工程設計：專案導向介紹

引用

Dym, C. L., Little, P., & Orwin, E. J. (2013). Engineering Design: A Project-Based Introduction (4th ed.). Wiley.

章節概要

第四版約330頁，分五部共十七章，後附原型製作、工程製圖與練習題三個附錄。每章標題都附有該章要回答的問題，例如「客戶對這個設計有什麼要求？」或「我該選擇哪一個設計？」。威立表示，本書讓學生透過實際執行設計專題來學習設計，適用於專題導向的大一課程、正式的工程設計課程以及總整專題。果汁容器在第1章與第4章中作為早期例子出現；另一個專題——為一位腦性麻痺學生設計的「丹伯里手臂支撐架」——則出現在第3章到第11章中除第10章以外的每一章。

第1章：工程設計

第一部從交代脈絡開始。本章以果汁容器、公路橋梁與為身心障礙學生設計的設施等為例，介紹任何設計中的三種角色（客戶、使用者與設計者）；建立工程設計的基本詞彙（定義與前提、成功的衡量標準、形式與功能、系統、溝通），並指出設計要從實作中學習，而且必須當作專案來管理。

第2章：定義設計流程與案例研究

把設計流程呈現為一個不斷提問的過程，介紹描述性模型與規範性模型，以及透過策略思考、正式設計方法、設計知識、分析與測試和回饋來指引設計流程的方式。一個關於顯微喉部手術穩定器設計的案例研究，呈現了這個流程的實際運作。

第3–6章：問題定義——細化客戶需求；釐清目標；辨識限制；確立功能

第二部以四章問題定義開場。第3章釐清最初的問題陳述，把客戶需求整理為屬性與目標。第4章建構目標樹，用成對比較表為目標排序（包括個人排序與團隊彙整），並訂定衡量指標。第5章辨識限制條件。第6章以黑箱與玻璃箱、拆解（逆向工程）、列舉法與功能—手段樹確立功能，再把它們轉化為設計規格，其中包括品質屋。

第7–8章：概念設計——產生設計方案；概念設計——評估設計方案並選擇設計

第7章以型態矩陣、隱喻與策略思考、6-3-5法、C-草圖法與畫廊法產生設計空間，並討論如何擴大或縮小設計空間。第8章以數值評估矩陣、優先勾選法與同類最佳表來選定設計。

第9–11章：以圖形傳達設計；原型製作與設計驗證；以口頭與書面方式傳達設計

第三部討論溝通：草圖與各類工程圖面；原型、模型與概念驗證及其製作方法；口頭簡報、設計審查，以及透過粗略大綱與主題句大綱寫成的期末報告。

第12–14章：設計中的數學建模；設計中的工程經濟；面向生產、使用與永續性的設計

第四部加入分析。第12章介紹建模的思考習慣與工具（因次與單位、有效位數、因次分析、理想化、守恆與均衡定律、串聯與並聯、機電類比），並應用於電池驅動的載物推車以及梯子橫檔的剛性與強度。第13章討論成本估算與金錢的時間價值。第14章討論面向製造與組裝的設計、可靠度與可維護性，以及包括生命週期評估在內的環境議題。

第15–17章：設計團隊動態；管理設計專案；設計中的倫理

第五部轉向人的面向：組成與領導團隊、建設性地處理衝突；以團隊章程、工作分解結構、團隊行事曆與進度監控來管理範疇、時程與預算；以及以倫理守則為依據的設計者對客戶、公眾與專業的倫理義務。

附錄A–C

原型製作實務（工廠安全、材料、製作技術、扣件）、工程製圖實務（尺寸標註與幾何公差），以及一組練習題。

核心概念

第一、二部：設計流程與問題定義

• 客戶、使用者與設計者：構成每個設計問題框架的三種角色。
• 目標、限制與功能：設計應達成什麼、必須遵守哪些限制、必須做什麼。
• 成對比較表：透過兩兩比較為目標排序。
• 功能—手段樹：把每項所需功能與實現它的可能手段連結起來。
• 設計空間：為某一問題產生的替代設計集合，可以擴大也可以縮小。
• 評估矩陣：依加權目標為替代方案評分，從而選定設計。

