高中工程学/科学与数学在工程学中的作用
本章已经介绍了一些科学和数学与工程学之间的联系。本章将继续探讨这些联系在发明、创新、教育、职业和设计中的表现，以及它们对我们日常生活的影响。同时，我们也越来越清楚，为什么在高中阶段学习科学和数学课程，并在这些课程中取得好成绩，对于在大学接受工程学教育至关重要。事实上，获得工程学、科学或数学专业大学学位的最佳指标之一，就是在高中学习包括四年数学（至少要学到三角学）和三年实验室科学课程。在本章的剩余部分，我们将扩展、阐述、详细说明和练习工程学-数学-科学之间的联系。数学技巧和科学现象就像艺术家调色板上的画笔和颜色。正如艺术家用绘画创造新的现实一样，工程师也为个人在社会中的生活方式创造新的现实。我们已经看到了一个例子，不仅是第一个袖珍收音机的创造，而且我们日常生活中的现实也受到了其他物品的影响，例如手机和计算机。下一部分将更详细地考察数学、科学和工程学之间联系的本质。
工程学创造了有价值的产品，如袖珍收音机。这是通过分析问题或需求的本质，然后在完成工程设计过程的同时应用数学和科学知识来解决设计问题。对科学（例如化学、物理和生物学）的了解可以帮助工程师理解问题中固有的约束，并帮助工程师为解决方案开发可能的方法。数学（例如代数、几何、微积分、计算机计算）既用作创建描述物理现象的数学模型的工具，也用作评估不同可能解决方案的优点的工具。
工程专业由ABET（一个认证大学工程项目的组织）更正式地定义为“工程设计是设计一个系统、组件或过程以满足所需需求的过程。这是一个决策过程（通常是迭代的），其中应用基本科学、数学和工程科学将资源最佳地转换为满足这些既定需求”。在这个定义中，科学和数学被描述为整个工程过程的必要组成部分。它们在这个过程中并不单独发挥作用。“工程师应用科学和数学的原理来为技术问题开发经济的解决方案。他们的工作是感知的社会需求和商业应用之间的纽带”。（美国劳工部）工程学中的数学和科学目标与数学领域（目标是定量地表示函数关系）或科学领域（目标是理解自然世界）中的目标不同。在工程学中，数学和科学是在工程设计过程中使用的工具。使用设计过程来解决问题或问题会导致问题的解决方案和一个产品，该产品可能是一个组件、一个系统或一个过程，它满足将使社会受益的需求。所有工程领域都在工程设计过程的所有步骤中都使用数学和科学工具。有效使用数学和科学对于创造高质量的解决方案来满足需求以及与该过程相关的产品至关重要。
通常，从有效设计过程（包括数学和科学）中诞生的高质量产品会被视为理所当然，例如一座桥梁屹立了几十年或几个世纪而没有任何问题。这种情况用金门大桥来说明，金门大桥自 1937 年 5 月 27 日开通以来，已经屹立了七十多年（图 3）。当劣质解决方案来自有缺陷的设计过程时，可能会导致灾难，桥梁可能会倒塌，并可能造成人员伤亡。以下由塔科马海峡大桥倒塌（图 3）说明了这种情况。1940 年 11 月 11 日，位于华盛顿州普吉特海湾的这座桥梁在强风中开始剧烈摇摆，最终由于桥梁的共振而断裂，桥梁扭曲直到断裂。有一些数学工具可以用来分析结构的波动和共振，但它们没有应用于桥梁的设计过程。这表明了广泛探索和利用与手头的工程设计问题相关的数学和科学的重要性以及必要性。
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活动 - 灾难对行业设计实践的影响 由于设计过程存在缺陷，发生了许多其他灾难。其中之一是 1954 年两架英国彗星喷气式飞机的连续坠毁。访问两个描述调查和由此产生的设计变更的网站：http://en.wikipedia.org/wiki/De_Havilland_Comet 和 http://judkins.customer.netspace.net.au/comet.htm。这些灾难如何导致工程师改变飞机的设计？ |
