出版说明:

      21世纪是知识和经济全球化的时代，科技创新越来越受到重视，社会对科技与工程类人才的需求与日俱增。各国为了应对竞争压力，纷纷进行基础教育改革，尤其是美国发起的STEM（科学、技术、工程和数学，简称STEM）教育，在全世界引起了广泛的关注和探索实践。

      当前，我国基础教育阶段的工程教育尚处于起步阶段，没有成熟的课程设置与师资配备，也缺乏相对权威可靠的课程资源。为此，我们精选美国“项目引路”机构（Project Lead the Way，简称PLTW）的课程资源，引进出版了这套“中小学工程教育”丛书。目前，美国50个州和哥伦比亚特区已经有4700多所学校开设PLTW课程，PLTW的课程资源是目前美国初中和高中使用最广泛的预备工程教育课程资源。我们希望，这套丛书的引进出版，为我国当下正在策划的基于“核心素养”的基础教育课程改革，以及我国以工程技术思想为龙头的STEM教育的有效实施提供参考。

      需要说明的是，原书使用的度量衡单位、符号及部分规范，与国内通用的国际单位有所不同，为了原汁原味地保持原有内容，以及行文的简洁，我们仅在每本书的前面附上了单位换算表，以方便读者使用。此外，该套丛书涉及科学、技术、工程和数学多个领域，翻译难度较大。不当之处，欢迎广大读者批评指正。

前言:

      学习设计的过程就像是一段旅程。无论你是想要设计节能住宅还是城市巨型工程，无论你是想发明一支更有效的牙刷还是一个新型的医疗机器人，无论你是想让轿车更安全、更节能，还是设计体育器材，你都将经历一段旅程，它能帮助你理解设计是人类思想的独特形式，设计能产生解决人类问题的新方案。本教材提供了工程师和专业设计师们在寻求帮助人类提高生活质量的新方案时，遵循的路线图。

      《工程设计导论》（第二版）已经经过修订和扩充，旨在鼓励学生在工程和技术领域寻求就业机会。本书通过论述工程相关原理和概念，让学生了解工程师和专业设计人员是如何塑造人类世界，以及改变现代世界。《工程设计导论》将帮助学生在设计的旅程中，提高解决问题的能力和技术素养。

工程设计与PLTW公司

      本书由德尔玛圣智学习出版公司（Delmar Cengage Learning）和“项目引路”机构联合出版。PLTW是一家开发工程类课程的非营利性组织，它为学生提供严谨的、相关的和基于现实的知识，这些知识在学生从事工程和工程技术项目时都是必需的。

PLTW的课程开发人员试图通过在课堂上构建学生亲身参与的、基于实际生活的活动项目，让学生将数学和科学知识结合起来。为了实现PLTW的课程目标，同时为了支持所有想在工程学领域和工程技术领域策划项目的老师，德尔玛圣智学习出版公司出版了一系列教材来配合PLTW的九门课程：

      ▲技术入门

      ▲工程设计导论

      ▲工程原理

      ▲数字电子学

      ▲航空航天工程

      ▲生物技术工程

      ▲土木工程与建筑

      ▲计算机集成制造

      ▲工程设计与开发

本书的研发过程

      本书的研发始于一个讨论小组，该小组里包括有经验的教师以及课程研究人员，他们来自工程学科的不同领域，通过讨论，他们得出了两个重要结论：（1）教师需要一种适应当今工程学教学的资源；（2）教师希望有支持基于项目和问题学习的互动资源。

      多年来，教师们一直试图让传统的教科书适用于以科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）与数学（Mathematics）（STEM）为基础的工程学课程。大多数高中教师在教学时，都会先从厚厚的课本中提取有用的素材，然后组合起来再给学生讲解工程学的概念。《工程设计导论》一书满足了以上需求，因为它以互动式的文字描述了工程学的理论知识和相关的应用技术。从此，教师们可以只选择一本书进行教学，因为这本书解决了基于项目和问题学习的问题；同时，还涵盖了工程设计过程中需要使用的重要概念和技术。

      本书的独特之处在于它是由一个具有教学经验及专业工程技能的作者团队撰写的，能确保学生理解书中内容，而且书中包含了足够的工程知识。《工程设计导论》通过以下方式支持基于项目和问题的学习：

      ▲创造了以概念为指导、授人以渔式的教育方式。每章开始的“头脑准备”栏目，通过提问的方式，列出本章将要介绍的主要概念，引导学生带着问题学，提高学生的自学能力。

      ▲通过学习现实生活中有关工程学的应用、项目、问题，来巩固主要概念和原理。

      ▲将课本内容与现实生活相结合。案例研究、工程师档案、讲述人类成就的短文以及拓展学习部分的资源向学生展示了工程师和建筑师如何迈上职业道路，如何战胜失败挫折，如何不断创新以完善成果、提高项目质量。

