构建工程思维培养体系

赵辉 韩非非 代君

摘 要：航空航天专业是我国工科类专业的一个重要分支，航空航天专业人才的培养离不开工程实践。因此，对该类人才的培养，需要统筹设计，构建工程思维培养体系。本研究通过对工程学和工程思维的探讨，明确了工程思维的特征，并从认识的科学规律以及工程思维培养方式和参与组织等角度出发，分析了航空航天本科专业如何构建工程思维培养体系，以期为航空航天专业的人才培养提供参考和借鉴。

关键词：工程思维;航空航天;人才培养体系

近年，工程教育在世界范围内得到高度重视。一些系统的工程教育思想，如CDIO工程教育模式，在高校的人才培养中发挥了重要作用。工程哲学在近年也得到了快速发展。工程思维作为工程哲学的重要内容，日益受到重视。但是，我国对工程思维的重视程度以及在人才培养中的应用等仍处于初级阶段。随着STEAM教育在国内推广，很多学校已经开始改变传统的强调学生科学思维培养的模式，注重对学生工程思维的培养。在高校，工程思维培养必然是工科类大学生培养体系中不可或缺的核心内容。

航空航天专业是我国工科类专业的一个重要分支，具有综合性强等特点。同时，航空航天专业和行业紧密相关，在国防、航空等国民经济重要领域发挥着举足轻重的作用。近年，越来越多的高校认识到航空航天领域在国民经济中的重要性，开设了航空航天专业。如何将工程思维落地，进一步提高人才培养质量，成为高等教育亟须关注的重要问题。

一、工程思维

工程思维和工程技术伴随着人类文明逐步产生和发展。工程思维具有哪些特征？从不同的角度观察、分析和思考，会得到不同的答案。例如：西安交通大学的李永胜认为，工程思维具有系统性、集成性、跨学科性、综合性、建构性、创造性与复杂性等特征;中国科学院大学的李伯聪通过对比工程思维、科学思维和艺术思维，得出工程思维具有价值导向、与个别对象联系在一起、当时当地性等特征。从航空航天专业人才培养角度看，工程思维具有以下特征：

（一）以设计为核心

设计既是工程的起点，也是工程的核心。对工程师而言，设计就是初心。工程设计的结果必然要经受实践的检验，所以工程师必须实事求是，容不得一丝马虎和弄虚作假。以设计为核心，也就决定了工程师运用工程思维来解决问题的通常模式为从假设到检验，如此反复，最后再到实现。这里的假设，包括客户需求、工程实现需求两个方面的内容。

（二）人和物的统一

人和物是工程的两大要素。如何将这两个要素组织起来，离不开系统工程，如在诺斯洛普-格鲁曼公司，就有“系统工程是设计中的设计”这一理念。正是通过系统工程，将工程的两大要素有机结合，才确保了工程顺利得以实现。

（三）宏观和微观的统一

一方面，工程需要从整体角度出发去考虑;另一方面，工程中的每一个细节都需要进行精心设计和处理。这两个方面缺一不可。20世纪80年代，美国“挑战者号”航天飞机失事，就是因为火箭助推器密封圈故障。这是一起典型的“千里之堤，溃于蚁穴”的案例。因此，在工程中，微观和宏观同样重要。

（四）精确性和模糊性的统一

精确性是科学知识的主要特性，工程领域同样离不开精确性。但如果过于坚持精确性，往往会限制工程问题的解决。比如，在设计飞机螺旋桨时，理论建模会忽略很多条件，如损耗，而以普朗特-迈耶函数的形式将这些损耗计入其中，这种做法就放弃了采用精确损耗（实际上也难以表示）。但从工程实践角度看，在忽略损耗条件下所设计的螺旋桨性能十分优良。正是把精确性和模糊性完美统一，才有效解决了大量工程问题。

（五）传统和创新的统一

工程离不开成熟的技术和方法，但这并非意味着工程对创新的排斥。恰恰相反，工程离不开创新。通过创新，才能实现创造。比如，翼型的发展就是一部创新史，从简单翼型到低速翼型，再到各类现代翼型。

（六）抽象和具体的统一

解决工程问题离不开抽象这一思维方法。比如，分析航空燃气轮机性能时，将其抽象为一个控制体积系统，从而构建热力学模型，并获得其相应的性能。但同时，工程中的抽象又离不开具体。比如，在分析机翼强度过程中，对机翼几何、所受载荷等各种抽象必须建立在与其相对应的具体对象基础之上。

