本书介绍了工程师应该掌握和了解的相关知识，内容涵盖四个部分，包括工程基础、工程问题的思考维度、处理工程问题的工具以及编程的基础知识。本书力求展示工程师解决问题的方法论和相关技术，帮助学生多实践，多动手，为做一名合格的工程师做好准备。
工程师教育之经典教材，涉及工程知识和实用工具，全方位培养工程师的思维能力和创造力。
在克莱姆森大学，所有主修工程的学生都会从通用工程编程开始，在学习完一系列核心课程后，他们可以确定一个特定的工程专业。要求学生学习的这一系列核心课程中，包括数学、物理、化学，以及两个学期的工程系列课程。这些课程已经发展到不仅要适应学生素质的多样化，还要适应客户需求的改变。课程中所教授的材料是更高阶课程中掌握高级内容所必需的技术基础。本教材是为这些新生课程设计的。
我们一开始并不准备写一本教材，而是想找到一个更好的方式来教授我们的学生。我们希望能够帮助学生脱离这样一种学习模式，即把所有的知识都看作讲稿或讲义，希望在其中寻找正确的答案。相反，我们想让学习转变为自主询问的学习模式。我们希望学生尽快超越“填鸭式”的学习方式，记住解决问题的方法—问自己这些方法和答案在现实世界是否可用。我们借鉴了其他的文章并在书中注释了来源。通过这种过程，我们试图传达这样的想法，即工程并不总是在寻找答案—有时是要提出正确的问题。我们希望学生学会怎样提出这种问题。来自现实世界的问题很少有解题所需的必要数据。摆在工程师面前的问题，通常是不能通过观察别人如何解决同样的问题来解决的。工程师的乐趣之一，就是面临的每个问题都是独一无二的挑战，需要独一无二的解决方案。工程也意味着在获得答案时，可以确定自己在做出决定时其背后的原因。而与之同等重要的是，知道为什么不做出其他决定。
我们很快意识到这些，不过，许多学生却无法在缺少足够帮助的情况下学习。我们必须细致规划内容的结构和灵活性。结构性太强，将会导致内容死板以及不必要的统一解决方案；灵活性过高，同时缺少足够的指导，则会使学生在许多死胡同里挣扎，也使学习新知识变得更加困难。两者之间的关系必须持续不断地进行调整。我们学校是一个大型公共机构，学生是多样化的。我们希望给每个学生提供大量有助于他们成功的帮助。有些学生相比于其他人需要更多的背景知识，有些学生需要完成5个问题，而有些学生需要完成50个问题。我们常常对学生说，每个人都是独一无二的。有些学生需要去听课，有些学生需要把教材看三遍以上，还有一些学生需要尝试各种实践技巧，并在错误中弄清楚自己究竟是哪里不明白。我们尝试提供多种不同的材料，以适应各种不同的学生。
在过去的几年里，我们在选择哪些主题以及选择多少主题上做出了艰难的决定。我们进一步完善目前的教材，更加聚焦于四个部分。每部分的介绍如下。
第一部分 工程基础
在工程基础中，有三条线索将前5章的内容联系在一起。第一条线索体现在这个部分的标题中，它们全部是成功工程师生涯的基础。第二条线索是交流。第三条线索是解决问题的方法论。
首先，作为一个有抱负的工程师，学生需要明白，这并不仅仅是一种适合于他们能力的职业，更可以让他们在其中得到个人的回报和成就感。
其次，熟练的工程师所做出的决定常常不仅影响到人类，也影响到星球上生态系统的生存能力，从而影响到地球上的全部生物。在做决定时，缺少牢固的道德基础，就会增加发生不受欢迎或者灾难性结果的可能性。
再者，大多数工程项目都非常庞大，一个人难以独立完成，熟练的工程师必须学会在团队中高效工作，将个人的不同观点放在一边，并且将各自独一无二的天赋、观点和想法结合起来，从而实现目标。
最后，交流使工程师们在一起协作。无论是书写、图表或口头表达等形式的交流，都是在工程中获得成功所必需的。
在这部分结束时，讨论了解决问题的方法。所有好的解决问题的方法都是从估算和解决问题的方法论开始的。在试图更精确地解决问题前，先有一个猜测总是好的。SOLVEM提供了一种解决问题的框架，它认为创造性的观察和方法的严谨同样重要。
第二部分 工程问题的思考维度
