第1章-工程学概论

1IntroductiontoEngineering软件工程学院黄健工程导论（必修16）工程院校是培养工程师的摇篮。从专业的角度：工程师的主要工作内容是什么？需要哪些能力？工程教育有责任向学生传授广泛的学科知识。工程师必须具备广泛的个人能力、人际沟通能力以及产品、过程及系统的构建能力，这些能力保证学生在社会和企业背景环境下的团队工作中发挥重要作用。为什么要开设这门课？2本课程的目标使你确定近期人生目标——当一名什么类型的工程师、

长远人生目标——当一名什么水平的工程师；成为工程师必备的品德、能力和知识要求；如何构思和设计一个工程项目；如何高效、低耗地完成一个工程项目；借鉴和创新。

希望学完本课程，诸位能在思考问题时，有前瞻性、系统性；在解决问题过程中，有团队精神、要积极准确表述你的意见。4工程师所应具有的能力和素质

美国波音公司提供较好掌握工程科学基础知识（数学、物理、生物、化学）较好了解设计和制造流程具有复合学科和系统的观点基本了解工程实际知识（经济学、商务、历史、环境、顾客及社会需求）较好的沟通能力（写作、口头交流、图形、理解别人）高道德水准批判性、创新的思维能力，既能独立思考，又能博采众家之长具有自信和能力去适应多变快变的环境具有终身学习的愿望和求知欲深刻了解团队工作的重要性及具备能力第1章

工程学概论第2章

设计开发团队建设第3章

时间管理第4章

软件工程概述第5章

软件开发过程第6章

工程师的职业道德课程内容5纪律要求有事请假，迟到、早退（1次扣2分）、缺勤（1次扣5分）将影响平时成绩3次旷课将取消考试资格1.2.6成绩评定平时成绩（考勤、课堂回答问题）考试成绩（闭卷考试）20%80%7第一章工程学概论工程学及其分支

1工程学与社会的关系2工程设计的演化38手机的设计、制造是一个工程的问题。第一章工程学概论提问：你们的手机是如何进入到你们的手中？9第一章工程学概论两个目的：认识自然，适应自然、保护自然和改造自然理学工程学第一节工程学及其分支10工程的定义工程是将自然科学原理应用到工农业生产部门中去而形成各学科的总称。在现代社会中，“工程”一词有广义和狭义之分。就狭义而言，工程定义为“以某组设想的目标为依据，应用有关的科学知识和技术手段，通过一群人的有组织活动将某个（或某些）现有实体（自然的或人造的）转化为具有预期使用价值的人造产品过程”。就广义而言，工程则定义为由一群人为达到某种目的，在一个较长时间周期内进行协作活动的过程。

——参阅《工程系统论》，王连成著，中国宇航出版社，2002年8月第一版。一群人实现一个目有关键词人力管理任务管理技术方法实现方法质量管理效益管理第一章工程学概论

工程是服务于某个特定项目的各项技术工作的总和，以一系列的科学为依托，应用这些科学知识并结合经验的判断，经济地利用自然资源为人类服务地一种专门技术。

工程强调的是解决实际问题，同时强调创新。13工程学及其分支科学社会科学自然科学基础科学工程技术科学农业、林业工程、水力电力工程、土木建筑工程、电子/计算机工程、工业工程、机械工程、化学工程、环境工程、海洋工程、生物工程、航天/航空工程、军事工程等14第一章工程学概论航空/航天工程客机组装工作现场15中国设计制造的第三代歼敌机——歼十第一章工程学概论16中国宇航员在太空中出仓第一章工程学概论17翟志刚、刘伯明与景海鹏第一章工程学概论18杨利伟第一章工程学概论19第一章工程学概论汽车工程汽车检修20生物工程第一章工程学概论生物工程是二十世纪四十年代被明确地提出，相对于土木工程、建筑工程、农业工程而言，该工程属新型工程，但从出现第一个人为的工程分支以来，该工程已实际存在了几千年。21包括生物学工程、医学工程、临床工程三个分支。第一章工程学概论22电子/计算机工程电子/计算机工程目前是工程领域最大的分支。专业领域包括通信、电力电子、模拟/数字电路、控制、信号与系统、计算机和网络系统、安全性与可靠计算、半导体/微电子技术、软件系统、电磁场、天线、传输系统等领域。第一章工程学概论23第一章工程学概论早期的计算机24第一章工程学概论日本“京”超级计算机(2011年)25第一章工程学概论IBM“Sequoia（红杉）”超级计算(2012年)26第一章工程学概论“天河一号”超级计算机(2012年中国)27美国的火星探测器——机遇号第一章工程学概论28“机遇号”发现奇特火星岩石第一章工程学概论29第一章工程学概论环境工程环境工程涉及的是自然资源的合理利用和环境的保护。通常，环境工程的课程相对较新，并且在多数情况下属于其它学科的专业。草场的退化是日益严重的环境问题之一30第一章工程学概论石油工业对环境的影响31第一章工程学概论污水处理设备32第一章工程学概论工业工程

