高中工程學/工程學對全球和社會的影響

工程學對社會的所有方面都產生了影響。環顧四周，你會發現所有由人類製造的東西。從設計、製造、測試到銷售，工程師可能參與了其中大多數人造物品的生產。

偉大的工程成就

活動 你能想到一些偉大的工程成就嗎？花點時間列出工程師們開發的一些最重要的東西。想一下改變人們生活方式的東西可能會有所幫助。例如，一個世紀以前，人們依靠蠟燭和燈籠照明。這發生了什麼變化？完成你的清單後，與其他人分享你的清單，並瞭解他們認為最重要的工程成就是什麼。 現在你已經列出了一份偉大的工程成就清單，看看其他人將哪些成就列為本世紀最重要的成就。下面，你會看到幾個數字，每個數字都代表著二十世紀一項重大的工程成就。仔細觀察每個數字，並試著確定它代表的工程成就是什麼。看看你的清單上是否有這項成就。如果沒有，請新增進去。

美國國家工程院（NAE）已經確定了二十世紀的二十項頂級工程成就。NAE 建立了一個網頁 (http://www.greatachievements.org/)，它描述了這些成就以及這些成就對人們日常生活的影響。其中許多成就在我們社會中非常普遍，以至於我們習以為常。我們描述了二十項成就中的十項；另外十項成就可以在 NAE 網頁上找到。

圖 8 顯示了中國上海浦東新區的燈光，圖 9 顯示了從太空看到的夜間燈光，這些都代表著電氣化。電氣化是指讓大量人口都能使用電力的過程。我們不僅使用電力照明，還用它來為機器、儀器和電器供電。你一天使用多少臺電動或電池供電的裝置？沒有電氣化，我們今天就不會擁有這些裝置。

圖 2.8：中國上海浦東新區夜間的天際線。

圖 2.9：世界主要城市燈光從太空可見。

圖 10 展示了一輛外觀相當高科技的汽車。在美國生產的第一批汽車是在 1901 年出售的，主要是作為富人的新奇事物。然而，到 1920 年，汽車已經實現量產。在汽車出現之前，人們住在離工作地點很近的地方；一個人必須住在城市裡才能在城市裡工作，因為人們日常通勤的最大距離只有幾英里。距離城市不遠的農場或工廠無法輕鬆地將貨物運送到市場。因此，汽車被認為是讓人們擺脫地理限制，並極大地促進了收入和財富增長。

圖 2.10：豐田概念車。

圖 11 展示了一架噴氣式飛機及其在高空飛行時留下的尾跡。飛機透過使快速長途旅行成為可能，進一步讓人們擺脫了地理限制。飛機也推動了全球經濟發展。

圖 2.11：高空飛行的噴氣式飛機在空中留下了尾跡。尾跡是高空飛行的飛機發動機後面形成的白色條紋（或雲彩）。

圖 2.12：從水龍頭流出的清潔飲用水。

圖 12 展示了一個水龍頭，它代表著清潔水的供應和分配。清潔水對人類生活產生了重大影響。在 1700 年代和 1800 年代，數千人死於包括霍亂、斑疹傷寒和水傳播傷寒在內的疾病，成千上萬人患病。清潔的供水和良好的分配不僅改善了健康狀況，而且促進了新城市的增長、水力發電的發展、作物生長的改善以及水上娛樂活動的普及。

圖 13 展示了一個電子工作室。我們的世界充滿了電子裝置，包括計算機、手機、音樂播放器、相機、計算器、自動取款機和電視等等。我們使用電子裝置進行通訊、娛樂、製造、診斷疾病、幫助駕駛汽車以及進行數千項日常活動。

圖 2.13：一個電子工作臺。

圖 14 展示了一臺 1953 年製造的早期電視機。無線電和電視是值得特別關注的電子裝置，因為它們對新聞和資訊的傳播方式產生了重大影響。在這些技術發展之前，新聞和資訊透過書面形式的傳播方式緩慢傳播。如今，電視讓人們可以即時觀看世界事件。憑藉其數百個頻道，人們還可以體驗其他國家和文化，並獲得娛樂。

圖 2.14：1953 年製造的電視機。

圖 15 展示了一個大型農場的灌溉系統，它代表著農業機械化（幫助農民生產農作物的機器的發展）。在農業裝置發展之前，農民依靠牲畜來幫助他們耕種土地。種植、澆水和收穫農作物都是手工完成的。生產農作物所需的工作量限制了單個農民可以種植的作物。這也意味著很多人從事農業工作，很多家庭自己種植農作物。機器使單個農民能夠生產更多的農作物，以及更一致的農作物質量。這反過來又為社會提供了更多的食物供應，並降低了食物成本。