世界可以用相对较少的维度来刻画。我们需要知道它们是什么，以及怎样使用它们来分析工程情况。但是，维度对于工程师寻找问题的数值解来说几乎是没有价值的。理解单位对于判定一个问题的数值解是否正确至关重要。不同的学科使用不同的单位来描述现象（特别是对某些材料特性，如黏度、导热性、密度等）。工程师必须知道如何从一种单位制向另一种单位制转换。关于单位的知识使得工程师可以通过揭示各种参数的相互作用，来提高他们解决问题的能力。
第三部分 处理工程问题的工具
在选择用于教学的分析工具时，我们首选Excel。学生进入大学时，使用Excel的经验各不相同。为了在新手用户学习基础知识的同时不影响高级用户的学习体验，我们将Excel的基础知识放在附录B、C和D（在线材料）中，可以在线阅读学习。为了帮助学生确定是否需要理解附录B、C和D中的知识，在“Excel工作表”（在线基础知识）、“图形化解决方案”（第9章）和“模型和系统”（第10章）的介绍中，加入了引导性文字，指导有需求的学生阅读附录B、C和D。
一旦学生掌握了基础知识，就可以学习本部分每一章的Excel更高级的使用方法。有些内容超出了对于Excel的一般介绍。通常，我们教授这一部分的材料时，会采用跳跃式的教学模式。在第一学期的课程中覆盖每一章约一半的内容，在第二学期的课程中覆盖剩余部分。
第10章介绍不同学科之间的相似之处，以及为什么理解了某个应用中涉及的理论，常常可以帮助理解在不同应用中涉及的类似理论。我们也强调了理解模型（趋势线）的物理意义。第11章讨论用实验数据确定数学模型的过程，以及一些处理Excel局限性的高级内容。
第12章讨论单变量统计和统计过程控制，它们为工程学的学生提供了一种描述分布和趋势的方法。
第四部分 编程技巧
第四部分涵盖了任何编程入门教材所共有的各类主题。与传统编程教材不同，这一部分从如何将每个主题作为一个强大的工程问题解决工具，并与其他主题涉及的工具协调使用的角度来论述。在第四部分中，假设学生之前没有编程的能力，并且在各章节中不断重复编程训练。
本书选择MATLAB作为编程语言,因为它在许多工程课程中都很常用。本部分所涵盖的主题为使用计算机作为解决问题的工具提供了坚实的基础，并且提供了足够的框架，以将编程知识迁移到工程师常用的其他编程语言（如C、C++和Java）中。
更多内容
本书还包括生存工程、时间管理、目标设定和学习技能等内容。我们没有将这些内容单独组织成一章，而是将它们分散在不同部分来介绍，在学生最需要的时候再讨论它们。例如，我们发现学生更愿意在学期中期而不是在学期开始时讨论时间管理。
此外，我们还呼吁更多有实践经验和抱负的工程师帮助我们解释工程背后的“为什么”（why）和“是什么”（what）。书中包含了他们提供的“箴言”。我们也把自己的一套“箴言”放在书中，作为对每个主题的介绍，说明是什么启发我们选择这些主题。
这一版的新内容
第4版包含了新的材料和对第3版的修订。这些材料和修订是基于使用这本教材的教师、审稿人的建议，以及学生的反馈，其中，学生的反馈对于我们最为重要。我们继续努力使用软件的最新版本。在这一版中，软件版本升级到Microsoft Office（Excel）2016和MATLAB 2016。我们增加了大约30%的新习题，并修改了大约25%以前出现的习题。我们也增加了新的材料,以反映工程教育不断变化的面貌，因为许多高年级助教经常对我们说：“我希望上这门课时有……”
相关章节新增内容
第2章
扩展了对设计的讨论，特别是关于产生创意的更一般讨论。
扩展了对团队协作的讨论，包括对普通团队动态的讨论。
新的关于项目管理方法的讨论。
第3章
改进了用于演示的不良实践的例子。
扩展了技术海报设计中的“要做”和“不要做”两个清单。
第5章
将SOLVEM作为一个特定过程，加入更一般的解决问题的过程中。
第7章
改进了对质量与重量的讨论。
改进了对压强的讨论。
增加了贯穿全章的新示例。
第三部分
修订后与Excel 2016的外观和操作一致。
第四部分
在适当的情况下，对算法（之前的第13章）进行了实质性的修改，并将其整合到其他章节中。
