4.2 工程的学科领域

4.2.1 土木工程

Jose Medem Sanjuan

概述

土木工程师能为社会提供独特的服务——这些服务不但融合了创新技巧和个人理念，同时也肩负着重大的责任。作为管理建设环境的专业人员，他们的技巧和理念关乎世界人民的日常生活。实际上，人类生活的很多方面都依赖于这些服务，因此服务本身必须可靠、安全并具备高质量，才能保证人类高质量的生活水平。如果土木工程师的服务出现了问题，那么诸如工程毁坏以及疾病、伤害、死亡等一系列严重问题就会出现并影响很多人的生活。因此，土木工程往往更容易因为偶尔的几次失败而被人们所熟知，而不是因为其不断的成功。

可持续发展的挑战要求全世界的土木工程界都遵守道德和科技准则。职业操守对于减少行业腐败以及杜绝任何形式的贿赂、欺诈、骗局以及腐败是非常重要的。2004 年全球建筑业花费约 3.9 万亿美元，透明国际组织估计其中有 10％的花费都是损失在腐败上的。利用这些钱我们可以修筑更多的公路，建设更多的饮用水系统，提供更多的工作机会。

土木工程师占所有工程师总数的 50％，其中很多都是国家、地区以及国际工程组织的成员。发达国家和发展中国家需要紧密团结，充分履行土木工程行业的职责和义务，帮助发展中国家提高自身土木工程服务的水平。

这个行业正迎来快速而巨大的改变，公共安全、公共卫生以及公共福利对行业的挑战也日益增大。因此，为了提高土木工程的科技标准，通过保证专业人员的流动性来促进科技知识的共享是非常重要的。基于以上原因，以及为了解决关于土木工程师和土木工程行业的全球问题，世界土木工程师协会（WCCE） 在 2006 年 6 月应运而生。

土木工程关注的问题

WCCE来自全球各地的成员们主要讨论了以下一些重要问题，包括流动性、土木工程专业学生数量的减少、土木工程行业的腐败现象以及干净的饮用水和公共卫生的重要性。

流动性

在国家层面，土木工程职业资格的认定通常都是很明确的，而一旦跨出国界，这种资格认定就变成一个很严重的问题，而且在一些国家，土木工程实际上并不是一个管理规范的行业。因此，尽管国际上已经达成了资格认证的协议，流动性仍然是一个很困难的问题。

由于地理、气候、资源、人文、历史、文化、传统、风格以及语言的差异，这个行业在全球范围内差异很大。甚至在一个国家内部也是如此。而且，事实上由于经济和工业发展的区别，科技现代化的发展方式也完全不同。同时，土木工程学习的内容和学习期限也不相同，有些是由于当地的特殊情况决定的，还因为课程在持续地发展。

土木工程专业学生数量的减少

在很多国家，选择土木工程职业的学生数目正日益减少。社会的成功模式发生了改变，很多优秀学生都认为土木工程这个职业比其他职业更难取得成功。这种观点可能是由于落后的学习计划、预期的巨大工作责任、预期的低工资待遇以及缺乏对职业的研究所造成的，或者认为土木工程师仅仅是技术工人，无法像商科或管理专业的毕业生那样到达社会“顶层”。更重要的是，这种观念的形成还因为土木工程行业并没有像科学或者工程和技术的其他专业，例如集成电路计算机遥测技术，得到社会的广泛认可。

这种观点形成的其他原因：

·与社会科学等学科相比，土木工程需要有很多数学学习，因此更难一些。其收入起薪比其他职业都要低，而且土木工程新的学士学位使这种情况更加严重。

·土木工程公司以及建筑行业内的其他职业并不支持土木工程的持续职业发展；有工作的时候，他们就雇用土木工程师，而当合同到期时，就不再管他们。

·在建筑公司的等级制度中，土木工程师往往被认为是可有可无的角色，没有其他一些职业重要，但事实上，土木工程师是建筑公司存在的基础。

·在工程建筑和监工的关键时期，工地上的时间和工作压力非常大。需要经常在公司办公室外工作，而且需要加班到处考察。

与土木工程行业的腐败现象

不论在发达国家还是发展中国家，基础设施建设面临的腐败现象都最为严峻。腐败会消耗人力资本；它还给经济、项目以及就业带来巨大损失。不幸的是，很多社会都默许不同程度的腐败现象。不论是公共部门还是私营部门，不论是采购阶段还是项目的设计、施工阶段，雇主还是雇员，都能找到腐败的身影。甚至，拒绝行贿的公司可能会失去获得合同、资格、货款以及生产许可的机会。

