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“工程师象征了 20 世纪。没有他们的聪明才智，以及他们在我们生存所需的物质方面的设计、工程和生产中所作出的巨大贡献，我们现代的生活绝对不会达到目前这样的水平。”斯隆（Alfred Sloan）这样写道。他取得了大学工学学位，在白领职业生涯中一路升迁到通用汽车公司总裁的职位。胡佛（Herbert Hoover）原是一名矿业工程师，他职业生涯的顶峰是美国总统，正如他所评论的那样，工程技术不但提高了社会的物质文化水平，而且也满足了个人的生活需要。他说：“这是一种伟大的职业。它的魅力在于：凭借科学的助力，目睹虚构的想象跃然成为纸上的蓝图，然后变成实实在在的石料、金属或能源，给人们带来工作和住所，从而提升生活的水准，增进生活的舒适。促进这一过程的实现，正是工程师们的很大特权。” 1
工程技术是生产的艺术和科学，而生产加上再生产，是人类最基本的活动。作为一门实用技艺，它随着人类文明的出现而兴盛。遍布世界各地的纪念碑即使成了残存的废墟，也足以展示古代建筑师们的心灵手巧。近代工程技术和近代科学一起发蒙于17世纪的科学革命，借助科学的理性和知识的力量提升了传统的工艺水平。它直接参与了物质生产，在其中起了核心作用，一端融合着研究和开发，另一端则融入工业与商贸。科学、工程技术和商贸一起组成了技术发展的主要发动机，它们的产物早已渗入我们日常生活的方方面面。本书着重阐述工程技术，但没有忽略它与其他两方面的交叠和结合。到底工程技术的思想与实践拥有怎样的特点，以至于使它能如此有效地推动技术的发展呢？它们与自然科学的关系又是如何？工程师们在设计一个系统时会考虑到哪些因素呢？他们的决策是怎样塑造技术革命的呢？
工程技术作为一种创造性和科学性的活动，它通过改造自然以服务于大众的需求和愿望，具有自然和人为的双重维度。工程师为了能够有效地改造自然，需要对自然界的现象和规律了如指掌，因而他们利用了自然科学的内容和标准。为了确定什么样的改造过程才合乎要求，需要懂得人性和社会经济的各种因素，所以工程技术又在它的实用性和服务性的使命上超越了自然科学。工程师所从事的工作涉及人和事，势必把自然和人结合在一起。他们通过发展物质技术来掌握一般原理，提取物质，创制工具，设计产品，并为有效的制作和操控而设计工艺流程。他们也开发组织技术来分析目标，评估成本和收益，受条件所限衡量各种因素，在相关各方之间通过协商达成共识，规划工程项目，以及协调生产过程中的劳动力。物质的和组织的两方面互相渗透、互相强化，从而提高了工程、技术和社会福利的水平。
在过去的一个世纪里，工程技术得到了非凡的发展。它的科学尖端性随着它所创新技术的复杂性而水涨船高。它的管理学和社会学视野随着生产范围和技术风险的扩大而不断拓宽。工程师们致力于科学、设计和领导，在发挥专业的物性和人性力量方面施展身手。通过这些活动，他们增进了知识，改进了仪器和组织结构，这些方面都是技术的主要宝库，体现了社会的科学生产能力。
工程技术是科学的。它的首要方面，即科学，非常接近但又不等同于自然科学。电气工程师布什精辟地阐述了两者的关系，他在1945年向美国总统递交了一份报告，题目是《科学——无尽的前沿》，提出了建立美国国家科学基金会（NSF）的愿景。他在另外一篇文章中写道：“在工程师与科学家的所有关系中，工程技术与其说是科学的产儿不如说是科学的伴侣……虽然每个人都知道工程学是用于将科学转化为技术的，但不是每个人都知道工程学也在做着正好相反的事情，即将技术转化为新的科学和数学。” 2 科学家们十分清楚这一点。物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在他的革新了电磁理论的论文中承认：“电磁学在电报技术上的重要应用，反过来也促进了纯科学的研究，因为它既使精确的电学度量具有了商业价值，也使电学家们得到了在规模上大大超过任何普通实验室使用的一系列仪器设备。由于对电学知识的迫切需求，也因为在实验上有机会获得它们，电学硕果累累，不论在激发杰出电学家的活力方面，还是使具有一定精确性的知识渗入实用型人才的知识体系中，都已经取得了巨大进展，这很可能有利于整个工程学专业领域总体科学水平的提高。” 3 这段话是在1873年说的。从那时起，科学和工程技术的合作关系越发强劲，以至于常常被美国国家科学基金会看作是一个整体。