      ▲加强了课本的互动性。学生通过共同完成激动人心的设计项目来体验工程设计的旅程。

组织

      本书分为两部分，“工程设计”的概念和应用以一种灵活的形式呈现。第1部分描述工程和技术产品的设计过程。通过学习20世纪伟大的工程成就，学生将了解工程的历史。他们还将学习如何识别问题和机会，如何组建包括工程师和其他设计人员的设计团队，如何研究问题以及查找资料，如何创造性地解决问题以及开展设计和实践活动。

      第2部分讲述实施过程中需要应用和实践的特殊技巧和能力。在这些锻炼技巧的章节中，学生能学到怎样设计结构、机械、电气或气动系统。他们会探索人因工程，学习数学、科学原理如何应用到现实问题，学习视觉形态或者产品风格如何对产品的成功起作用。最后，学生会探索如何使用平面设计原理加强产品设计，使产品更加令人印象深刻。

版本更新说明

      本书是第二版，修订耗时2年，为学生和老师提供了更符合教学的内容。作者加入了一些工程的最新信息，包括很多工程亚学科的独特特点和职业生涯简介；同时，特别关注了工程学科及其他设计领域的多样化。所有的这些努力，都是为了帮助工程领域的学生更好地进行探索和研究。

      工程制图方面的附加信息进一步强调了基础实践技能的重要性，这些技能包括测量的技能，以及使用测量工具和系统的技能。绘图的章节移到了第1部分，主要是考虑了绘图在设计过程和解决设计方案时的重要性。

      本书对内容进行了全面更新，涵盖了最新的研究方法和工具，使寻找信息以及熟悉资源和概念变得更加简单。本书对特色栏目，例如“STEM”和“轮到你了”，进行了重新设计，提高了书本的互动性和可阅读性。

      另外，还新增了“设计风格”这一章节，通过提供经典建筑及产品设计的相关视觉形态，补全工程设计的故事。“案例研究”突出了两位重要的设计师，一位致力于改善残疾人的生活，另一位是ipad及其他苹果产品的设计者。这个章节强调了一个事实：产品的外观是衡量产品设计成功与否的重要因素之一。

特色

      教师们希望能够有一本互动性的教科书，以使学生对塑造当今世界的工程产品和工程方案背后的故事感兴趣。本书中包含大量的趣味阅读和关于当代技术的介绍，通过以下这些小栏目，让学生体验整个设计过程。

      ▲案例研究   让学生探索学习设计团队创造新技术的过程。

      ▲趣味阅读   展示有趣的故事以及产品不断完善的过程。

      ▲轮到你了   通过技能型活动，加强对概念的认识。

技术（technology）：

      人类为了满足自身的需求和愿望，遵循自然规律，在长期利用和改造自然的过程中，积累起来的知识、经验、技巧和手段。

      ▲专业术语   贯穿全文，为工程学术语提供可靠的解释。

      ▲STEM   展示用科学和数学原理在解决工程技术领域问题的一些例子。

      ▲工程师档案?介绍一些优秀的工程技术人员，激发学生对工程学领域职业的追求。

      ▲设计摘要和工程师笔记本是进行有效沟通的重要方式。

      ▲课后作业?在每章的最后，都有相应的问题和活动，以加强学生对本章知识的理解。

      ▲补充作业?在每章最后的工程设计挑战或探索项目中，为那些想继续挑战的学生提供了一个深入学习的机会。

配套材料

      为了帮助教师在工程学教学中运用现代化教学手段，通过实践练习和活动加强学生对教科书中概念的理解，出版本书的同时还配套出版了学生实践手册。

工程设计如何支持STEM教育

      科学和数学是我们交流工程技术思想的语言。在本书中，几乎所有段落都讨论了整合科学、技术、工程以及数学（iSTEM）的重要性。作者对于数学、科学以及工程、技术之间的联系还进行了补充阐述。书中“STEM”栏目展示了工程师和其他技术专家是如何运用数学和科学原理完成杰出的设计。

致谢

      没有家人和朋友的耐心支持，没有团队成员的敬业奉献，我们不可能完成《工程设计导论》这样一本书。作者想在这里感谢一些人，感谢他们在出书过程中的支持和鼓励。

      写作初期，作者咨询了华强丘区域高中的吉布森（Christopher Gibson）和芒特（Daryn Mount），以及威廉姆斯镇中学的马西斯（Kenneth Mathis），这三位专家都是PLTW的老师，他们都毕业于新泽西学院技术研究系，他们的教学经验为《工程设计导论》教材提供了有价值的指导。我们还想感谢肖尔（Kevin?Schauer）给予我们的技术支持，另外，要感谢其他工艺技术教育/学前教育工程以及M/S/T项目的在校大学生，他们在教材的组稿阶段提供了大量有参考价值的信息。还要感谢汉德里（Brett Handley），他对初稿进行深入阅读，并给出了详细的反馈信息。