第三、四部：溝通、建模與經濟

• 原型、模型與概念驗證：設計的不同實體呈現形式，本書加以區分，因為各自回答不同的測試問題。
• 主題句大綱：每個條目對應一個段落的報告大綱。
• 因次分析與集總元件：在不失去物理本質的前提下簡化設計問題的建模習慣。
• 金錢的時間價值：比較發生在不同時間點的成本與效益。
• 面向製造與組裝的設計：讓設計能夠經濟地製造與組裝。

第五部：團隊、管理與倫理

• 團隊章程與工作分解結構：界定專案範疇、劃分工作的工具。
• 建設性衝突：利用團隊內的意見分歧改善設計，而不是傷害團隊。
• 對客戶、公眾與專業的義務：倫理守則所處理、可能彼此衝突的責任。

評析

優點

• 圍繞真實專題中的問題組織內容。 每章回答學生團隊在該階段面臨的問題，丹伯里手臂支撐架這個例子把一個專題從需求一路帶到目標、功能、概念、圖面與期末報告。本書可以隨專題逐週使用。
• 豐富的前期設計工具。 目錄列出大量用於問題定義與概念產生的具體方法：目標樹、成對比較、衡量指標、功能—手段樹、品質屋、型態矩陣、6-3-5法、C-草圖法、畫廊法以及三種評估方法。
• 不只方法，涵蓋整個專題。 溝通、原型製作、經濟、面向生產與永續性的設計、團隊合作、專案管理與倫理都有涉及，另有關於工廠安全、扣件與公差的實用附錄。
• 層次有彈性。 威立把同一本書定位為適合大一專題課程、正式設計課程與總整專題。第四部的建模實例為分析性較強的課程提供了基礎。

局限

• 版本較舊。 第四版出版於2013年，電腦輔助設計、快速原型與數位協作工具都沒有獨立的章節；製圖透過草圖、圖面與手工尺寸標註規範來教授。
• 建模內容偏入門。 數學建模只有一章，以推車與梯子橫檔為例。它展示了分析的思考習慣，但無法取代各學系的分析課程。
• 系統工程只有輪廓。 系統只在第1章作為設計詞彙的一部分出現，本書並未在複雜系統的規模上討論需求管理、架構或驗證。

在課程中的定位

在系統工程書單中，本書是先於系統工程本身的專題層級設計入門。喬恩·霍爾特的 Systems Engineering Demystified 是另一個入口：一本關於系統、生命週期以及使用SysML之模型化系統工程的實用入門書。戴姆、利特爾與奧爾溫教的是小團隊如何定義並解決一個設計問題；霍爾特則呈現這類工作如何擴展到複雜系統。如果還沒有做過設計專題，應先讀戴姆。

接著是生命週期類教科書：布蘭查德與法布里基的 Systems Engineering and Analysis，以及科西亞科夫等人的 Systems Engineering Principles and Practice。它們的需求分析、概念探索與權衡方法，是本書問題定義與評估各章的推廣。布德與米勒的 The Engineering Design of Systems 藉助建模語言把需求與功能架構形式化。克勞利、卡麥隆與塞爾瓦的 System Architecture 是一本研究所教科書，討論早期的架構決策，而本書第3–8章提供了它小規模的初步版本。

如何使用本書

威立將本書設定給專題導向的大一課程、正式的工程設計課程與總整專題的學生。大多數章節不需要技術背景；第12章用到初步的力學與電學概念（梯子橫檔的梁模型、電池與馬達特性），因此普通物理的基礎在那裡會有幫助。

• 大一專題課程： 依專題進度依序閱讀第1–11章與第15–16章：專題開始時讀問題定義（第3–6章），期中讀概念設計（第7–8章），接近尾聲時讀溝通與原型製作（第9–11章），團隊成立之初讀團隊與專案管理（第15–16章）。
• 正式設計課程或總整專題： 加上第四部（第12–14章）學習建模、經濟與面向生產的設計，並閱讀第17章倫理。
• 附錄： 進工廠之前查閱附錄A，準備圖面時查閱附錄B；附錄C提供練習題。

把丹伯里手臂支撐架當作範本：每讀完一章，就為自己的專題做出對應的成果（目標樹、限制清單、功能—手段樹、型態矩陣、評估矩陣、圖面、報告大綱）。這一整套成果就構成設計報告的骨架。