圖 2.15：灌溉系統為種植的棉花植物澆水。

圖 16 展示了一臺早期計算機。計算機改變了我們的溝通方式。計算機幫助我們寫作；本章由計算機編寫、格式化和分發。在工程和科學領域，它們執行復雜的計算；有很多問題，比如天氣預報，需要數十億次計算。沒有計算機，我們就無法進行這些複雜的計算。計算機還用於控制機器。計算機幫助引導和駕駛飛機；它們控制你汽車的發動機。計算機可以儲存大量資訊，這些資訊可以輕鬆獲取，它們透過網際網路將我們連線到世界各地。計算機促進學習，併為我們提供豐富的娛樂來源。

圖 2.16：一臺於 1980 年代初期製造的 HB85B 計算機。

圖 17 展示了一個男人用過濾吸管喝水，這是一個醫療保健技術的例子。這種特殊的吸管能夠過濾掉汙染水源中的有害細菌和寄生蟲。在過去的幾十年裡，已經開發了許多醫療保健技術，這些技術降低了死亡率，延長了壽命，併為人們提供了更好的生活質量。這些技術包括先進的外科手術技術、人造器官、可以診斷疾病的儀器以及預防性醫療保健裝置。

圖 2.17：LifeStraw 是一種水淨化裝置，旨在過濾掉水中的細菌，並透過吸力供電。水透過一個塗有碘的珠子室，殺死細菌和寄生蟲。它的成本約為 3.75 美元，可以持續使用 700 升水。

圖 2.18：公寓大樓的牆壁。

圖 18 可能是最難辨認的。圖片顯示了一座大型建築物的一側，許多窗戶上都有空調機組。空調最初是用來幫助冷卻製造工藝的。在 20 世紀中期，家庭空調問世，推動了拉斯維加斯、休斯頓和菲尼克斯等陽光地帶城市的爆炸式增長。空調改變了我們的工作環境，讓我們在更舒適的環境中工作。它還改變了季節性工作和娛樂的模式。

NAE 確定的二十世紀其他十項重大工程成就包括公路、航天器、網際網路、成像、家用電器、健康技術、石油和石化技術、雷射和光纖、核技術以及高效能材料。

豐富活動（中等） 寫一篇關於二十世紀重大工程成就之一的簡短報告，該成就來自本章前面列出的成就。給出一些具體的例子來說明這項成就如何改變了人們的生活方式，並解釋這項成就為什麼很重要。

工程的影響

為了理解工程對社會的影響，我們可以想象 100 年前這些技術不存在的時候人們是如何生活的。例如，人們在沒有電話和網際網路的情況下如何交流？主要的遠端通訊方式是信件。雖然信件是一種很好的交流方式，但它們需要時間來寫，而且需要更多時間來傳遞。如果發件人和收件人之間的距離很遠，傳遞一封信可能需要幾個月時間，透過 Pony Express（圖 19）。

圖 2.19：在電報、電話和汽車出現之前，資訊是透過騎馬傳遞的。這張圖顯示了郵政部（美國郵政服務的前身）的官方印章。

通訊的進步也改變了許多公司今天的工作方式。還記得我們第一個工程師 Ashley 的資料嗎？Ashley 在家工作，管理著來自世界各地的兩個工程團隊。如果沒有信件，這是不可能實現的。工程解決方案不斷提高生活質量，增加商業價值，並對全球經濟產生重大影響。

工程既有預期後果，也有意外後果。例如，空調使美國南部大部分地區的生活變得舒適。但是，有時新技術的意外後果可能是負面的。大約十年前，科學家發現空調中使用的氟利昂和類似氣體正在破壞地球的保護臭氧層。因此，必須開發新的氣體和技術。還要考慮空調對文化的影響。在空調出現之前，許多人晚上坐在前廊上，部分原因是他們的房屋太熱了。此外，人們的房屋通常有非常高的天花板——這種設計旨在幫助家庭降溫。

另一個意外後果的例子是幾年前一家公司開發了一種抗除草劑和昆蟲的高抗性玉米種子，這樣農民就不需要在田地裡噴灑毒藥了。一個意外後果是，這種新型玉米種子在生長了幾年後，開始在沒有播種的田地裡生長。農民試圖殺死不需要的玉米植株，但無法做到，因為玉米對毒藥具有抗性。

工程的未來

預測工程的未來非常困難，但工程師在設計新產品時會嘗試這樣做。工程師試圖確定人們現在和未來想要和需要什麼，然後他們設計產品來滿足這些需求。

雖然我們並不知道未來會發生什麼，但我們可以研究一些可能的情景。考慮自然災害。在過去十年中，發生了許多重大災難，包括強烈的颶風、地震和海嘯，造成數十萬人死亡，摧毀了大量財產。如果我們回到世界歷史中，我們還會發現，重大火山噴發和罕見的隕石撞擊事件影響了整個地球。工程師正在努力尋找保護人員和財產免受這些災害的方法，以及預測這些災害並迅速做出反應的方法。

