一、工程與科學之間的區別

（一）工程與科學不同的成果類型

許多科學哲學家認為，科學的最終產出是理論———一套命題、一套方程式、一系列主張。這也許是一個值得推敲的科學觀，但一定不適用于工程學。當然，不是說做工程不產生一些命題，但通常情況下工程是一個具體設計，其最終結果是一個人工制品，是物質的和人造的，而不是思想觀點的文字陳述。這種最終結果的差別在某種程度上對一個恰當的哲學分析的形成很有意義。科學家和工程師都會參與問題論證，但是他們的目標不同。在工程領域，論證的目標是評估可能的設計，然后制定出符合規范和限制的最有效的設計。這個最優化過程通常涉及競爭目標之間的權衡，結果是沒有一個設計是唯一“正確”的解決辦法，而是有許多可能的解決辦法。在做出選擇時必須要考慮到個人、技術和成本三者的平衡。此外，新技術的出現也會使新辦法不斷涌現。相反，科學理論要滿足一些完全不同的標準，例如簡約性（傾向于更簡單的解決辦法），解釋的一致性（任何新理論如何本質上提供觀察現象的合理解釋并印證有關過去的預測或者推理）。此外，科學的目的是為一系列相關的現象找到單一的、條理分明的和系統的理論。多種競爭性解釋被認為是不令人滿意的，如果可能，它們包含的矛盾必須通過更多數據進行解決，或者選擇最佳的可獲得的解釋或者開發一種新的對問題現象的更加綜合的理論。

（二）工程與科學不同的知識類型

第二個區別與知識有關。認識論者喜歡區分“知道它”和“知道如何”。“知道它”是一個命題知識———知道某物是一個案例，知道一個理論是真實的或者一個假設是正確的。相反，“知道如何”是一種能力或者技能。這兩種知識存在著很大不同。當我們對比科學家的“知道它”和工程師“知道如何”之間的差別時，就會發現其中的不同，我們經常會看到和聽到對前者實踐這些技能的無能，后者怎樣缺乏“知道它”的評論。“知道如何”不能產生相應的“知道它”。“知道它”也不能產生相應的“知道如何”。“知道如何”和“知道它”之間的對比顯示出科學與工程之間的對比，就如同理論和人工制品之間的對比。調查科學知識的哲學家專注于“知道它”，但是如果我們想平等對待工程，我們需要更多地關注“知道如何”。

（三）工程與科學不同的問題驅動類型

第三個對比的不同特點是科學和工程問題選擇的驅動可能存在性質上的不同。在純科學里，驅動通常來自科學界內部，科學家通常選擇他們自己的研究問題。相反，在工程領域，驅動通常來自于從業者的外界。工程師通常不選擇他們自己的研究問題，而是由政府、企業或者其他外界來源選擇。這里的不同很重要，因為問題的選擇可能影響他們處理問題的方式，一個與科學適應的哲學論述未必適用于工程實踐。和科學調查不同，工程設計體現出迭代性和系統性。迭代性體現在每個新設計版本都要被反復的測試然后改良。系統性體現在需要采取許多有特點的步驟。第一步是識別問題之所在并且規范和限制定義。第二步是產生解決問題的想法。工程師通常采用研究和小組會議（例如，“頭腦風暴”）的方式想出一系列解決辦法并設計出未來發展的備用方案。第三步是通過構建測試物理或者數學模型和檢測潛在解決辦法原型，所有這些都可以提供其他方式所不同提供的寶貴數據。數據在手，工程師可以分析各種方法如何滿足特定規范和限制，然后評估首要設計需要改進的地方或者設計一個更好的出來。相反，科學研究可能或者不可能被當前的實踐應用而驅動。一方面，某種類型的科學研究，為實踐目的進行，產生重要的新技術。

例如巴斯德對疾病微生物理論作出了基礎貢獻，這一理論導致包括炭疽病和狂犬病的接種、預防食物腐敗的牛奶巴斯德氏殺菌法等的產生。另一方面，許多科學研究是受好奇心的驅使，目的是用來回答有關世界的問題或者明白一個觀測模式，例如對繞遙遠星星軌道旋轉的行星的搜尋。對于科學而言，開發這樣一個解釋能夠構成成功本身，不管它是不是具有當前的實踐應用。科學的目的是開發一套條理清晰、互相一致的能解釋廣泛現象的對世界的描述。然而，對工程而言，成功是用人類需要或者愿望滿足或實現的程度來衡量的。以上是對工程和科學之間的三個對比，即理論與人造制品產出之間的對比、“知道它”與“知道如何”的知識類型之間的對比、問題內部驅動和外部驅動之間的對比，通過這些對比劃分工程與科學的界限，對于工程哲學的發展會有幫助。

