高中工程/将数学和科学与工程设计过程相结合
有许多类型的社会问题，这些问题超出了任何单一州或国家的边界，将在未来影响许多人的生活质量。然而，为了解决一个特定的全球问题，它必须被重新配置为一个地方问题，无论是在城市、县、州、地区还是国家层面。然后可以采取地方行动来解决地方问题，从而有助于解决全球范围内的这个问题。例如，对于美国西南部干旱的问题，一个解决这个问题的方法是，“如何节约凤凰城的用水？”因此，为公共利益而设计的产品的設計过程需要考虑实施范围。例如，设计的成品或过程将针对一个人还是许多人？他们住在街区或城镇中，还是住在县或州或相邻州，或者可能在全国或国际范围内。这些问题将在下面的练习中考虑。
|
活动 - 设计社会问题解决方案的客户或赞助商是谁？ 从工程中科学和数学的作用部分的第二个活动中列出的全球问题中选择三个或四个你感兴趣的话题。描述并写下你所选择的三个或四个问题的客户或客户可能是谁。 |
设计过程从客户有需要解决的问题或需求开始，客户希望有一个设计解决方案，从而产生一个满足需求或解决问题的产品。有时，新产品是从头开始开发的，这需要新的设计，有时使用创新来改进现有产品，在这种情况下，现有设计的一些方面将被修改。新产品通常使用一个开放式过程，该过程很少只有一个正确的解决方案。相反，有几个解决方案可以满足所需的需求，但有效程度不同。在本节中，我们将说明设计过程的每个步骤如何与数学和科学相关联。设计的一个挑战是从许多可能的解决方案中进行选择。然而，需要一个明确定义的过程流程，以便开发出满足客户需求的设计。我们将通过一个简化的例子来展示数学和科学如何与工程设计过程中的工程相关联，以方便理解。这个过程通常是迭代的，但这里将使用一个循环，因为目标是显示数学和科学与工程的联系（图 6）。简而言之，设计过程的简化步骤可能包括以下内容
- 确定问题或需求。
- 定义需求和约束。
- 为一组可能的解决方案生成想法或集思广益。
- 使用需求和约束来评估可能的解决方案。
- 使用选定的解决方案来设计和构建原型。
- 测试和评估原型，并根据需要进行修改以最终确定原型。
- 沟通结果。
假设在沙漠边缘的海边有一个由 50 人组成的小村庄，名为 Ecologia，这里的气候为热带气候。它与 150 英里外的下一个小村庄相连，一条糟糕的单车道公路连接着它们，这条公路有时会因沙尘暴和维修不良而无法通行。这个城镇靠捕捞海洋里的鱼和种植一小块蔬菜为生，但也有一些汽油发电机为这个村庄提供一些电力。它位于一个名为 Optimicia 的发展中国家，该国没有资源为这个城镇提供电力、水和通信等公用事业。一个单井为该镇提供水，但水位正在下降，它可能会干涸。该村希望有一个新的供水方式，以补充目前的供水，并确保未来有足够的供水。
此场景将被用于展示数学和科学在设计过程中的工程联系。因此，没有使用详细的数字和计算，所以为了简化示例，决策和细节不会很严格。我们现在将按照设计过程的步骤进行，并指出与科学和数学的联系。
一个靠近海洋的孤立村庄，有 50 个低收入人口，没有与政府支持的公用事业相连，最近的城镇距离 150 英里，只有一条糟糕的路通往那里，而且村庄的深井水源正在枯竭。需要新的水源。
科学联系。土木工程师可以使用仪器来监测井水位，以测量水的枯竭速度。
数学联系。数学可用于为当前水源的成本和可用性（井、季风和卡车运来的水）建立模型。
需求可能包括水的纯度、水的生产速度、设计系统所需的寿命，以及由于该村庄没有连接到电网，因此没有公用事业可用于支持该系统。约束条件可能包括各种成本限制，例如系统的设计、制造、运行和维护成本，以及可能的安全和环境因素。从需求和约束的集合，以及对村庄、人口和环境情况的考虑，可以制定一个问题陈述，该陈述可能写成如下：“将开发一个生产饮用水的系统，该系统将满足 50 人的需求，其成本不超过每千加仑 2 美元，包括材料、建设和 10 年的运营。”
科学联系。了解各种现有技术的科学基础是必要的，以便探索提供水的最广泛方法。