修订后与MATLAB 2016的外观和操作一致。
如何使用本书
本书的内容是按主题而不是按顺序呈现的，但是希望有足够的独立性，使每个主题都能独立。例如，我们通常在第一学期课程教学中只讨论Excel的部分材料，而将剩余内容留到第二学期。我们希望这将使教师可以根据时间、学生的基础以及课程的教学目标，灵活选择希望深入讨论的主题。在教师手册里可以找到更多关于主题顺序选择的信息。
在本书中，为学生设计了几类检查项，以使他们了解自己是否理解了教材内容。阅读过程中的检查项是理解检查，并在书后提供了答案。我们在阅读过程中加入理解检查，而不是把它们作为书后习题，是希望能够使学生在阅读中保持一种活跃的状态，以便学生在预习时能够检查自己对材料的理解情况。要鼓励学生成为自主学习者，就必须鼓励他们定期进行自我评价。每章结束时的检查项是课堂活动，以强化学生对每章材料的理解。设置课堂活动，是为了在学生消化材料时，激发学生之间或者小组间的积极讨论。我们通常把重点放在让学生通过努力持续解决问题，直到找到正确的答案上。这种过程为学生提供了一套解决问题的方法，即使用他们自己的逻辑，然后再要求他们解决更困难的问题。复习题部分提供了更多的习题，通常结合当前章节中学到的知识，帮助学生提升到更高层次。通过提供这三种类型的检查项，鼓励学生在预习、上课以及学习结束时，准备好把学到的知识运用到其他领域，以反映出他们的理解程度。
考虑到每个学生学习习惯的不同，我们提供了几类多媒体组件作为传统教材的补充。在每一章都有一个附带的视频幻灯片（）。在这些幻灯片中的例子，以不同于书中的形式提供另一种示例解决方案。幻灯片中插入了画外音，这使学生可以从传统的课堂形式中脱离出来。我们期望学生在课外学习这些幻灯片，这样在课堂上我们就可以花时间来解决问题，回顾已经布置的作业，并提供“总结”讲座。“总结”讲座是课堂讲座的迷你版，总结学生应该从作业中得到什么。我们期望学生带着从阅读和讲座中产生的问题来上课，这样我们可以帮助澄清这些问题。我们发现采用这种方法，学生在学习过程中会更加投入，因为课堂上涉及的概念和问题对于他们而言已经很熟悉了，同时他们还可以用语言来表达不理解的东西。此外，他们总是可以反复听讲座，根据需要尽可能多地强化知识。
本书的部分章节也许难以讲解，学生学习这部分材料的最好方法是通过例子学习。对于Excel和MATLAB的部分尤其如此。你会注意到，这些章节的材料要比其他章节的材料短。在例子中，有些技能是第一次提到，希望学生能够打开笔记本电脑，并通过例子来学习（而不仅仅是阅读）。当学生问我们这些部分的问题时，我们的回答通常是以“向我们展示你在学习XX章时所做的工作”开始的。如果学生在这一章中没有运行实际的例子，我们首先要求他们先做习题。通常，这就能够回答他们的问题了。
在最初几个基本问题之后，很多情况下我们会讨论比数据录入更高级的技能。这时我们提供了初始工作表和代码（）。学生可以通过访问本书的在线版获得初始数据。不过，在某些情况下，很难在教材中或者使用幻灯片来解释一项技能，所以对于这些实例，我们提供了视频材料（）。
最后，对于交流部分，我们提供了几种类型的报告和演示模板（）。这些可以在位于www.pearsonhighered.com/irc的教师资源中心获得。访问www.pearsonhighered.com可以了解更多信息。
教辅资源
教师手册—提供给所有用户，包括所有课堂练习和课后复习题的完整答案。课堂活动中，还提供了指导性问题以及时间分配框架的建议。同时也包括了内容顺序，以及如何与Umbrella项目结合的建议。
幻灯片—完整的课程幻灯片，使得制定课程计划尽可能简单。
测试样例—提供给所有用户，有助于创建评估学生学习情况的考试和测验。
“像工程师一样思考”是什么意思
经常有人问我们有关书名的问题。我们想花一分钟，解释一下我们每一个人对“像工程师一样思考”的认识。我们的回答按姓名字母顺序排列。
