構建工程思維培養體系

趙輝 韓非非 代君

摘 要：航空航天專業是我國工科類專業的一個重要分支，航空航天專業人才的培養離不開工程實踐。因此，對該類人才的培養，需要統籌設計，構建工程思維培養體系。本研究通過對工程學和工程思維的探討，明確了工程思維的特征，并從認識的科學規律以及工程思維培養方式和參與組織等角度出發，分析了航空航天本科專業如何構建工程思維培養體系，以期為航空航天專業的人才培養提供參考和借鑒。

關鍵詞：工程思維;航空航天;人才培養體系

近年，工程教育在世界范圍內得到高度重視。一些系統的工程教育思想，如CDIO工程教育模式，在高校的人才培養中發揮了重要作用。工程哲學在近年也得到了快速發展。工程思維作為工程哲學的重要內容，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中的應用等仍處于初級階段。隨著STEAM教育在國內推廣，很多學校已經開始改變傳統的強調學生科學思維培養的模式，注重對學生工程思維的培養。在高校，工程思維培養必然是工科類大學生培養體系中不可或缺的核心內容。

航空航天專業是我國工科類專業的一個重要分支，具有綜合性強等特點。同時，航空航天專業和行業緊密相關，在國防、航空等國民經濟重要領域發揮著舉足輕重的作用。近年，越來越多的高校認識到航空航天領域在國民經濟中的重要性，開設了航空航天專業。如何將工程思維落地，進一步提高人才培養質量，成為高等教育亟須關注的重要問題。

一、工程思維

工程思維和工程技術伴隨著人類文明逐步產生和發展。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：西安交通大學的李永勝認為，工程思維具有系統性、集成性、跨學科性、綜合性、建構性、創造性與復雜性等特征;中國科學院大學的李伯聰通過對比工程思維、科學思維和藝術思維，得出工程思維具有價值導向、與個別對象聯系在一起、當時當地性等特征。從航空航天專業人才培養角度看，工程思維具有以下特征：

（一）以設計為核心

設計既是工程的起點，也是工程的核心。對工程師而言，設計就是初心。工程設計的結果必然要經受實踐的檢驗，所以工程師必須實事求是，容不得一絲馬虎和弄虛作假。以設計為核心，也就決定了工程師運用工程思維來解決問題的通常模式為從假設到檢驗，如此反復，最后再到實現。這里的假設，包括客戶需求、工程實現需求兩個方面的內容。

（二）人和物的統一

人和物是工程的兩大要素。如何將這兩個要素組織起來，離不開系統工程，如在諾斯洛普-格魯曼公司，就有“系統工程是設計中的設計”這一理念。正是通過系統工程，將工程的兩大要素有機結合，才確保了工程順利得以實現。

（三）宏觀和微觀的統一

一方面，工程需要從整體角度出發去考慮;另一方面，工程中的每一個細節都需要進行精心設計和處理。這兩個方面缺一不可。20世紀80年代，美國“挑戰者號”航天飛機失事，就是因為火箭助推器密封圈故障。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一

精確性是科學知識的主要特性，工程領域同樣離不開精確性。但如果過于堅持精確性，往往會限制工程問題的解決。比如，在設計飛機螺旋槳時，理論建模會忽略很多條件，如損耗，而以普朗特-邁耶函數的形式將這些損耗計入其中，這種做法就放棄了采用精確損耗（實際上也難以表示）。但從工程實踐角度看，在忽略損耗條件下所設計的螺旋槳性能十分優良。正是把精確性和模糊性完美統一，才有效解決了大量工程問題。

（五）傳統和創新的統一

工程離不開成熟的技術和方法，但這并非意味著工程對創新的排斥。恰恰相反，工程離不開創新。通過創新，才能實現創造。比如，翼型的發展就是一部創新史，從簡單翼型到低速翼型，再到各類現代翼型。

（六）抽象和具體的統一

解決工程問題離不開抽象這一思維方法。比如，分析航空燃氣輪機性能時，將其抽象為一個控制體積系統，從而構建熱力學模型，并獲得其相應的性能。但同時，工程中的抽象又離不開具體。比如，在分析機翼強度過程中，對機翼幾何、所受載荷等各種抽象必須建立在與其相對應的具體對象基礎之上。

