1.工程设计流程

学生要在一项任务上获得成功，需要不止一次的机会进行尝试。所以很多时候他们只能想，“下一次我应该就可以……”而设计过程就给学生提供了下一次的机会。

——乔纳森 W 格拉赫(Jonathon W. Gerlach)，《初级设计挑战》

科学与工程互为补充，却又不尽相同。一般而言，科学探索的目的在于利用证据来解释自然界和人类世界。工程学的目的则在于解决关系到人类需求和欲望的特定问题。本书的多篇文章都展现了设计过程的不同特征。但这些不同的特征在很多环节上都存在着共性，包括确定问题；形成多种合理的解决方案、分析解决方案；测试、评估，并改进解决方案；交流观点。工程设计是一个散乱而非线性的过程。此外，工程设计也不是“一锤子买卖”，失败时有发生。通过测试那些造成失败的想法，我们能够学会如何改善自己的想法。在课堂上，对某个解决方案进行测试不应该是设计的终点。相反，正如格拉赫所讲的，在你的课程安排允许的情况下，学生应该获得尽可能多的机会去改进自己的方案。

确定问题

萨姆罗尔(Sumrall)和莫特(Mott)发表在《科学视角》上的《建立模型——更好地理解工程学中成本与安全的重要性》一文，讲述了学生为足球场建造一座塔的项目。在这个项目中，学生首先要确定建塔的技术参数，明确均衡安全性和成本的必要性，并进一步定义要解决的问题。均衡安全性和成本的过程，帮助学生理解了在决策过程中必须要做的“权衡取舍”。

通常，工程项目起步于设计纲要。设计纲要包括项目的目标、期望和限制因素。设计纲要可以由教师介绍(如萨姆罗尔和莫特的项目)，也可以由学生与教师合作完成。在斯特灵(Sterling)所著的《科学与工程》(第6篇)一文中提供了一份设计纲要的样本。工程设计过程的“定义问题”阶段，学生通常会对问题进行研究，并调查过去使用过哪些解决方案。

制订合理的解决方案

所有复杂的问题都没有明显的正确答案。事实上，复杂的问题通常有许多解决方法。在这个阶段，学生应该用尽可能多的方式进行头脑风暴，寻求问题的解决方法。有效的头脑风暴需要迅速地产生想法，但不去进行判断。如果问题特别复杂，好先将这个问题分解成一个个小问题，再对每个小问题进行头脑风暴以寻求解决方案。例如，如果你遇到的难题是制造一个可以将小部件从一个装配线移动到另一个装配线的机器人，你可能需要对如何移动机器人和机器人如何抓起小部件这两个问题分别进行头脑风暴，思考解决方案。

头脑风暴应该是一个交互性的过程。让学生独自思考一些合理的解决方案，有助于开始这个过程，但是大部分时间应该分组进行集体头脑风暴。为了弱化竞争，接着以整个班级为单位继续头脑风暴也是大有益处的。在引导这个过程的时候，要帮助学生把注意力放在产生想法上，而不是关注于评估他们的想法是否合适。

分析解决方案

一旦形成了大量的可能解决问题的方案，学生就可以开始分析这些方案。在此过程中，学生对每个方案是否满足设计纲要的目标和限制条件(技术参数)进行评判。教师应该鼓励学生使用系统的方法进行分析。例如，可以应用一个简单的矩阵来确定某个解决方案是否满足所要求的技术参数。通过这样的分析，学生可选择出一个(或几个)解决方案进行建模和测试。

在萨卡克尼(Sakakeeny)的文章《修复股骨骨折》(第8篇)中，学生们面临着一项挑战：寻找修复股骨骨折的方法。在让学生开始在模型腿上操作之前，教师让他们提出两种合理的设计方案。在设计方案里，要描述自己的方案如何工作以及如何与问题的定义匹配，还要画出清晰的图样。学生分成小组对每个设计方案进行评估，研究每一个方案的优势与缺陷，并按照他们选择用来测试的方案进行制作。

优化解决方案

工程设计过程的下一个环节是让学生测试他们自己设计的解决方案。学生要收集关于方案性能的数据并找出能够改进的地方。有些情况下，这些测试可以采用“公平测试”的方法：依次对构成设计的每一个单独因素作更改，从而确定每个因素会对设计方案的性能造成怎样的影响。在这个环节中，很重要的一点是要让学生认识到工程设计过程具有反复性。在任何可能的时候，都要通过测试引导学生对自己的设计进行改良。在优化设计的过程中，学生理应获得对自己所做的修改进行再测试的机会。尽管这样会花费大量时间，但是只给学生提供一次测试的机会，会让他们对工程设计过程形成错误的认识。格拉赫在《初级设计挑战》(第7篇)一文中，讲述了让学生以班级为单位改良飞机设计并持续改进的例子。

交流

在整个工程设计过程中，都应该给学生提供与同学交流测试结果的机会；如果有可能，还应该让他们与更广的受众进行交流。在每个环节，学生都要能够分享自己的想法。例如，在“确定问题”环节，学生应该分享自己对于情景、限制条件和衡量设计是否成功的指标的理解。在“测试、评估和改善”环节，学生应该分享自己的测试结果、关系到改良设计方案的决策，以及支撑这些决策的证据。，还应该给学生做报告的机会，让他们展示自己的最终方案，证明方案成功的依据以及找到这个方案的途径。