在理解的半影中工作

By 威廉年代. Hammack, 约翰L. 安德森

从本质上讲，科学和工程有不同的目标，因此也有不同的方法. As 西奥多·冯Kármán, 这位工程师在1962年获得了第一枚国家科学奖章, 把它, “科学家研究世界的本来面目, 工程师创造了一个前所未有的世界.“工程师通过创建工件或系统来解决问题, 通常是在科学认识和公众确定需求之前. 工程实践是由过程定义的，而不是由一个人的研究领域定义的.

理解和加强工程的独特过程变得至关重要，因为国家寻求重新设想科学和技术政策，以解决重要问题，并推动未来的经济竞争力. 对工程独特过程的认识当然应该是基础设施投资等重大项目规划中不可或缺的一部分, 但也必须考虑到 提议在国家科学基金会设立新的理事会. 英皇娱乐官网app-英皇娱乐官网appv5.6.7最新版下载-apple app store-英皇制造智能创新科技有限公司排行榜认为, 理解创新意味着什么，以及如何利用创新实现国家目标, 理解工程学的观点是至关重要的.

区分科学方法和工程方法

也许工程师视角最显著的特征是知识在实践中的应用方式. 工程师用来创建工件和系统的方法——从蜂窝电话, 电脑和智能手机, 以及GPS到遥控器, 飞机, 而仿生材料和设备，与科学家在工作中使用的方法不同. 科学的方法有一个规定的过程:提出一个问题, 观察, 陈述一个假设, 测验, 分析, 和解释. 它不知道会发现什么，会揭露什么真相. 与此形成鲜明对比的是, 工程方法以一个特定的目标为目标，不能被简化为一组必须遵循的固定步骤. 事实上，它的力量恰恰在于没有“必须”.作为机械工程师 比利·沃恩·科恩说过“工程方法就是运用。 启发式 在现有的资源范围内，在人们知之甚少的情况下做出最好的改变.”

工程方法以一个特定的目标为目标，不能被简化为一组必须遵循的固定步骤. 事实上，它的力量恰恰在于没有“必须”.”

一种启发式, 或者经验法则, 是否使用不精确的方法作为找到问题解决方案的捷径. 这个概念是如此古老和普遍，以至于几乎每种语言似乎都有相应的术语:而在英语中，英皇娱乐官网app-英皇娱乐官网appv5.6.7最新版下载-apple app store-英皇制造智能创新科技有限公司排行榜说的是拇指, 在法语中是鼻子, 德语中的拳头, 在日语中是“用眼睛测量”,用俄语说"用手指.在实践中, 它是任何看似可以帮助解决问题，但从科学或哲学角度来看不合理的东西, 要么是因为它不需要，要么是因为它不能通过结果来证明. 专业技能, 决定性的特征, 工程的伟大创造力都在于找到实现目标的正确策略——在将导致解决方案的启发式方法中进行选择和组合, 不管是否存在深刻的科学理解.

利用这种独特的视角为国家科技政策服务的一个障碍是科学发现的流行观念, 当工程应用时. 这种感知, 除此之外, 是否会导致资金流向值得头条报道的“突破”，而不是真正的创新 沃尔特·文森特恰如其分地画了漫画 in 1990. “现代工程师,他说, 被视为从科学家和, 通过一些偶尔戏剧性但可能在智力上无趣的过程, 用它来制作材料工艺品.这种传统的科学与工程关系的“线性模型”——由 Vannevar Bush的战后宣言， 科学，无尽的边疆(1945), 联邦基础研究基金的基本文件表明工程学只是应用科学. 在这个视图中, 另一些人观察并解释了一个现象，然后工程师才用它来创造一些东西.

但事实是工程经常 之前 科学. 19世纪提供了大量的例子. 这一时期的科学观察最终导致了对世界的新的科学认识, 从化学和医学到电磁学和量子物理学. 但在这些新知识形成之前, 工程师们利用这些学科的原理来改变世界, 如几个例子所示. 化学家合成了长橡胶状分子, 但当他们对这些粒子的性质感到困惑时, Hilaire Bernigaud纺了数英里的“霞多丽丝”——第一种合成纤维, 更广为人知的名字是人造丝. 类似的, 科学家发现通过电缆的电流可以控制磁针, 当时的理论无法解释这种令人困惑的现象, 工程师们在海底建造了巨大的电报系统. 1873年，威洛比·史密斯在海底电缆工作时观察到了硒的光导作用. 这种现象使物理学家迷惑不解, 但1938年，一位工程师利用玻璃态硒的光导性能制造出了一台复印机——这比科学家们完全理解非晶态材料的光导性能早了大约30年.

