【要点】
1.什么是工程科学？工程科学是把基础自然科学和技术科学的原理应用到生产活动和工程实践活动所形成的各种学科的总称。
2.工程科学主要特点是：（1）实用性强，它的任务是做、用、实践，真正解决实际问题。（2）专业性强，它的知识只适用于某一工程技术专业领域，强调只能“做什么”。（3）方法性强，它的功能是实施工程的各种技术手段，工艺方法和技能，突出“怎样做”。
3.工程技术方法是创造和改进人工自然系统的手段和途径。
它是工程技术知识的自觉应用。工程技术方法的研究和运用，对于推动技术开发和技术进步，实现技术现代化和提高工程技术活动的经济效益与社会效益，都有十分重要的意义。
工程科学是关于改造自然的各种专门技术的知识体系。它是把基础自然科学和技术科学的原理应用到生产活动和工程实践活动所形成的各种学科的总称，又称工程学或工学，如冶金工程学、机械工程学、能源工程学、环境工程学和航空工程学等。
第一节工程科学的形成与特征
一、工程学的形成和作用
在工程科学产生以前，人们主要依靠经验技能兴建土木建筑、制造工具和简单的机械。近代科学出现以后，又试图启用力学原理去解决这类问题。后来，人们在工程活动中逐渐认识到，只靠普通的力学原理去设计复杂的工程结构、机械结构，或从物理化学的原理出发去寻找如何进行采掘、冶金、建筑活动的答案是远远不够的；而从工程技术实践摸索出的经验又往往缺乏理论依据。如何把基础自然科学与工程技术联系起来，找到二者之间过渡的环节和结合的中介，如何把工程技术实践经验条理化、科学化，就引起了人们的注意，并导致了技术科学和工程科学的产生。在“基础科学——技术科学——工程科学”三个层次中，抽象性和普遍性渐次减弱，而实践性和特殊性逐渐增强。基础科学（物理学、化学、生物学等）是关于各种人工自然过程的一般机制和原理的学问，工程科学是关于设计和建造特定的人工自然过程的技术手段和工艺方法的学问。三者之间，前者都是后者的理论基础，后者都是前者的具体应用。没有工程科学，普遍的利学原理和技术原理就不可能物化为现实的工程技术。工程科学在整个科学体系结构中占有重要的地位。
二、工程学的特征与分类。
工程科学具有一般科学的特点。与基础科学、技术科学相比，它还独具自己的特征：
（1）实用性强，它的任务是做、用、实践，真正解决实际问题。
（2）专业性强，它的知识只适用于某一工程技术专业领域，强调只能“做什么”。
（3）方法性强，它的功能是实施工程的各种技术手段，工艺方法和技能，突出“怎样做”。
工程科学作为工程技术的知识形态，既是工程实践的理论概括，又是工程活动的直接依据。工程技术活动的过程及其实施的手段和方法，是工程科学的主要研究内容。它包括，特定专业的工程项目的勘察、设计、施工，特定对象的原材料的选择研究，设备和产品的设计制造，以及与之相关的工艺流程和施工方法的研究制定。
物料、能量和信息是构成包括自然系统和人工系统在内的整个物质世界的三要素，获取、转化和加工物料、能量、信息三要素，拟定的人工技术系统，是工程的对象，工程科学按工程对象可以分为4大类：
（1）获取、变换和加工物料的工程学，例如开发自然资源并改变其外观形态和位置的采掘工程学，改变物料和产品空间位置的运输工程学，改变物料成分、结构、属性和功能的材料工程学，改变物料几何形状、尺寸、机械性质并成为产品的机械工程学、建筑工程学和纺织工程学等等。
（2）获取、交换和加工能量的工程学，如提炼、加工煤、石油和天然气的燃料工程学，有效地转换配置形态的动力工程学，实现能量和燃料空间传输和分配的输变电工程学、油气输送管道工程学等等。
（3）获取、变换和处理信息的工程学。如通过信息调节技术系统的控制工程学，空间传播信息的通信工程学，分析处理科技、社会信息的情报工程学等等。