自然科学家发现前所未知的东西。工程师创造前所未有的东西。两者都是大胆地走在前人从未走过的道路上，但是两者又具有各自的原创性途径。随着过去50年中研究成果的不断增多，工程师们已经发展出了工程科学，不论在目光的长远、视野的宽阔、分析的深度，还是在创新性水平、研究的严谨性、认可的标准方面，都拥有能够与科学相媲美的连贯自洽的知识体系。在工程科学的发展过程中，工程师们既不刻意模仿自然科学家，也不轻易忽视他们的存在。工程师主要揭示和提炼生产活动中内蕴固有的独立逻辑，与之同等的是，亚里士多德（Aristotle）和伽利略（Galileo）分析和处理纯研究领域中的逻辑。独立性并不是偏狭性。工程师和自然科学家可以有不同的动机和关注对象，但是他们分享了共同的人类心智和物质世界。他们有共同的知识、方法和思维方式，其中包括数学和仪器设备、理论构架和受控实验，以及研究与开发。在许多工作领域，他们的合作是如此紧密，以至于要想严格区分两者是十分困难的。由于持续增长的知识不断冲破各种学术门类的原有界限，以及社会越来越需要科学研究带来有用的成果，自然科学和工程科学领域的重叠部分也与日俱增。遗传工程学占据了生物学大部分的前沿学科，纳米技术隐约预示着未来化学的发展方向。随着 21世纪曙光的降临，学科大综合的趋势正在加快，学科间的交叉研究犹如雨后春笋般不断涌现。
工程科学拓展了知识，设计研制了特殊功能的仪器和系统，与此同时，它所涉及的领域也从人们日常使用的物品和服务扩展到能源、通信、运输、公共卫生和国防等社会基础设施方面。设计并不是工程技术的唯一方面，但却是它极其重要的方面。精良仪器的设计对自然科学来说至关重要，但它是服务于获取知识这一中心目标的。在工程技术领域中，强调的侧重点正好相反：设计成了中心目标，需要科学知识为它服务。工程技术的设计富于创造性和想象力，尽管它总是被许许多多的条件所限制，而这些条件是预期的产品所要满足的。设计包括从在开发中提出某个系统概念，到该产品的生产计划的各个程序。在这个过程中，工程师既要关注该系统的整体性能，又要关注构成它的每一个要素，直至最微小细节的运行情况，同时不能忽略系统运行所处的飘忽不定的外界环境因素。为了确保产品使用的可靠性和安全性，他们千方百计地预计种种可能的问题，并事先加以预防。没有任何科学原理能够囊括所有变化不居的现实问题，所以设计工程师必须既要具备高超的数学能力，又要具备实践洞察力和技术诀窍的明晰知识。洞察力和经验源于设计的实践活动，而一旦经由仔细观察、研制开发和系统化，便成了崭新的科学工程技术知识。航空工程师温琴蒂（Walter Vincenti）在他的设计认识论的开创性研究中谈到，大批的工程师“在从事设计工作，而正是在设计方面，他们所需要的许多工程技术知识，起源于一种直接的技术灵感”。 4
设计类似于发明。然而在创造技术方面，工程师不仅仅是在发明，他们还要创新。创新所包括的全过程是：从看出创新的必要性，经过设计与生产把新颖的主意变成大规模的使用和经济上的回报。创新，有着广阔的前景，需要有技术和社会两方面的敏锐洞察力。比如说，设计和建造一个地铁系统，即使资金足够，其服务的（或者受其影响而带来不便的）社会共同体也是分为各种各样的人群，更别提政治家、环境保护人士以及与之相关的其他种种利益集团了。工程师必须仔细倾听他们的意见，同他们协商所有相关的问题，其结果将会影响地铁系统的设计，诸如站点的布局等。接下来的建造过程，会牵涉更多的社会群体，从上班族、承包商到诅咒绕道之苦的司机。在这里，组织技术的重要性昭然若揭，不易误解。
已建的工程系统都是货真价实的，具有实实在在的社会后果。在处理错综复杂的技术时，工程师们肩负着艰巨的社会责任，他们在提高人们生活条件的同时，还要承担偶发事故、遭人指责和负面效应的各种风险。为了迎接挑战，他们将视野扩展到社会需求、政府法规以及对环境的各种影响等方方面面。他们还必须戳破媒体天花乱坠的宣传和意识形态的巧言辞令，从而向公众解释清楚各种现实因素，帮助人们评估相关的重要性，掂量风险，权衡利弊，对与技术相关的公共政策作出理智的选择。为了能胜任这些任务，工科院校正在加强有关社会的与交际技能方面的教学。许多工程师都赞成他们的同行奥古斯丁（Norman Augustine）所说的话：“工程师必须像擅长处理重力和电磁力一样地善于处理社会的和政治的力量。” 5
物性和人性的双重因素，以及科学、设计和领导这三个方面，为我们探究工程师这一职业提供了一个大体框架。这种多维框架并不意味着每个工程师都是所有这三个方面的专家。工程学是一个十分浩大而又门类繁多的领域。在美国，有 200 多万名在职工程师，100 多个行业学会，涉及机械、信息和其他各种各样的技术领域。技术的高度复杂性势必造成脑力劳动中的社会分工。因此，工程科学家主要关注于研究，工程企业家和工程管理者主要关注于组织，而大部分的工程师主攻设计和开发，其中很多都是工程技术的核心部分。但是，这种主攻不是一成不变的。从事某一个方面工程技术的工程师，尽管对其他两个方面业务不是很精通，但也都得有所了解。工程科学家并不把自己束缚在象牙塔里，设计工程师也不仅是技术人员，工程管理者也不仅是负责统计数字的专家。他们都是创造和推进技术的工程师。土木工程师克拉克（Frederick Clarke）把广义的工程学很适当地描述为：