这些例子说明了, 把工程学看作应用科学就是把工具和方法混为一谈. 有人可能会认为，随着科学在19世纪以后的发展, 它压倒了所有的不确定性，用第一性原理的坚定计算取代了工程学的启发式. 事实上，这类事情并没有发生，因为随着科学知识的进步，工程也在发展 除了 这些知识. 因此，科学与工程之间的关系是互补的, 协同, 和必要的. 科学实践和知识为工程师提供了镀金的材料, grade 一种启发式s that work better than those based merely on observation or long periods of trial and error; but this scientific knowledge does not explain how to design or 创建 an artifact or a system. 反过来，科学家们利用工程产品进行调查和发现.  

工程的目标定位

工程视角的另一个显著特征是它专注于实现特定的目标. 这种倾向在手机的发明和发展中得到了体现. In 剪断绳索，马丁·库珀阐述了愿景 他和他的摩托罗拉同事所拥有的东西超越了当时的科学技术:任何人都可以使用手持设备直接与世界上任何地方的任何人交谈. 出现了许多技术障碍, 包括对电磁波在地球大气中传播的有限的基本科学了解, 缺乏构建环境和多用户的蜂窝网络, 此外，手机本身也缺乏小型化所需的高密度集成电路. But the Motorola team was not deterred by these challenges; they developed both the scientific understanding and the electronic components needed to produce the first prototype handheld device (the DynaTAC), 库珀在4月3日用它打了第一个手机电话, 1973. 难道这些工程师是在等待相关科学的发展和小型化集成电路的开发吗, 手机及其后代智能手机的出现将被推迟几十年.

随着科学知识的进步，工程也在发展 除了 这些知识. 因此，科学与工程之间的关系是互补的, 协同, 和必要的.

工程目标导向的另一个例子可以在最近50年的前沿和仍在发展的科学中找到:分子生物学. 破译嵌入在DNA中的生命密码打开了一个关于生物体如何工作的深刻而丰富的知识宝库. 随着理解的加深, 科学家们开始对定制酶感兴趣, 大自然的催化剂, 处理超出自然分配的任务. 但复杂性阻碍了进展:一种酶大约由500个氨基酸组成, 大约有20种不同的氨基酸, 也就是说有20个⁵⁰⁰ 酶长度的氨基酸的可能组合——一个令人难以置信的大数字, 远远超过宇宙中原子的数量. 在天文学的各种可能性中寻找新的有用组合的努力使科学家们感到困惑, 弗朗西斯·阿诺德, 化学工程师, 创造了降低燃料生产环境成本的酶, 药品, 和化学物质.

阿诺德决定，她需要在工业过程条件下工作的酶，而不是在自然环境下工作的酶. 来创造这些新的酶, 她开创了“定向进化”的方法,这并不需要对氨基酸序列如何编码酶的功能有基本的了解. 她的第一个工程酶是由一种能让人类消化牛奶的酶合成进化而来的. 这些酶在小肠富含水的液体中很好地发挥作用, 但当阿诺德把它们放在一种叫做二甲基甲酰胺的有机溶剂中(类似于脱漆剂), 它们不再“消化”牛奶蛋白质. 为了解决这个问题, 阿诺德通过创造这种酶的变异版本来模拟进化, 改变一两个氨基酸, 然后测试它们的功能. 这些改良的酶大多不能消化牛奶蛋白质, 但也有少数人成功了, 至少部分是这样. 她选择了最好的新酶，创造了它的变异版本，并再次进行测试. 经过十轮突变和选择在越来越高的溶剂浓度, 她设计了一种酶，这种酶在恶劣的化学环境中几乎和原来的酶在水中一样有效.

阿诺德的定向进化理论遭到了科学家们的抵制, 谁抗议她的工作不是科学，因为它没有有助于理解蛋白质的功能. 她回答说，她的目标是作为工程师的指导原则“快速得到有用的结果”.“当 她获得了2018年诺贝尔化学奖 为了这项工作, she elegantly stated a key attribute of 工程 practice: “A wonderful feature of 工程 by evolution is that solutions come first; an understanding of the solutions may or may not come later.对酶的深刻理解还没有实现:“即使在今天。,她说, “英皇娱乐官网app-英皇娱乐官网appv5.6.7最新版下载-apple app store-英皇制造智能创新科技有限公司排行榜很难解释”她进化出的酶是如何工作的. 这清楚地提醒英皇娱乐官网app-英皇娱乐官网appv5.6.7最新版下载-apple app store-英皇制造智能创新科技有限公司排行榜，随着对宇宙的认识不断扩大, 工程师总是在前沿，在理解的半影中工作, 在哪些方面的进步改变了确定性和不确定性之间的界限.

“A wonderful feature of 工程 by evolution is that solutions come first; an understanding of the solutions may or may not come later.”

在可解决问题的边缘工作并超越现有的科学知识是工程学的原因. 在没有完全科学理解的情况下设计一些有用的东西，这表明工程师在工作. 工程师通常不会等到科学家彻底理解一种现象，因为公众不能等待科学的到来. 在缺乏完整信息的情况下, 几个世纪以来，工程师们一直在创造结构, 设备, 还有彻底改变世界的系统——穿越大洋的飞机, 救命的药, 玻璃钢塔, 锂动力手机, 蜂窝网络, 以及在太阳系外飞行的宇宙飞船. 所有这些以及更多的东西都是由人类最强大的解决问题的方法创造出来的:工程方法.

