Что знают инженеры и как они это знают: аналитические исследования из истории авиации (The Johns Hopkins University Press, 1990) представляет собой историческое размышление об инженерной практике в авиации СШАс 1908 по 1953 год, написанное Уолтером Винченти (1917-2019), опытным практиком и инструктор. [1] Этот период представляет собой рассвет авиации, который был полон неопределенности и многочисленных путей ко многим возможным мирам . В книге отражены два основных вывода этого периода. Первый вывод этой книги касается того, «что знают инженеры». Пять тематических исследований из истории авиационной техники используются, чтобы доказать, что инженерия часто требует собственных научных открытий. Таким образом, инженерное дело следует понимать как деятельность по созданию знаний, которая включает в себя прикладную науку , но не ограничивается ею. Вывод второго порядка в этой книге касается того, «как инженеры познают», используя одни и те же тематические исследования для выявления закономерностей в природе всей инженерии. Эти закономерности образуют « эпистемологию » инженерного дела, которая может указать путь к «инженерному методу» как чему-то отличному от научного метода . [2] : 169, 256 Уолтер Винченти завершает работу общей «моделью выбора вариаций» для понимания направления технологических инноваций в истории человечества. Книга наполнена многочисленными дополнительными наблюдениями и историями, рассказанными практикующими врачами и инструкторами. Возможно, именно поэтому д-р Майкл А. Джексон , автор книги «Структурированное проектирование и проблемные рамки» , однажды завершил основное обращение к инженерам словами: «Прочитайте книгу Винченти. Прочтите ее внимательно. Прочтите ее сто раз». [3]
Уолтер Дж. Винченти (обычно произносится как « вин-сен-ти » в США или « вин-чен-ти » по-итальянски) (1917–2019) был почетным профессором авиационной и аэрокосмической техники в Стэнфордском университете . [4] В 1987 году он был принят в Национальную инженерную академию «за новаторский вклад в аэродинамику сверхзвуковых самолетов и фундаментальное понимание физической газодинамики гиперзвукового потока ». [5] Его важным учебником первой части его карьеры является « Введение в физическую газовую динамику» (1-е изд. 1965 г., 2-е изд. 1975 г.). [6] Винченти, по сути, сделал две карьеры: одну как передового авиационного инженера, а другую как ведущего историка техники. Это дало ему двойную точку зрения на то, как работают технологические инновации. Кроме того, он расширил значимость инженерного дела для общества, основав в 1971 году Стэнфордскую дисциплину под названием «Ценности, технологии и общество», которая теперь называется «Наука, технология и общество». [7] В возрасте 90 лет он опубликовал свою последнюю работу вместе с Уильямом М. Ньюманом «О инженерном использовании истории техники», которая появилась в журнале « Технологии и культура» . [8]
Книга «Что знают инженеры» была впервые опубликована в 1990 году, когда г-ну Винченти было 73 года, после того как он проработал в области аэрокосмической техники , истории технологий и преподавания. Пять тематических исследований, использованных в качестве доказательств в этой книге, относятся к первой половине 20-го века, 1908-1953 гг. В этот период автор работал в Национальном консультативном комитете по аэронавтике (NACA) с 1940 по 1957 год. [9] Четыре из пяти тематических исследований, использованных в качестве доказательств в этой книге, были впервые опубликованы независимо в журнале « Технологии и культура» в период с 1979 по 1986 год. [ 2] : 10 В ту эпоху другие авторы начали опровергать взгляд на инженерное дело как на исключительно прикладную науку. [10] Затем, в 1990 году, пять тематических исследований Винченти косвенно поддержали этот новый дискурс об инженерном деле как о дисциплине, генерирующей знания.