科学的含义是可以争论的，并且随着时间的推移而发生变化。今天可以合理地认为科学是一个过程，通过这个过程，人类试图了解自然界是如何运作的，以及它是如何变成这样的。工程师最常使用的科学分支包括物理学、化学和生物学。几乎所有本科工程项目都要求学生学习这些学科的基础课程，这一事实反映了这一点。一个关于这种科学如何与工程学联系起来的例子可以用全球范围内一些发展中国家人口缺乏清洁水资源的问题来说明。在发达国家，打开浴室水龙头就会有安全可饮用的水从水龙头中涌出。这种安全便捷的水实际上是一种奢侈品，并非在所有地方都能获得。当它不可用，并且水未经净化时，人们可能会因脱水、霍乱、痢疾和癌症等原因而生病甚至死亡。那么，工程师是如何弄清楚如何找到、运输、净化、消毒和输送水给那些需要它的人的呢？以下示例将有助于回答这个问题，并提供一个关于科学如何与工程学联系的具体示例。
尽管地球表面的超过一半被水覆盖，但由于其 3-4% 的盐含量，植物、动物或人类无法获得这些水。那么，我们能直接去除盐分吗？不行，因为这并不容易，而且成本高昂。科学提供了多种现象，可以用来淡化水，这里将介绍其中一些现象。化学告诉我们，淡化水有很多方法。其中一种方法是通过蒸发和冷凝来净化水，这会将杂质留在原始水中。另一种方法是，在冻结水中，冰会将杂质留在未冻结的液体中。另一种方法是基于这样一个事实，即某些分子膜的孔径大小将允许水在压力下通过膜扩散，同时留下钠和氯的较大复合物。化学还提供有关水和盐水的各种物理特性数据，包括蒸发热、冷凝热和冻结热等热力学数据。那么，我们能用这些不同的现象和所有可用的数据做什么呢？
第一个要回答的问题是：是否有任何类型的工程领域有个人利用这些现象和数据，以淡化水为目标？答案是肯定的。化学工程师接受过培训，可以使用这些现象和数据设计和建造大型加工厂，用于生产化妆品、抗生素和汽油等产品，以及净化水。如今，数百万加仑的水正在通过闪蒸蒸发法（使用蒸发和冷凝现象）和反渗透法（使用基于膜扩散原理的分子膜技术）进行淡化。位于里海的核动力闪蒸蒸发厂如图 4 所示。
数学在许多工程领域的多种方式中被利用。数学在这个领域中最关键的方面包括成本-效益-风险分析以及数学模型的使用。“数学模型可能包括一组规则和指令，这些规则和指令精确地指定了一系列要执行的步骤，无论是算术、逻辑还是几何步骤。有时，即使是非常简单的规则和指令也会产生难以预测的后果，除非实际执行这些步骤。……通常，找到一个在很小的条件范围内适合某种现象的数学模型相当容易……但它可能不适合更广泛的条件”。（AAAS）鉴于最终结果不仅要有效，而且要安全可靠的重要性，不难理解为什么使用数学模型是工程设计过程中的一个宝贵方面，以及这些模型将如何应用于此过程中的各个步骤。几乎所有方面的数学都可以，也确实被以某种方式应用于工程设计过程。工程学中的所有领域都需要对许多数学技能有深入的了解并能够正确使用这些技能，包括（但不限于）代数、微积分、几何、测量、结果的表格和图形表示、数学公式和时间轴。
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活动 - 工程师需要哪些科学和数学知识来解决当今的全球社会问题？ 请考虑以下列出的当代全球社会问题。从列表中选择两个或三个你感兴趣的全球问题并写下来。思考一下这些问题，然后写下解决每个特定问题的数学和科学方法。
  图 5.5：冰川断裂和石油泄漏。 |
以下问题将帮助你评估你对“科学和数学在工程中的作用是什么？”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。为了展示你对这些问题的理解，你应该找到所有正确的答案。
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