工程學導論

工程、技術與工程師

工程與技術

   工程依賴技術的發展，技術是實現工程的手段。技術比工程更依賴科學的發展。也可以認為技術是建立在科學與工程間的橋樑，這也是人們總是將科學與技術統稱為“科技”的原因。儘管技術工作和工程工作存在較大的區別，但這兩項工作所需要的科學基礎知識和技能卻非常相似，由這此基礎知識和技能組成的課程體系，逐步形成了現代大學的工科專業。在大學學習工科就是為將來從事科學研究(工移的科學研究更聚集工程技術中涉及的基礎科學問題)、技術開發及工程設計物準條因此， 作為工科學生，未來可以根據個人的興趣和愛好，成為(工程)科學家、技術專家及工程師。”

工程技術的傳統科學

     大學期間是人們工程生涯的一個重要節點，需要選好以後的職業技能發展方向。需要回答這樣的問題:我是在機械工程領域發展呢，還是化學工程、電氣工程，或者其他工程領域發展?即希望自己成為哪個領域的技術專家。一 且做好了選擇，就可以確定相應的工程學科，在很多情況下，這也將是未來一輩子從事的職業。因此，有必要了解主要的工程學科和相關領域，然後基於個人興趣進行選擇。

1.土木工程
土木工程可追溯到公元前4000~2000年的古埃及，埃及文化開始於石器時代晚期(大約公元前3400年)，古埃及人在很多工程領域取得了非凡成就。埃及金字塔(圖3-1)被人們認為是最早的大型土木結構工程。現在，人們仍能看到金字塔時代的巨集偉建築，但古代埃及人工程成就並不侷限於以金字塔為代表的土木工程，他們還開創了很多其他工程領域。

2.建築工程
建築工程師不僅需要擁有土木工程師的知識和能力，還需要從美學的角度負責完成大型建築的外觀設計，不僅需要建築美學、功能學的知識，而且要求有結構學、材料學和聲學的知識。需要綜合應用這些知識，才能讓人們擁有一個美麗、舒適及健康的城市。

3.機械工程
機械工程是將物理學原理和材料科學等應用到機械系統的分析、設計、製造及維護的工程學科。該工程分支涉及機器及工具的設計、生產及執行中的熱個職.和機械功率的生產和使用問題。實際上，機械工程與土木工程是同時出現的，因為建造土本工程專案的器械屬於機械工程領域。

4.電氣工程
物理學家理解電後不久，人們開始思考如何應用電造福人類，電氣工程這個職業也就隨之誕生了。電在當代社會中主要起到兩個重要作用:傳遞動力和資訊。涉及動力傳遞的電氣工程師負責設計和製造發電機、變壓器、電動機及其他高功率裝置;而涉及資訊傳遞的電氣工程師則負責設計和製造收音機、電視機、計算機、天線、儀表、控制器和通訊裝置。
電氣工程師的工作涉及所有的電子裝置和系統。他們負責對幾乎所有涉及電的產品進行規劃、設計、建設、操作和維護，包括電視、通訊裝置、計算機、電話、手機、傳真機、電子儀器、所有電力機械和音訊裝置等。

5.化學工程
中國古代的化學工業度處於領先地位， 早在11世紀，四川省的工程師鐵從深井中的鹽水中提煉出鹽，在長達近 一個世紀的時間裡，鹽產業成為當地經濟的主要來源。他們用竹子鑽井，用竹管導水，隨著技術的發展，井深從10m增長到100早在16世紀，四川人就掌握了儲存天然氣(也來自於井裡)的技術，並燃燒天然氣來煮鹽。
在國外，化學工業自1880年起在美國經濟中逐步佔重要地位。當時，化學工業僱用機械工程師和工業化學家，顯然，化學工業的發展需要具有這兩方面知識的化學工程師。於是，1888 年，美國麻省理工學院(MIT)成為第一個授予化學工程學位的高等學校。
化學工程的特徵主要表現為單元執行。單元執行是指單臺的工藝裝置作為一個獨立單元執行，如化學反應器、熱交換機、泵、壓縮機、蒸餾塔等。正如電氣工程師用零件( 如電阻、電容、電感、電池)組裝成電路一樣，化學工程師則將各單元裝置組合成化工系統。