      除了署名作者外，还有很多人对本书也有很大贡献。特别要感谢奥斯维戈市纽约州立大学的马特森（Donna Matteson），她确立了本书的各个要素，并提供了第6章的内容。我们还有幸得到了舍尔茨（Karen Schertz）和惠特尼（Terry?Whitney）的专业指导，惠特尼先生对虚拟团队的见解已经在他12年的工程制图教学经验中得到证实，他目前是美国安全部门的高级教练和研发经理。

      撰写第5章的帕特里夏·哈钦森（Patricia Hutchinson）博士在工艺设计方面的工作已经得到国家的认可，本书中，她借助艺术的特殊性来表述一些重要的技术概念。苏珊娜·卡尔斯尼茨（Suzanne?Karsnitz）是一名学校图书管理员，她提供了本书第7章的内容，卡尔斯尼茨女士在工程设计项目方面与老师和学生的合作长达30年，并且是新泽西中心图书馆最先用电脑工作的图书管理员之一。马尔加良（Jennifer Markarian）是一名化学工程师和科技写作专家，他审阅了工程概念相关的章节。

      圣智学习出版公司还希望对讨论小组和审稿团队为本书作出的贡献表达诚挚的谢意。

丛书主编   

        张民生，国家教育咨询委员会委员，上海教育综合改革咨询委员会委员，原上海市教育委员会副主任，中国教育学会副会长，上海市教育学会会长。

作者简介

      翰·卡尔斯尼茨（John Karsnitz）教授是新泽西学院工程学院技术研究系的系主任。他拥有俄亥俄州立大学的博士学位，并出版了《平面设计》（Graphic?Communication）《社会伦理学与工艺》（Society Ethics and Techlogy）以及《技术设计与问题解决》（Design and Problem Soloving）。卡尔斯尼茨教授有长达30余年的教龄，他活跃于国际技术和工程教育工作者协会，是新泽西工程教育委员会的委员，还是新泽西学院STEM教育卓越中心董事会成员之一。

      奥布赖恩（Steve O’Brien）拥有西华盛顿大学数学和物理学士学位，以及康奈尔大学电气工程硕士和博士学位。目前，奥布赖恩博士是新泽西学院工程学院技术研究系的副教授。奥布赖恩博士拥有20多年在工程领域工作的经验以及6年多的教学经验，他擅长半导体激光的设计和应用，特别是大功率和高速激光。奥布赖恩博士与合伙人共同创办了T-Networks，这是一家专门为通信行业研究高速激光的公司，公司拥有40种出版物和13项专利。目前，奥布赖恩博士的主攻领域是为K-12的学生设计预备工程教育课程。

      约翰·哈钦森（John Hutchinson）是新泽西学院工程学院技术研究系的一名已退休教授。他是宾夕法尼亚州立大学博士，出版过《技术设计及问题解决》（Design and Problem Solving in Technology）与《Pro/DESKTOP设计》（Designing with Pro/DESKTOP）。哈钦森博士曾任教于高中、社区大学，其中在大学的教学时间长达35年。任教期间，哈钦森博士与来自美国、英国、德国及其他国家的专家合作，共同开发设计和技术课程。他曾经还是“设计与技术教育：国际期刊”编辑委员会的成员。

      特里夏·哈钦森（Patricia Hutchinson）于1970年在葛底斯堡大学艺术系获得了学士学位，并于1972年在宾夕法尼亚州立大学获得了美术硕士学位。哈钦森曾在特伦顿州立大学、美世县社区学院和海洋国家大学担任美术教师，教龄长达10余年。获得博士学位前，哈钦森博士花费1年时间，以富布莱特学者身份在牛津大学研究基于设计的教学模式，最后，她于1987年获得了博士学位。哈钦森博士最终来到了新泽西学院，管理国家科学基金会赞助的“儿童设计与工程”项目，在这之前，她利用5年时间在德雷塞尔大学与人合办TIES杂志，并担任总编。

      唐娜·马特森（Donna M. Matteson）是奥斯威戈州立大学教育系的一名副教授。她的专业领域是建筑与计算机辅助设计。马特森女士拥有27年的教学经验和8年的从商经历。暑假期间，马特森女士是PLTW的高级教师，已为10所大学提供毕业生水平的培训。马特森女士与PLTW一起开发课程、课后考试等内容，她是《工程设计导论》（2008版）课程的项目主管，是“土木工程和建筑”版块的主要作者。

      卡伦·舍尔茨（Karen Schertz）在技术教育领域拥有30多年的丰富经验。她曾在高中、社区学院、大学教授过绘画、CAD，以及其他设计课程。舍尔茨女士曾在科罗拉多州柯林斯堡前山社区学院担任先进技术部门主任，她同时还是科罗拉多州立社区学院的教授，拥有纽约州立大学布法罗分校教育科学学士学位、宾夕法尼州立大学教育学硕士学位。她是《工程团队的设计工具，一种整合的学习方式》（Design Tools for Engineering Teams, an Integrated Approach）一书的作者之一。