数学联系。可以使用数学模型来检查不同系统的用水成本，以便在生成问题陈述时使用一组合理的需要和限制。有一些数学模型描述了现有技术的成本，但如果开发了新技术，则需要创建新的模型。
在这个阶段，需要探索各种各样的想法或可能的解决方案来解决设计问题。 这些想法可以来自多种来源：现有产品、头脑风暴的想法、科学原理的想法以及任何其他可能的方法。 然后，这些可能性或设计理念需要被塑造成为一个组件、系统或过程，以尽可能地作为问题的解决方案来满足一组需求和约束。 如果一些方法没有潜力，可能会在早期就被抛弃（例如，从冰山向赤道附近的村庄提供纯净水可能不可行）。
科学联系。 基于科学原理，可以产生各种解决方案，如下面的例子所示。 海水可以通过冷冻净化，但这对于赤道附近的村庄来说不是一个好方法。 可以使用太阳能蒸馏器或闪蒸蒸发厂，通过蒸馏（蒸发和冷凝）来净化海水。 可以使用反渗透装置，通过膜去除盐来净化海水。 通过新的井、卡车或管道将纯净水输送到城镇，是其他不需要太多科学的可能解决方案。
数学联系。 在设计过程的第一个部分，可以生成数学模型来粗略估计各种方法的成本。 它们还用于预测在创意生成阶段出现的各种替代解决方案的成本，并可以帮助分析技术背后的科学与用材料、制造或加工、操作和维护来实施该技术的成本之间的联系。 然后，需要对这些成本进行标准化，以便与其他选项进行比较，即每千加仑水的成本。
对潜在的设计进行评估，以了解其是否符合约束条件和标准，并选择一个或多个设计进行详细设计和原型制作。 选择过程需要满足要求，并根据要求和约束条件选择最佳设计。 为了继续展示数学和科学的联系，假设最佳设计是用于海水淡化的太阳能蒸馏器。 利用这个选择，现在将考虑其他设计步骤。
所选设计将被详细开发，并确定组件的特定形状和尺寸。 选择材料，制造组件并组装原型。 原型操作和性能可以在计算机上建模。 对于假设设计，将构建太阳能蒸馏器原型。
科学联系。 通过更精确的物理参数值，可以创建更详细的科学知识，这将提供信息，这些信息可能会影响原型组件的各种成本。 应从基于科学的理想角度对各种组件中发生的物理现象进行建模，以便在测试原型时能够评估性能。
数学联系。 将生成基于科学现象的性能数学模型来评估原型。
测试原型以查看设计是否满足所有要求并正常运行。 应将性能与从原型数学模型中确定的理想性能进行比较。 应分析和理解理想性能和实际性能之间的差异。 可以迭代和改进设计过程以提高性能，直到达到可接受的水平。 有时，测试和评估表明设计无法正常工作，因此必须返回评估替代解决方案以选择不同的设计理念。 如果假设的太阳能蒸馏器满足性能规格并满足约束条件，则可以沟通解决方案。
科学联系。 科学操作模型应近似于实际原型性能； 如果没有，那么模型中可能没有正确实施科学现象，或者可能存在需要诊断的施工或操作方面的其他问题，以使模型成为性能的良好预测器。
数学联系。 应测试操作的数学模型，以确保模型使用适当的科学和数学正确构建。
应记录设计过程的活动和结果，并传达给相应的客户或客户。
科学联系。 应记录设计过程的所有步骤，并明确说明决策的理由。 应明确说明设计问题解决方案背后的科学原理，包括用于选择解决方案的要求和约束条件的因素和权重。
数学联系。 应记录操作的数学模型，以证明设计性能和有效性的基础。 还应记录模型，以证明设计在满足客户需求方面的有效性。
|
活动 - 将数学和科学与工程设计过程联系起来以解决全球社会问题 从“工程中科学和数学的作用”部分的第二次活动中列出的全球问题列表中选择一个你感兴趣的问题。 指定并写下描述将从你为所选社会问题设计的问题解决方案中获益的人及其情况的问题场景。 现在解释并写下该项目团队需要哪些类型的工程师来处理社会问题。 现在，如之前案例研究所示，描述并写下所选社会问题的简化设计过程的每个步骤中发生的事情，以及正在使用哪些数学和科学以及如何使用它们。 |