6.工業工程
工業工程(Industrial Engineering)起源於19世紀初期，當時的企業試圖採用所謂的“科學管理”方法來提高生產效率。該領域最初的研究工作是從工人做動作的時間著手，希望通過減少製造產品所需的勞動時間來提高生產率。當代工業工程師則研究人、機器及資訊的整合系統，他們將工程和管理連線起來，以提高效益和質量。
最初的工業工程師因擅長設計和執行裝配線而出名，他們將人和機器進行優化整合以提高效率和質量。(傳統上工業工程師的工作集中在對製造業生產系統中的人力、資金、資訊、知識、廠房、裝置、能源、物料和流程等因素進行設計、執行、評估和改進。如在精益製造系統中，工業工程師致力於消除在生產過程中對時間、經費、材料、能源以及其他資源的浪費。他們使過程更加有效率(產量更高)，產品質量穩定並且更容易製造。近年來，更多的工業工程師投入到物流、資訊、金融、醫療、服務、研發、國防等產業當中，從事系統分析與改進工作，如優化火車和飛機的時刻表，以及優化醫院、銀行及全球貨物派送(供應鏈管理)服務等。

7.航空航天工程
傳統上，航空工程是機械工程的重要分支之一，隨著其技術的發展，已逐步發展為一門獨立的工程技術門類。航空工程師設計在大氣和空間中執行的裝置。這是一個多樣化而又迅速發展的領域，它涉及四個重大技術領域:空氣動力學、材料和結構、飛行與軌道力學以及控制與推進研究。航空工程師主要負責設計和製造高效能的飛行器械(如飛機、導彈、宇宙飛船)及推進器。此外，航空工程師還會研究建築物的風力作用、大氣汙染以及其他的大氣現象。

8.材料工程
材料工程師研究如何獲得現代社會所需的材料。材料工程師開發應用於半導體、鐳射、鋼、合金鋼、超硬材料、 計算機硬碟驅動器中的磁性介質等物質的新組分。材料工程還可以進一步細分成以下幾個工程技術門類:
(1)地質工程研究石塊、土壤和地質形成，探尋珍稀礦石和石油儲備。
(2)採礦工程提煉礦石，如煤礦、鐵礦、錫礦。
(3)石油工程探尋、生產和運輸石油和天然氣。
(4)陶瓷工程生產陶瓷產品(如非金屬礦物)。
(5)塑料工程生產塑料產品。
(6)冶金工程利用礦石生產金屬產品或創造有優異效能的金屬合金。
(7)材料科學工程研究材料效能的基礎科學 (如強度、抗腐蝕性、導電性)。

9.農業工程師
農業工程師幫助農民提高糧食和纖維製品的質量和產量。這個學科隨著收割機的發明而誕生。從那以後，農業工程師開發了大量的農用裝置( 如拖拉機、犁、切碎機)以降低勞動強度、解決農業勞動力不足的問題。現代農業工程師運用機械學、水文學、計算機、電子學、化學和生物學知識解決農業問題，如植物栽培與農業機械。 農業工程師研究的領域包括食品和生化工程、水和環境質量、機器和能量系統、食品、飼料、纖維生產。

10.核工程
核工程師設計使用原子能的系統，如核電站、核動力船舶(如核潛艇、核動力航空母艦)、核動力宇宙飛船。有些核工程師研究核藥物，有些研究核聚變反應堆的設計，核聚變反應堆能產生巨大的能量且對環境危害極小。

11.生物醫學工程
生物醫學工程是將傳統的工程技術(機械、電氣、化學、工業工程)與現代醫學和人體生理學相結合的現代工程領域。生物醫學工程師研究開發的產品包括假體裝置( 如假肢)、人造腎臟、起搏器和人造心臟等。他們的創新研究成果已使聾啞人重新聽到聲音和使盲者重見光明。生物醫學工程師可以在醫院作為臨床工程師工作，也可以在藥物中心擔任藥物研究人員，還可以在醫藥及醫療企業設計藥物生產裝置及醫療裝置，在食品和藥物管理局評估醫藥及醫療裝置，甚至可以擔當提供醫療保健服務的醫生。