对我来说，像工程师一样思考，是创造性地找到解决问题的办法。在我上大学之前，我对音乐非常感兴趣。通过学习音乐基础理论，在中学乐队开始了我的音乐生涯。在高中我参加了不同的乐队（管弦乐队、行进乐队和爵士乐队），并自学如何弹吉他。我喜欢演奏和听音乐，因为它给了我创造和发现艺术的方法。我追求工程是出于同样的原因，作为工程师，你工作在这样一个领域—能够创造（或改进）设计（或过程）。对我来说，像工程师一样思考，正如像音乐家一样思考—从本质上来讲，我能够有创造力且有条不紊地为我的问题找到解决方法。
D. Bowman，计算机工程师
像工程师一样思考，是基于任何可用的资源来解决问题，或者使用周围的材料修复破损的东西。有时，是提前思考并意识到在发生什么事情之前或某人受伤时会发生什么—特别是思考所谓的安全故障—设计当某些东西必定要产生故障时会怎样产生故障。像工程师一样思考，是如何以一种人人都能理解的方式来交流技术问题。这是在培养一种保护公众信任的本能—一种自动产生的诚信。
M. Ohland，土木工程师
对我来说，理解事物的工作方式是所有工程师工作的基础。尽管大多数工程师关注的是与他们的专业相关的技术主题，但这种理解并不局限于任何特定的领域，而是适用于一切领域！人们永远不知道，当一些看似随机的知识或某种模式在一个完全不同的研究领域被发现时，可能会是解决一个工程问题的关键。无论研究的领域是傅里叶分析、轨道力学、赫伯特盒子、性格类型、中文、菌体生命周期还是西方文明音乐的演变，你对事物了解得越多，就越可能成为一名工程师。因此，对我来说，像工程师一样思考是紧密的、不可分割的，并且与对知识的追求密不可分。此外，如果有人愿意花时间去研究它，会发现世界真是一个迷人的地方。
W. Park，电气工程师
工程学有点像打高尔夫球。没有两根高尔夫球杆是完全相同的。在工程中，没有两个问题或设计是完全相同的。想要成功，工程师需要一袋球杆（数学、化学、物理、英语、社会学等），然后需要进行训练，以便能够在打球过程中选择正确的球杆组合，打出标准杆的成绩（如果幸运的话，打出小鸟球）。简而言之，需要教会工程师去思考。
B. Sill，航空航天工程师
我喜欢用灰色来比喻工程。许多学生进入工程领域是因为他们“擅长数学和科学”。我喜欢把这些学科比喻为“黑色和白色”—有一种方法来积分方程和平衡化学反应。工程是灰色的，数学和科学的融合并不一定有一个明确的答案。答案可以根据问题的标准而改变。像工程师一样思考，是训练你的思维，以便有条理地解决问题。从许多不同的角度去研究一个问题，考虑到每一个过程或产品中好的、坏的和丑陋的方方面面。它是创造性地发现及解决问题或防止问题成为问题的方法。这是在灰色中找到一个解决方案，并把它用黑色和白色呈现。
E. Stephan，化学工程师
第一作者注：当我写这篇前言时，要求每个合著者回答这个问题。像往常一样，我得到了各种各样的解释和答案。这是我们做每一件事的典型方式，我常常尝试将各种反应调整到一个声音。在本书中，我让每个反应都保持唯一。当你不断阅读这本书时，你会（希望）看到我们每个人与一个声音交织在一起。我们希望通过我们的独特性，可以接触到不同的学生群体，并提出一种平衡的解决问题的方法，希望每个学生都能认同我们中的至少一个。
Elizabeth A. Stephan
克莱姆森大学
计算机\基础
上大学之前，我对音乐非常感兴趣。在高中我参加了不同的乐队（管弦乐队、爵士乐队等），我喜欢演奏和听音乐，这给了我创造音乐作品的灵感。我追求工程的原因与之类似，作为工程师，我可以创造。对我来说，像工程师一样思考，正如像音乐家一样思考，从本质上来讲，是有创造力地为问题找到解决方法。
D. Bowman，计算机工程师
对我来说，理解事物的工作方式是所有工程工作的基础。尽管大多数工程师关注的是与他们的专业相关的技术主题，但对该主题的理解可延伸至一切领域！人们永远不知道，当在某个领域发现了一些看似随机的知识或某种模式时，它们可能会是解决另一个领域内工程问题的关键。
W. Park，电气工程师
我喜欢把数学和化学等学科比喻为“黑色和白色”——可对方程求积分和平衡化学反应，而工程是灰色的，它不一定有一个明确的答案。像工程师一样思考，是训练你的思维，从许多不同的角度研究一个问题，以便有条理地解决问题。工程师的工作就是在灰色中找到一个解决方案，并用黑色和白色呈现。
