工程學

工程學、工程科學、工學，是通過研究、實踐應用數學、自然科學、社會學等基礎學科的知識，以達到改良各行業中現有材料、土木建築、機械、電機電子、電子通訊、儀器、系統、化學加工步驟的設計、應用方式的學科，而實踐、研究工程學的人稱為工程師。在高等學府中，將自然科學原理應用至服務業、工業、農業等各個生產部門所形成的諸多工程學科也稱為工科、工學。工程學的英文「engineering」一詞來自於拉丁文ingenium（意為「巧妙」）、ingeniare（意為「設計」）。

## 定義

美國專業發展工程師會（ECPD，美國工程及技術教育認證委員會的前身）定義工程學為：

有創意的應用科學定律來設計或發展結構物、機器、裝置、製造程序、或是利用這些定律而產生的作品，或是在完整了解其設計下建構或設計上述的物品、或是在特定運作條件下預測其行為，所有所做的都是為了其預期的機能、運作的經濟性或人員及財產的安全。

實踐與研究工程學的人叫做工程師，而有專業執照的會有其他名稱，例如註冊工程師等。

## 工程的分支

工程的範圍很廣，一般會分為數個子學科，這些子學科是工程中的不同領域。一開始工程師會訓練在某一個特定的領域，但在其職業生涯中可能還是會接觸其他領域。一般工程學主要可以分為四類：

- 土木工程＆建築工程（civil engineering and architectural engineering）：設計及建造公共設施及個人住屋，例如基礎設施（機場、港口、道路、鐵路、供電、供水及水處理設施等）、水壩、橋梁及建築物。
- 機械工程（mechanical engineering）：應用力學（靜力學、動力學）、材料力學、熱力學或流體力學等設計機械系統及設備的機械部份，例如能源系統、內燃機、壓縮機、運輸系統、航空器、車輛的動力總成、運動鏈、真空技術、避震系統及武器系統。
- 電機工程（electrical engineering）：設計及研究各種的電子及電機系統，例如電磁或機電設備、發電機、馬達、電子電路、電子設備、光纖、光電設備、電腦系統、電信、儀表、控制等。
- 化學工程（chemical engineering）：應用工程原理、物理學、生物學及化學，以商業規模來實現化學程序，如煉油廠、微型製造、發酵及生物分子製造等。

此外，也有其他的工程領域，以往的分類有包括礦業工程及海洋工程，現在的分類有會包括工業工程、材料工程、土木工程、建築工程、測量工程、製造工程、航空工程、航海工程、車輛工程、電機工程、電子工程、通訊工程、儀表及控制工程、電腦工程、軟體工程、系統工程、紡織工程及核工程。英國工程委員會就包括了上述許多的工程領域。

有時一些特別的應用會整合上述傳統的領域，形成一個新的領域，例如地球系統工程及管理就包括了哲學、倫理學、人類學、環境科學及工程研究。一些新的領域會暫時定義為一些已有領域的組合，因此某一特定的應用是否視為一個領域仍有許多灰色地帶，一個主要的指標是主要的大學是否有開設此領域的學系、研究所或學程。

上述的領域中有相當的重疊部份，尤其是各領域中應用科學的部份，例如數學、物理及化學等。

### 工程領域列表

- 工程科學
- 工業工程
- 系統工程
- 材料工程
- 土木工程
- 建築工程
- 環境工程
- 能源工程
- 機械工程
- 航空工程
- 航海工程
- 電機工程
- 電子工程
- 通訊工程
- 電腦工程
- 化學工程
- 生物工程

### 工程學分支列表

- 工程科學系
- 工業工程學
- 材料工程學
- 晶體工程學
- 陶瓷工程學
- 冶金工程學
- 高分子材料工程學
- 分子工程學
- 水利工程學
- 海洋工程學
- 土木工程學
- 都市工程學
- 土力工程學
- 結構工程學
- 建築工程學
- 地震工程學
- 風力工程學
- 防火工程學
- 環境工程學
- 生態工程學
- 機械工程學
- 力學工程學
- 聲學工程學
- 熱學工程學
- 電子機械學
- 機電工程學
- 光機電整合工程
- 載具工程學
- 汽車工程學
- 航空工程學
- 航海工程學
- 電機工程學
- 控制工程學
- 電子工程學
- 自動控制
- 光學工程學
- 光電工程學
- 電光工程學
- 通信工程學
- 電腦工程學
- 硬體工程學
- 軟體工程學
- 資訊工程學
- 化學工程學
- 石油工程學
- 石油化學工程學
- 塑料工程學
- 造紙工程學
- 汙染處理工程學
- 生物工程學
- 應用工程學
- 奈米工程學
- 食品工程
- 農業工程學
- 其他工程學
- 工程倫理
- 巨型工程
- 加工系統工程學
- 系統工程學
- 礦業工程學
- 能源工程學
- 仿生學
- 運輸工程學
- 公路工程學
- 鐵路工程學
- 核能工程學

