《信息技术工程导论》课件第2章 工程学概论

第2章工程学概论提出问题：1、什么是工程？2、科学、技术、工程之间是什么关系？3、工程项目有什么的特性？4、工程与社会的关系是什么？5、工程设计是如何演化的？本章将围绕这些问题展开！第2章工程学概论2.1科学、技术与工程2.2工程学分支及工程学科、工程项目的特性2.3工程学与社会的关系2.4工程设计的演化提出问题：1、什么是工程？2、科学、技术、工程之间是什么关系？本节将围绕这些问题展开！当今强调发展工程教育，旨在使学生在教育和学习过程中投身到创新型的社会实践活动中，更多地将注意力聚集在工程实践综合能力的培养上，以满足国家工程发展中对人才的需求。

本章在讲述科学、技术、工程的概念及其之间的关系基础上，重点讨论了工程学科的产生、发展和演进过程，讨论了由此牵引出的高等工程教育的目标和特色问题。例如：要构建一个安全的网络集成系统，这是一个科学问题？技术问题或是一个工程问题呢？2.1科学、技术与工程

什么是科学？什么是技术？什么是工程？科学、技术与工程之间关系是什么？例如：一个已经构建完成的网络系统，工作时老是出现不稳定现象，要解决这个问题，是一个科学研究问题还是一个技术性问题？又如：有人提出，MD5算法（H|ash函数），存在弱碰撞，要找到这个弱碰撞出现的机率，这是一个科学研究问题、是一个技术问题或是一个工程问题？

科学（Science）是指对各种事实和现象进行观察、分类、归纳、演绎、分析、推理、计算和实验，从而发现规律，并对各种定量规律予以验证和公式化的知识体系。科学的任务是揭示事物发展的客观规律，探求真理，作为人们改造世界的指南。2.1.1科学、技术与工程的基本概念1．科学-科学的特征主要体现在以下几个方面：（1）它是一种知识形态的理论、概念学说；（2）它是一种不以人的意志为转移的客观存在，具有重复性、再现性和可比性的特点；（3）它具有连续性、深入性和创造性的特点；（4）它的发展变化没有止境。

技术（Technology）是指人类根据生产实践经验和自然科学原理改变或控制其环境的手段和方法。2.1.1科学、技术与工程的基本概念2．技术

技术具有综合性与集成性、通用性与适用性、依存性和连锁性、先进性与经济性、自然和社会双重属性、个性化（技术的本质为实现预期结果而重复进行的优化操作）等特征。

工程（Engineering）是服务于某个特定目的的各项技术工作及其成果的总和。工程是以一系列科学知识和技术方法为依托，并结合经验的判断，经济地利用自然资源为人类服务的一种专门活动。2.1.1科学、技术与工程的基本概念3．工程

工程强调的是解决实际问题，同时强调创新。是一种通过生产技术产品或系统以满足具体需要的过程。因此，工程的进一步是研究科学、技术和产业之间的关系。

我们要认识了解自然界的本质以及运行规律，研究这个就是科学。所以可以简化的说，科学活动的特征是研究自然界和社会事物的构成本质和运行规律的系统性、规律性的知识体系工程学是一门应用学科，是用数学和其他自然科学的原理来设计有用物体的进程。

科学的本质是发现，

技术的灵魂是发明，工程的核心是建造。2.1.2科学、技术与工程的关系1．科学、技术与工程的关系-科学：是对自然界客观规律的探索，科学的任务是要有所发现，从而增加人类的知识和精神财富。科学知识的基本形式是科学概念、科学假说和科学定律，科学活动的最典型的形式是基础科学研究，包括科学实验和理论研究，进行科学活动的主要社会角色是科学家。-技术：是改造世界的手段、方法和过程，它是要在科学认识的基础之上要有所发明，从而增加人类的物质财富并使人类生活的更美好。技术知识的基本形式是技术原理和操作方法，技术活动的最典型方式是技术开发，包括发明、创新和转移，其主要社会角色是发明家。-工程：是实际的改造世界的物质实践活动和建造实施过程，工程是要有所创造，从而为人类生存发展条件建造所需要的人工自然与物品。工程知识的主要形式是工程原理、设计和施工方案等，工程活动的基本方式是计划、预算、执行、管理、评估等，进行工程活动的基本社会角色是工程师。

