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通用工程導論/工程藝術

來自華夏公益教科書,開放書籍,為開放世界

在許多工程學院中,藝術被理解為一種無用的、邊緣化的、軟弱的學科,缺乏硬科學的嚴謹性。但實際上,工程和藝術之間沒有太大的區別。

藝術與工程

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經濟相似性

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工程專案的經濟學發展自贊助、委託和撥款,就像藝術一樣。約瑟夫·B·斯特勞斯花了八年時間為金門大橋爭取資金和政治支援,但最終沒有成功。直到他將方案從升降橋改為懸索橋,才被任命為金門大橋的首席工程師。即使在今天,工程師也依賴政府撥款/合同、商業投資或僱傭工作來為專案融資。

繪畫相似性

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視覺藝術是工程的重要組成部分。工程師會構思和繪製。最初的工程師都是圖形藝術家。斧頭的使用者會有改進的想法。工程師/藝術家會傾聽並繪製。然後工程師/藝術家會將圖紙帶給鐵匠。一把新的斧頭就會被製造出來並進行測試。

直到 60 年代,第一門工程課是工程製圖。托馬斯·E·弗朗西斯的教科書“工程製圖手冊”為工程製圖設定了 50 多年的標準。該書直到 1994 年才出版(第 14 版)。它仍然是教授 K-12 製圖的最佳方法。如今,大多數工程學院都希望工程專業的學生學習 3D 建模軟體,如 ProE Wildfire、SolidWorks、AutoDesk 123D 或 Google Sketchup 來進行專案。他們不會教 3D 建模,就像他們不會教打字一樣。最好的藝術家無需正式指導。最好的工程師會根據需要自行學習工具技能,而無需正式指導。

成功的藝術家不是任性、奇想或缺乏紀律的。藝術家不能任性,否則他們無法獲得經濟支援。工程師也希望不受他人的束縛。藝術家不能奇想,否則他們永遠無法發展出獨特的風格。同樣,工程師也會在特定技術方面樹立起成功的聲譽。藝術家不能缺乏紀律,否則藝術永遠無法完成。工程師和藝術家都擁有“風格”。

最好的藝術家並不孤軍奮戰。靈感來自與其他人的尖銳邊緣的摩擦,以及在單調乏味的平庸中創造邊緣。這在工程中也是如此。看到工程師意見相左,然後達成共識,管理者會感到最自信。工程師,就像藝術家一樣,學會了將活動混合起來。工程師瞭解到,音樂、運動、交談、改變媒介(紙張、白板、電腦)都將幫助完成家庭作業或專案工作,就像藝術家一樣。

多種解決方案

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藝術並不比工程更開放。工程師從定義不明確的問題開始,這些問題沒有一個“正確”的答案,而是很多。有些問題約束過度(太多相互矛盾的請求/要求)。另一些則約束不足(請求/要求太少,不知道從哪裡開始)。有些問題沒有解決方案。如何證明沒有解決方案?有些解決方案比其他解決方案更好。做出錯誤的選擇與做出正確選擇一樣是一種遊戲,因為通常兩者都沒有做過。沒有人知道正確或最佳的設計,因為還沒有人知道最佳是什麼。例如,腳踏車在一個維度上略微不穩定。這使它易於轉向。萊特兄弟首次實現動力飛行後,花了 30 年時間,飛行員和工程師才找到飛機最佳的穩定性/不穩定性。

工程師的工作看似精確,但隱藏在背後的卻是資訊選擇、含糊不清的判斷、直覺行為以及對世界運作方式的假設。工程師傳達的資訊是壓倒性的視覺:不是口頭的,也不是數字化的。在圖紙和螢幕截圖的背後是數字、指令、程式和工具使用故事,就像視覺藝術一樣。

當藝術家站在作品旁邊講述關於作品的故事時,視覺藝術就會被銷售。這些故事可以是關於他們的想法、意義、創作過程中的感受、以及現在作品帶給我的感受。藝術是藝術家的一部分,當它被出售時,藝術家會感到失落。對於工程師來說也是如此。與敘述不同,有一種演示可以銷售專案、產品和解決方案。每個工程師在結束時都會感到悲傷,就像視覺藝術家一樣。