## 工程學方法

工程師最關鍵和獨特的任務是發現，理解並結合實際的局限來達到滿意的結果。很多情況下，產品不僅僅只需符合技術要求，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，可生產性及適用性。

### 解決問題

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。他們建立合理的數學模型，對問題進行分析並測試可能的解決方案。可能的解決方案常常有多個，工程師們必須根據它們的本質評價各方案的優劣並選擇最能滿足要求的最佳方案。折中存在於是各種工程設計的核心之中，最佳設計意味著能達到儘可能多的要求。

工程師一般在全面生產過程前，就嘗試預測他們的設計如何達到規格。他們使用：原型、比例模型、模擬、破壞性試驗、非破壞性試驗、強度測試。測試保證產品按期望值運行。測試的目的是確保產品能符合預計的要求。工程師作為專業人員會儘量製造符合預計要求的產品，並達到對社會無害。工程師往往需要在設計中考慮安全因素來降低意外的故障。不過，考慮的安全因素越高，設計效率也通常會越低。

### 電腦的應用

正如同許多現代的科學及技術一樣，電腦和軟體也在工程中扮演越來越重要的角色，現在有越來越多為工程設計的電腦輔助應用軟體（電腦輔助科技），電腦可以建立基本物理方程的模型，可以用數值方法求解。

其中一種常被使用的工具是電腦輔助設計（CAD），這類軟體包括CATIA、Autodesk Inventor、DSS的 SolidWorks或是Creo Parametric，可以讓工程師創造3D模型、2D的工程圖、以及相關設計的簡圖。CAD配合數位化樣機及電腦輔助工程的軟體（像有限元素法或解析元素法）可以讓工程師依設計建立可以分析的模型，而不是製作昂貴且花時間的實體原型。

上述軟體可以用來檢查產品及零件的缺點、評估是否有裝配問題、進行人因工程的研究、研究產品動態或靜態的特性，像應力、溫度、產生的電磁波、電流及電壓，數位信號準位、流場分佈及動力學。這類資訊的分佈及存取一般會利用產品資料管理軟體來整合

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現在也有許多工具可以協助特定的應用，像產生CNC加工指令的電腦輔助製造（CAM），產品生產會用到的製造程序管理軟體、電子工程中印刷電路板設計及繪製線路圖需要的電子設計自動化（EDA）軟體，維護工程會用到的MRO管理（維護、維修和運營）軟體。

近年來利用電腦來協助產品的開發已通稱為產品生命週期管理（PLM）

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## 與其它專業的比較

科學家經常要問「是什麼」「為什麽」，但是科學家的「為什麼」往往都能轉化成「是什麼」，他們關心於了解那些人類尚未確切、完全、詳細了解的知識，滿足人類的好奇心；工程師則經常要問「如何做」，利用科學家發現的知識，製造對人類有用的物體或工具。從經濟的角度來說，科學家不必關心經濟問題，他們想法子獲得必要的經費（如政府撥款、企業投資、私人贊助等），然後專心去研究。工程師則相反，他們必須使製造出來的物體，在經濟上是可行的，否則沒有任何用處。如果一件產品的成本高於其市場價值，使得無人光顧，這種產品就無法生產，所以對工程師來說，經濟觀念是必備的。例如像科幻小說所描寫的「按12個按鈕，再拉下三個把手，就可以給麵包片抹上奶油」一類的機器，在理論上是完全可以製造出來的，但工程師決不會製造這種機器。從相互包含的角度來說，科學家可能也需要完成某些工程作業（比如設計試驗儀器，製造原型），工程師經常也要做研究。從目的的先後順序來說，可以說科學家為了學習而製造，而工程師為了製造而學習。從工程和科學都要做的研究來說，工程學上的研究與科學研究也有不同之處。它經常涉及到的領域，基本物理化學已經很好的被了解了，而這些問題卻很難被精確的解決。工程學的研究便是要尋找可能近似方案。

## 限制

某些工程作業，比如設計橋梁、電廠、化工廠，必須被專業工程師所批准。保護公眾健康和安全的法律強制專業人員必須提供指導，這些指導是從教育和經驗中獲得的。

即使有了嚴格的檢測和許可證發給，工程災難還是會發生。因此專業工程師嚴守倫理學標準。每個工程學科和專業組織，都持有倫理學標準，成員發誓遵守維護。

## 外部連結

- 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

## 參見

- 巨型工程、基礎設施、地震工程
- 工程師、註冊工程師、無國界工程師
- 設計、工業設計、人因工程學
- 工程經濟
- 工程教育、工程教育研究、全球工程教育
- 鑑識工程
- 開源硬體、逆向工程
- 結構完整性和失效
- 可持續工程
- 工程中的女性
- 計劃報廢