促进科学之间更好的联系, 工程, 技术的发展要求公众和政策制定者更清楚地了解工程的这些方面. 他们没有得到充分赏识的一个原因是工程学已经如此成功. 这是优秀工程的标志, 毕竟, 它经常是隐形的:公众简单地认为飞机飞行是理所当然的, 炉子和计算机网络可以工作, 疫苗是安全的, 建筑依然矗立. 另一个原因是线性模型仍然是大多数学术研究的主流思维. Venkatesh Narayanamurti最近指出 这幅画是“错误的”,，呼吁用“科学和工程方法的结合”来取代线性模型,“既不领导，又互相加强。.”

将这种扩大的非线性创新意识与每个工程解决方案都是独特的认识结合起来，可以成为科学政策愿景的基础，从而灵活地适应解决社会最大问题. 工程学方法的目标是一架飞机, 一台电脑, 一个大教堂——但它没有规定的流程，所以很少有整洁的地方, 有序的, 以及工程解决方案的完整解释. 将资金分配给特定机构或设施的政策模型可能会错过工程带来的独特创造性工具. 工程方法最好被描述为一种态度或方法, or even a philosophy of creating a solution to a problem; the same person can act as a scientist and an engineer on the same day.

“技术”的模糊含义

利用工程学独特视角的最后一个障碍是 安娜·哈里森指出最大的问题是，“技术”一词往往包含和模糊了工程师的工作. 其实，技术才是 结果 从工程，科学和商业的方法.

这是优秀工程的标志, 毕竟, 它经常是隐形的:公众简单地认为飞机飞行是理所当然的, 炉子和计算机网络可以工作, 疫苗是安全的, 建筑依然矗立.

的 历史学家利奥·马克思阐述过 这个词如何模糊了区别和细微差别. 例如，英皇娱乐官网app-英皇娱乐官网appv5.6.7最新版下载-apple app store-英皇制造智能创新科技有限公司排行榜所说的“铁路技术”究竟是什么意思? 英皇娱乐官网app-英皇娱乐官网appv5.6.7最新版下载-apple app store-英皇制造智能创新科技有限公司排行榜可能指的是辅助设备堆场, 桥梁, 隧道, 高架桥, 信号, 还有数英里的轨道，或者是代表着大量资本投资的商业办公室, 或者是制造火车所需的专业知识, rails, 和电报, 或者是规定轨道轨距或设定标准时区的制度性法律. 马克思总结说:“当从这个概括性的层面上引用 技术 几乎完全是空的.”

“科学和技术”这个短语也可以这样说.对独特的工程视角的理解不足，会产生对“科学和技术”不切实际的期望，并有可能对整个科学-工程-技术事业失去信心. 它还可以将工程选择与公众监督和理解隔离开来，从而导致产品和系统不能为所有人服务. 人工智能研究人员Safiya Umoja Noble和 凯特·克劳福德 在缺乏社会科学输入的情况下，搜索引擎如何反映嵌入的偏见. 正如Noble解释的那样， “英皇娱乐官网app-英皇娱乐官网appv5.6.7最新版下载-apple app store-英皇制造智能创新科技有限公司排行榜需要人们为社会设计技术，对边缘化人群的历史进行培训和教育, 至少, 英皇娱乐官网app-英皇娱乐官网appv5.6.7最新版下载-apple app store-英皇制造智能创新科技有限公司排行榜需要他们与受过严格训练和准备的社会科学和人文学科的人一起工作.社会科学迫切需要为科学家和工程师提供信息，以避免他们的发现和创造带来意想不到的后果，并为他们指明社会效益的方向.

工程的价值和未来

将资金分配给特定机构或设施的政策模型可能会错过工程带来的独特创造性工具.

由于这些原因, 国家政策必须更多地关注工程学所能提供的东西, 作为创新的独特方法和核心组成部分. 将工程简单地理解为应用科学扭曲了科学知识和工程实践之间的协同关系, 这意味着工程师们必须等待科学的指引. 在现实中, 工程响应需求, 不仅仅是科学家的发现, 而且它经常以一种基础科学家无法做到的方式在前沿发挥作用——在科学理解赶上之前引领这条路. 对工程学的扭曲看法也会掩盖是什么让这个领域如此令人兴奋和富有创造性, 这可能会阻止最优秀和最聪明的人从事工程事业，从而使社会失去下一代有创造力的创新者——应对当地和全球挑战(如减缓气候变化)所需要的工程师, 控制大流行病, 避免饥荒, 还有其他未知的需求. 下个世纪的任何科学政策都必须确保英皇娱乐官网app-英皇娱乐官网appv5.6.7最新版下载-apple app store-英皇制造智能创新科技有限公司排行榜继续培养工程师, 正如von Kármán所说, 将“创建 一个从未存在过的世界.”