二、構建工程思維培養體系

國內外的航空航天專業人才培養方案一般都包含數學、力學、電子電氣、控制、經濟和管理等方面的內容。斯坦福大學沃爾特·文森蒂將工程知識劃分為設計的基本概念、標準與規范、理論工具、數據、實踐考慮和設計手段。這一劃分，有助于教師在設計航空航天專業人才培養方案時，從不同的角度去思考如何構建工程思維培養體系。構建工程思維培養體系，需要從課程內容、實踐環節等多方面出發，以實現本科生在各個階段的工程思維培養。

（一）按照科學認知邏輯，構建涵蓋設計、制造、檢測、維修的工程思維培養體系

工程思維培養不是一蹴而就的，而是一個長期過程。學生工程思維的培養，同樣是一個循序漸進的過程。同時，教師需要結合專業特色，綜合考慮設計、制造、檢測和維修等內容，構建一個綜合體系，實現學生工程思維的培養。

大一學年，學校主要開設專業導論、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目的教學模式。教師在理論講授的同時，均設計有相應的課程項目，如風車設計、行業調研等。通過這兩門課程，培養學生的工程思維基本認知，讓學生從宏觀角度對工程思維有基本了解。同時，通過這些項目，學生在“做中學”，為今后工程思維深入、靈活應用實踐打下良好基礎。航空航天概論課程則對航空航天發展歷史進行介紹，對飛行原理、飛機結構和各子系統等進行簡單介紹。這門課程從航空器發展角度出發，教師在介紹其原理知識的同時，應將工程思維融入其中。

大二學年，通過開設大學物理實驗、數值計算、流體力學基礎等課程，初步培養學生實驗和計算方面的知識、技能和思維，并使其認識到理論、實驗和計算在航空航天領域中的重要作用。此外，學校還開設機械設計基礎、自動控制原理等課程，從系統原理、系統設計等角度對學生進行工程思維培養。

大三學年，學校應根據各個專業設置不同的航空航天系統設計、工藝、檢測基礎課程，開設航空模型設計與制作、航空器維修等實踐項目，同時開設系統工程導論等課程。在此階段，教師教學主要集中在設計思維、設計手段、工程實現和實踐等方面，以此培養學生的工程思維。

大四學年，學生通過參加畢業設計進一步運用工程思維分析和解決具有一定復雜程度的工程問題。通過運用和創新，學生的工程思維認識和運用能達到新的高度。

（二）充分利用第二課堂，構建工程思維協同體系

第二課堂是培養工程思維的另一途徑。學校實驗室、社團以及創新創業中心等組織可以為培養工程思維提供良好的環境。學院、創新創業中心、團委以及校外的企業等單位也都可以參與到學生的工程思維培養中來，構建系統的協同培養體系。同時，培養過程可以在教師指導之下，也可以在學生之間進行，這就擴展了工程思維培養的途徑，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際的項目，且時間較為靈活，對學生工程思維培養，尤其是團隊協作、項目管理和實踐等方面的培養具有獨特的作用。

三、結語

航空航天專業人才培養離不開工程思維。從航空航天專業人才培養角度看，工程思維具備以設計為核心、人和物的統一、宏觀和微觀的統一、精確性和模糊性的統一、傳統和創新的統一、抽象和具體的統一等特征。高校應依據其特征，按照科學認知邏輯，從課程內容、實踐環節等多方面出發，構建工程思維培養體系，以實現本科生在各個階段的工程思維培養。

參考文獻：

[1]李伯聰.工程思維的性質和認識史及其對工程教育改革的啟示——工程教育哲學筆記之三[J].高等工程教育研究，2018（4）.

[2]李永勝.論工程思維的性質、特征與作用[J].創新，2018（1）.

[3]歐陽瑩之.工程學：無盡的前沿[M].上海：上海科技教育出版社2017.

[4]Walter.G.Vincenti.工程師知道什么以及他們是如何知道的：基于航空史的分析研究[M].杭州：浙江大學出版社，2015.

責編：桃 子

基金項目：河南省高等教育教學改革研究與實踐重點項目（編號：2017SJGLX099）;鄭州航空工業管理學院2020年教育教學改革研究與實踐項目

作者簡介：趙輝（1976— ），男，鄭州航空工業管理學院信息管理中心教授，研究方向為無人系統及其優化設計;韓非非（1984— ），男，鄭州航空工業管理學院航空工程學院講師，研究方向為無人機總體設計;代君（1987— ），女，鄭州航空工業管理學院航空工程學院講師，研究方向為無人機導航及控制。