（4）研究、设计和建立系统的工程学。作为横向方法性学科的系统工程，撇开具体的物质运动形态，抽象地研究系统整体的结构和功能，并借助电子计算机等手段对系统进行优化处理，因此具有非常广泛的适用性，它已应用到各种工程领域以及经济、科技，社会的规划、管理诸方面，形成一系列系统工程学的分支学科，如工程系统工程、管理系统工程、科研系统工程、经济系统工程和社会系统工程等等。
三、工程学进展
工程这一概念是随着生产、科技和技术实践的发展而出现的。在古代，由于军事上的需要，城市要构筑防御性的城墙、工事和堡垒。制造弩炮、浮桥和云梯等军用器材，从事这些活动的设计者就是军事工程师。工程最早仅与军事上的防御工事和兵器相关，即军事工程，后来，出现了民用工程师，即土木工程师，他们设计建筑物、筑路、浚河，从而产生了土木工程。18世纪，由于工业的迅速发展，尤其是产业革命的兴起，一方面提出各种各样的技术需要；另一方面新的机器、动力和材料大量出现又提供了新的技术手段和条件，使工程的范围日趋扩大。19世纪至20世纪上半叶，生产力有了迅速发展，经济实力增长，电磁学、微观物理学和结构化学取得重大突破，加上两次世界大战的刺激，军事工程、动力工程和化学工程等更加大型化，还出现了无线电工程、原子能工程、计算机工程和高分子材料工程等新的工程领域，对无机自然界的物料、能源和信息进行转化和加工的工程得到系统的发展，20世纪50年代以来，工程的对象又从地面扩大到空间，产生了开发利用宇宙空间和人造天体的航天工程、空间工程；从陆地扩大到海洋，出现了开发利用海洋生物、矿物、能源和动力的海洋工程；而且从无机自然界扩展到生命自然界、人体以至社会、思维领域，涌现出一系列的新兴工程，如生物工程、人体工程、医学工程、系统工程、控制工程、智能工程、教育工程和管理工程等，现代工程范畴已经大大地丰富和深化了。
四、工程实践活动
工程的本质在于有目的地运用自然规律来能动地变革自然和创造人工自然，从而为人类服务。工程活动包括三个要素，（1）工程目的——满足人的生产、生活和其他方面的一切社会需要；（2）工程对象——物料、能量、信息及三者统一的人工自然系统，广义上还应包括社会系统和思维系统；（3）工程手段——规划、设计和实施工程的各种科学知识、技术经验、物质工具和工艺方法等。
工程活动作为一种特殊的劳动过程，是人运用科学原理和技术手段，设计和建造人工系统，从而调节和控制人与自然之间的物质、能量、信息交换过程。现代工程的活动过程，主要包括两个阶段，首先要根据社会需要和自然资源的状况，运用已知的科学原理和以往生产实践的技术经验，规划与设计工程方案和技术系统；然后根据设计的技术要求和工艺规范，选择采用各种物质设备和技术手段，实施和建造该技术系统，使技术模型变为人工自然实体。
人们通过工程实践，开掘矿山、构筑堤坝、劈山凿岭、浚河修路，使城市、工厂、农田成片，管道、电线、道路成网，大规模地改变了不利于人类的地理条件，大大增加了人工结构物在自然界中的相对规模，使社会的空间（人工自然）达到与自然的空间（天然自然）相比量的程度。与此同时，由于受技术条件、社会条件和认识程度的限制，工程活动也会在一定程度上甚至严重地损害和破坏人类赖以生存的自然环境，因而要求人们改变社会条件，深化科学认识，采取有效的技术措施合理地进行工程活动，包括设计和实施生态工程来控制和协调人类、社会、自然之间的关系。
工程与技术、生产、工业诸范畴之间，既有联系又相区别。
工程与技术同属于改造自然的实践范畴，但前者是改造自然的一种实践活动和建造实施过程，包括目标的实现或结果；后者是这种活动的手段和方法。技术是工程的基础，工程是科学技术的实际应用，工程的发展大大扩展了技术的用武之地，并推动了技术的革新和进步，工程与生产亦同属于改造自然的实践范畴，但工程并不仅限于物质生产领域，其范围有别于工业，运输工程、通信工程、军事工程、航天工程、医学工程、环境工程和登月工程等均不以直接创造产品为内容。也有与工业活动相联系的采掘工程、冶金工程、机械工程、化工工程和动力工程等，但作为工程既要包括工程研究和工程设计（属于精神生产），又要包括实施和加工制造（属于物质生产）。因而，工程既与工业相关，又不等同于作为物质生产部门的工业。通常，工程是指规模较大的研究、设计和实施的过程与活动，即工程系统。