二、工程教育實踐中工程與科學的區別

工程哲學是近十幾年發展起來的一個新興領域，是對工程造物的思辨，是研究人類改造客觀世界活動的哲學，也是作為工程實踐主體的工程師所必備的工程素養和哲學智慧，它對工程實踐和工程教育改革具有重要的指導意義。然而工程與科學的緊密關系使得工程往往不被重視，或者與科學混為一談，現在需要把工程在教育實踐中予以明確，以下從五個方面對工程與科學在教學實踐的區別進行論述，使得教師和學生能夠對工程有更準確的認識。

（一）提出和定義問題的不同

問題是驅動科學和工程的引擎。科學中需要解答：存在什么和發生了什么？為什么會發生？人們怎么知道？等問題。而工程中需要解答：為滿足特定的人類需要或者愿望可以做些什么？需要怎么能被更好地具體化？什么工具和技術可以用來研制以滿足需要？等問題。科學和工程共同需要回答：人們如何能清晰地表述有關現象、證據、解釋和設計方案？發現問題對發展科學思維習慣是必要的。提出結構良好的問題的能力是科學文化的重要組成部分，能夠幫助學生成為科學知識的批判消費者，即使對于一個不會成為科學家或者工程師的人。科學問題會以多樣方式呈現。人們會受到對世界的好奇心的驅使，例如，為什么天空是藍色的？這樣基本的問題。人們可能被一個模型或者理論預測或者試圖擴展或改善一個模型或理論的想法所激發（例如，物質的粒子模型如何解釋液體的不可壓縮性？）。或者人們可能出于提供一個更好的問題解決辦法的需要。例如，為什么在９．７５３　６米以上的高度，虹吸管不能輸送水的問題導致托里切利（Ｅｖａｎｇｅｌｉｓｔａ　Ｔｏｒｒｉｃｅｌｌｉ）（１７世紀氣壓計的發明者）發現大氣和識別真空。

工程領域里問題的提出也很重要，但不同于科學問題。工程師為了定義工程問題必須能夠提出探索性問題。如，他們可能問：問題產生的需要或者愿望是什么？成功解決方法的標準（規范）是什么？限制是什么？當找到可能的解決辦法時，他們提出其他問題：這個辦法能滿足設計標準嗎？整合兩個或者更多的想法產生更好的辦法嗎？可能的權衡是什么？在測試解決辦法時，產生更多的問題：哪個想法應該被測試？考慮到限制，哪種想法是最佳的辦法，所需要的證據是什么？科學和工程的學習應該發展和鼓勵學生提出結構良好可以被實證調查的問題的能力。學生也需要識別問題之間的區別，哪些問題可以用實證的方法回答，哪些問題只能用其他知識或者人類體驗的其他領域的經驗來回答。

（二）開發和使用模型的不同

科學家建構現象的思想和概念模型。思想模型是內在的、個人的、特質的、不完全的、不穩定的，本質上是功能性的。它以成為思考、預測和經驗意義的工具為目的。概念模型是清晰地陳述事物在某些方面所表現相似的現象。概念模型允許科學家和工程師更好地形成思維圖像，在調查研究中更好地理解現象或者開發出設計問題的可能解決辦法，作為結構、功能或者行為模擬運用在科學和工程學里面。概念模型包括：圖表、實體復制品、數學表述、模擬以及計算機模擬等。雖然它們不能與被模擬的更復雜的實物完全對應，但是當把其他東西最小化或者模糊化時，它們能突出焦點的一些特點。所有的模型都含有近似值和假設，限制它們運用的有效界限和預測力的準確度，這對識別它們的局限性是很重要的。科學家用概念模型表現他們對目前研究中一個系統（或者是系統的一部分）的理解，幫助他們解釋問題，與他人交流想法。科學家使用的一些模型是數學的，例如，理想氣體定律———基于物質原子理論的簡化模型。物理系統的數學表述被用來創造計算機模擬，能夠使科學家預測其他難以應付的系統的行為。可以通過他們對現實世界的預測的比較重復循環評估來改善模型，然后不斷調整模型。最終，潛在地產生對被模擬現象的洞察力。