科学、技术与工程的关系如表2-1所示。（1）从目的看：科学家力图明白世界是怎么运作的；工程师旨在根据已知条件设计运作产品或系统，用于实际需要。科学家在探寻已存在世界的运行规律，产品为定律、定理、规律。工程师在创造新世界，产品为人造物。2.1.2科学、技术与工程的关系2．工程师与科学家（2）从过程看：科学家往往在某一领域观察现象、收集数据、分析数据、提出理论以描述研究结果。理论往往可以用数学公式表示。工程师则根据功能要求，按照科学规律构思并制作模型、测试完善模型、形成产品并推向市场。（3）从方法看：

科学家研究以分析为主，剔除系统中不必要的信息，使信息递减，凸现规律。工程师以综合为主，是系统不断复杂化，以完善功能。工程+科学=技术因此，工程的进一步是研究科学、技术和产业之间的关系，我们要认识了解自然界的本质以及运行规律，研究这个就是科学。所以可以简化的说，科学活动的特征是研究自然界和社会事物的构成本质和运行规律的系统性、规律性的知识体系。

科学一般不能直接转化成技术，技术是工程的产物，技术为科学研究、工程实现服务。-提出问题：1、工程学分支及工程学科2、工程项目有什么的特性？3、如何从成功和失败的工程项目中吸取教训？4、什么是工程思维（6W问题）？本节将围绕这些问题展开！2.2工程学分支及工程学科、工程项目的特性2.2工程学分支及工程学科、工程项目的特性2.2.1工程学分支

一般情况下，工程学科分类有：电气工程、电子信息工程、软件工程、网络工程、安全工程、交通运输工程、建筑工程、管理工程、金融工程、土木工程、机械工程等。1．工程学分类“工程”一词，最先在18世纪由欧洲出现。历史上第一所授予工程学位的学校是成立于1794年法国巴黎的综合工艺学校。（这所学校隶属于国防部门,Enginery武器、机械类）。18世纪下半叶，英国出现了最早的民用工程。如运河工程、道路工程、城市水系统等工程。2．工程学的产生

在我国，目前已实施或完成的具体工程项目主要包含：三峡工程、葛洲坝工程、海底隧道、南水北调、西气东输、航空航天工程、铁道电气化工程、路桥工程、房屋建筑、装修工程、工业监控、智能控制、楼宇监控、信息系统、办公自动化、网络工程等。3．典型的工程项目（1）都江堰水利工程

战

国时期秦国李冰父子设计修建，包括“鱼嘴”岷江分水工程，“飞沙堰”分洪排沙工程，“宝瓶口”引水工程三大主体工程和120个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个有机整体，兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行舟等多种功能。兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行舟等多种功能，渠道上设置了水尺，根据测得的水位，多级分水，合理控制分水流量，使岷江化害为利，灌溉了成都平原上14个县的几百万亩良田。

工程完工后，又建立了一套岁修养护制度，每年按规定淘沙修堤。该工程在二千多年后的今天，仍发挥着效益，堪称我国古代运用系统思想解决实际问题的典范。（1）都江堰水利工程

3．典型的工程项目

北宋年间，皇宫被大火焚为废墟，大臣丁渭奉命重修，修建工程的泥土、石料、木材等建筑材料都需从郊外运到建筑现场，另外，完工后的建筑废弃物又要运出城外。这需要花费大量的人力、物力和财力的，丁渭根据工程实际，设计出了一套方案，不仅节省了大量的人力、物力和财力，而且使工程提前完工。丁渭是如何做到的呢？（2）丁渭的“一举三得”重建皇宫方案

首先在皇宫前开沟渠，然后利用开沟取出的土烧砖，再把京城附近的汴水引人沟中，使船只运送建筑材料直达工地。工程完工后，又将废弃物填人沟中，复原大街，很好地解决了取土烧砖、材料运输、清理废墟三个难题，使工程如期完成（如图2-3所示）。（3）阿波罗登月计划