工业工程覆盖了所有规模组织的各类活动。该专业的主要目的是将理论应用到人类的行动，从而改善工业、政府和非盈利机构的竞争力和活力。在工业工程教育过程中，需均衡地理解数学、物理和工程科学的相关知识，并要求工程师具有实验室和工业经验。33第一章工程学概论制作工业生产现场34第一章工程学概论机械工程

机械工程师从事各种形式的能量产生、分配、利用和转换；机器的设计和开发；自动系统的控制；材料的制作和处理以及环境问题的创新解决方案。其工程师的经历通常与研究、制作、操作、测试、市场营销、管理和数学有关。35第一章工程学概论机械模具36软件工程用计算机、数学、逻辑学及管理学科等原理，开发软件的工程。其中，计算机科学、数学用于构建模型与算法，工程科学用于制定规范、设计范型(paradigm)、评估成本及确定权衡，管理科学用于计划、资源、质量、成本等管理。第一章工程学概论第二节工程学与社会的关系

在早期，人类以小范围的、原始的流动部落的形式生活了几万年。在此期间，人们依靠狩猎、收集植物的果实或植物为生，为了捕捉到更多的动物，人们开始改进狩猎工具，从而开始了最早的工程。38第一章工程学概论新石器时代的玉斧39第一章工程学概论4041第一章工程学概论原始的农业耕作方式在目前世界范围内仍然存在42第一章工程学概论

农业生产的发展，生产出了更多的粮食，使有些人可以脱离农业劳动而从事其它的产业或进行相应的“管理”，如木匠、陶工、音乐师、面包师等手艺人；而最早的管理者，可能是那些了解天文知识，他们利用该知识来预测河流是否涨水，从而指导农业从事者进行生产的人，最终发展成为以王国、领地为边界的社会制度。43第一章工程学概论大约公元前4000年，出现了最原始的冶炼技术。铜青铜从公元前1000年至公元300年，欧洲进入了希腊与罗马时期。由于战争的需要，青铜铁

地理原因航海技术44第一章工程学概论古希腊的其它重要贡献：建筑、美学、哲学女神雅典娜神庙遗址45第一章工程学概论太阳神阿波罗神庙遗址46第一章工程学概论哲学：著名的希腊神话传说就是当时哲学的具体表现。中国：约公元前5000年，伏曦氏世界由阴阳构成，阴中有阳、阳中有阴，二者相互独立、相互转换、缺一不可八卦《易经》(老子)47第一章工程学概论在罗马时期，由于帝国实力的强大，疆土辽阔，为了便于统治和管理交通网络十分发达；城市建设成效卓著

随着人口的增加，对粮食供应提出了更高的要求水利技术得到了发展48第一章工程学概论

进入到公元4世纪，随着罗马帝国的衰亡，欧洲步入了中世纪时期，而中华民族经历了唐、宋两个主要王朝。至公元15世纪期间，随着中国劳动生产力及国力的提高，当时的主要科学成果或工程成果出现在中国。造纸、印刷术、火药、指南针四大著名的发明。天文、地质、建筑等方面贡献显著，如至今仍在使用的赵州桥；地动仪、天文仪等。49第一章工程学概论赵州桥50第一章工程学概论地动仪天文仪51第一章工程学概论

在欧洲，“工程师”的称号开始出现，其词根来自于拉丁文ingeniare，表示“设计和开发”的意识。约公元1200年，ingeniator用于称呼那些操作战争机器的人们，要求他们具有工程经历，在作战武器中进行创新。在工业时代，“工程师”赋予了新的含义，要求他们在应用基本数学知识和牛顿运动定律等科学理论的基础上，在设计和分析现有现象、系统及工具中具有创新能力。52第一章工程学概论

进入公元16世纪，随着生产力的进一步提高，人类认识世界、改造世界的欲望越来越强烈，自然科学，特别是基础学科得到了显著的发展，其科学也成为近代自然科学，使人类进入到了工业时代。近代自然科学是以天文学领域的革命为开端。1543年，哥白尼公开发表《天体运行论》，恢复了地球普通行星的本来面貌，猛烈地震撼了科学界和思想界，这是近代自然科学诞生的主要标志，也是天文学发展史上一个重要的里程碑。53第一章工程学概论开普勒发现了行星运动的三大定律（椭圆定律、面积定律、周期定律）；1632年，伽利略发现了自由落体定律；1687年，牛顿发表《自然哲学的数学原理》，系统论述了牛顿力学三定律（惯性定律、作用力反作用力定律、加速度定律）和万有引力定律。这些定律构成一个统一的体系，把天上的和地上的物体运动概括在一个理论之中。这也是人类认识史上对自然规律的第一次理论性的概括和综合。数学，进入理性阶段54第一章工程学概论