在某種程度上，概念模型是科學家認同的思想模型的外部銜接，與思想模型緊密相關。相應地，更好的思想模型也會引發對科學的更深程度的理解，提高科學推理。因此對模型本身及其在科學中的角色的理解能夠幫助學生建構和修正現象的思想模型。工程師利用概念模型分析現存的系統，能夠發現哪里存在缺陷，以及什么條件下可能改善或者檢測新問題的可能解決辦法。工程師也使用模型將設計圖像化，并對其進行更高水平的改良，與他人交流設計特點，并且檢測原型設計的效能。模型，特別是為相關自然定律和材料特性編碼的現代計算機模擬，對了解和測試結構設計特別有幫助，例如，應用到建筑物、橋梁或者飛機等方面的結構設計，這些工程產品費用昂貴而且必須經受得住罕見的惡劣條件。其他類型的工程問題在設計和檢測階段也會受益于專業的計算機模擬的使用。但是正如在科學界一樣，使用模型的工程師必須注意到它們的內部局限，在已知情況下進行測試，確保它們的可靠性。

（三）分析和解釋數據的不同

電子數據表和數據庫是分析數據的有用方式，特別是大數據。大量工具能夠幫助識別數據關系，包括表、圖和數學。表將大量數據的主要特點簡化為方便易理解的形式，圖提供視覺上簡化數據的方式，數學對表達數據集不同變量之間關系很必要。現代計算機圖像工具通常使數據呈現不同形式，從而使學習者在他們的分析中互動地使用數據。此外，標準統計技術可以幫助減少將一個變量與另一個變量之間關聯的錯誤效應。數據一旦被收集，就要以揭示任何模式和關系的形式呈現，其結果可以被用來與他人討論。因為原始數據沒什么意義，科學家的一個主要任務就是通過列表、制圖或者統計分析來組織和解釋數據。這樣分析可能產生數據的意義以及它們的相關性，最終它們可以被用來作為證據。工程師也要基于一個可實施的具體的設計做出決定，他們很少依賴反復試驗。工程師通常用模型或者原型分析一個設計并收集它如何運作的大量數據，包括在極端條件下。這種數據的分析不僅能預示設計結果、預測或評估效能，也能幫助定義或者澄清問題、決定經濟可行性、評估被選方案以及調查失敗原因。學生需要機會分析大型數據集，識別數據內部相互關系。信息技術的發展可以使學生運用互聯網，隨時獲得大量科學測量數據，這些數據擴展了學生體驗的范圍，幫助闡明、分析和解釋數據的重要性。

（四）運用數學和統計思想的不同

數學和計算工具是科學和工程的中心。數學能對變量進行數值表示，對物理實體之間關系進行符號表示，以及結果預測。數學為描述和預測現象，如原子結構、萬有引力和量子力學提供有力的模型。自從２０世界中期，計算理論，信息和計算機技術、運算法則將所有科學和工程領域進行徹底的圖像化變革。這些工具和技術允許科學家和工程師收集和分析大型數據集，搜尋特色模式，用之前不可能的方式識別關系和重要特點。他們也提供有力的新技術，利用數學模擬復雜現象。數學（包括統計）和計算工具對數據分析是有必要的，尤其是對大數據集。從不同角度和不同圖形審視數據，測試不同變量之間關系，探索多樣外界條件的交互作用需要數學技能能力，這種能力通過計算技能得到提高和拓展。數學和統計是科學調查中很有力的工具。數學作為工具具有雙重實用功能，即具有作為科學語言的交流功能和進行邏輯推演的結構功能。數學能精確地表達觀點、識別物質世界的新觀點。例如，愛因斯坦基于狹義相對論運用數學分析產生能量守恒的概念。

麥克斯韋通過對電與磁反應的數學分析，產生了現代對電磁波的理解。現代理論物理學深深地受到數學的影響，也就沒有必要區分數學和非數學部分。在許多現代科學中，預測和推理有概率論的性質，所以理解概率數學和統計推理是理解科學的重要部分。工程也涉及數學和統計技能。例如，建筑工程師基于自然定律，創造橋的數學模型和建筑設計，測試它們的效能，探究它們的結構界限以及評估它們是否可以在可接受的預算內完成。實際上，任何工程設計都會提出他們解決辦法中有關計算的問題。盡管在科學和工程領域，數學和統計思考應用上存在不同，數學通常將兩個領域聯合在一起，使工程師能應用科學理論的數學形式并且使科學家使用工程師設計出來的有效的信息技術。兩種專業人才可以完成調查并且分析和建構復雜模型，沒有這些復雜模型是不可能解決問題的。

