Передмова
- Page ID
- 34380
«Інженери, на відміну від фізиків, дотримуються корисних артефактів і повинні передбачити продуктивність об'єктів, які вони проектують».
«Організація відповідно до ідей контролю-обсягу, таким чином, не тільки простіша, але і дає більш чітке розуміння фізичних принципів, загальних для інакше розрізнених ситуацій».
«Зрештою, вимоги, які перекинули ваги на користь аналізу контролю-обсягу, лежать у меті або місії інженера—розробляти та виробляти корисні артефакти».
«Практикуючі інженери завжди шукають більш ефективні інструменти, за допомогою яких можна думати і робити».
«Організовуючи знання відповідно до фізичних законів, а не відомих проблем, це допомагає розпізнавати проблему контролю-обсягу, коли вони зустрічаються в незнайомій маскуванні».
«Аналіз контролю-обсягу, шляхом встановлення явного методу бухгалтерського обліку для різних величин потоку, забезпечує таку процедуру для багатьох інженерів, які повинні мати справу з рідинно-механічними пристроями».
«Контрольно-об'ємний аналіз корисний саме тому, що він забезпечує основу та метод для чіткого мислення великого класу часто заплутаних проблем, що виникають при інженерному проектуванні».
— Вальтер Г.Вінченті в тому, що інженери знають і як вони це знають\ (^1\
Наведені вище слова спочатку були написані про розвиток регулюючого обсягу\(^2\) як інструменту аналізу в термодинаміці і механіці рідини. Однак, якщо замінити фрази «ідеї контролю-обсягу» та «контрольно-об'ємний підхід» словосполученням «системний, бухгалтерський та модельний підхід», слова однаково добре стосуються спрямованості цього підручника.
Нинішній підручник базується на іншій парадигмі організації ядра інженерної науки - системного, бухгалтерського та модельного підходу - що підкреслює загальні, що лежать в основі концепцій інженерної науки. Хоча цей підхід не обов'язково новий, оскільки більшість аспірантів були вражені цією ідеєю колись під час їх аспірантури, його використання в якості організаційного принципу для навчальної програми бакалаврату є новим. Зосереджуючись на основних поняттях та підкреслюючи подібність між предметами, які часто сприймаються студентами (та викладачами) як незв'язані теми, цей підхід надає студентам основу для визнання та побудови зв'язків під час вивчення нового матеріалу.
Фон
У 1988 році група викладачів Техаського університету A&M розпочала роботу над новою інтегрованою навчальною програмою, щоб замінити основні курси інженерних наук у типовій навчальній програмі. Результатом стала міждисциплінарна послідовність з чотирьох курсів під назвою Texas A&M/NSF Engineering Core\(^3\) Currulum і організована навколо того, що вони назвали принципом збереження та обліку. Гловер, Лундсфорд і Флемінг випустили вступний підручник\(^4\), який використовував цей підхід. Зовсім недавно Holtzapple і Reece ввели цей підхід в першокурснику текст. \(^5\)Нещодавно автор також дізнався про подібний підхід, який пропагується та розробляється професором Рейнольдсом у Стенфордському університеті для курсу під назвою ME10: Вступ до інженерного аналізу. \(^6\)Заклики розглянути системний підхід також надходили від фізиків. \(^{7, \ 8}\)
У 1993 році сім шкіл об'єдналися як Коаліція Фонду (ФК) під егідою програми інженерних освітніх коаліцій NSF. Одним з основних напрямків ФК була інтеграція навчальної програми. Спираючись на попередню роботу в Техасі A&M, Роуз-Халман розробила нову інженерну навчальну програму другокурсника - Роз-Халман/Фундація-Коаліція Інженерний навчальний план (SEC). Навчальний план в даний час необхідний для всіх студентів Rose-Hulman, які спеціалізуються на машинобудуванні, електротехніці та комп'ютерній інженерії.
Інженерний навчальний план другокурсника
SEC - це обов'язкова, восьмикурсна\(^9\) послідовність курсів інженерних наук та математики, закінчених протягом другого курсу. SEC охоплює матеріал, який традиційно викладається з динаміки, механіки рідини, термодинаміки, електричних ланцюгів, системної динаміки, диференціальних рівнянь, матричної алгебри та статистики. Дві факультетсько-студентські команди розробили навчальну програму та її зміст протягом літа 1994 та 1995 років. Навчальний план вперше викладався восени 1995 року. В даний час SEC складається з восьми курсів, показаних у таблиці нижче:
| Другокурсник інженерної навчальної програми | Квартал кредитних годин |
|---|---|
|
Осінній квартал MA 221 Диференціальні рівняння та матрична алгебра I (4) ES 201 Принципи збереження та бухгалтерського обліку (4) |
8 |
|
Зимовий квартал MA 222 Диференціальні рівняння та матрична алгебра II (4) ES 202 Рідинні та теплові системи (3) ES 203 Електричні системи (3) ES 204 Механічні системи (3) |
13 |
|
Весняний квартал Статистика MA 223 для інженерів (4) ES 205 Аналіз та проектування інженерних систем (5) |
9 |
| Всього | 30 |
Однією з унікальних особливостей ТРЦ є послідовність 1-3—1 для курсів інженерних наук. Послідовність починається з загального курсу ES 201 восени. Взимку курси є більш дисциплінованими/явищами, специфічними для ES 202, 203 та 204. Нарешті навесні фокус знову стає більш загальним з ES 205.