Профессия «инженер» охватывает широкий спектр практики. Таким образом, автор сужает рамки своих пяти тематических исследований тремя способами. [2] : 6–9 Во-первых, если рассматривать комплексный процесс проектирования, он состоит из трех этапов, включая проектирование , строительство/производство и эксплуатацию. Эти случаи возникают в основном на этапе проектирования. Единственным исключением является пятый практический пример соединений, заклепанных заподлицо, который предполагает тесное взаимодействие между проектированием и производством. Во-вторых, дизайн можно разделить на нормальный и радикальный. Эти тематические исследования относятся к обычному дизайну. В-третьих, нормальный дизайн сам по себе многоуровневый. Эти уровни идут от определения проекта до общего проектирования, проектирования основных компонентов, разделения проектирования компонентов и весьма специфических проблем (таких как форма в плане, профиль крыла и механизированные устройства). Эти пять тематических исследований в основном взяты из этих нижних уровней. Таким образом, в совокупности эти тематические исследования охватывают проектирование, обычное проектирование и весьма специфические проблемы на самом низком уровне, «чтобы помочь исправить пренебрежение этой большой и важной областью». [2] : 9
Пять тематических исследований сгруппированы по главам. В главе 2 рассматривается конструкция профиля крыла в целом. Ранние работы Дэвиса иллюстрируют, насколько полезными были инженерные работы людей, не имеющих формального инженерного образования. Крыло Дэвиса сыграло важную роль, хотя у Дэвиса не было теоретической основы, чтобы понять, как и почему. Глава 3 посвящена тому, как инженеры проектируют самолет в соответствии с летными качествами , удовлетворяющими пилотов. Этот практический пример показывает, что между поведением человека и инженерными требованиями может существовать ключевая взаимосвязь, которая может существенно повлиять на результаты. Таким образом, «артефактный дизайн — это социальная деятельность». [2] : 11, 237 Глава 4 указывает на важность ситуаций анализа контрольного объема в механическом проектировании. Анализ контрольного объема в то время отсутствовал в учебниках физики. Таким образом, у инженеров были научные потребности, которые не были должным образом решены ни одной естественной наукой . Важно отметить, что такие тематические исследования являются примерами того, почему существует такое понятие, как «инженерная наука». Глава 5 посвящена динамической проблеме проектирования и выбора пропеллера . Случай с пропеллером иллюстрирует, как инженеры разрабатывают методы, позволяющие объяснить отсутствие необходимой научной теории. В этом случае « вариация параметров » использовалась для составления карты и исследования предмета, по которому не существовало всеобъемлющей научной теории (в физике). [2] : 160–161 Наконец, в главе 6 описывается проблема проектирования клепаных соединений самолетов. В этом тематическом исследовании показано, как производственные требования могут оказывать обратное влияние на дизайн, приводя к повторениям между производством и проектированием. Этот практический пример также иллюстрирует, что существуют аспекты инженерии, которые нельзя адекватно описать как науку, такие как «чувствующая» механика заклепок, разработанная для определения того, какое давление необходимо приложить при создании конструкции алюминиевой напряженной обшивки самолета (см. обсуждение «неявных знаний» ниже). ).
На протяжении всей книги Уолтер Винченти делает эпистемологические наблюдения, относящиеся к инженерному делу. Ниже приведены шесть из нескольких наблюдений, сделанных на протяжении всей книги. [11] Эти наблюдения не представляют собой «инженерный метод» сами по себе, но позволяют предположить , что они могут указать путь для дальнейших исследований. [2] : 160–161 Он писал: «В последнем абзаце главы 5 я также поднял вопрос о том, может ли быть выгодно искать «инженерный метод», аналогичный научному методу, но отличающийся от него, который оказался плодотворным занятием. для истории науки. Может быть, описанный здесь процесс вариационного отбора и есть этот метод, отличительные черты которого заключаются в критерии отбора и опосредованных методах, используемых для сокращения прямого испытания?» [2] : 256
Во-первых, существует закономерность итеративного процесса инженерных открытий, наблюдаемая при разработке спецификаций летного качества. [2] : 102 Этот процесс называется «Семь интерактивных элементов инженерного обучения» и включает в себя:
Жирный шрифт в исходном тексте выделяет этапы нейтральным по отношению к теме образом.
Во-вторых, существует закономерность в самих категориях знаний в технике. [2] : 208 Эти шесть категорий инженерных знаний таковы:
В-третьих, Уолтер Винченти видит закономерность в инженерной деятельности по созданию знаний/науки. [2] : 229 Эти семь видов деятельности по генерированию знаний включают в себя:
В-четвертых, размещая шесть категорий знаний и семь видов деятельности по созданию знаний на таблице xy, эти действия по созданию знаний частично предсказуемым образом пересекают категории знаний. Полученная таблица служит приблизительным показателем того, какие инженерные задачи могут привести к появлению новых инженерных знаний. [2] : 235, Таблица 7-1. Полученная диаграмма «предназначена для обсуждения, а не просто набора жестких и быстрых делений». [2] : 225
В-пятых, он переклассифицирует сами инженерные знания. Знания, полученные в результате инженерного проектирования, обычно можно разделить на такие этапы, как проектирование, производство или эксплуатация. [2] : 195 Другой подход к категориям инженерных знаний — это описательные знания , предписывающие знания и неявные знания . [2] : 198 Он добавляет термины Гилберта Райла «знать это» и «знать как» [2] : 13, чтобы проиллюстрировать цель каждой категории знаний. [2] : 198 «Знание того, что или что» нужно делать в инженерии, представляет собой смесь описательного и предписывающего знания. «Знание того, как» это сделать, представляет собой смесь предписывающих и неявных знаний. Таким образом, эти тематические исследования показывают необходимость всех трех видов знаний в инженерии.
