工程技术的历史发展阶段

近代以来的工程技术历史显示了一种不断扩展中的技术能力。它包括互相交叠的三个阶段。每一个阶段都拥有关于技术内容的智力方面和人类组织的社会方面，都与某种工业生产方式联系在一起。在经历了一个漫长的前奏曲之后，近代技术发展史的第一阶段出现在科学革命中，并贯穿于第一次工业革命的始终，随着蒸汽机日益增加功率的同时，机器开始在多数生产中逐步代替了体力。传统的手艺人将自身转变为近代专业人员，特别是在民用建筑、采矿、冶金和机械工程技术中对工业革命作出了重大贡献。除了直觉性的思想之外，实践性的思想也渐渐变成了科学的思想。于是，工程技术学院和行业协会出现了。

近代技术发展的第二阶段产生了新的学科，这些学科推动了以电力、大规模生产和传输为特征的第二次工业革命。在这些学科中最突出的是化学工程和电力工程，它们促进了化学和物理学的紧密结合，并在化学工业、电力工业和无线电通信产业的兴起中发挥了至关重要的作用。船舶工程师使海洋探险不再危险重重。航空工程师将古老的飞天梦想变成了为普通人提供便利的一种旅行。控制工程师加速了自动化的步伐。产业工程师设计和管理大规模生产和销售系统。研究生院出现了，小修小补变成了产业研究，个体性的发明被组织成了系统化的创新。

在第二次世界大战期间，技术进步开创了近代工程技术发展的第三个阶段，即工程科学到来的时代。航空工程学征服了外太空。原子能的应用促使了核工程学应运而生。具有人类迄今梦想不到性能的高级材料，从材料科学与工程的实验室中大量涌现。最为重要的是，微电子学，通信工程和计算机工程的合力促成了信息革命的到来。这个时期，工程学的研究生教育日见成熟，国家组织的大规模研究和开发（R&D）兴起了。

在21世纪之交，除了信息技术的飞速发展之外，工程技术的一些新领域出现了，这些新技术特别是指生物技术、纳米技术和环境技术。它们的研究范围及其复杂性，越来越不仅需要各学科之间的合作，还需要传统的理科和工科的知识融合。也许，技术发展的第四阶段正在来临，它将使融合化和专业化这两股牵引力协调一致。

 

2.2结构工程越来越数学化

  “在闻名遐弥的威尼斯兵工厂里，你们威尼斯人所展现的持久不断活动提示人们，对于勤学不倦的头脑来说，尚有一大片领域有待探明，特别是那些与力学有关的工作部分。因为在这一部门，种种仪器和机械都是由许多手艺人坚持不懈地研制出来的，他们中间必定有些人因为部分地继承了他人的经验，部分地通过他们自己的观察，在阐述方面已经越来越聪明和高度专业化。”^［17］这是加利莱奥·伽利略在1638年出版的《关于两种新科学的对话》 一书头所写的一段话，该书是他以对话形式出版的两本重要著作之一。

   伽利略在第一次科学革命中是一个关键人物，他不仅研究星空，而且还研究他的同时代居民的生产活动，特别是威尼斯的大规模土地开垦规划。他自己拥有一项抽水装置的专利。更为重要的是，他提倡对机械、仪器以及其他生产用具给出系统的说明，而这预示着工程科学的黎明，尽管还需要历尽很长一段时间才能看到日出。

 

 材料和结构：首次的抽象化研究

伽利略注意到，威尼斯兵工厂的工人们制造出了富有独创性的装置，并且对他们的工艺规程作出了许多有用的解释，但是在面对别人的深究时，却不善于为自己的解释辩护。例如，他们从经验中得知：不能从几何学的角度，将一个小的模型按比例放大为一座大厦。假如模型和建筑物是由同一种材料建造的，很可能前者能够挺立而后者则会倒塌。为什么会这样呢？工人们的解释是含糊不清的，往往招来学者们的嘲笑。伽利略挺身而出为手艺人辩护，声称同样的答案需要有更为合理的理由来论证。他自己关于比例的解释，显现出了科学思维的特质。

造船师制作大船所用的单位面积脚手架要比制作小船的更多，并且要为特定尺寸的船只估算脚手架的必需密度。这就是他们的工作。满足于已有的成功，忙忙碌碌工作以养家活口，他们没有停下来做更深入的探究。伽利略则做到了。他进一步询问“为什么”，并且探询能经得起深究的答案。他对自己调查得到的情况进行了概括，并把造船实践视为一种典型的工艺规程即按比例缩放的一个案例。比例关系包括许多表面上看来十分杂乱的案例；关于比例概念的另一个例子是，当大动物和小昆虫从同一高度摔落时，大动物更容易折断腿。伽利略把各种各样关于比例的案例贯通起来，将“材料强度”作为识别机械性能的一个重要参数。^［18］

伽利略的方法具有科学和工程学的特征。当他遇到特殊场合时，会开阔自己的视野去寻求具有代表性的典型情况，并把该案例作为其中的一个例子。概括的方法使他能够比较不同的案例，从多变的细节中进行抽象，从中识别出重要的范式或规律性，并通过范例得以体现，同时分析它的各种要素。为了研究机器，伽利略仔细考虑了一个最简单的范例——一根置于面墙外的悬臂梁。他从两个方面进行分析：所用的材料，该材料有一定的强度和重量，以及悬臂梁的承载力原理。这个分析突现了材料和结构两方面的关系，在众多工作者的不懈努力下，后来发展成熟为材料科学和静力学，而这两门学科都是土木工程技术的核心。

在伽利略的分析中，他区分了自己命名的“具体的机械”和“抽象的机械”这两个不同的概念。抽象方法是工程学中的一种主要方法，作为一种系统理论的思维方式现在已经被大家所熟知，在这种方法看来，一件人造物通常呈现的特征是结构和功能方面的，而不是材料方面的。这使得工程师们能够几乎独立地处理材料和结构问题，为设计提供了很大的灵活性。例如，除了一些诸如随机存取存储器变量之类的接口参数外，计算机软件从计算机硬件的大量物理元件中抽象出来，使得一个程序可以在满足此参数的任何计算机上运行。与此相似，悬臂梁的基本原理以抽象的方式描述机械，后者受到一些诸如杠杆臂的材料强度等参数的影响。这些原理可广泛应用到大量结构工程之中，例如用不同材料建造的桥梁和高层建筑物等等。

 

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