腐败是一个复杂的问题，并没有单一或简单的方法可以杜绝这种现象的发生，仅仅依靠反腐败的法律是远远不够的。作为解决方案的一部分，土木工程界应该采用并公布透明、可行的职业操守准则。大学则应该开设职业操守的必修课，提高未来土木工程师辨别腐败并与腐败作斗争的意识。在建筑项目中，腐败应该被列为安全和质量管理的一部分，并须采取综合而系统的措施来加以防范。因此，我们需要强调透明国际组织（Transparency International）的活动以及他们所制定的《反腐败训练手册》对基础设施、建筑和工程界的重要作用（在本书其他章节讨论），书中对于腐败的形成作了清晰地概括。

干净的饮用水和公共卫生的重要性

很多人都相信不断改进的药品是更加健康的社会基础。但是很少有人能够意识到土木工程是公共卫生的第一道防线。不论对于一个人、一个社区还是整个社会来说，饮用水以及改善的公共卫生都是提高健康水平最有效的方式。

如果我们把饮用水提高到可饮用的标准，那么很多由水引起的疾病都可以避免，而且把水送到千家万户则为家庭、教育以及日常生活节省了大量的时间。同时，建立大规模的公共卫生体系将会有助于控制液体和固体的排放。而对于人畜排泄物的合理处置则会降低各种感染疾病的概率，减小医疗体系的压力，并通过充分控制气味和昆虫侵袭来提高整个地区的外观美感。这些方案能够把社区都融合起来，为它们共有的资源建立管理体系以及各种组织，从而能够减少冲突的产生。而且，这些方案在学校和乡村层面初步实施就可以惠及更多的人口。这些行动方案的开发和实施都主要是土木工程师的责任。

饮用水的供给是建立在个人或是以社区为基础的体系之上的。因此，土木工程师在改善社区人民生活水平的同时，还支持整个社区的发展。

4.2.2 机械工程

Tony Marjoram与多个机械工程领域的国家或国际组织和机构合作完成

机械工程是最古老以及分支最多的工程学科之一，其分支涵盖了工具、机器和引擎的设计、生产和使用，因此可以代表人类从猿猴到设计和使用工具的核心特点。机械工程包括力学、材料、热量、流体以及能量的应用，而且需要理解并综合应用静态和动态力学、结构学、运动学、材料科学、热力学、热传递、流体力学、能量系统和转换等相关领域的基本原理。机械工程师不仅会应用到有限元素分析（在分析机械模拟和天气模型等复杂系统时，使用的求解偏微分方程式的数值方法）、计算流体动力学以及计算机辅助设计和制造（CAD-CAM）等领域的知识，而且能够创造这些领域的知识。机械工程还为制造和生产、能量生成和转换、运输以及自动化与机械人学等领域的工业发展奠定基础。

工具和机器从早期产生开始，很多都作为战争的“发动机”被用于军事，因此它们都是被用来摧毁土木工程的产物，机械工程在全世界发展起来，直到很晚以后，机械工程的后果才为其他地区所知晓。时钟、车辆、曲柄传动系统、齿轮、凸轮轴和链条等机械装置最早是由古希腊人、埃及人、中国人以及阿拉伯人发明的。列奥纳多·达·芬奇是第一位著名的机械工程师，尽管在今天他更多地被认为是一名画家。其他的一些著名的机械工程师以及他们对社会和经济发展的贡献包括：阿基米德（螺旋泵）、查尔斯·巴贝奇（“差分机”——第一台机械计算机）、卡尔·奔驰、贾特里伯·戴姆勒、亨利·贝西默（钢）、路易·布莱里奥、伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔、尼科拉斯·莱、奥纳德·萨迪·卡诺（热力学——卡诺循环）、鲁道夫·狄塞尔、亨利·福特、冯元桢（生物力学）、亨利·劳伦斯·甘特（甘特表）、亚历山大港的希罗（风车以及第一台蒸汽机）、约塞夫·马利·雅卡（提花织机——计算机的前身）、亨利·默德斯利（机床）、托马斯·纽科门（第一台蒸汽机）、尼古拉斯·奥托（四冲程的内燃机）、查尔斯·帕森斯（蒸汽涡轮机）、威廉·兰金（热力学）、奥斯本·雷诺兹（流体动力学——雷诺数）、伊戈尔·西科斯基（直升机）、维尔纳·冯·西门子和威廉·西门子爵士、尼古拉·特斯拉（物理学家，电子和机械工程师——交流电力系统）、乔治·史蒂文森、罗伯特·史蒂芬森、理查德·特里维西克（蒸汽动力）、詹姆斯·瓦特（蒸汽机）、弗兰克·惠特尔（喷气发动机）约瑟夫·惠特沃斯（螺纹和精密加工）、菲利克斯·汪克尔（旋缸发动机）、张衡（球形天体观测仪和地震仪）。

