開設(shè)專業(yè)導(dǎo)論、新生研討課和航空航天概論等課程。前兩門課程均采用基于項(xiàng)目的教學(xué)模式。教師在理論講授的同時(shí)，均設(shè)計(jì)有相應(yīng)的課程項(xiàng)目，如風(fēng)車設(shè)計(jì)、行業(yè)調(diào)研等。通過這兩門課程，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維基本認(rèn)知，讓學(xué)生從宏觀角度對工程思維有基本了解。同時(shí)，通過這些項(xiàng)目，學(xué)生在“做中學(xué)”，為今后工程思維深入、靈活應(yīng)用實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)。航空航天概論課程則對航空航天發(fā)展歷史進(jìn)行介紹，對飛行原理、飛機(jī)結(jié)構(gòu)和各子系統(tǒng)等進(jìn)行簡單介紹。這門課程從航空器發(fā)展角度出發(fā)，教師在介紹其原理知識的同時(shí)，應(yīng)將工程思維融入其中。

大二學(xué)年，通過開設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、流體力學(xué)基礎(chǔ)等課程，初步培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方面的知識、技能和思維，并使其認(rèn)識到理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算在航空航天領(lǐng)域中的重要作用。此外，學(xué)校還開設(shè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、自動控制原理等課程，從系統(tǒng)原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等角度對學(xué)生進(jìn)行工程思維培養(yǎng)。

大三學(xué)年，學(xué)校應(yīng)根據(jù)各個專業(yè)設(shè)置不同的航空航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝、檢測基礎(chǔ)課程，開設(shè)航空模型設(shè)計(jì)與制作、航空器維修等實(shí)踐項(xiàng)目，同時(shí)開設(shè)系統(tǒng)工程導(dǎo)論等課程。在此階段，教師教學(xué)主要集中在設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)手段、工程實(shí)現(xiàn)和實(shí)踐等方面，以此培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

大四學(xué)年，學(xué)生通過參加畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)一步運(yùn)用工程思維分析和解決具有一定復(fù)雜程度的工程問題。通過運(yùn)用和創(chuàng)新，學(xué)生的工程思維認(rèn)識和運(yùn)用能達(dá)到新的高度。

（二）充分利用第二課堂，構(gòu)建工程思維協(xié)同體系

第二課堂是培養(yǎng)工程思維的另一途徑。學(xué)校實(shí)驗(yàn)室、社團(tuán)以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心等組織可以為培養(yǎng)工程思維提供良好的環(huán)境。學(xué)院、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心、團(tuán)委以及校外的企業(yè)等單位也都可以參與到學(xué)生的工程思維培養(yǎng)中來，構(gòu)建系統(tǒng)的協(xié)同培養(yǎng)體系。同時(shí)，培養(yǎng)過程可以在教師指導(dǎo)之下，也可以在學(xué)生之間進(jìn)行，這就擴(kuò)展了工程思維培養(yǎng)的途徑，使得師生和朋輩彼此相互提升。第二課堂能夠提供更加符合工程實(shí)際的項(xiàng)目，且時(shí)間較為靈活，對學(xué)生工程思維培養(yǎng)，尤其是團(tuán)隊(duì)協(xié)作、項(xiàng)目管理和實(shí)踐等方面的培養(yǎng)具有獨(dú)特的作用。

三、結(jié)語

航空航天專業(yè)人才培養(yǎng)離不開工程思維。從航空航天專業(yè)人才培養(yǎng)角度看，工程思維具備以設(shè)計(jì)為核心、人和物的統(tǒng)一、宏觀和微觀的統(tǒng)一、精確性和模糊性的統(tǒng)一、傳統(tǒng)和創(chuàng)新的統(tǒng)一、抽象和具體的統(tǒng)一等特征。高校應(yīng)依據(jù)其特征，按照科學(xué)認(rèn)知邏輯，從課程內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)等多方面出發(fā)，構(gòu)建工程思維培養(yǎng)體系，以實(shí)現(xiàn)本科生在各個階段的工程思維培養(yǎng)。

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責(zé)編：桃 子

基金項(xiàng)目：河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：2017SJGLX099）;鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院2020年教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目

作者簡介：趙輝（1976— ），男，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院信息管理中心教授，研究方向?yàn)闊o人系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì);韓非非（1984— ），男，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)闊o人機(jī)總體設(shè)計(jì);代君（1987— ），女，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)闊o人機(jī)導(dǎo)航及控制。