第二节工程设计
工程设计是指为满足特定的需要，运用科学技术知识和方法，制定出可付诸实施的具体方案的活动。工程设计是科学技术知识转化为生产力和工程应用的过渡环节，是实现技术发明，研制、试验推广、建设的重要步骤，兼具认识活动和实践活动的特点。它要探求如何实现特定的技术设想，并要作出可行的、可靠的实施计划和方案。对设计方法的研究是工程技术方法论的内容。
一、工程设计的领域和类型
工程设计的领域非常广泛，从土木工程、建筑工程和机械工程等传统领域到电子技术、计算机技术和生物工程等新兴领域，都需要工程设计。
工程设计的类型有很多，按设计对象的性质来划分，有产品设计和过程设计，前者是设计由空间上相互联结的部件组成的人工物品，后者则是设计按时间序列安排的工艺程序，按设计活动的主要目标来划分，则有功能设计、结构设计和外观设计，按对象规模大小又可分为系统设计、单项产品设计和零部件设计等。
按设计成果的先进程度和新颖度，工程设计可划分为独创性设计（发明）、改进性设计（开发）和模仿性设计（仿制）。
二、工程设计的任务和要求
工程设计是一种复杂的智力活动，是人们通过创造性思维和批判性判断来发现和解决工程技术问题的活动。工程设计的任务主要不是探索和发现现有事物的性质和规律，而是对创造尚未存在的有用事物的构思，是人类改造自然活动的一个重要环节。一般说来，任何一项设计都要根据科学技术状况和社会需要确立明确的目标，并在设计过程中不断参照这些目标改进设计方案，运筹设计所需的人力、资金和进度。设计问题通常是相当复杂的，往往涉及自然、社会、经济、法律、生理和心理等诸多因素，因而要求设计者综合运用数学、各门自然科学、社会科学和艺术方面的知识。尽管现代科学已经为工程设计提供了理论基础，但是单凭理论分析仍难以有效地解决工程技术设计中面临的极为复杂的问题，设计的边界条件，各种性能参数的确定常常离不开经验的估计以及反复的试验和观察，根据大量经验作出判断，是工程设计方法的有机组成部分。一般地说，工程设计所要解决的问题通常是开放性的，不存在唯一正确的答案，解决同一问题可以有多种方案，需要根据技术原理、应用条件、服务对象和自然资源等约束条件来确定各种方案的有效性。可供选择的设计方案越多，相互之间差别越大，从中选出满意答案的可能性就越大。
三、工程设计的作用
工程设计具有以下几方面十分重要的作用：（1）工程设计从直接生产中分化出来以后，就不再囿于个别生产劳动者的狭隘经验，从而为科学应用于生产创造了条件，使分散的生产经验条理化，科学化，上升为有科学根据的设计规范，同时把科学成果同社会经济因素和加工制造条件结合起来，使科学发明具体化、产品化。（2）工程设计能预见生产和工程应用的过程。工程设计是在实际生产之前以观念形态（如图纸、说明书）创造出工程产物，设计人员通过深入思考、精密计算以及反复论证、试验和改进，力求预先解决影响工程产物的质量、成本和安全等因素的技术问题，为生产特定产品提供先进、经济、合理、可行的设计方案，从而避免了工程实践的盲目性。（3）工程设计有利于组织技术实施和生产劳动。工程设计中编制的设计说明书和工艺规范是施工和加工制造的依据，实际生产必须按照工程设计的要求来添置机器设备和工具，选购原材料，安排工艺过程和生产线，同时这些文件也是工种的组合、劳动力的分配、劳动定额的制定、预算和财务的管理等工作的基本依据。没有专门的工程设计，现代化大生产的组织管理是不可想象的。