机械工程学支撑了连续的创新和工业革命浪潮，反过来又在这些创新和工业革命浪潮的推动下得以发展。工业革命的第一次浪潮发生在1750～1850 年，以纺织工业为主；第二次浪潮发生在 1850～1900 年，以蒸汽和铁路发展为主；第三次浪潮发生在 1875～1925 年，以钢铁、机械工具、电力和重型机器制造业为主；第四次浪潮开始于 1900 年，以石油、汽车和批量化生产为基础，这些都是以机械工程学作为基础的；第五次浪潮则始于 1950 年，以信息和通信技术为基础，与电子工程和机械工程关系紧密；第六次浪潮大约始于 1980 年，以信息、生物科技和材料等技术领域新的生产知识和应用为基础；第七次浪潮始于 2005 年左右，以可持续“绿色”工程和科技为主，目的是促进可持续发展、减缓与适应气候变化，将再一次以机械工程的核心为重点。

机械工程学会、教育和认证

在第一个土木工程师协会成立 30 年后，第一个机械工程师协会（IMechE）于 1847年成立于英国。从某种程度上说，机械工程师协会的成立源于乔治·史蒂芬森（“铁路之父”以及“火箭”的创始人）和土木工程师协会中其他一些站在机械工程一边的人脱离了土木工程师协会。后来，在欧洲大陆、美国以及世界上其他地区先后成立了机械工程学会。这次制度建设的浪潮出现的时间与世界上一些主要大学建立以机械工程为核心的工程系的时间几乎差不多。工程教育的课程体系和教学方法设计是按照“洪堡”模式建立在“基本理论”教育方式之上，以数学和工程“科学”为基础，这在其他章节有详细讨论。这个体系在 150 年内几乎没有任何变化，这也是当前年轻人对工程教育兴趣减少的原因之一。当然与上一代传统的机械工程学位课程相比，现在的课程增加了更多建立有限元分析和相关工具的数学、静态学和动态学、材料力学、热力学、流体学、控制论、机床、材料科学、计算、工程绘图以及设计等核心课程。现在，学生们还要学习计算流体力学、计算机辅助设计和计算机建模、机械电子学、机器人学、生物力学以及纳米技术等课程。

在毕业之前，年轻的机械工程师还要面对认证和可能的流动性等复杂多变的情况。很多国际组织促进了以能力为基础的、对工程和相关课程进行认可和认证的方法和体系的形成，尤其是签署于 1989 年的《华盛顿协议》，是负责各国和地区工程学位专业认证以及工程师职业资格实质等效性认证的机构之间的国际性协议。管理工程资格和职业能力互认的 6 个国际性协议还包括《悉尼工程技术专家或注册工程师协议》、《都柏林国际工程技术人员资格认定协议》等。《华盛顿协议》的签约方包括澳大利亚、加拿大、中国台北、中国香港、爱尔兰、日本、韩国、马来西亚、新西兰、新加坡、南非、英国以及美国；临时成员还包括德国、印度、俄罗斯和斯里兰卡。

应用和发展

当年轻的工程师们从日益增多的机械工程分支专业毕业之后，将面对着工程和工程应用已有的或新兴的领域中日渐增多的职业可能性。很多年轻工程师关注工程学在解决发展所带来的问题和挑战中的作用，因此他们加入到以英国机械工程师协会为基础的组织中，例如，无国界工程师和反贫困工程师。还有很多机械工程师们非常关注工程师和工程组织的社会责任，他们认识到我们现在亟须高效地参与到以下领域：

·水资源供给和公共卫生；

·清洁产品和回收利用；

·能源的高效利用和保护，可再生能源和洁净煤技术；

·包括城市安全在内的紧急事件和灾难的预警和应对机制；

·灾后及战后的恢复、安置和重建；

·将工程师加入到决策制定及计划实施阶段。

机械及相关的国家和国际工程组织有义务通过加强国际合作，增加交换员工及学生数量等活动来帮助工程师融入到这些活动中来。

4.2.3 电子电气工程

Tony Marjoram和Andrew Lamb以及多个电子电气工程领域的国家或国际组织和机构合作完成

电子电气工程是指以电力及电磁的研究和应用，以及第二次世界大战之后集中在 20世纪 50 年代末期的电子电气的开发和应用（以前称之为无线电工程）为主的工程领域。由于其在 1945 年之后快速发展的步伐，电子电气工程包含了越来越多的分支领域，从电气工程、发电与分配、电路、变压器、发动机、电磁及其相关设备等较传统的电气工程领域到电子工程的开发，从电话、收音机、电视以及通信发展，而后经过诸如雷达、声纳以及第二次世界大战中的武器类的迅猛发展，到现在最新的电子材料、电子元件与电路、集成电路与计算机系统、微波系统、移动通信、计算机网络、日益复杂的信息与通信科技、光学纤维、光电子器件、光子和纳米技术的发展等。