現代工程專案仍然需要工程藝術家。隨著工程越來越接近科學,結合工程元素的專業藝術職業應運而生。這些包括建築師、工業設計和環境設計。1999 年 ABC NightLine 的節目“[深潛]”完美地捕捉了工程中的工業設計部分。

一名感到沮喪的工程師有幾種選擇。一是找到一個不同的起點。

第二種方法是重複做同一件事,直到感到厭倦。沉浸在無聊中,直到找到嬉戲的精神。

 .. just stare at the machine. There is nothing wrong with that. Just live with it for a while. 
Watch it the way you watch a line when fishing and before long, as sure as you live, you'll get a 
little nibble, a little fact asking in a timid, humble way if you're interested in it. Zen and the 
Art of Motorcycle Maintenance, Part III 26

第三種方法,對稱、模式和匹配的方法,是藝術的方法。有些工程師在觀察蛇的肋骨時會看到 Fink 支架。有些工程師在沒有 QMC 設計方法的情況下建立電路,僅僅是受到美感的引導。

"Poets say science takes away from the beauty of the stars - mere globs of gas atoms. I too can see the stars
on a desert night, and feel them. But do I see less or more? The vastness of the heavens stretches my imagination
- stuck on this carousel my little eye can catch one - million - year - old light. A vast pattern - of which I am
a part... What is the pattern, or the meaning, or the why? It does not do harm to the mystery to know a little
about it. For far more marvelous is the truth than any artists of the past imagined it. Why do the poets of the 
present not speak of it? What men are poets who can speak of Jupiter if he were a man, but if he is an immense 
spinning sphere of methane and ammonia must be silent?" Richard Feynman Quote

當工程師直覺地知道交付成果是真實、美麗和好的時,他們就知道自己找到了贏家。這被稱為“優雅”。在做家庭作業時練習這一點。跳過當時的設計規則。專注於美。測試結果是否滿足所有技術要求。

這將導致對“形式追隨功能”、“形狀係數”以及最終的希臘哲學“形式”的研究。

真善美

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有些東西可能是真實的(做到了它聲稱的事情),好的(有助於改善世界),但因為醜陋而賣不出去。有些東西可能是騙局,毫無用處(寵物石),但因為美麗而依然可以賣出去。有些工程師以修復舊鐵橋(藝術)為生。還有些工程師建立公司,生產和銷售電子藝術用品奇特、昂貴的木工工具。他們會參與音樂影片商業廣告的製作。有些工程學新生課程只鼓勵進行魯布·戈德堡式的專案。

工程實踐

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工程實踐包括學生和工程師的活動,他們閱讀的書籍,他們獲得的榮譽,他們投資的工具,以及他們提供的服務。

視覺藝術家有評審展和“懸掛展”,他們的作品在那裡展示。自1700年以來,皇家藝術協會一直為特定問題的解決方案頒發獎項。在美國,解決這些問題被稱為“競賽”。競賽由美國聯邦政府(DARPA、NASA)、州政府和工業界贊助。其中一些競賽從啟動資金開始,為專案提供啟動資金,並每年頒發足夠的獎金,在全國範圍內維持大約10支隊伍的運作。其他競賽需要籌集資金。競賽由工程協會、當地博物館和獨立的非營利組織贊助。有如此多的競賽,以至於擁有多個團隊參加多個競賽的學校總有機會贏得某些東西。

專案展示日

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所有工程學院都懸掛專案海報。有些懸掛持續幾年,有些則僅持續一天。在一些學院,專案展示日從海報展示開始,然後過渡到演示。觀眾包括潛在的新生和父母,他們正在做出決定是否來該學院,所有工程系學生都站在他們的海報旁,準備解釋他們的專案,教授們則接待潛在的專案客戶(企業),這些企業將為在該學院進行的專案付費。

在社群學院,最起碼要做的事情是在走廊裡設定一個為期幾天的海報展示。在走廊裡擺放一些摺疊桌,把一些泡沫板靠在牆上,然後開始宣傳活動。

博物館

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即使是小型社群,也會有工程師展示他們的農業裝置、馬車、舊汽車、舊拖拉機、舊電子產品。有工業博物館、科學博物館、航空航天博物館和歷史博物館。大多數老工程師都會收集他們專案的紀念品,這些紀念品可以作為學校的展示和講述物品。有些只是飛行遙控飛機的俱樂部或練習災難應對的無線電愛好者。這些博物館最好的願景是在科幻小說《上帝之眼中的微塵》中描繪的。博物館總是有他們想要志願工程師完成的工程專案。