Цей підручник
Цей підручник заснований на більш ніж п'ятирічному досвіді викладання першого курсу інженерних наук в SEC, який називається ES 201: Принципи збереження та бухгалтерського обліку. ES 201 приймається протягом першого кварталу другого курсу та впроваджує системний, бухгалтерський та модельний підхід як основу для інженерного аналізу. Зміст ES 201 відповідно до традиційних курсів інженерних наук наведено в таблиці нижче:
| Зміст карти для ES 201 - Принципи збереження та бухгалтерського обліку | |
|---|---|
|
Механіка рідини
Термодинаміка
Матеріальні та енергетичні баланси
|
Електричні схеми
Інженерна статика
Інженерна динаміка
|
Після загального обговорення підходу в перших двох розділах сформульовано шість основних фізичних законів з використанням систем і структури бухгалтерського обліку. Фундаментальні закони пов'язані з шістьма великими властивостями - масою, зарядом, лінійним імпульсом, моментом, енергією та ентропією. У кожному конкретному випадку фізичний закон вводиться, відповідаючи на чотири питання про відповідне великому майні:
- Про що йде мова?
- Як його можна зберігати в системі?
- Як його можна транспортувати через межу системи?
- Як його можна генерувати або споживати всередині системи?
Відповіді на ці питання дають інформацію для формування кожного закону в рамках системи та бухгалтерського обліку. Після відповіді на ці питання поведінку властивості для системи можна описати за допомогою рівняння бухгалтерського обліку (або балансу). Всі, крім одного з фізичних законів, є принципи збереження. Хоча це не принцип збереження, шостий закон (облік ентропії) важливий, оскільки ентропія може бути вироблена лише або в межах внутрішньо оборотного процесу, збереженого. Короткий зміст основних фізичних законів, сформульованих в системах і системі бухгалтерського обліку, можна знайти в додатку.
Після того, як керівні рівняння розроблені, акцент зміщується на аналіз поведінки системи. З основними законами, сформульованими послідовно, проблема стає однією з ідентифікації відповідної системи, вибору та застосування відповідних рівнянь бухгалтерського обліку та побудови конкретної моделі задачі. У тексті підкреслюється послідовний підхід до вирішення проблем незалежно від основних фізичних законів. Знову ж таки, це базується на серії загальних питань, як показано в таблицях нижче:
| Письмовий формат | Типові питання |
|---|---|
|
|
Це ще одна перевага використання систем та облікової бази для організації матеріалу. Як приклад, всі задачі, пов'язані з лінійним імпульсом, починаються із збереження лінійного рівняння імпульсу. З цієї єдиної відправної точки можна отримати специфічні для задачі форми, застосовуючи відповідні припущення моделювання, наприклад закрита проти відкритої системи та перехідний проти стійкого стану проти кінцевого часу. Використовуючи відповідні, специфічні для задачі припущення, ми можемо швидко відновити будь-яку з «стандартних» форм\(F = ma\)\(\sum F = 0\), наприклад, рівняння імпульс-імпульс та стійкий лінійний баланс імпульсу для механіки рідини. У кожному випадку акцент робиться не на кінцевій формі рівняння, а на моделюючих припущеннях і на те, як вони змінюють основні рівняння.
Запит студентів та викладачів
В якості першого спроби створити повний підручник з грибоподібного набору нотаток, безумовно, є помилки та упущення в тексті. За це автор бере повну оцінку і просить вашої допомоги у виявленні помилок у цьому тексті. Щоб усунути їх у майбутніх виданнях, вам рекомендується зв'язатися з автором безпосередньо з будь-якими помилками або упущеннями, які ви виявили.
Вам також пропонується зв'язатися з автором і поділитися своїми поглядами щодо систем, бухгалтерського обліку та моделювання підходів, які є основою для цього тексту. Автор твердо переконаний, що цей підхід має багато чого сприяти інженерній освіті і що ми тільки почали досліджувати та використовувати його потенційний вплив. Основна сила підходу полягає в тому, як він формує основу для просунутої роботи. Члени факультету заохочуються вивчити, як вони можуть використовувати те, що студенти вчаться з цього тексту як плацдарм для навчання в суміжних і просунутих курсах.
Джерела
\(^1\)Витяги з глави 4, «Теоретичний інструмент для проектування: аналіз контролю-обсягу, 1912-1953», в «Що інженери знають і як вони це знають», The Johns Hopkins University Press, Балтімор, 1990.
\(^2\)Контрольний об'єм - це область в просторі, на відміну від фіксованої кількості речовини, яка використовується для аналізу. У механіці використання контрольного обсягу називається підходом Ейлера, тоді як використання контрольної маси, або фіксованої кількості речовини, називається Лагранжевим підходом.
\(^3\)C. J Гловер, К.А. Ердман, «Огляд TAMU/NSF інженерних основних навчальних програм розвитку,» представлений на 1992 ASEE/IEEE кордонів в освіті конференції, 11-14 листопада 1992 року, Нешвілл, штат Теннессі. Також дивіться http://ww-chen.tamu.edu/uesc/ про єдине ядро інженерних наук.
\(^4\)Дж. Гловер, К.М. Лунсфорд і Дж. Флемінг, Принципи збереження та структура інженерії, 5-е видання, Макгроу-Хілл, Нью-Йорк, 1996.
\(^5\)М. Т. Хольцапл і WD Reece, Основи інженерії, Макгроу-Хілл, Бостон, 2000.
\(^6\)Рейнольдс, Вступ до інженерного аналізу: комплексний підхід до фундаментальних принципів, які лежать в основі всього інженерного аналізу. Нотатки в стадії розробки професора Рейнольдса в Стенфордському університеті.
\(^7\)Буркхардт, «Системна фізика: рівномірний підхід до галузей класичної фізики», Американський журнал фізики, Том 55, с. 344-350.
\(^8\)Фукс, Динаміка спеки, Спрінгер-Верлаг, Нью-Йорк, 1996.
\(^9\)Вісім курсів за системою чверть на загальну суму тридцять чвертькредитних годин розкинулися на три чверті.