简单来说，电气工程处理的是大型的电、电力传输以及能源系统问题，而电子工程处理的是小型的电力、电子和信息传输系统。这些体系的运行日益微型化，因此“微电子学”这个概念在当今社会非常普遍。事实上，“摩尔定律”就是以英特尔的共同创办人戈登·摩尔来命名的。这个定律描述了计算机硬件存在这样的趋势：集成电路上可容纳的晶体管数量每两年就会翻一番。

对电的正式的研究始于 17 世纪，当时威廉·吉尔伯特开始研究静电学。吉尔伯特被称为电气工程之父，他根据希腊语中表示琥珀（实验中用到的）的单词elektron，发明了“电”（electricity）这个术语，而且把电力和磁力区分开来。闪电是生活中另外一个值得关注的自然发电现象。博学的本杰明·富兰克林对电力非常感兴趣，1750 年他提议在雷电中放风筝来证明闪电是带电的。但是关于他是否完成了这个实验，我们并不知晓。如果他在 1783 年作为美国驻法国大使并签订象征美国独立战争结束的《巴黎条约》时完成的这个实验，那么历史进程可能会有所不同了。

1775 年，亚历山德罗·伏特发明了一个产生静电的机器。然后，又在 1800 年发明了伏打电堆——电池的前身——来储存产生的静电。进入 19 世纪，这种研究热情持续高涨，欧姆发现了电流和电位差，迈克尔·法拉第于 1831 年发现了电磁感应，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于 1873 年建立了电力和磁力之间的理论桥梁。基于这些研究成果以及电灯泡的发明，托马斯·爱迪生于 1882 年在曼哈顿建立了第一个（直流）电力系统。与此同时，尼古拉·特斯拉研究出了交流电发电与分配理论，这个理论后经威斯汀豪斯改进，最终导致了其与爱迪生照明公司之间的“电流的战争”。由于电流范围、电流效率、电流安全性等原因，交流电逐渐取代了直流电，爱迪生后悔没有采用交流电。特斯拉发明了感应电动机和多相系统，而爱迪生发明了电报系统。后来爱迪生照明公司发展成为了通用电气公司。19 世纪末无线电的发展促进了阴极射线管、二极管、放大三极管和磁控的发展，这又进一步促进了波动、电视、微波等科技的研究，而产生于 1947 年的晶体管、1958 年的集成电路以及 1968 年的集成电路将电子电气工程的研究推向了另一个高潮。

对电的研究在早期主要是物理学的一部分，应用比较少。随着人们对电力的商业化及电报机的兴趣越来越浓厚，电气工程在 19 世纪的末期开始发展起来，一些行业组织也随之兴起，与此同时，很多大学的电气工程系开始教授相关学位课程。在早期课程的基础上，电子电气工程包括能量、控制系统、非线性系统、微电子学、计算机工程、系统分析、信息论、信号处理、机电学、机器人学、电信学、数据通信、通信系统以及纳米科技等一系列课程。

电子电气工程的行业组织中最重要的两个是美国的电气与电子工程师协会（IEEE）以及英国的工程技术协会（IET）。IEEE在全球拥有数量最多的会员、出版物、会议以及相关活动。这些大型的工程组织虽然擅长沟通和促进行业长期持续的发展，这在快速变化的环境中是非常有用的，但同时也会逐渐削弱地方性的行业发展和应用，尤其是在发展中国家。

电力工程师负责电力网以及与之相连的电力系统的设计和养护。随着人们对微型发电的兴趣日益浓厚，在网电力系统也可以向电网传送电力。而为了减小停电或电涌的危害，人们对于包括卫星控制系统在内的电力系统控制的研究热情也日益高涨。控制系统工程能够监控和模拟整个体系，并使用信号处理器及可编程序逻辑控制器（PLCs）设计系统控制器。控制工程领域的应用包括工业自动化、飞机及汽车控制体系以及利用太阳能光电系统充电电池调节技术。

电子电路设计和测试是电子工程的重要组成部分，并且需要充分发挥电阻器、电容器、感应器、二极管和晶体管的性能。微电子技术和集成电路技术使这些研发可以在微型或是纳米层面进行，而且使微电子器件的使用成为可能。微电子学是微观层面的，需要化学、材料科学以及量子力学等学科知识的支持。信号处理技术越来越与数字系统联系紧密，并且正迅速地被应用于电子电气工程的大部分领域——通信、控制、电力系统、生物医学工程等。集成电路已经几乎在所有的电子系统和仪器中得到应用，包括无线电、音响和电视系统、移动通信、录制和播放设备、汽车控制系统、武器系统以及所有的信息处理系统。信息处理技术还与仪器制造以及控制工程有关系。