描述事物工作原理的物理模型的重要性已經因遊戲物理學和網站(如事物工作原理)而降低。然而,親自體驗模型可以激發工程直覺。某些博物館專門收藏這些模型,例如羅德島蒸汽博物館。模型的重要性在18世紀得到了認可。瑞典有一個博物館,收藏著412件在1800年之前建造的模型。它們包括“機械字母表”,其中包括槓桿、楔子、螺絲、滑輪、絞車等等。如今的塑膠模型是孩子們很好的入門選擇。

工具包

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如今的工具包是樂高DIY Arduino 世界。在80年代,舊的機械工具包被“高科技”拋棄了。舊的機械工具包與齒輪、皮帶、對齊、發動機和一般的運動有關。下一波工具包是生物學的。

工程書籍/軟體

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許多早期的“從草根到工程/科學致富”的故事都始於一個年輕人書店工作。

在1995年之前,工程師可以根據他們收集的技術手冊和書籍來定義。《火工學》(1540年)包括85幅關於冶金的木刻版畫。《機器劇場》出版於1724年至1739年之間,將當時的機械知識提煉成10卷,近500幅蝕刻版畫。《論金屬》由格奧爾格·阿格里科拉所著,首次出版於1556年,由赫伯特和露易絲·胡佛於1912年翻譯,最近一次出版於1956年,描述了採礦藝術。《機械練習》(1683年)描述了印刷、鍛造、木工、車床和砌磚等行業。在特殊圖書館中,儲存著這些稀有古籍的收藏

《佩裡手冊》包含了化學工程師可能需要的幾乎所有單元操作的配方。唐·蘭卡斯特的“食譜”幫助許多電氣工程師開始了他們的職業生涯。土木工程有如此多的經驗設計書籍(土壤、海洋、交通等等),以至於許多其他工程學科認為土木工程師不夠“科學”或“數學”。事實並非如此。參見本文中的科學部分。

大多數工程書籍和教科書一樣昂貴。事實上,它們開始看起來像教科書。而且和教科書一樣,它們也逐漸進入公共領域。許多書籍正在成為昂貴的模擬軟體。較舊的版本正在轉移到網路上。找到它們。閱讀這些書籍。學習模擬軟體,就像胡佛、法拉第和詹姆斯·伊茲在他們職業生涯的早期找到舊書籍並閱讀了每一本一樣。

工程書籍只是工具。錘子激發人們去敲打。畫筆激發人們去繪畫。工程書籍和模擬軟體激發人們去做更多的事情。開始收集吧!

再利用

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許多工程師收集廢舊物品。任何壞了的東西都會被拆開,也許還會被修理。一個好的廢舊物品堆是鼓舞人心的。廢舊物品堆在工程學新生課程中很有用,可以幫助學生從玩耍過渡到先做,再到設計。研究表明,5歲的孩子沒有功能固著。但到了7歲,孩子們只將物體用於其預期用途。為什麼會有那麼多的肥皂?廣告強化了功能固著。為什麼會有那麼多的牙膏?為什麼會有那麼多的不同薯片?廢舊物品的再利用是演示中的一個賣點,因為觀眾已經對形式、功能和生命週期有了瞭解。

再利用在魯布·戈德堡專案中得到了突出體現。例如,一個關於雷射印表機的魯布·戈德堡專案會暴露所有的電機、繼電器、開關,並重新利用它們。雷射會被一個明亮的LED燈取代,鏡子會分散它的光線。魯布·戈德堡專案是優秀的新生專案,因為它們是開放式的。這裡的開放式意味著沒有預期,也就是說藝術自由最大化。

He experimented further. In one class he had everyone write all hour about 
the back of his thumb. Everyone gave him funny looks at the beginning of the hour, 
but everyone did it, and there wasn't a single complaint about 'nothing to say.'
Zen and the Art of Motorcycle Maintenance, Part III, 16
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