12.計算機工程
計算機工程是在電氣工程的基礎上發展起來的。計算機工程師既懂計算機品和生化工程、硬體又懂軟體，不過計算機軟體一直是計算機I程師研究的重點。

計算機工程師設計和製造計算機，這些計算機可以是個人計算機，也可以是網路計算機和超級計算機;他們編寫的應用軟體包括作業系統、文書處理器、電子表格等。隨著計算機在現代社會中扮演越來越重要的角色，電腦科學和工程仍然在快速發展。
13.其他工程
隨著人類文明的進步，現代工程領域得到進步擴充，例如，採礦和石油鑽採工程、環牆工程、海洋工程/海事工程、電信工程、製造工程等。這些工程可以看作傳統工程領域的分支或延伸。
現代產品通常具有所謂的跨學科的特點，即單一 -產品可能會涉及上述多個工程技術領域，由於時間、精力的限制，人們不可能在大學期間學完所有工程技術，而只能選擇一個或兩個“專業”進行系統的學習，因此，大學畢業時，還只是掌握一些專門知識的工科學生，一般還不具備獨自開發相應工程產品的能力，不僅要在所學專業領域繼續努力工作學習以增強工程技能，還需要學會和來自其他“專業”的工程師、技術專家進行合作。這時技術交流與團隊合作能力成為“專業”技能以外特別重要的能力。

工程師

在某種程度上，所有人都具有工程師的天賦。例如，人們小時候通過積木玩具，學習搭建各種結構組合就是在做工程工作;進行房屋建造或室內裝修也是每個家庭經常面對的工程工作。從歷史上看，“工程師”(Engineer) 這個詞來源於(器械”(Engine) 和(獨創性”(Ingnious) 而這兩個詞都來自拉丁文"Cenerare",意思是創造。根據“Engineer’這個詞的歷史根源，可以將工程師定義為創造性地解決問題的人。在早期的英文中，"Engine” 是個動詞，意思是發明或創造。“Engineer”這個單詞可追溯到約公元200年，當時基督徒作家特土良(Terullian) 描述了羅馬進攻迦太基的戰爭，羅馬人在這場戰爭中動用了破城槌(特土良稱之為Ingenium),這在當時是一個 具有獨創性的發明。後來，大約公元1200年，專門從事戰爭用具(破城槌、浮橋、突擊塔、石弩等)開發的人都被授予“Ingeniator”的稱號。在16世紀初，隨著“Engine” 這個詞義的擴充，工程師又被認為是製造器械的人。現在，人們把製造器械的人定義機械工程師，而泛指的工程師則定義為“運用科學、數學和經濟學知識滿足人類需求的人”。牛津英文詞典則將工程師定義為構思、設計或發明的人，是作者、設計者、發明者及繪圖者。
實用性知識是區分科學家、技術專家和工程師的關鍵，因為三者都是科學和數學方面的佼佼者。技術專家可以是掌握某項技術能力的工程師，如機械設計師、電工技術專家、有限元分析師等，也可以是工程科學家，如人機工學專家、工程力學專家等。因此，技術專家可以是面向工程實際問題的工程師，也可以是進行應用科學研究的科學家。惠靈頓( Wellington A. M, 1847–1895) 把工程描述成“ 做東西的藝術”，(強調工程師的實用性，他認為工程師應該能“做出東西”。如前所述，工程問題一般都是複雜的複合問題，它通常會面對許多約束，存在很多潛在的解決方案，但其中只有少數是合理且可行的方案。工程師雖然擁有很多理論和方法，其中一些可以廣泛地加以應用，但卻無法保證使用這些理論和方法就一定能尋找到合理、 可行的解決方案，工程技術知識的這種不確定性使得它比常規科學知識更難掌握，往往需要長期甚至終生的積累。此外，隨著技術的發展，工程師在產品開發過程中不可避免地會碰到很多新的技術問題和瓶頸，這時工程師就需要擁有這些專門技術和知識的技術專家的合作和支援。
總結
工程學的傳統學科有土木工程、機械工程、電氣工程等。工程師是需要創造力的藝術家。
工程師的工作要點就是依賴科學、數學及方法學，解決實際工程問題，並採用技術交流語言，詮釋、展示解決方案或模型
工程師是解決問題的人，他不僅要掌握簡單問題的推理解決方法，還要掌握解決複合問題的思維方法。
成為工程師不僅要具備優秀的技術技能，更需要具備良好的職業素養。