电子和电气工程最有潜力的发展领域之一是与其他工程学科的结合，尤其是机械工程。在机电学中，机电系统已经被日益广泛地应用于诸如机器人与自动化、加热与制冷系统、飞机、汽车以及类似的控制系统中。这些系统的研究领域越来越微型化，比如说控制安全气袋、复印机和打印机的微型机电系统（MEMS）。再比如说，在生物医疗工程领域，机电学能够促进更多更好的移动医疗技术以及微型机电系统得到应用，而且促进了人工耳蜗、起搏器以及人工心脏等植入式医疗器械的研发。电子电气工程具有非常重要的研究价值，但是它同时又受到相关支持知识及技术有限的制约，这就像当今汽车诊断设备所遇到的问题一样。

4.2.4 化学工程

Jean-Claude Charpentier

现代化学工程的现状

化学工程是应用科技知识将原材料和能量通过物理、化学以及生物变化转变成目标产品的过程。这包括生产过程中的设计、原材料、制造以及控制等过程的合成和优化。同时，还包括各种物理—生物—化学的分离方法（使用蒸馏、风干、吸收、搅拌、沉淀、过滤、结晶、乳化等方法）以及化学的、催化的、生物化学的、电气化学的、光化学的、农用化学品的各种反应等。

顾客对于特殊材料、活性化合物以及特效化学品的需求日益增大，这些材料比传统的大量散装化学品要复杂得多。事实上，现在很多化学产品都依靠自身独特的微观结构以及他们的化学成分来达到一定的目的，比如说冰激凌、油漆、鞋油等。

通过对已知结构和功能基因的综合现象及耦合过程的分析，然后根据所期望的终端产品特性得到产品（电子耦合产品），图 4-2 列出了整个复杂过程的不同等级。

化学工程已经为我们作出了巨大的贡献，它为地球上的物种提供食物，为人类提供衣服和住所，提高人类的健康水平并减少疾病的发生，为稀有原材料寻找替代品，为不断变化的信息和通信设备提供复杂的原材料，同时监控和保护我们的环境。

参与结构材料生产的化学工程师面临着许多关于基本原理、产品设计、加工整合以及加工控制等挑战。为了在微观和纳米层面理解和描述这个过程，并且更好地在生产规模内将分子转变成有用的产品，必须知道过程的规模和复杂性。这就促使化学工程师将宏观的现象定律应用到分子过程中，最终创造并控制产品符合所需的终端特性及功能。实际上，就是将分子转变成经济效益。

当今化学工程师的工作需要密切地与各种学科的专家配合，包括物理学家、化学家、生物学家、数学家、仪器学家以及商业人士等。为了解决遗传学、生物化学和分子细胞生物学的问题，生物现在已经成为化学工程师培养的一门基础科学（还有物理和化学）。工程师在“物理—生物—化学”的框架中研究新的概念，因而“加工工程师”资格就成为了化学工程的延伸。

化学和加工工程师是为数不多的在自然的科学、技术和经济环境下工作的工程师之一。化学工程师必须会解决问题、有创造力、实际、善于创新；而且他们还必须具有严格的科学精神、系统思考的能力以及多学科的综合知识。化学工程师的工作就是想象并发明一些化学反应，把我们身边的化学物质转变成需要的产品，并在同时解决由化学和加工行业带来的问题和挑战的过程。

化学和加工工业——挑战的核心

如今，化学及其相关产业——包括石油和天然气、油页岩、石油化工产品、药物及健康、农业和食物、环境、纸浆和纸、纺织品和皮革、钢铁、沥青、建筑材料、玻璃、表面活性剂、化妆品和香水、电子商品等正快速发展。这是由于前所未有的需求和约束造成的，我们当前都非常关注环境和安全问题。从重量看，只有 25％开发的资源是用于商品和服务的生产；其他 75％都在污染、浪费以及环境干扰过程中消耗了。

每天，化学知识在不断增多，新发明的速度也在不断增加。2005 年，有 1400 万不同的分子化学物被合成。其中大约有 10 万种可以经常在市场上找到，但是只有很小的一部分能够在自然界中找到。它们大部分都是经过精心构思、设计、合成并被制造出来满足人类的需求，其目的往往是检验一个观点的准确性或是满足我们对知识的渴求。最近运用纳米技术进行化学合成就是一个例子。