阿波罗登月计划历时11年，涉及20000多家企业、420000多工程技术人员，120所大学和科研机构，1000多万个零部件，涉及火箭工程、控件工程、通信工程、电子工程、计算机工程、医学工程等学科。这是一个综合运用了现有科技成果的大型工程项目，是复杂大系统工程的成功典范（如图2-4所示）。（4）一个失败工程案例阿斯旺高坝，1972年联合国环境大会称其为“一个完全失败的工程”。该工程的优点：良好的灌溉、廉价的电力、控件洪涝，兼具有旅游功能；该工程的主要失误：泥沙和有机物沉积到水库底部，使两岸失去肥源，土壤日益贫瘠，下游入海口盛产沙丁鱼的渔场毁于一旦。尼罗河河口供砂不足，河口三角洲平原从向海伸展变为向内陆地退缩。该工程的教训：不能单靠传统方法进行大型复杂系统的规划、设计、制造、试验和使用，易割断普遍联系，造成决策失误（如图2-5所示）。2.2.2工程学科的特性（1）社会性：工程旨在造福人类,工程实践过程受社会政治、经济、文化制约，工程的产物满足社会需要，要求工程师充分认识社会、了解社会、融入社会；（2）创造性与艺术性：工程是一种引导自然资源的伟大力量为人类所用的艺术，追求独创，满足人对和谐的审美需求，遵从道德向善；（3）综合性与复杂性：工程的产出是技术及其产品,工程的实现过程经历了构思、设计、制作、运作四个阶段，是从简单到复杂的信息递增和信息综合过程。强调技术的综合，强调团队合作；（4）道德约束性：工程的最终目的是为了造福人类。为了确保工程的力量用于造福人类而不是摧毁人类，工程实现从头到尾必须受到道德的监视和约束。（5）全球性与开放性：本质属性（为全人类服务，技术无国界）、社会环境（经济全球化，全球性的环境问题）。2.2.3工程项目特点与特性

一般意义上的的工程项目，具有如下综合性的特性：1．工程项目的特点（1）具体的工程目标：计划和实施工程项目，一般都有一个明确的工程实现目标，也就是具体的产品或工程结果；（2）确定的目标实现过程：工程项目目标通常根据其工作任务、进度安排、成本核算及质量保证来定义。即在一定时限和预算内完成工作任务，使客户满意；（3）实现目标可供利用的资源：项目需运用各种资源来执行任务。资源可能包括不同的组织、人力、财力、材料、设备和工具等。项目执行要通过一系列相互关联的任务按一定顺序完成来达成项目目标（4）具体的时间和工程生命周期：项目有具体的时间计划或有限的寿命。它有一个开始时间和目标必须实现的到期日；2.2.3工程项目特点与特性（1）具体的工程目标：计划和实施工程项目，一般都有一个明确的工程实现目标，也就是具体的产品或工程结果；（5）项目的目标客户群体：每个项目都有客户。客户是提供必要的资金，以达成目标的实体，它可能是一个人，或一个组织，或由两个或更多的人构成的一个团队，或是许多个组织；（6）项目不可预见的风险因素：实施工程项目，因存在不可预见的风险因素，给项目带来某些不确定性，在计划和实施工程前和过程中，要充分考虑和引起必要的重视；（7）强调团队合作：在当今社会，工程设计或工程的实现过程中，团队的作用日趋重要。在该团队中，除了需要具有专业技术的工程师或开发人员外，还需包括具有经济、管理方面的有关知识和技术的管理、协调人员，更重要的是要求其领导者具有超常的协调、沟通能力，同时具有全局方向的把握能力。

2．工程项目的特性

与科学研究和技术开发不同，工程项目开发有较为明显的独有特性，表2-2所示。

按照一般工程项目实施的经验和常态，做为一个工程技术人员，实施工程项目要充分考虑“6W”问题，具体如表2-3所示。2.2.4工程师的思维习惯2.2.5高等工程教育的特色1.高等工程教育的重要性

传统的高等工科教育，教学体系上存在重理论，轻实践的现象。特别是部分学校，缺乏实施工程教育的师资和硬件条件，给提高工程教育造成了较为严重的问题。强调工程教育，对提高人才培养的质量，有特别重要的意义。在高等工科学校，工程教育的重要性还表现在如下几个方面：（1）增强实践能力：接受传统的高等工科教育的学生，毕业生在企业的工程实践中存很多问题；（2）工程管理知识的提高：时代要求工程技术人员具备较高专业技能，且需具有一定的管理知识、经济头脑等综合素质。企业中越来越多的工程技术人员会成为公司的负责人，或关键部门的领导人，或决策参谋人员。纯技术观念，不利于工程技术人员个人的发展，也不利于企业的长远发展。

