工程讲座

一、二十世纪最袁伟大的二十项工程成就

美国国家工程学院与美国工程学会联合会等团体合作在千禧年初选 出「二十世纪最最伟大的二十项工程成就。」(I)包括

1.电气化，2.汽车，3.飞机，4.水供给与分配，5.电子组件，6.无 线电收音机与电视，7.炭业机械化，8.计算器，9.电话，10.冷气 与冰箱，11.公路，12.宇宙飞船，13.因特网，14.影像技术，15.家 电用品，16.健康医疗技术，17.石油与石化技术，18.雷射与光纤， 19.核子技术，20.高性能材料。

试想像如果没有这些伟大的工程成就，人类生活将是何等景象?很明显的工程师改变了整个世界，决定了世纪人类生活的基调，对人类社会生存发展有深远的影响。

二、工程与工程师

工程指有一定计划的工作进程。工，即作也。据<<说文>>： "工，巧饰也。象人有规矩，象手持之。"杨树达<<积微居小学述林>>："以 字形考之，工象曲尺之形，盖工即曲尺也。" <<论语．卫灵公>>：工欲善其事，必先利其器。" 程据<<说文>>： "程，品也。十发为程， 千程为分，十分为寸。 " <<荀子．致仕>>：程者，物之准也。"引申 为事物发展的经过或步骤。如：进程；过程；议程；教程；疗程。 师指具有专门技艺的人。工程师于土木、机械、化学、电机、材料、 水利、航空等工程，主持工事、研究发展、设计制造、管理机械的专业人员。

易经紫辞上 "夫易，开物成务，冒天下之道，如斯而已者也。"「开 物成务」泛指开发各程物资，建立各种制度。开通万物之理，使人事 各得其宜。可引申为「开发各种人力与自然资源，成就事务。」与「工 程」含意甚为贴切。

英文 engin 源自拉丁文 ingeneare，意为创造。早期英文动词 engine 有发明、设计约含意。各种机械、工具的发弭、设计者称为engine-er，

即工程师。根据大英百科全书(Encyclopedia Britannica)的定义「工是应用科学以最高效能持换自然资源服务人群的专业。」(2)电 子百科全书 Encarta 定义「工程是应用由学习、经验与实务获得的数学自然科学知识，有效利用材料与自然力的专业。」(3)因此工程域包含甚为广泛。

美国工程师专业发展协会 ( Engineers Council for Profession Development)进一步定义「工程为创造性的应用科学原理以设计或发展结构体，机械、设备、制程或工作方式 (works)，在充分了解其设计或预测特定操作条件之行为，顾及预期的功能、使甪的经济性及生命财产的安全下，单独或结合利用或建构、操作这些结构体， 机械、设备、制程或工作方式。┘(4)

三、工程与科学

由工程的定义可知工程是以科学为基础，但工程与科学是有实质差异的。科学家主要在求知，了解自然，工程师主要求应用，改造自然。 科学家增进对物理世界经过验证、系统化的知识。工程师将经过验证、系统化知识应甪于实际问题。工程主要是以基础科学为基础，延伸到应用技术。在我国文化中，偏重应用知识，在科技发展上，一向独钟技术，自明清以来，未能搭上西洋国家科学突飞猛晋列车，连累工程技术也趋落后，可见工程技术进步不能没有先进科学为后盾。

科学家有时可以「为学问而学问，」从事「天马行空」(blue sky) 研究。工程师讲求学以致用：在选择自己认为有趣问题上的自由常受到限制，而必须解决面临的问题，满足互相冲突、难以「两全其美」的 需求。例如要求高性能增加成本，要求安全影响实用性:改进效率增加复杂性等。最佳化常是解决工程问题的方法。考量多方因素，达到最令人满意的结果。它可能是在一定体积限制下最可靠的，在满足某些安全规则下功能最强的，或在一定成本下最快速的。社会成本也常是解决工程问题不容忽视的因素。