另一個對人們福祉的威脅來自疾病。在 1300 年至 1500 年之間，黑死病殺死了歐洲人口的三分之一到一半。後來，霍亂也殺死了大量的人。今天，這些疾病在發達國家已基本根除，這得益於清潔水和衛生系統的工程建設。然而，世界目前正面臨著艾滋病流行（圖 20），而且將來可能會出現新的疾病威脅。工程師將與科學家、政府和衛生工作者合作，開發和實施技術來預防和應對這些威脅。

圖 2.20：1999 年非洲成年人（15-49 歲）感染 HIV/艾滋病毒的百分比。灰色國家沒有可用的資料。

0%-2%      2%-5%      5%-10%

10%-15%      15%-20%      20%-30%

另一個工程將要滿足的確定需求是能源。由於全世界所有的人都需要能源，世界能源的生產和使用正在快速增長。您可能還記得，電氣化和汽車都被列為 20 世紀的偉大工程成就。化石燃料是生產電力和為汽車提供動力的最常用能源來源，它也會造成汙染並加劇全球變暖。此外，化石燃料的儲量有限，並且價格越來越高。有些人想知道世界是否能夠維持目前的能源增長和消耗模式。由於只有少數國家擁有大部分能源資源，人們對大多數人能夠負擔得起的能源供應價格也感到擔憂。工程師和科學家正在努力開發未來的新能源技術。

工程領域的一些新興趨勢包括生物技術和奈米技術。在生物技術領域，工程師正在研究影響人體、動物和植物生命的設計。工程師和科學家正在努力開發技術來幫助盲人復明，幫助聽力障礙者恢復聽力，幫助殘疾人行走。生物技術也為克隆等有爭議的領域打開了可能性。工程師還與科學家合作，開發可用於能源的作物和工藝。

奈米技術是指開發非常小的產品和元件，通常在 1 到 100 奈米之間。一奈米等於 1×10⁻⁹ 米。奈米非常小，需要非常強大的顯微鏡才能看到這種尺寸的物體。雖然奈米技術領域非常新，但它有望提供新的技術，從更輕更強的材料到可以修復單個細胞的奈米機器人，再到新的癌症治療方法。

充實活動（長） 想象未來，設計並繪製一張新產品的圖片。解釋新設計滿足什麼需求或目的。請其他人審查您的設計並提供一些反饋。然後，使用反饋重新設計您的產品。

結論

在本章中，我們通過幾個執業工程師的個人資料、工程招聘廣告以及一些工程師取得的偉大成就，探討了工程的本質。我們探討了一些非常廣泛的工程職業和任務集合。我們還討論了當今最常見的工程專業。這些活動為理解工程對我們社會的影響奠定了基礎。我們還考察了幾個趨勢，以幫助我們瞭解工程的未來。最後，我們探討了工程的教育要求和執照。

複習題

以下問題將幫助您評估您對工程對全球和社會的影響部分的理解。每個問題可能有一個、兩個、三個甚至四個正確答案。為了證明您理解，您應該找到所有正確答案。

1 工程的新興領域是

	奈米技術
	地球技術
	航空技術
	逆向技術

2 電氣化是

	為許多不同的使用者發電和配電
	觸電
	用電力驅動機械、儀器和電器
	不是一項重要的工程成就

3 汽車和噴氣式飛機

	讓人們擺脫了地理的限制
	都是重要的工程成就
	具有相同型別的發動機
	很危險，應該被廢棄

4 計算機

	為我們提供娛樂
	控制機器
	執行復雜的計算
	儲存大量資訊

5 空調

	沒有任何意外的負面後果
	導致地球臭氧層受損
	最初是為了在汽車中使用而開發的
	使美國南部的生命變得舒適

6 工程的未來是

	很容易預測
	由工程師試圖設計產品來滿足人們的需求而決定
	與能源生產相關
	不受自然災害影響

複習答案

1. a
2. a, c
3. a, b
4. a, b, c, d
5. b, d
6. b, c

詞彙

顧問

提供專業或專家建議的人。

電子學

涉及電力裝置和系統的開發和應用。

全球經濟

跨越國界的國際貿易和商業傳播，政府的限制最少。

微電子學

使用極小的元件設計、開發和製造電子系統。

死亡率

衡量一定時期內人口死亡人數，可以是總體死亡人數，也可以是特定原因造成的死亡人數。

專利

政府授予發明者在一定年限內製造、使用或銷售一項發明的獨佔權利。

快速成型 (RP)

使用專用裝置在計算機控制下自動製造物理物體。

參考文獻

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