E. Stephan，化学工程师
像工程师一样思考，是思考如何基于任何可用的资源来解决问题，或者使用周围的材料修复破损的东西，并学会以一种人人都能理解的方式交流技术问题。
M. Ohland，土木工程师
科技改变生活。科技在使机器变得更加“聪明”的同时，也对人才提出了更高的要求。工程师不但要懂物理、化学、电子、机械知识，还要懂软件开发、数据分析；单枪匹马的科研创新已经成为往事，在团队中协作攻坚才是当今工程师的常态。
培养高水平的工程师一直是工科教育的重要使命之一。工程师的培养理念和方法也在不断发展。2018年，教育部卓越工程师计划中提出，“面向工业界、面向世界、面向未来，主动应对新一轮科技革命和产业变革挑战，服务制造强国等国家战略……以新工科建设为重要抓手，持续深化工程教育改革，加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才，打造世界工程创新中心和人才高地，提升国家硬实力和国际竞争力。”
由Elizabeth A. Stephan等人编写的《像工程师一样思考》是克莱姆森大学在工程师教育方面的一本优秀教材，原书已经出版到第4版。这本书内容全面，面向工程领域的本科生，涉及工程师的行为准则、日常交流、团队工作、思考问题的方法、文字处理、图表制作以及编程基础等方方面面。同时，本书语言生动，引入了大量不同学科范畴的实际例子，重点讲述了如何解决现实的问题。本书在知识讲解之余，从章节中的例题，到紧跟例题的理解检查，再到章节末的课堂活动习题，最后还有复习题，层层递进，不断加深学生对知识的理解，提升工具运用的熟练程度。有些例子在不同的章节中，从不同角度讲解，让学生体会到同一问题的不同解决方法，也体验到工程师解决现实问题的过程。贯穿全书的不仅仅是具体知识和工具的讲授，还处处体现出对思维的培养。这些内容和结构的设计反映出原著者对工程师教育的深刻理解和娴熟的教学手法。
我们受机械工业出版社的委托翻译本书，首先向本书的原著者表示敬意。同时也感谢机械工业出版社的信任。
本书由周刚负责统筹，兰明敬负责第3～5章，南煜负责第1、2、6、7、8章，陈静负责第9章，周东杰负责第10章，王婧负责第11～14章及前言部分，张凤娟负责第15～17章及理解检查答案的翻译工作，同时易鸣也参加了全书的翻译整理工作，最后由周刚负责全书的统稿和统校工作。机械工业出版社的朱劼、张梦玲、唐晓琳等编辑在全书的编辑和审稿过程中做了大量辛苦的工作，在此一并表示衷心的感谢。
全书翻译之初，是以原书第3版为基础；翻译期间原书出版了新的第4版，因此依据第4版进行了调整；在最后校对过程中，又受到了疫情的影响，可谓一波三折，但愿是好事多磨。
我们在翻译过程中，尽量忠实于原著，各种专业名词和术语都尽力符合原书本意，但由于译者水平有限，也限于时间原因，译文中难免有错漏之处。读者如果遇到问题或者对译文有建议，敬请联系我们（gzhougzhou@126.com），以期再次印刷时不断提高译文质量。
周 刚
2020年3月于郑州
译者序
前言
致谢
第一部分 工程基础
第1章 伦理道德6
1.1 伦理道德决定7
1.2 剽窃12
1.3 工程信条13
1.4 社会责任14
课堂活动15
复习题17
第2章 设计、团队合作与项目管理20
2.1 设计过程20
2.2 定义问题或需求21
2.3 标准：明确什么是重要的22
2.4 产生想法25
2.5 比较设计和做出决定26
2.6 原型和测试28
2.7 可持续性—一种特殊的设计标准29
2.8 团队合作31
2.9 实验设计：PERIOD分析37
2.10 项目时间表40
2.11 现代项目管理42
课堂活动42
复习题43
小型设计项目44
第3章 工程交流48
3.1 基本的陈述技巧48
3.2 演讲示例51
3.3 基本的技术写作技巧55
3.4 常用的技术交流格式59
课堂活动68
复习题74