四、工程溯源

历史上有留名记载的第一个工程师为约公元前2550年：建造埃及 Saqqarah 金字塔的 Imhotep。古代军事工程师设计制作征战用攻击塔、浮桥、掷石器、马战车，并建筑城堡、障碍物及浮桥。另一方面土木工程师建构桥梁、道路、下水道、灯塔及各式大型建祭物。第一 世纪 Vitruvius 所著「论建筑」 ( De architectura ) 记载包含建材、工法、水力学、测童与都市计主，流传至今。军事工程与土木工程分流 被认为工程领域钊分专业之始。(2)

我国自古印有大禹治水传说。史记，夏本记，「当帝尧之时，洪水滔 天。」一直到禹奉舜帝命，「开九州岛，通九道，陂九泽，度九山。」才治水成功。「于是九州岛攸同，四奥既居，九山【通】旅，九川涤原， 九泽既陂，四海会同。」公元前三世纪李冰主持修建的四川灌县都江堰，不仅是我国古代水利工程的优秀典范，而且历二千多年而不衰，沿席至今。万里长城、漕粮运河均显现了惊人的工程成就。另外除了 众所周知的造纸 (东汉)、印刷术、(北宋) 和火药 (晚唐) 这四大发明以外，丝织、制瓷(北宋)、锌铁、灌钢、水力机械 (北宋) 等生产技术，也是中国人所首创。因此我国古代有辉煌的科技成就，推动了人类文明的进程。但自明清以降，中国传统科学的发展变得迟缓。与此形成鲜明对照的是，西方自十七世纪以来近代科学迅速崛起。

五 、近代工程

近代土木工程在 18 世纪最早成立专业学会与工程学校而成为一单独的领域。 19 世纪土木工程师负责建造各种结构物、设计供水与公共卫生系统，铺设铁、公路与从事城市规划。

18 世纪工业革命由蒸汽机 (苏格籣人 James Watt ) 与织布机的发明展开序幕，也导致机械工程在英国诞生。英国工具机工业的兴起促进了 各地学习机械工程的风潮，至今仍有许多人认为机械工业为工业之母。

19 世纪初 Alessandro volta 发明电池，经 Michael Faraday 等人的实验，以至 1872 Gramme (比利时人 Z.T. Gramme ) 电动机的发明，对电磁学有了相当的了解，导致电机与电子工程的发展。电子部份由英国人 James C. Maxwell 与德国人 Heinrich Hertz 在 19 世纪末页工作而得到彰显。20 世纪初美国人Lee De Forest 发明真空管，以及20世纪中叶晶体管的发明，使得电子工业突飞猛进。根据统计目前在所有工程领域中，以电机与电子工程领域工程人数最多。

化学工程乃由 19 世纪与化学反应有关冶金、食品、纺织等工业制程渐趋普及发展而来。到 1880 年在工业制造中使用化学药品的数量以达到促使专门大量生产化学药品的工业程行。化学工程师主要设计与运作化学制品的工厂。

材料工程是由材料科学而来。材料科学工程探讨固体工业材料性质， 结构、制程与功能相互关系。由于材料性质的多样复杂性，原来研究材料的固态物理学、冶金与化学等领域知识渐不足以完整的了解材料问题。1960年代主要受电子工业半导体材料的快速发展冲击。「材料巳新领域应运而形成。1980 年代「高温超导体」、碳六十的发现掀起的 新材料应用风潮，至今方兴未艾。由于对实用材料了解与工程应用关系密切，因此一般以材料科学与材料工程并称，而为「材料科学与工程。」

工业工程与工程管理主要探讨工业生产中设备、人力与原材料之有效运用。着重生产经济、操作人员安全、自动化机械部署调度。 工程科学方法可应用于与制造、建造没有直接关系的领域。近代工程广泛运用系统工程原理。系统工程原理指在设计．制造、建造决策时采用科学方法，以科际整合、结合不同专业 (包括工程、法律、社会、 美学、行为) 团队方式并应用合乎作业研究原理正式程序。例如广义的交通工程不仅包含设计、建造交通系统(如捷运线、捷运站)，也必须决定沿线的交通需求，拟定有效率与安全的时刻表，考至对社区、环境的影响。交通工程师不仅与机械为伍，而且须考虑人的因素。(2)

其它工程领域包括矿冶工程、地质土程、建筑工程、汽车工程、航天工程、纺织工程、海洋工程、核子工程、环境工程、安全工程、卫生工程、光学工程、 生医工程等，可谓族类繁多。