以下问题将帮助你评估你对“将数学和科学与工程设计过程联系起来”部分的理解。 每个问题可能有一个、两个、三个甚至四个正确答案。 为了证明你的理解，你应该找到所有正确的答案。
- c
- 数学和科学在工程设计创意过程中扮演什么角色？
- 科学和数学在设计和开发工程设计过程中的更好人工制品方面发挥了什么作用？
- 与其他类型的设计过程（建筑、时尚等）相比，数学和科学如何在工程设计过程中与工程联系起来？
- 如何判断从设计过程中创建的人工制品是否充分考虑了来自工程、科学和数学的联系的思想，以及各种可能的解决方案，以确保从有效的设计过程中创建了高质量的人工制品？
- 数学和科学在连接工程方面，在开发良好问题定义语句的特征方面扮演什么角色？
- 如何在工程设计过程的步骤中使用数学和科学与工程的联系？ 为什么这些步骤并不总是按顺序完成？
- 数学和科学与工程的联系如何影响工程设计过程中的团队决策过程？
- 数学和科学与工程的联系在从实施所选解决方案的主要概念到设计问题的详细设计方面发挥了什么作用？
- 认证
- 已正式认可或批准。 当本科工程课程满足国家委员会（工程与技术认证委员会，ABET）的标准时，它们即获得认证。
- 人工制品
- 人类通常出于实用目的而创造或修改的东西。
- 组件
- 更大系统的一个独立部分或元素。
- 约束
- 约束是设计必须满足的限制或条件。
- 标准
- 标准是设计的可衡量标准或属性； 例如，重量和尺寸都是标准。 标准用于比较不同的可能设计，并确定哪个设计更能解决设计问题。
- 工程师
- 利用科学和数学知识解决实际问题，为社会造福而生产产品和流程的人。
- 工程设计过程
- “设计一个系统、组件或过程以满足所需需求的过程。 这是一个决策过程（通常是迭代过程），在该过程中，基础科学、数学和工程科学被应用于将资源最佳地转换为满足这些明示需求。” (ABET)
- 实施
- 成功地投入行动或完成。
- 创新
- 对现有产品、系统或过程进行增量或根本性修改以改进它的过程。
- 集成电路
- 蚀刻在小块硅片上的晶体管电子电路，有时称为微芯片。
- 发明
- 想出一个新的、有用的、非显而易见的思想、计划、解释、理论、原理、新颖装置、材料或技术，它是一种心灵的创造。
- 发明
- 一项从研究和实验中发展出来的新的、有用的设备、方法或流程。
- 迭代的
- 重复的或循环的。工程设计过程涉及重复循环地完成项目任务或阶段，直到达到预期结果。
- 数学模型
- 用数学对过程、对象或概念进行定量的一般描述，它允许对变量进行相对简单的操作，以确定过程、对象或概念在不同情况下将如何表现。
- 先决条件
- 事先需要的东西。
- 现象
- 一个可观察的事实或事件；自然规律起作用的外在迹象。
- 原型
- 设计的试验工作模型，用于测试设计决策并识别潜在问题。
- 假肢
- 缺失身体部位的人造替代物。
- 科学
- 对自然或人造现象的观察、识别、描述、实验研究和理论解释。
- 半导体
- 一种比绝缘体导电性好，但比导体导电性差的物质。硅是一种用于制造微芯片的半导体。
- 系统
- 一组相互作用、相互关联或相互依存的元素，形成一个复杂的整体。
- ABET, Inc. "工程项目认证标准 2007–08"。2002 年 3 月 17 日。可在以下网址获取：http://www.abet.org/Linked%20Documents-UPDATE/Criteria%20and%20PP/E001%2007-08%20EAC%20Criteria%2011-15-06.pdf
- 美国科学促进会 (AAAS)。2061 项目：人人皆享科学。美国科学促进会，华盛顿特区，1989 年。
- 美国劳工部。"职业展望手册"。2008 年 7 月。可在以下网址获取：http://www.bls.gov/oco/
本材料改编自原始的 CK-12 图书，可在此处找到。本作品根据知识共享署名 - 相同方式共享 3.0 美国许可协议进行许可。