第4章 估算80
4.1 估算的基本点83
4.2 类比估算84
4.3 聚合估算84
4.4 由上下界估算85
4.5 建模估算85
4.6 有效数字86
4.7 合理性89
4.8 计数法93
课堂活动95
复习题97
第5章 解决问题98
5.1 问题类型98
5.2 SOLVEM—一种解决问题的方法100
5.3 最终结果表示107
5.4 避免常规错误107
5.5 SOLVEM举例108
课堂活动110
复习题113
第二部分 工程问题的思考维度
第6章 基本量纲和基本单位118
6.1 公制118
6.2 其他单位体制121
6.3 单位转换步骤122
6.4 包含多个步骤的转换125
6.5 涉及“新”单位的转换128
6.6 派生量纲和单位129
6.7 方程式法则133
6.8 涉及方程的转换136
课堂活动138
复习题143
第7章 通用单位149
7.1 力149
7.2 重量151
7.3 密度153
7.4 量157
7.5 温度161
7.6 压强164
7.7 气体压强169
7.8 能量171
7.9 功率175
7.10 效率176
7.11 电学概念180
课堂活动189
复习题198
第8章 无量纲数206
8.1 有单位的常数206
8.2 常见的无量纲数209
8.3 量纲分析211
8.4 瑞利法213
课堂活动220
复习题223
第三部分 处理工程问题的工具
第9章 图形化解决方案230
9.1 制图术语230
9.2 恰当的图形230
9.3 Excel中可用的图形类型237
9.4 图形解释240
9.5 曲线形状的意义244
9.6 图形化解决方案249
课堂活动255
复习题264
第10章 模型和系统275
10.1 趋势线的正确绘制方法276
10.2 线性函数276
10.3 线性关系279
10.4 线性关系的组合284
10.5 幂函数293
10.6 指数函数296
课堂活动301
复习题309
第11章 数学模型320
11.1 选择一种趋势线类型320
11.2 解释对数图328
11.3 对数图的适当绘图规则332
11.4 在Excel中将刻度延伸为对数333
11.5 处理Excel的局限性334
课堂活动338
复习题345
第12章 统计352
12.1 直方图353
12.2 统计行为355
12.3 分布358
12.4 累积分布函数363
12.5 统计过程控制365
12.6 Excel中的统计370
12.7 MATLAB中的统计375
课堂活动380
复习题386
第四部分 编程技巧
第13章 MATLAB基础392
13.1 变量基础395
13.2 数值类型和标量398
13.3 向量401
13.4 矩阵412
13.5 字符串423
13.6 元胞数组425
13.7 结构数组435
课堂活动439
复习题449
第14章 算法、程序和函数456
14.1 算法456
14.2 程序463
14.3 函数473
14.4 推导数学模型481
14.5 调试MATLAB代码485
课堂活动487
复习题493
第15章 MATLAB的输入与输出501
15.1 输入501
15.2 输出510
15.3 绘图515
15.4 趋势线525
15.5 Microsoft Excel I/O530
课堂活动535
复习题545
第16章 逻辑和条件557
16.1 算法回顾—表示决策557
16.2 关系运算符和逻辑运算符561
16.3 逻辑变量564
16.4 MATLAB中的条件语句571
16.5 应用：分类图574
16.6 switch语句578
16.7 错误和警告580
课堂活动583
复习题594
第17章 循环结构608
17.1 算法回顾—循环608
17.2 while循环613
17.3 for循环619
课堂活动631
复习题641
在线基础知识
日常工程
Excel工作表
理解检查答案
公式表
MATLAB绘图属性