我国清朝中兴名臣曾国藩等有懔于列强欺凌乃由于船坚炮利，在同治光绪年间，设立制造局，船政局，以及织造、火柴、造纸等工厂，并开发煤矿，建造铁路，始有近代式之工程事业，其中大都为政府经营组织，技术人员则多借材异国；公元 1898 年，李鸿章于「江南制造局」 设立机器与化学工艺学科，名额为 50 名，4年制毕业，堪称开我国近代工学院教育先河。公元1905 年，詹天佑先生主持京张铁路之建筑， 始开国人主办巨大工程之端；嗣后教育革新，工程人者辈出。加上留学生陆续返国，积极经营，方得开始与世界先进国家同步发展近代工程科技。

六、工程师的角色

工程师利用材料与能源两种自然资源。由于现有自然贤源有限，工程师必须持绩开发新资源，同时努力增进现有资源的使用效率。

工程师的工作共通之处为解决问题。问题可能与量化的或定性的因素有关，可能是与物直与经济因素有关，可能需要用到抽象数学或常识。在解决问题过程中最为重要的是创造性的综合或设计，整合各种意见而达成新而最佳解决问题方法。由于大多数工程问题复杂到与不祇一个工程领域有关，因此专业工种师须具备其它工程领域的基本知谶。例如一位化学工程师在设计一个金属矿石电解精炼工厂时，必须考虑到厂房结构、机器、电力设备以及一些纯化学问题。

工程问题虽然多元而复杂，但有一般性的处理方法。首先分析问题而拟定初步处理方案。在此方案下，归纳问题为可清晰叙述属于某一范畴的问题。然后尝试从已知原理推论或如设计中创造性的综合来解答这可清晰叙述的问题。在过程中，则不断的检验解决方案或设计的正确与恰当性。最后以简化问题的解决方案诠释原始问题解决方案，并 以适当形式报告。

根据美国 National Society for Professional Engineers 之分类，工程师的工作可分为建厂、设计、管理、生产、品管、维护、项目管理/工程、 项目调查/分析、研究/发展、销售/市场、教学/训练及其它。(4)

以应用数学与科学原程度为序，工程师在一机构中主要工作如下： 研究工程师：利用数学与科学原理、实验技术、演绎推理，研究工程师探索新原理与制程。
发展工程师：发展工程师应用研究结果于新制程或产品开发。创新性时的应用新知识可导致电路、化学制程或工业机械的实用模式。
设计：设计工程师在设计结构体时选择方法，指定材料以及决定形状以满足技术需求与功能规格。
建厂：建厂工程师负责准备生产场地、指挥物料放置、安排人力与设备，订定程序以经济而安全的生产并控制产品品质。
生产：生产工程师负责厂布置设备，并选择制程与工具，整合材料与零组件物流，测试与检验。
营运：营运工程师主要工作为控制机器与设备以及提供电力、交通、 通讯之组织，决定程序及管理人事以确保复杂设备之可靠与经济运持。
管理及其它：管理工程师分析顾客需求，提供以经济方式满足需求及相关问题的建议。

七、工程师需要具备的能力

在二十世纪二、三十年代，由于「相对论」、「量子力学」的革命性发展，被称为科学的黄金时代。在二十一世纪即将来临之际，集成电路、通讯、光电、生物技术等产业澎渤发展，全球高新科技工程领域均面临人才荒，可谓进入了工程的黄金时代。同时根据美国数所著名大学经验，工学院毕业生在就业后不到十年内，有一半以上不仅专事工程技术工作，而从事包括负担一些管理责任、财务等工作，可见工程师的可塑性与分析整合、解决问题素养受社会欢迎的程度。另一方面，「终身雇用」制度目前即使在日本已开始崩解。在新世代中，工程师本身工作上要与同僚、下属、上司、雇主、公务员、律师与顾客有良好的互动，要随时维持专业知识精进，要作为一个称职的工程师，需要具备各种能力，最重要的包括：