化学行业所面临的挑战是如何确保其自身研发能力、竞争能力、可持续发展能力以及雇用能力。有两个方面是与这个挑战相关的：第一，如何在一个以全球化、合作和创新为特点的全球经济体系中获得竞争优势（主要是在研发过程中加快创新的速度）。例如，在日益加快的消费商品商业中，商品进入市场的时间已经从 1970 年的 10 年降到 2000 年的 2～3 年。现在，即使是 1 年都太长了。第二，如何满足市场的需求。这实际上代表着双重挑战。在工业化国家，劳动力成本很低，而且规章条例很少。在工业国家，消费者对特殊的终端性能产品需求日益增大，对环境和安全的关注也日益增强。

化学工程行业也正在不断努力满足针对以上两个方面以及对更多的可持续产品和生产过程的需求。而且它会继续研究产品的创新生产过程，以促进商品从现在的传统大宗化学生产到新的专业活性材料化学生产行业。

比如说，商品和中间商品（氨、碳酸钙、硫酸、乙烯、甲醇、乙醇等占据 40％的市场份额）的生产过程中，人们不再应用产品本身的专利，而是生产过程的专利，而且生产过程也不仅仅是由经济因素单方面决定的。我们需要尽可能以最低的价格来生产大宗商品，但是经济约束不再仅仅被定义为“廉价，减少资金，增加操作、增加原材料、增加能源成本”。我们还必须考虑与生产过程相关的日益增多的选择性以及成本节约，这都需要进一步的研究。而且，生产设备向全球化规模的发展可能需要在短期内产生相应的科技变革，现有的科技水平已不能支撑规模的一点点扩大。这就需要一个综合的大规模化学生产过程。这也可能意味着大规模的生产单位是由不同的小规模的生产元素综合而成的。

高利润的产品往往都是客户定制的或者具有特定的配方，对此，化学工程师需要设计出一些新的工厂，这些工厂不只是局限于生产一种高质量低成本的产品。我们需要可以很轻松地就转化成其他生产加工的多用途体系和通用设备：像灵活的生产过程、小规模生产模块化安装等。

未来的化学和加工工程

简单来说，未来几年的发展趋势会有以下四个平行而同步的变化：

1.整体多重尺度控制：提高选择性和生产力的生产过程。

2.过程强化：包括新设备、新操作模式以及新生产方法的设计。

3.制造终端的性能：产品设计和工程。

4.应用多尺度、多学科的计算机模型。例如，从分子级别到整体复杂的生产规模级别以及整个生产地点，而且这个过程还涉及生产控制和生产安全。

考虑到这些变化，当代化学工程可以被看作是在“社会和市场需求与科技给予”的大形势下，追求可持续的社会和经济发展的过程。而且我们可以认为这个过程就是把分子转变成财富的过程。

很显然，化学工业面临着很多挑战，并且这些挑战都是在全球化、竞争以及可持续性的框架之下的。为了满足顾客需求及市场趋势，化学及加工工程师必须开发创新科技并采取多学科、多尺度、综合的措施。此外，他们还可以用这个方法来满足日益增多的环境、社会以及经济需求，而且不论他们的产品是什么，都可以缓和向可持续发展方向过渡的过程中遇到的问题。

如今，在全球化和可持续发展的框架下，化学工程不断地推动经济发展，并且促进社会财富的增加。工程师必须不断地适应新趋势。对于下一代学生的教育问题，我们必须用社会需要的各种工具来武装他们的头脑，而且不但现在需要这样，还要让他们做好准备迎接未来科技驱动型世界的到来。

4.2.5 环境工程

Cheryl Desha和Charlie Hargroves

自从工业革命开始，为了给世界上日益增多的社区提供商品和服务，工程师们已经取得了举世瞩目的成就。然而在 20 世纪后期，工程师们都很少关注这些行为对环境所造成的日益增大的影响，这在某种程度上说也是由于缺少对全球自然体系及其有限恢复力的认识而造成的。随着科学知识的积累，环境科学领域诞生，相应的专门知识也逐渐发展起来，这都有助于我们更好地理解发展对环境的影响。很多人都努力将这种新的知识体系的核心内容融入到工程学科中去。然而，最行之有效的方法就是发展一个以工程和环境问题相结合的新学科，我们通常称为“环境工程”。

随着关于环境挑战的程度和复杂性的知识不断增加，在过去的 20 年里，作为环境工程学科一部分的专门技能也明显变得越来越重要。然而，挑战过于巨大，而应对的时间又很短，因而环境工程师无法处理整个行业的所有环境问题；环境工程并不等同于可持续性工程。而且，那些先前只在环境工程领域教授的课程，必须尽快而有效地融入到所有工程学科中。与此同时，作为一个先进而专业的领域，环境工程学科本身必须继续发展，比如在建模、监控、影响评估、污染控制、估价、合作设计等领域的发展。

