工程学

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工程学、工程科学、工学，是通过研究、实践应用数学、自然科学、社会学等基础学科的知识，以达到改良各行业中现有材料、土木建筑、机械、电机电子、电子通讯、仪器、系统、化学加工步骤的设计、应用方式的学科，而实践、研究工程学的人称为工程师。在高等学府中，将自然科学原理应用至服务业、工业、农业等各个生产部门所形成的诸多工程学科也称为工科、工学。工程学的英文“engineering”一词来自于拉丁文ingenium（意为“巧妙”）、ingeniare（意为“设计”）。

## 定义

美国专业发展工程师会（ECPD，美国工程及技术教育认证委员会的前身）定义工程学为：

有创意的应用科学定律来设计或发展结构物、机器、装置、制造程序、或是利用这些定律而产生的作品，或是在完整了解其设计下建构或设计上述的物品、或是在特定运作条件下预测其行为，所有所做的都是为了其预期的机能、运作的经济性或人员及财产的安全。

实践与研究工程学的人叫做工程师，而有专业执照的会有其他名称，例如注册工程师等。

## 工程的分支

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工程的范围很广，一般会分为数个子学科，这些子学科是工程中的不同领域。一开始工程师会训练在某一个特定的领域，但在其职业生涯中可能还是会接触其他领域。一般工程学主要可以分为四类：

- 土木工程＆建筑工程（civil engineering and architectural engineering）：设计及建造公共设施及个人住屋，例如基础设施（机场、港口、道路、铁路、供电、供水及水处理设施等）、水坝、桥梁及建筑物。
- 机械工程（mechanical engineering）：应用力学（静力学、动力学）、材料力学、热力学或流体力学等设计机械系统及设备的机械部分，例如能源系统、内燃机、压缩机、运输系统、航空器、车辆的动力总成、运动链、真空技术、避震系统及武器系统。
- 电机工程（electrical engineering）：设计及研究各种的电子及电机系统，例如电磁或机电设备、发电机、马达、电子电路、电子设备、光纤、光电设备、电脑系统、电信、仪表、控制等。
- 化学工程（chemical engineering）：应用工程原理、物理学、生物学及化学，以商业规模来实现化学程序，如炼油厂、微型制造、发酵及生物分子制造等。

此外，也有其他的工程领域，以往的分类有包括矿业工程及海洋工程，现在的分类有会包括工业工程、材料工程、土木工程、建筑工程、测量工程、制造工程、航空工程、航海工程、车辆工程、电机工程、电子工程、通讯工程、仪表及控制工程、计算机工程、软件工程、系统工程、纺织工程及核工程。英国工程委员会就包括了上述许多的工程领域。

有时一些特别的应用会整合上述传统的领域，形成一个新的领域，例如地球系统工程及管理就包括了哲学、伦理学、人类学、环境科学及工程研究。一些新的领域会暂时定义为一些已有领域的组合，因此某一特定的应用是否视为一个领域仍有许多灰色地带，一个主要的指标是主要的大学是否有开设此领域的学系、研究所或学程。

上述的领域中有相当的重叠部分，尤其是各领域中应用科学的部分，例如数学、物理及化学等。

### 工程领域列表

- 工程科学
- 工业工程
- 系统工程
- 材料工程
- 土木工程
- 建筑工程
- 环境工程
- 能源工程
- 机械工程
- 航空工程
- 航海工程
- 电机工程
- 电子工程
- 通讯工程
- 计算机工程
- 化学工程
- 生物工程

### 工程学分支列表

- 工程科学系
- 工业工程学
- 材料工程学
- 晶体工程学
- 陶瓷工程学
- 冶金工程学
- 高分子材料工程学
- 分子工程学
- 水利工程学
- 海洋工程学
- 土木工程学
- 都市工程学
- 土力工程学
- 结构工程学
- 建筑工程学
- 地震工程学
- 风力工程学
- 防火工程学
- 环境工程学
- 生态工程学
- 机械工程学
- 力学工程学
- 声学工程学
- 热学工程学
- 电子机械学
- 机电工程学
- 光机电整合工程
- 载具工程学
- 汽车工程学
- 航空工程学
- 航海工程学
- 电机工程学
- 控制工程学
- 电子工程学
- 自动控制
- 光学工程学
- 光电工程学
- 电光工程学
- 通信工程学
- 计算机工程学
- 硬件工程学
- 软件工程学
- 资讯工程学
- 化学工程学
- 石油工程学
- 石油化学工程学
- 塑料工程学
- 造纸工程学
- 污染处理工程学
- 生物工程学
- 应用工程学
- 奈米工程学
- 食品工程
- 农业工程学
- 其他工程学
- 工程伦理
- 巨型工程
- 加工系统工程学
- 系统工程学
- 矿业工程学
- 能源工程学
- 仿生学
- 运输工程学
- 公路工程学
- 铁路工程学
- 核能工程学