学习工程项目管理知识和经济知识，树立管理理念，有经济头脑，有良好的身体素质和心理素质，有决策能力、沟通能力、协调能力，对事业发展至关重要；（3）面对全球化的挑战：经济全球化、市场一体化，工程技术与工程管理有效融合才能体现经济组织的执行力和竞争力；（4）提高综合素质：工程技术人员需要具有较高的综合素质。工科学生可以通过工程类教育课的学习，为今后打下一定基础。2.高等工程教育的特色

高等工程教育，从广义讲是指专门培养工程技术人才的一种社会活动，从狭义而言，是指培养高等级专门人才的学校教育。高等工程教育具有如下特色（如下图所示）：下图

为工程教育的能力要求。（1）培养过程的实践性：工程是一种特定的社会实践活动，工程师是这种社会实践活动的主体，因此工程教育必须教会学生会做事；（2）培养目标的复合性：工程教育培养具备复合性的知识背景和在工程实践中整合各种知识和能力的工程人才（知识是指不同学科知识的综合与交叉，能力是指不同知识整合与跨越），工程教育要教会学生不仅会做事，而且要整合广博的知识与经验正确的做事；（3）人才教育的创新性伦理性：工程的本质是创新，它创造世间没有的物体，工程师的职责是设计、制造人造物，工程教育的核心之一就是教会学生创新（创新应包括创新的意识和精神、创新的思维和方法、创新的知识和能力）；（4）工程活动对社会和环境的影响是巨大的：工程师的职业行为关系到人类自身的前途和命运，工程教育必须使受教育者——未来的工程师明白：什么事情该做，什么事情不该做，做正确的事；（5）教育面向的全球性：工程教育要有全球视野，培养能够在全球环境中进行工程实践的工程技术人才；了解不同民族文化背景，设计生产符合不同民族习惯要求的产品；具备良好的与不同国家、民族人员交流能力，与他们共事或为他们服务；了解、掌握国际标准与规范，按国际规则运作工程；共同保护环境。3.高等工程教育的分类

我国现行高等院校的工学本科专业划分为以下31个小类（如下图所示），工程学或工学，是通过研究与实践应用数学、自然科学、经济学、社会学等基础学科的知识，来达到改良各行业中现有建筑、机械、仪器、系统、材料和加工步骤的设计和应用方式一门学科。

工程学或工学，是通过研究与实践应用数学、自然科学、经济学、社会学等基础学科的知识，来达到改良各行业中现有建筑、机械、仪器、系统、材料和加工步骤的设计和应用方式一门学科。

实践与研究工程学的人叫做工程师。

在高等学府中，将自然科学原理应用至工业、农业、服务业等各个生产部门所形成的诸多工程学科也称为工科或工学。提出问题：1、工程学与社会有什么关系？2、信息工程有什么特点？本节将围绕这些问题展开！2.3工程学与社会的关系2.3工程学与社会的关系

由于人类社会发展的规模越来越大，由此产生了对工程的需求。1．工程学是人类社会发展的必然结果

（1）原始社会的工具

在早期，人类以小范围的、原始的流动部落的形式生活了几万年。在此期间，人们依靠狩猎、收集植物的果实或植物为生。后来，为了捕捉到更多的动物，人们开始改进狩猎工具，从而开始了最早的工程。如右图所示，是人类在新石器时代制作的工具。

（2）手工艺师的产生

农业生产的发展，生产出了更多的粮食，使有些人可以脱离农业劳动而从事其它的产业或进行相应的“管理”，如木匠、陶工、音乐师、面包师等手艺人；而最早的管理者，可能是那些了解天文知识，他们利用该知识来预测河流是否涨水，从而指导农业从事者进行生产的人，最终发展成为以王国、领地为边界的社会制度（如右图所示）。

（2）工程与工程师的出现

“工程”一词，最先在18世纪由欧洲出现。历史上第一所授予工程学位的学校是成立于1794年法国巴黎的综合工艺学校。（这所学校隶属于国防部门，Enginery武器、机械类）。18世纪下半叶，英国出现了最早的民用工程。如运河工程、道路工程、城市水系统等工程。