“我们这个学科正努力地理解自身的地位——环境工程不能仅仅作为一个清理其他工程学科成果的实践基地。它必须在既定的格局下，对地球的每个体系以及这些体系的相互作用有一个更深入的理解。只有在那个时候，环境工程才能建立自身有说服力的知识体系，并真正成为独立于其他工程学科的实践基地。”

——大卫·胡德，澳大利亚工程师协会环境工程师学院，2009 年主席，兼职教授

深刻理解这些问题之后，当教育部门积极做出调整让所有的工程毕业生都接受可持续工程的教育之后，环境工程才能真正地在这段过渡时期及之后发挥关键作用。作为最新的学科之一，人们会越来越多地依靠它来帮助其他工程学科形成可持续的工程方案。

4.2.6 农业工程

Irenilza de Alencar Naas和Takaaki Maekawa

农业具有非常悠久的历史。在使用犁、谷物存储和灌溉的古文明时期，我们就可以找到农业工程存在的证据。我们现在所熟知的现代农业工程在20 世纪30 年代以后开始发展。在当时的欧洲大陆，虽然每个国家都有所不同，但是农业工程发挥的作用非常小。在随后的世纪里，人们发明和改进了各种各样的机器用于农业生产——为了满足城市人口日益增长的需求。然而，尽管农业工程在农业生产中的重要作用，这个行业的发展仍然很缓慢而且规模有限。农业机械和建筑的设计往往是基于技巧和积累的经验，而不是相互合作的科学研究。而且，采收后科技、温室以及人类工程学、安全和劳工组织也面临着同样的问题。直到后来，环境保护和土地可持续利用才成为科学研究的主题。

为了解决这些问题，加强研究者的国际合作，并且将这种合作集中到改善农场和乡村地区的工作环境上，人们在 1930 年成立了国际农业工程委员会（CIGR）。 农业工程领域的技术问题比较少也相对比较简单，因此研究主要集中在对农业工具的研究上。随着时间的推移，农业机械、改装机械、机器检测及标准化成为主要研究项目，同时，科技劳工组织一直不断强调人类工作态度、居住和健康条件的重要性。

第二次世界大战结束后，农业领域需要进行大量的重建工作。民主遭到严重干扰，扭曲的经济亟需加以调整，社会亟待再次繁荣。农场材料和设备也必须重建。我们必须尽快满足人口的需求，并且让农业工程促进农业发展——这是经济复苏的基础。从 20世纪 50 年代末开始，当战后的问题得到解决之后，农业工程就蓬勃发展起来。

从CIGR的技术部门和工作组中，我们可以非常清楚地看到当今农业工程师所关心的主要问题。而关于教育，我们从现在农业工程的范围可以看出，在很多情形下它的授课内容都是列在其他工程领域范围内的——尤其是环境工程。

展望未来，由于人类自身的活动，我们现在被越来越多的问题所困扰，比如说，生态系统的干扰、人口增长、资源消耗和环境破坏。我们的任务就是在不断变化的气候和环境条件下，利用我们的知识和创新力来满足人类生活的基本需要：有足够的食物吃，有足够的水喝。

CIGR把全世界的专家集合到一起来为人类进程做贡献，并且通过形成可持续发展体系、土地管理体系、耕种体系、食物生产以及类似体系来提高资源的利用率。

4.2.7 医学工程

J.P.Woodcock

医疗科技的作用就是为患者提供正确的诊断与治疗，并且在病情恢复时期，使他们能够生活自理，从而在社会上充分发挥作用。

发展中国家的医疗技术

一份来自世界卫生组织（WHO）的报告显示，发展中国家的医疗技术大约有 95％是进口的，而且有 50％的设备没有使用过。其主要原因是由于缺乏对设备使用的相关培训而导致设备缺乏维护，而且大部分的设备对于当地人们的实际需求来说都太过复杂了。如果理解了向发展中国家提供医疗保健的各种弊端之后，那么我们就更容易相信信息科技可以促进向发展中国家提供支持和培训。然而，这背后也有我们无法忽视的现象，那就是美国人均医疗保健的花费是 5274 美元，而大部分发展中国家却只能支付不到 100 美元。

发展中国家所面临的主要问题是昂贵的初始和运行费用，再加上制造商距离遥远等问题，由于大部分最新的设备都是由微处理器来控制的，而这些微处理器不能在变化太大的气候环境中操作。

大部分可用的技术都涉及一次性材料，比如说，电极板的特殊凝胶剂以及在超声波检测中接触皮肤的超声波导电膏。这些材料一开始都是无菌的，但是如果不能正确保存的话，很快就会被污染了。这些物品的进口价格通常很高。其实，这些进口国通常不需要复杂的现代设备，而基本物资对于他们却用处很大。但是因为没有选择的机会，他们往往要高价购买整个系统。甚至维修设备和零件都不可能，要么把设备返回给生产商，要么以高价邀请技术人员去维修。

