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工程思維之我見

1. 何為工程學

電影《Three idiots》中,Rancho針對機器給出了一個便于理解的定義:一切能夠減輕人類勞動的機構都是機器。從最直觀的意義上講,制造機器的學科就是工程學。更規範一些而言,按照維基百科的定義,工程學或工學,是通過研究與實踐應用數學、自然科學、經濟學、社會學等基礎學科的知識,來達到改良各行業中現有建築、機械、儀器、系統、材料和加工步驟的設計和應用方式一門學科。從事工程學的工程師,其最為關鍵和獨特的任務是發現、理解并結合實際的局限來達到滿意的結果。很多情況下,産品不僅僅隻需符合技術要求,其他條件也必須滿足。這些條件包括材料來源,物理或技術的局限,未來改進的可行性和其他因素,諸如成本,可銷售性,可生産性及适用性。

工程的最終目的是明确的,即達到預先的設計結果或制造出符合應用要求的成品,無論是實物的制造還是項目的完成。可以說,工程學是結果指向性的學科,創造和應用各種方法都是為了達成最終的結果。工程師們應用科學,數學和相應的經驗來找到問題的解決辦法。比如說可以通過建立合理的數學模型,對問題進行分析并測試可能的解決方案。對于每一個工程而言,可能的解決方案常常有多個,工程師們要根據它們的本質評價各方案的優劣并選擇最能滿足要求的最佳方案。各個指标的折中與妥協存在于各種工程設計的核心之中,最佳設計意味着能達到盡可能多個方面的要求。

2. 工程思維的特點

前面已經說過,工程學是一門結果指向性的學科。這決定了工程思維具有相當的功利性。此外,可靠性、經濟性是工程産品的重要特征。

相對于理論研究,工程師們考慮問題的模式有着很大的不同。無論是數學、物理還是化學、生物等基礎研究,其動機很多時候是出于對未知世界的好奇與探索。基礎理論的研究正好比在海洋中探索,你不知道會尋找出一條大魚還是一隻蝦米。理論研究帶有試錯性質,因為你不知道會在哪一個方面取得突破。而工程師們的工作卻是截然不同的模式:在海洋的深處有一隻大魚,你需要考慮并應用各種辦法把那條魚捉回來。捉不回來那條大魚,再多的努力也不免是徒勞。

理論研究與工程研究是相輔相成的一對整體:新的理論促使了工程技術的革新;工程技術的需求推動了新理論的産生。二十世紀以來電子技術的迅猛發展正是建立在數學、物理學的理論革新之上,并在各個領域都得到了廣泛的應用。這隻是科技進步的一個例子,可以說我們現在生活的各個部分都離不開理論創新和技術進步的成果。

與理論研究不同,工程師需要更多考慮成本與可靠性。為了獲得一個足以證明理論先進性的結果,科學家可以比較少的考慮成本的問題。而對于工程師來說,成本是一個非常重要的因素。大規模集成電路在二十世紀六十年代即開發完成,但因制造技術所限造成成本高昂、質量很不穩定,隻能用在軍工、國防等不計代價的領域。直到其他制造技術以及材料科學的進一步發展,一方面提高了集成電路的集成度,更重要的是降低了成本并同時提高了可靠性,大規模集成電路才得到了更廣泛的應用,并引領了個人電腦時代。理論上講,很多産品的核心技術早已研究成功,但限于其他方面的技術并沒有同步跟上,對制造和應用産生了很大制約,所以其大規模應用仍需時日。這正是木桶原理的又一個例證。

可靠性是工程師考慮的又一個重點問題。與理論研究的實驗數據可重複性不同,工程技術的可靠性直接關系到人身是否安全與産品是否可用。世界首款超音速客機——協和客機,因2000年法航協和客機空難,其可靠性受到了普遍質疑。加之也曾爆出其他事故隐患,更因為其成本高昂,故而不得不對其實施退役處理。這是先進技術因可靠性和經濟性不佳而被淘汰的一個典型例子。也許是因為這種技術過于先進,甚至超越了時代,但工程師們所需要考慮的技術與應用的平衡,也是非常重要的一個因素。在工程設計中,為了保證充分的可靠性,需要在方案中留出充足的可靠性冗餘,以應對可能出現的不利情況。

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