Наконец, он предлагает модель выбора вариаций для роста знаний. На всех уровнях иерархии дизайна рост знаний приводит к увеличению сложности и эффективности процесса выбора вариантов, изменяя как механизм изменения, так и опосредованно расширяя процессы выбора. Вариация и отбор добавляют два реалистичных принципа развития технологий: слепота к вариациям и неуверенность в выборе. [2] : 249
Винченти заключает, что наша слепота к огромному потенциалу вариаций дизайна не подразумевает случайный или непреднамеренный поиск. Слепой человек в незнакомом переулке использует трость, чтобы предоставить информацию и намеренно изучить ограничения, не имея ни малейшего представления, куда ведет переулок. Точно так же инженеры занимаются проектированием «вслепую» в том смысле, что «результат не полностью предсказуем», поэтому «лучшие» потенциальные варианты в некоторой степени невидимы. [2] : 243 В результате поиск высокофункциональных конструкций не является нормой. Он отмечает: «Со стороны или в ретроспективе весь процесс имеет тенденцию казаться более упорядоченным и целенаправленным – менее слепым – чем обычно». [2] : 246
Однако Винченти использует различия между братьями Райт и французами, чтобы показать, что существует диапазон того, как мы справляемся со слепотой к вариациям. Братья Райт разработали летательный аппарат раньше французов, хотя начали экспериментировать примерно в одно и то же время. Французы 1) обратились к тому малому, что было известно о Райтах/Лэнгли, 2) мысленным представлениям о том, что могло бы добиться успеха, и 3) руководствуясь растущим опытом полетов. Но «поскольку [#1 и #3] были скудными, уровень слепоты, по крайней мере поначалу, был почти полным». [2] : 244
В чем заключалась разница в процессе между Райтами и французами?
Французский процесс проб и ошибок содержал меньше теоретического анализа (или новых инженерных знаний). Поскольку «французы не были склонны к теоретическому анализу, варианты могли быть отобраны для сохранения и уточнения только по следам в полете». [2] : 244 [выделено автором] Для Райтов продвижение основных принципов теории посредством анализа давало точные кратчайшие пути к прямым испытаниям, что делало французский процесс в ретроспективе более исследовательским. Таким образом, процессу отбора способствуют 1) теоретический анализ и 2) эксперименты (скажем, в аэродинамических трубах) вместо прямого испытания реальных («открытых») версий в окружающей среде. Рост знаний увеличивает силу косвенных испытаний вместо реальных/прямых испытаний. [2] : 247
В долгосрочной перспективе «весь процесс выбора вариантов – вариация и отбор вместе – наполнен неопределенностью». На уровень неопределенности влияют две вещи. Во-первых, «неопределенность возникает из-за степени неясности вариаций». [2] : 248 Неопределенность во всем процессе уменьшается по мере развития технологии — он отмечает, что современные авиаконструкторы действуют более «уверенно», чем французы начала 1900-х годов или даже его эпохи, работавшие в NACA. Тем не менее, существует парадокс в уменьшении слепоты. Хотя слепота со временем уменьшается, достижения одновременно становятся все труднее и сложнее... что, в свою очередь, увеличивает слепоту! Таким образом, искушение увидеть общее снижение слепоты «происходит из иллюзии». Процесс выбора вариантов может создать столько же слепоты, сколько и уменьшить; просто спросите «талантливых инженеров, которые изо всех сил пытаются продвигать такую зрелую технологию, как современная аэронавтика…» [2] : 249
Вторым фактором неопределенности во всей модели вариационного отбора является «неуверенность» в процессе отбора. Как косвенные, так и открытые испытания страдают от неопределенности, которая усложняет модель выбора вариантов. Но в отличие от слепоты вариаций, неуверенность в выборе уменьшается с увеличением точности обоих типов испытаний. [2] : 249
Слепота и неуверенность характеризуют сложный и трудный характер технологического развития в модели выбора вариантов. [2] : 248–249 Затем автор ретроспективно рассматривает пять тематических исследований, чтобы продемонстрировать, как в каждом случае действовали вариационный отбор и слепота-неуверенность. [2] : 250–252 В целом, «совокупный рост инженерных знаний в результате отдельных процессов выбора вариаций приводит к изменению характера того, как эти процессы выполняются». [2] : 245