在欧洲，“工程师”的称号于16世纪中叶开始出现，其词根来自于拉丁文ingeniare，表示“设计和开发”的意思。

在工业时代，“工程师”赋予了新的含义，要求他们在应用基础数学知识和牛顿运动定律等科学理论的基础上，在设计和分析现有现象、系统及工具中具有创新能力（如下图为汽车工程师制造和装配小轿车）。

国际体育馆（鸟巢），总投资额约为31.3亿元人民币，比最初35亿元的预算造价减少约４亿元，估计30年收回成本。清华大学卢谦教授评价：“蝈蝈笼子”（如下图所示）。

（4）信息工程的出现

在信息化的今天，为了解决资源共享问题，单一计算机很快发展成计算机网络，如万维网，实现了计算机之间的数据通信、数据共享。通信介质从普通导线、同轴电缆发展到双绞线、光缆。20世纪80年代末多媒体技术的兴起，使计算机具备了综合处理文字、声音、图像、影视等各种形式信息的能力，日益成为信息处理最重要和必不可少的工具。

3．典型的工程项目

2．工程与社会的相互作用

科学、技术、工程之间的内在联系，还比较突出地表现在它们与社会之间的相互作用方面。所谓工程的社会性，是指工程与社会之间的相互作用、相互制约和相互影响，以及工程与社会的互动。

从这种影响和互动的总过程来看，一方面表现为工程的社会化。

当代科学、技术和工程越来越摆脱了“纯粹”的形态，与社会诸多方面的联结越来越广、越来越紧密。另一方面表现为社会的科学化、技术化和工程化。

当今人们越来越按照科学、技术和工程的运行模式和操作方式来从事社会性的活动，科学、技术和工程的思维方式越来越多地运用于社会过程，以至社会发展与管理领域出现了许多“社会工程”。（1）工程活动的社会化（2）工程事业的社会化（3）工程作用的社会化（4）作用方向的双向性或多向性（5）作用效果的复杂性或不确定性

在科学、技术和工程走向一体化的同时，它们与社会的关联度越来越高，出现了科学、技术、工程的社会化特征和趋势，主要表现在以下几个方面：

工程学是如何发展变化的？

随着人类社会发展，工程设计如何在演化？

2.4工程设计的演化

早期人类以狩猎为主，采用小范围群居的方式生存。在其晚期，由于食物供应不足，这时产生了第一次变革，即由小范围的、以狩猎为主的生活方式转换为大范围的、以农业生产为主的生活方式，其标志是社会制度为领地制度；2.4工程设计的演化1．从满足基本需求演化到适应文明社会的发展

第二次变革即为大家非常熟悉的工业时代的开始，在此期间，煤作为能源被大量地应用，蒸汽机的出现及其应用是该时期的重要标志；

第三次变革发生在近期，我们称之为后工业时代，有时又称为基于计算机的或基于信息的社会，在该阶段，信息技术的蓬勃发展是其主要的标志。2.4工程设计的演化2．从个人为主演化到团队合作

在工程设计（实现）的过程中，不仅思想和方法发生了根本的变化，同时实现的形式也发生了根本的转变。

在早期，许多技术发明都源于个人的聪明和智慧，但随着社会的分工越来越细，单靠个人的力量已难以完成技术的创新和实现，团队的作用日渐显现出来。例如，中国著名的赵州桥，其设计可能由一个人（李春）完成，但要将该新颖的设计实现，必须依靠广大的建筑工匠（如右图所示）。2.4工程设计的演化-中国工程院殷瑞钰院士说到：“我们在工业化进程当中，工程活动是一个非常普遍的现象，工程活动其实在人类早期就有，我们这个地球先是有自然，一开始是有天地原荒、宇宙洪荒，这个地球逐步进化出现了生命现象，出现了生物的多样化，同时又进化出人类，有了人类才有了地球文明，人又是群居性动物，就形成了社会。

所以从历史上看，在有了人类活动之后就有了工程活动，比方说建房子，在树上搭个窝，在坡上刨个洞，这都是工程。遍尝百草、治病救人，也是工程。是人类依靠自然，同时还要繁衍、生存和发展，这种活动是为了建设家园，为了更美好的生活而进行的有目的的或者是后