搜集、分析、组织信息能力：将数据 (data) 转化为信息 (information) 、 知识以至于智能(wisdom)。

终身学习能力：休认终身学习的责任，巷成自习能力。主动积极不断寻求新知，持续进步。

应用信息技术进展能力：善用计算机、网络、多媒体，从事设计、设立模式 (Modeling) ：仿真、数值分析与图形显示等工作。

独立思考与判断能力：善于运用知识，深入探讨，解决问题。

领导能力：管理、协调、规划、组织工作与沟通能力。

团队合作能力：能从整体大局考虑，各尽全力，密切配合，分享信息。

整合能力：以传统观点着手，整合跨领域工程计划。

表达想法的能力：书写与口头清晰表达观点与理念能力。

培养能力：自于英语在科技工作上为国际性的超强势语言，能流利的听、读、说、写英文极为重要。

体认文化的能力：对专业知识以外科技与人文知识、外国文化认知能力。

了解专业工作的外在的大环境，在经济、社会、政治、环保与国际层面处境。

八、工程师的责任

工程师是受过高等教育与训练的精英份子(elite)，工作对社会人类有直接而巨大的影响，身为有幸的少数人 (privileged few)，自然对谋求社会大众福祉、塑造良性大环境应多尽一分责任。世界各工程师相关团队有鉴于此，多订有工程师守则或信条以为自律互勉。兹列中国工程师学会订定「工程师信条」如下： (5)

(一)、工程师对社含的责任

守法奉献：恪遵法令规章、保障公共安全、增进民众衽祉。
尊重自然：维护生态平街、珍惜天然资源、保存文化资产。

(二)、工程师对专业的责任

敬业守分：发挥专业知能、严守职业本分、做好工程实务。
创新精进：吸收科技新知、致力求精求进、提升产品品质。

(三)、工程师对业雇主的责任

真诚服务：竭尽才能智慧、提供最佳服务、达成工作目标。
互信互利：建立相互信任、营造双赢共识、创造工程佳绩。

(四)、工程师对同僚的责任

分工合作：贯彻专长分工、注重协调合作，增进作业效率。
承先启后：矢志自励互勉、传承技术经验、培养后进人才。

由于工程师的工作直接影响到接触使用的人以及所处的环境，层面广 泛。工程师所面对的已不仅是「人与机械」关系，而常是「人与人」 的关系的问题。工程伦理牵涉复杂，工程师应有认知与勇于面对，本服务社会、造福人群情怀，善尽对社会、专业、业雇主、同僚的责任， 做一个敬业乐群 ，不负社会信托的工程师。

九、清华大学工学院

民国三年冬，梁启超先生到北京清华演讲，以「君子」为题。引述易经申之「天行健，君子以自强不息」及「地势坤，君子以厚德我物」 勉励同学，学校遂将「自强不息，厚德载物」采为校训。清华大学自创校伊始即以培育「君子」为理念，前有梁启超、王国维、陈寅恪、 赵元任、李济诸先生为导师，后有杨振宁、李政道、李远哲诸先生为杰出校友，四十五年在台复校后自原子科学研究所一所，而后使慢慢滋长扩展，逐渐成为理工大学。自七十三学年度起更增设人文社会学院。八十二年七月，增设生命科学院。自创校以来学风鼎盛，造就许多人才。

清华大学工学院成立于民国六十一年八月，自规划时即扬弃传统工学院「土、机、化、电」分类的架构，从一九七二年先设立工化、动机、 材料三系，再陆续增设电机、工工系所，以至八十七年电机系所分出成立电机信息学院，由于时空背景转换，目前清大「工学院」实际上是化学工程、动力机械工程，材料科学工程、工业工程与工程管理等 四学系组织的功能性团体，每一学系均设有硕士班及博士班。

清大「工学院」二百余位教师同仁都受过良好训练，敬业负责，在研究教学上有高度成就，计有专家讲座 2 位，杰出人才讲座 3 位，教育部工科学术奖得主5位，国科会特约研究人员13位，国科会杰出研究奖得主74人次，亚太先进材料学院院士 5 位，侯金堆杰出贡献奖 7 位， 教育部大专教师与业界合作研发绩效卓著奖 5 位，平均得奖人数在国内大专院校工学院中居冠。在学生方面，本院大学部学生均为在大专联孝脱颖而出的佼佼者，研究所更为多数大学毕业生的第一志愿。坚强的师资、充实的课程、完善的设备和宽广的出路，是青年学子向往 的学术殿堂。自在台复校以来，毕业生已逾一万人，目前在国内外均有杰出表现，多为学术或产业界领袖。近三年来「中时晚报」与「远见杂志」所作调查，本院学术声望连居第一，也适切的反应出「工学 院」长年来「追求卓越」的佳绩。