能源是人类生产、生活的基本要素之一，早期人们通过开发畜力、水力和风力来解决能源问题。16世纪末到17世纪后期，英国的采矿业，特别是煤矿，已发展到相当的规模，单靠人力、畜力已难以满足排出矿井地下水的要求，而现场又有丰富而廉价的煤作为燃料。现实的需要促使许多人，如英国的帕潘、萨弗里、纽科门等就致力于“以火力提水”的探索和试验。55第一章工程学概论

萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机，在1698年取得标名为“矿工之友”的英国专利。他将一个蛋形容器先充满蒸汽，然后关闭进汽阀，在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空。打开进水阀，矿井底的水受大气压力作用经进水管吸入容器中；关闭进水阀，重开进汽阀，靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空而充满蒸汽时，关闭进汽阀和排水阀，重新喷水使蒸汽冷凝。如此反复循环，用两个蛋形容器交替工作，可连续排水。萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超过六米。56第一章工程学概论纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广。57第一章工程学概论1764年，英国的仪器修理工詹姆斯·瓦特为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时，注意到了这一缺点，并于1765年发明设计了与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机，并于1769年取得了英国的专利。初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵，为了从凝汽器中抽出凝结水和空气，瓦特装设了抽气泵。他还在汽缸外壁加装夹层，用蒸汽加热汽缸壁，以减少冷凝损失。58第一章工程学概论发明创造不是一蹴而就的，它是在前人设计的基础上，不断地改造、完善而产生的。瓦特改良的蒸汽机59第一章工程学概论早在两千多年前，人们就发现了电现象和磁现象。我国早在战国时期(公元前475-211年)就发明了司南。1785年，法国物理学家库仑在总结前人对于电磁现象认识的基础上，提出了后人所称的“库仑定律”，使电学与磁学现象得到了统一。60第一章工程学概论1822年，英国的法拉第在前人所做大量工作的基础上，提出了电磁感应定律，证明了“磁”可以产生“电”，发电机和电动机的理论基础。

电磁学的发展，首先引起了通信方式的变革。1837年美国画家莫尔斯在前人的基础上设计出比较实用的、用电码传送信息的电报机，之后，又在华盛顿与巴尔的摩城之间建立了世界上第一条电报线路。1876年，美国的贝尔发明了电话，实现了人类最早的模拟通信。1880年以后，用有线电报和有线电话来传送信息已开始得到应用，人类进入了有线电通信时代。61

英国的麦克斯韦在总结前人工作基础上，提出了一套完整的“电磁理论”，表现为四个微分方程。这就是后人所称的“麦克斯韦方程组”。麦克斯韦得出结论：运动着的电荷能产生电磁辐射，形成逐渐向外传播的、看不见的电磁波。1887年，德国物理学家赫兹年第一次用人工方式产生出了电磁波，以实验证实了电磁波的存在。先有理论，后通过实验验证第一章工程学概论62

意大利的马可尼和俄国的波波夫在不同的国度里，几乎在相同的时间(1895和1896)获得了无线电通信的成功，他们创造性的劳动，揭开了电磁学发展的新篇章，无线电技术作为一门新科学从此诞生了。第一章工程学概论63

无线电并不是一、二个人发明出来的，它是人类文明逐步发展的结果，但是，有些人在其中起到了较为重要的作用。麦克斯韦之所以被称为无线电通信的报春人，是因为在当时，人们虽然已经知道“电”能生“磁”，“磁”能生“电”；知道利用电磁原理来制造电机和变压器；但是对于电与磁相互关系的本质还并不清楚，对于伴随某些电现象和磁现象而存在的电磁波还没有认识，可以说，麦克斯韦是一名非常杰出的电磁理论学家。他在总结前人经验的基础上，用非常精辟而微妙的数学方程式，阐明了电场与磁场的基本关系，建立了严谨的电磁场理论。第一章工程学概论数学的重要性64

进入二十世纪，新技术的发展呈指数形式快速增长，从材料、生物、航空、航天到通信、计算机、化学、海洋等领域，其发展日新月异，特别是电子、信息技术的发展，成为发展最快的工程领域之一。随着计算机的出现及发展，以及香农信息论的发表，使信息技术发生了翻天覆地的变化，同时深刻地影响到工程学的其它领域，对人们的日常生活和工作发生产生了颠覆性的影响。第一章工程学概论65香农，美国科学家，于1948年创立了信息论(informationtheory)。香农理论的重要特征是熵(entropy)的概念，他证明熵与信息内容的不确定程度有等价关系。信息熵以比特(bit)为单位。“比特”的出现标志着人类知道了如何计量信息量。香农的信息论为明确什么是信息量概念做出决定性的贡献。