（五）最終目的不同

科學的目的是提高人類理解世界的能力。因此科學理論被開發用來解釋特定現象的本質，預測未來事件，或者對過去事件推理。科學發展解釋性理論，例如疾病微生物理論、宇宙起源的大爆炸理論、達爾文的物種進化理論。雖然它們的角色通常會被誤解，畢竟“理論”一詞的非正式使用可能意味著猜測，但科學理論是基于重要知識和證據的構想，在新證據下修正，在廣泛的認可和應用之前，必須承受住科學界的仔細檢查。理論不僅僅是猜測，它們特別有價值，因為它們為多種事例提供解釋。科學解釋是對科學理論與具體觀測或者現象之間的聯系的描述，例如，它們解釋被觀察變量之間的關系，描述相關的因果推理的結構。通常，理論首先表現為特殊境況下問題的具體模型，然后基于模型而發展解釋。例如，如果一個人了解了氧氣在體內如何獲得、運輸和使用，那么循環系統將會被開發出來，被用來解釋為什么鍛煉可以使心率和呼吸頻率增高。在科學上，“假設”一詞也與在日常語言中使用不同。科學假設既不是科學理論也不是猜測，它是對可以預測在特定情況下將會發生的事情的觀察現象的擬真解釋。假設是基于對現存的相關情況的理論理解，通常也基于問題系統的一個具體模型。

在工程上，目標是設計而不是解釋。開發設計的過程是迭代性和系統性，正如同在科學上開發解釋或者理論的過程。然而，工程師的活動含有區別于科學家活動的因素。這些因素包括：詳述預期辦法質量的限制和標準、開發設計計劃、制造和測試模型或原型、從備選設計中選擇最滿足設計標準的設計、基于原型或者模擬的效能改良設計觀點等。總之，以往教育主要關注具體科學勞動力產品，即科學事實，而不去了解科學事實是如何形成的或者忽略科學在世界領域的許多重要應用，會曲解科學并使工程的重要性邊緣化。因此需要重視教學中的工程實踐。參與科學實踐可以幫助學生明白科學知識的發展，這種直接的參與可以使他們欣賞到調查、塑造和解釋世界所用的廣泛方法。參與工程實踐也能幫助學生明白工程師的工作以及工程和科學之間的聯系。參與這些實踐能幫助學生形成對科學和工程的交叉概念和學科觀點，也幫助他們認識到科學家和工程師的工作是創造性活動，這種活動深深地影響著他們所生活的世界。此外，它能使學生的知識更有意義，深深地植入他們的世界觀。學生可以認識到科學和工程能應對現今社會面臨的許多挑戰，例如，如何產生足夠的能源、預防和治療疾病、持續提供新鮮的水和食物，應對氣候變化等。　　

三、總結

這種對工程與科學進行的區分需要做更多的工作，需要兩個研究共同體都有興趣找到真正的不同與界限在哪。科學家們可能更關心的是相關實體的本質，工程師更關心了解觀察的結果。科學家們可能更關心的是關于高度理想化的系統的描述，工程師關注現實世界的進程。我們需要更好地了解在這兩個領域中的角色模型。工程哲學作為哲學發展中的一個不斷生長的領域，仍有很多工作要做，需要揭示與科學的理念更多的相似之處和差異。

對世界來說，工程哲學樹立了成功的把價值和知識緊密聯系在一起的典型實踐，它是通過研究工程實踐尋求理性行動的哲學，工程實踐探索本身就是其價值來源之一。這一點上工程肯定不是唯一有資格的，但它有兩個主張需要我們認真面對。首先，工程體現了一種基于應變的理性概念，作為一個復雜的過程，在這過程中是基本功能行為和價值的結合。這比其他任何把行為和價值放在一邊，不為知識和真理設置理性范圍的任何理性的觀念都是更前進了一步。其次，當今時代強烈需要有一個合理的工程政策———能夠更有效的工程行動。工程數個世紀以來乃至現在，存在著忽略技術創新相關的社會和文化等方面的問題。現在需要人們重新認識工程，做出令人信服的改變。

作者：苑健 單位：北京航空航天大學高等教育研究所