在电机系所甫离开工学院，要思考「工学院」的未来，可能要自力求完整化「逆向思考」，在教学、研究、服务上脱离传统系所藩篱，以 「学程」、「领域」、「整合计划」、「研究群」取向，在前瞻、整体考量下，使这个团体「最佳化」。虽然在可预见的将来，有各系所员额不可能大幅成长的边界条件，但工学院在配合学校整体发展下努力作前瞻性的系所调整，例如八十九年度向教育部申请设立「微系统工程研究所」。一方面执着教有树人理念、维护优良师生伦理传统，同时要能切实掌握「信息时代」、「知识社会J新趋势，在传承、创造、应用知识上大放异采，服务社会人群。发挥应有功能，在学校以至社会中扮演积极、正面「中流砥柱」的角色。

「最佳化」最直接的指标就是各系所在国内各相当系所中维持数一数二的地位，进而跻身国际一流系所之林。工学院同仁都受过良好训练，敬业负责，而工学院升等制度向来以严谨著称，许多同仁研究已达到或具有潜力达到国际一流级，如何协助营造良好环境，让同仁「取法乎上」以「高标准」自许，维持旺盛企图心，在学养绩效上持续发展，发挥团队合作精神，发扬特色，应是「工学院」最主要功能之一。

在培育学生方面，重点在培育「领导人才」与「君子」 (leader gentleman) ，以培养能掌握时代趋势，追求学术卓越、兼俱科技人文素养与关怀社会的领导人才为目标。强调「教学与研究同样重要」， 「敦品与励学，做人与做事一样重要」，「有为也要有守」。除专业训练外，利用课程、讲座，活动等方式，养成搜集、分析、组织信息， 表达想法与分享信息，规划与组织工作，团队合作，解决问题，体认文化的能力，孕育服务祉会、造福人群情怀。建立「术德兼备、敬业乐群」，「视野广远，行事踏实」的品牌。使拥有优良传统、无比发展潜力之「工学院」更上层楼，迈向更卓越的境界，成为国际工程教育之重镇仍有待我同仁结合校友与同学共同努力。

十、二十一世纪的工程挑战

在二十世纪初年，发现电子的物理学大师 J.J. Thomson 在演讲中指出「科学已经发展到一定地步，后人能做的便是零碎修补、善后收尾的末节功夫。」不料不久「相对论」、「量子力学」相继掀天动的，带动物理学革命性的进展，奠定世纪科技发展的基础。在科技加速发展 的今天，二十一世纪科技发展正如前人所说 「只受限于想象力」 (limited only by imagination)。二十一世纪的工程师，将持续发展新制程与产品，开发与经营能源、交通与通讯系统，解决现有以及防止新生环保问题，制作新保健器材等应用科技。可预见的在二十一世纪初期信息、通讯科技将持绩快速发展，生物科技、微机电系统、奈米级先进材料将处于科技进展前沿，有无与伦比的机会与挑战。而信息 科技应用与科技发展的相辅相成关系，特别值得重视。

科技的发展，在世纪之交很明显的已蔚成洪流，在加速进行中。科技进步为人类带来的福祉，不可尽数，但在二十一世纪来临之际，人类社会面临的严峻挑战。包括地球温室效应、自然资源枯竭、环境污染、 废染物处理，武器兢赛，基因工程无一不与科技发展相关，说明「水能载冉，亦能覆舟」之理，但「解铃还需系铃人」。工程师在二十一世纪必将以「解决问题的人」身份继续为人类社会创造福祉，并解决相关问题，而为我师生砥砺切磋的目标。

参考数据

美国国家工程学院网址：http://www.nae.org/
Encyclopedia Britannica 网址：http://www.eb.com/
Encarta97 ：Microsoft 网址：http://encarta.msn.com/
National Society for Professional Engineers 网址：http://www.nspe.org/
中国工程师学会网址：http://www.cie.org.tw/