第一章工程学概论66

为了解决资源共享问题，单一计算机很快发展成计算机联网，如Internet网，实现了计算机之间的数据通信、数据共享。通信介质从普通导线、同轴电缆发展到双绞线、光纤导线、光缆。20世纪80年代末多媒体技术的兴起，使计算机具备了综合处理文字、声音、图像、影视等各种形式信息的能力，日益成为信息处理最重要和必不可少的工具。第一章工程学概论672009年的诺贝尔物理学奖就授予了在工程学领域做出杰出贡献的应用科学家。高锟，被誉为“光纤之父”，前香港中文大学校长，因其在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，获得2009年诺贝尔物理学奖。第一章工程学概论68第三节

工程设计的演化

从新石器时期晚期到如今的几万年期间，三个主要的变革促成了人类由最早的、以狩猎为主的群居形式发展成为如今以信息为基础的信息社会。第一章工程学概论69

最早人类以狩猎为主，采用小范围群居的方式生存，在其晚期，由于食物供应不足，这时产生了第一次变革，即由小范围的、以狩猎为主的生活方式转换为大范围的、以农业生产为主的生活方式，其标志是社会制度为领地制度；第二次变革即为大家非常熟悉的工业时代的开始，在此期间，煤作为能源被大量地应用，蒸汽机的出现及其应用是该时期的重要标志；第三次变革发生在近期，我们称之为后工业时代，有时又称为基于计算机的或基于信息的社会，在该阶段，信息技术的蓬勃发展是其主要的标志。第一章工程学概论70

在整个人类知识的演化过程中，特别是1850年之前，工程技术科学的发展先于基础科学的发展，在新石器时代，人类就学会了制造一些简单的工具来增加自己适应自然的能力。早期的人类对自然的认识是非常模糊的，但是随着人类对自然的适应能力和改造能力的进一步提高，人类对自然的认识也越来越广泛和深入。早期的理学家苦思冥想世界的本原，阐述着自然界的各种神秘现象。此时，有一批基础科学是从工程技术领域中抽象和分化出来的。如几何学便是在人类的营造活动中积累起来的，化学则产生于古代的香水制造和练金术。总之，那个时期是需求决定应用(技术)，例如，钟表在实践中已广泛应用，但人们并不懂得由哪些因素决定着钟表运动的周期；在战争发射了无数的子弹和炮弹，却搞不清怎样才能把弹道计算出来，命中率如何提高。第一章工程学概论71

在那个时期，许多技术发明大都来源于工匠的实践经验，科学和技术尚未真正结合。而自然科学研究主要是运用观察、实验、分析、归纳等经验方法达到记录、分类，积累现象知识的目的。

在18世纪中叶以后，由于启蒙运动的发展，“自然科学便走进了理论的领域而在这里经验的方法就不中用了，在这里只有理性思维才能有所帮助”。理性思维就是对感性材料进行抽象和概括，建立概念，并运用概念进行判断和推理，提出科学假说，进而建立理论或理论体系。第一章工程学概论72

随着基础科学理性化，它便成为强大的力量源泉。自此以后，基础科学和工程技术相互促进，相互牵连。工程技术的发展提高了基础科学研究的实验手段，并为基础科学的研究提供新的方向和理依据。大体上，在公元1850年以前，工程技术科学对基础科学的依赖性并不很强，两者相对比较独立。到了公元1850年以后，工程技术的进步则日益依赖于基础科学的进步，基础科学的原理直接推动着工程技术的发展，至此，工程技术科学便成为了应用科学。第一章工程学概论73

在工程设计(实现)的过程中，不仅思想和方法发生了根本的变化，同时实现的形式也发生了根本的转变。

在早期，许多技术发明都源于个人的聪明和智慧，但随着社会的分工越来越细，单靠个人的力量已难以完成技术的创新和实现，团队的作用日渐显现出来。

例如，中国著名的赵州桥，其设计可能由一个人（李春）完成，但要将该新颖的设计实现，必须依靠广大的建筑工匠。第一章工程学概论74第一章工程学概论赵州桥75美国的“曼哈顿”工程则是一个更大工程，如果没有团队成员间的相互合作及协调，该工程是不可能在如此短的时间内完成的。第一章工程学概论76

奥本海默开始时对困难估计不足，认为只要6名物理学家和100多名工程技术人员就足够了。但实验室到1945年时，发展到拥有2000多名文职研究人员和