## 工程学方法

工程师最关键和独特的任务是发现，理解并结合实际的局限来达到满意的结果。很多情况下，产品不仅仅只需符合技术要求，其他条件也必须满足。这些条件包括材料来源，物理或技术的局限，未来改进的可行性和其他因素，诸如成本，可销售性，可生产性及适用性。

### 解决问题

工程师们应用科学，数学和相应的经验来找到问题的解决办法。他们建立合理的数学模型，对问题进行分析并测试可能的解决方案。可能的解决方案常常有多个，工程师们必须根据它们的本质评价各方案的优劣并选择最能满足要求的最佳方案。折中存在于是各种工程设计的核心之中，最佳设计意味着能达到尽可能多的要求。

工程师一般在全面生产过程前，就尝试预测他们的设计如何达到规格。他们使用：原型、比例模型、模拟、破坏性试验、非破坏性试验、强度测试。测试保证产品按期望值运行。测试的目的是确保产品能符合预计的要求。工程师作为专业人员会尽量制造符合预计要求的产品，并达到对社会无害。工程师往往需要在设计中考虑安全因素来降低意外的故障。不过，考虑的安全因素越高，设计效率也通常会越低。

### 电脑的应用

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正如同许多现代的科学及技术一样，电脑和软件也在工程中扮演越来越重要的角色，现在有越来越多为工程设计的电脑辅助应用软件（电脑辅助科技），电脑可以建立基本物理方程的模型，可以用数值方法求解。

其中一种常被使用的工具是电脑辅助设计（CAD），这类软件包括CATIA、Autodesk Inventor、DSS的 SolidWorks或是Creo Parametric，可以让工程师创造3D模型、2D的工程图、以及相关设计的简图。CAD配合数字化样机及计算机辅助工程的软件（像有限元素法或解析元素法）可以让工程师依设计建立可以分析的模型，而不是制作昂贵且花时间的实体原型。

上述软件可以用来检查产品及零件的缺点、评估是否有装配问题、进行人因工程的研究、研究产品动态或静态的特性，像应力、温度、产生的电磁波、电流及电压，数位信号准位、流场分布及动力学。这类资讯的分布及存取一般会利用产品资料管理软件来整合

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现在也有许多工具可以协助特定的应用，像产生CNC加工指令的电脑辅助制造（CAM），产品生产会用到的制造程序管理软件、电子工程中印刷电路板设计及绘制线路图需要的电子设计自动化（EDA）软件，维护工程会用到的MRO管理（维护、维修和运营）软件。

近年来利用电脑来协助产品的开发已通称为产品生命周期管理（PLM）

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## 与其它专业的比较

科学家经常要问“是什么”“为什么”，但是科学家的“为什么”往往都能转化成“是什么”，他们关心于了解那些人类尚未确切、完全、详细了解的知识，满足人类的好奇心；工程师则经常要问“如何做”，利用科学家发现的知识，制造对人类有用的物体或工具。从经济的角度来说，科学家不必关心经济问题，他们想法子获得必要的经费（如政府拨款、企业投资、私人赞助等），然后专心去研究。工程师则相反，他们必须使制造出来的物体，在经济上是可行的，否则没有任何用处。如果一件产品的成本高于其市场价值，使得无人光顾，这种产品就无法生产，所以对工程师来说，经济观念是必备的。例如像科幻小说所描写的“按12个按钮，再拉下三个把手，就可以给面包片抹上奶油”一类的机器，在理论上是完全可以制造出来的，但工程师决不会制造这种机器。从相互包含的角度来说，科学家可能也需要完成某些工程作业（比如设计试验仪器，制造原型），工程师经常也要做研究。从目的的先后顺序来说，可以说科学家为了学习而制造，而工程师为了制造而学习。从工程和科学都要做的研究来说，工程学上的研究与科学研究也有不同之处。它经常涉及到的领域，基本物理化学已经很好的被了解了，而这些问题却很难被精确的解决。工程学的研究便是要寻找可能近似方案。

## 限制

某些工程作业，比如设计桥梁、电厂、化工厂，必须被专业工程师所批准。保护公众健康和安全的法律强制专业人员必须提供指导，这些指导是从教育和经验中获得的。

即使有了严格的检测和许可证发给，工程灾难还是会发生。因此专业工程师严守伦理学标准。每个工程学科和专业组织，都持有伦理学标准，成员发誓遵守维护。

## 外部链接

- National Society of Professional Engineers position statement on Licensure and Qualifications for Practice
- National Academy of Engineering (NAE)
- American Society for Engineering Education (ASEE)
- The US Library of Congress Engineering in History bibliography
- History of engineering bibliography at University of Minnesota

## 参见

- 巨型工程、基础设施、地震工程
- 工程师、注册工程师、无国界工程师
- 设计、工业设计、人因工程学
- 工程经济
- 工程教育、工程教育研究、全球工程教育
- 鉴识工程
- 开源硬件、逆向工程
- 结构完整性和失效
- 可持续工程
- 工程中的女性
- 计划报废