发展中国家还面临着一个特殊的问题，那就是生产过剩或过时设备的捐赠。很多国家都依赖医疗设备的捐赠，但是却没有资金来运输、安装、维护设备以及培训专业人员。

人员培训

发展中国家缺乏训练有素的医疗工程专业人员，工程师的数量更是少之又少——大部分都是技术人员——而且培训机构也是非常少。 如果想要更好地操作设备，而且使设备有更长的使用期，那么在医疗保健体系中，工程人员就跟医疗人员一样重要。这些技术人员必须经过一定的培训，才能有效地完成工作。同时，他们还应该熟悉相应的标准和管理部门。

在发展中国家建立知识和培训体系是非常重要的。这需要在本科和研究生阶段提供相应的培训项目和课程，但是要达到这个目标，需要得到一些国际组织的支持，包括国际医学和生物学工程联合会（IFMEB）、国际医学物理和医学工程联合会（IUPESM）、世界卫生组织（WTO）以及UNESCO。

在发展中国家及发达国家大学安排“培训”设备，以及远程硕士学位课程（比如英国的卡迪夫大学就提供临床工程科学硕士学位）是非常重要的。这种高层次的合作将会涉及发展中国家内部的组织：比如成立于 1999 年的尼日利亚生物医学工程协会（NIBE）已经在尼日利亚召开了六场国家生物医学工程会议，以及四场国家专业人员培训课程。NIBE的行业杂志《尼日利亚生物医学工程杂志》在 2001 年首次出版发行。

非洲生物医学工程及科学联盟（AUBES）成立于 2003 年。其目的是加强整个非洲生物医学工程专业人员的合作。 孟加拉国也有类似的成功案例。

未来发展

信息与通信技术（ICTs）有改革医疗卫生的提供方式并解决未来健康问题挑战的潜力。 英国皇家协会在其报告《数字医疗卫生》中列举出了可以为医疗卫生做出巨大贡献的信息与通信工程三大领域：家庭护理技术、初级医疗技术以及二级和三级医疗技术。

医疗保健专业人士及病人自己都可以运用家庭护理技术来“处理已知的医疗病情、自我治疗、检测及判断新病情以及检测维护健康。” 全科医生、公共卫生专业人员、社区护士、医疗保健中心的员工和社区医院则会使用初级医疗技术，其涉及的领域包括一般健康问题的预防和控制、卫生、教育、一般疾病或伤痛的诊断以及基本药物的供应等。而二级和三级医疗技术则用于医院的诊断和治疗那些需要专业设备的医疗问题。

传感器技术可以用来在家庭和工作环境内更有效地监测个人身体状况。这些传感器是基于低成本的计算机技术而研制的，我们可以在柜台上直接购买或者在网上购买。 像温度计、评定量表、心率和血压监护仪、血糖和身体脂肪监护仪之类的仪器可以将信息传递给个人电脑甚至是移动电话。这些信息会被专人以及医疗保健支持团队分析，然后为病人提供及时的服务。

目前，大部分的发展中国家缺乏必要的基础设施来像发达国家那样为知识创造和传播提供便利条件。电脑终端、网络以及具有宽带的交流渠道等是非常有限的。然而，投资这些基础设施将会很明显地改善所有的设备以及培训问题， 并且能够拓展上述三个领域的新机会。

生物医学信息学具有降低发展中国家贫困和疾病压力的能力。而且，基础设施是关键元素，例如，印度就已经启动了一个非常有潜力的国家发展项目。亚太地区也在投资生物医学信息学，我们可以从南非、肯尼亚、尼日利亚以及戛纳看出其取得的进步。

我们也应该关注设备的本地化制造， 比如说心电图监护仪、数字温度计、电子秤、血糖监护仪等。这些投资的好处就是更低的制造费用，以及在当地普及专业知识及相关技能的便利。

而且，这还可以降低反应时间并减小关键设备的停用期。设备还可以经过开发适应在当地气候条件下操作，并逐渐淘汰昂贵的空调和除湿机。当地专业知识体系的建立能够增加自信，而且对于工程师和技术人员的培训也会有良好的反馈。

如果这些投入能够实现，那么未来发展中国家的医疗工程和技术会呈良性发展。在中期的时候，现代通信系统及其逐渐降低的成本和越来越多的新学习方法将会给我们带来一个更加高标准的医疗卫生服务。如果与当地制造业相结合，医疗工程师将会更加独立，并以更能接受的价格，在最需要的地方，提供更好的基本医疗卫生服务。 2SWe7LvXlJ1BW68LzRdtv5qky2NXK3Vjg32QK8lKDEh3XVUwgQclZs2ofVw+6fv+