“它负有微妙而艰难的使命，要把科学抽象转化为世俗生活中的实践语言；这也许是世界上要求最为全面的任务。因为它需要理解 两个 不同的领域——不仅有科学赖以安身立命的纯理论，还有人类社会中所有复杂事物的目标、动力和渴望。工程师必须同时是一位哲学家、人文主义者和精明务实、身手不凡的匠人。他必须是一位足以知道应该 信仰 什么的哲学家，足以知道应该 追求 什么的人文主义者，以及足以知道应该 制作 什么的工匠。” 6
本书描绘了工程学的巨幅画面，而关于复杂话题的大画面必然是粗略的、不完整的。没有任何一项单一工作能够涵盖、哪怕只是概述像工程学这样丰富多彩的领域，它拥有伸展到技术世界所有角落的无数分支：航空和航天、农学、自动化、生物和生物医学、化学、土木和结构、计算机和软件、电力和电子、环境、工业、航海、材料、机械、采矿和石油、核能、系统控制，以及其他许多方面。为了提炼它们的总体特征而不忽略它们的所有细节，在这里我主要依靠概念和案例的综合。
本书包括了两部分的内容，每一部分都有三章的篇幅。其中第二、第三、第四章审视了工程学的历史和社会经济的渊源；第五、第六、第七章分析了工程学的内容及对技术的贡献。书中的这两个部分，分别采用了以案例引出概念的方法和以案例说明概念的方法。历史部分以叙事为主，但是历史事件往往表现为可导出工程技术各种概念的事例，而这些概念散布在叙事之中。例如，把化学工程的出现阐述为证明工程技术如何沟通科学和工业的例子。具体内容部分先是概要地解释了每一个论题的中心概念，然后立即从工程学各类分支中选择事例来说明这些概念。例如，系统工程的结构——从引出要求到具体设计——是通过两个飞行器的开发项目来分析和说明的。正是采用这种方法，我们不仅可以了解工程学的总体情况，还能够了解其中每一个分支的具体专业情况。这些特定的例子都阐明了议题中的一般概念，同时也获得了更为宽泛的意义。
关于历史部分的章节，包括智力的和社会的两个方面。第二章、第三章涉及智力发展史，从有关技术、工程和科学的概念的历史演变开始叙述。在狭义工程学的历史方面，我集中介绍了四个主要分支：土木、机械、化学、电气与计算机。在每一个分支中，我都力求描述那些与其他分支共同具有的一般性论题，例如，数理分析与理性经验论，确立各种科学基础，以及创建各种新的产业等。我希望它们能够充分地表达工程学发展的观念。
第四章 描述了工程师及其组织的社会地位的提高。从介绍自学成才的先驱者开始，追溯专业学会、大学本科生和研究生教育、研究型大学和工业实验室的出现历程。以美国经济作背景，阐明工程学的贡献及其对工业组织的影响。
在本书后半部分的三章篇幅中，深入研究了工程学的技术和专业内容，分别集中阐述了工程学的设计、科学和领导方面。在第五章，一开始就分析工程师和自然科学家所共有的几种一般思维方式，然后从两个不同的衡量标准来考察设计。从小的范围来看，举出若干例子说明了各位发明家在思考过程中的启发、判断和辨明过程；从大的范围来看，采用技术系统的广义观点表述了系统工程的设计原理。个体思维除了惯有的未明确说明、凭直觉获知外，还是私密性的。系统工程学则不然，它拥有可清晰表述的、系统化的和综合性的扎实常识，而且能够应对复杂的情况。原本它是为了推进实施大型工程而发展起来的，它的理念现在对个体设计工程师也同样有用。
第六章 把工程科学看作内在自洽的知识连贯体，并且论及诸如“为什么数学在这里会如此有效”这样的认识论问题。工程科学大致可以分成两种类型：一是 系统 类，例如信息论等；一是 物理 类，例如流体力学等。系统科学对工程学来说是内生固有的，而物理类的工程科学，包括了在相对应的自然科学中所没有的新颖概念。工程科学的优势之一就是它的综合能力，凭借这个优势，它们能够从各种不同的学科中综合出基本原理来，并把这些基本原理应用到广泛的实际问题中去。对于纳米技术和生物工程的未来发展而言，它们的作用至关重要。
第七章 探讨了工程师是如何从事商务活动和如何接触社会的，他们所面临的道德问题是什么，以及为什么技术因素常常会被其他要考虑的因素所削弱。在这里，他们职业的人性方面凸显出来了。工程师在管理私人企业方面起到了重要的作用，同时在形成公共政策方面也有着次要但不可忽略的作用。作为风险技术的管理人，他们在与日俱增的社会职责和职业责任的压力下从事设计，不得不兼顾可靠性、安全性、环境友好性以及可持续性等因素。由于在全球不断膨胀的人口中大部分人的生活水准提高了，而自然资源又非常有限，这些任务因而变得越来越具有挑战性。只要可持续发展仍然是一个有价值的目标，工程学的前沿就永无止境。