二、构建工程思维培养体系

国内外的航空航天专业人才培养方案一般都包含数学、力学、电子电气、控制、经济和管理等方面的内容。斯坦福大学沃尔特·文森蒂将工程知识划分为设计的基本概念、标准与规范、理论工具、数据、实践考虑和设计手段。这一划分，有助于教师在设计航空航天专业人才培养方案时，从不同的角度去思考如何构建工程思维培养体系。构建工程思维培养体系，需要从课程内容、实践环节等多方面出发，以实现本科生在各个阶段的工程思维培养。

（一）按照科学认知逻辑，构建涵盖设计、制造、检测、维修的工程思维培养体系

工程思维培养不是一蹴而就的，而是一个长期过程。学生工程思维的培养，同样是一个循序渐进的过程。同时，教师需要结合专业特色，综合考虑设计、制造、检测和维修等内容，构建一个综合体系，实现学生工程思维的培养。

大一学年，学校主要开设专业导论、新生研讨课和航空航天概论等课程。前两门课程均采用基于项目的教学模式。教师在理论讲授的同时，均设计有相应的课程项目，如风车设计、行业调研等。通过这两门课程，培养学生的工程思维基本认知，让学生从宏观角度对工程思维有基本了解。同时，通过这些项目，学生在“做中学”，为今后工程思维深入、灵活应用实践打下良好基础。航空航天概论课程则对航空航天发展历史进行介绍，对飞行原理、飞机结构和各子系统等进行简单介绍。这门课程从航空器发展角度出发，教师在介绍其原理知识的同时，應将工程思维融入其中。

大二学年，通过开设大学物理实验、数值计算、流体力学基础等课程，初步培养学生实验和计算方面的知识、技能和思维，并使其认识到理论、实验和计算在航空航天领域中的重要作用。此外，学校还开设机械设计基础、自动控制原理等课程，从系统原理、系统设计等角度对学生进行工程思维培养。

大三学年，学校应根据各个专业设置不同的航空航天系统设计、工艺、检测基础课程，开设航空模型设计与制作、航空器维修等实践项目，同时开设系统工程导论等课程。在此阶段，教师教学主要集中在设计思维、设计手段、工程实现和实践等方面，以此培养学生的工程思维。

大四学年，学生通过参加毕业设计进一步运用工程思维分析和解决具有一定复杂程度的工程问题。通过运用和创新，学生的工程思维认识和运用能达到新的高度。

（二）充分利用第二课堂，构建工程思维协同体系

第二课堂是培养工程思维的另一途径。学校实验室、社团以及创新创业中心等组织可以为培养工程思维提供良好的环境。学院、创新创业中心、团委以及校外的企业等单位也都可以参与到学生的工程思维培养中来，构建系统的协同培养體系。同时，培养过程可以在教师指导之下，也可以在学生之间进行，这就扩展了工程思维培养的途径，使得师生和朋辈彼此相互提升。第二课堂能够提供更加符合工程实际的项目，且时间较为灵活，对学生工程思维培养，尤其是团队协作、项目管理和实践等方面的培养具有独特的作用。

三、结语

航空航天专业人才培养离不开工程思维。从航空航天专业人才培养角度看，工程思维具备以设计为核心、人和物的统一、宏观和微观的统一、精确性和模糊性的统一、传统和创新的统一、抽象和具体的统一等特征。高校应依据其特征，按照科学认知逻辑，从课程内容、实践环节等多方面出发，构建工程思维培养体系，以实现本科生在各个阶段的工程思维培养。

参考文献：

[1]李伯聪.工程思维的性质和认识史及其对工程教育改革的启示——工程教育哲学笔记之三[J].高等工程教育研究，2018（4）.

[2]李永胜.论工程思维的性质、特征与作用[J].创新，2018（1）.

[3]欧阳莹之.工程学：无尽的前沿[M].上海：上海科技教育出版社2017.

[4]Walter.G.Vincenti.工程师知道什么以及他们是如何知道的：基于航空史的分析研究[M].杭州：浙江大学出版社，2015.

责编：桃 子

基金项目：河南省高等教育教学改革研究与实践重点项目（编号：2017SJGLX099）;郑州航空工业管理学院2020年教育教学改革研究与实践项目

作者简介：赵辉（1976— ），男，郑州航空工业管理学院信息管理中心教授，研究方向为无人系统及其优化设计;韩非非（1984— ），男，郑州航空工业管理学院航空工程学院讲师，研究方向为无人机总体设计;代君（1987— ），女，郑州航空工业管理学院航空工程学院讲师，研究方向为无人机导航及控制。