國家重大工程是科技進步的牽引力——再論工程技術科學的關係

2015, 7(04): 317-322.

作者簡介：

欒恩傑（1940–），男，中國工程院院士，研究方向為航空航天工程技術。

【作者熱文：工程系統與系統工程】

摘 要:

通過對工程、技術和科學關係的辯證思考，論述了國家重大工程是科技進步的牽引力。以2014年諾貝爾物理學獎和化學獎為例，分析了技術進步在科學發展中的基礎作用；以六千年工程師歷史為切入點，總結了歷史上大型工程和現代科技工程中工程實踐的特點，分析了工程對科技發展的牽引作用；通過分析現代高等院校科系分類和新型學科建立不甚合理的現狀，總結了當今科技發展中跨學科跨領域發展的基本屬性和基本模式，提出應重視重大工程的跨學科特徵及其工程實施方法。

我曾發表文章論述科學、技術、工程之間關係及這種關係的「無首尾邏輯」性質[1]。這裡展開論述三者關係中工程的牽引力作用，包括兩個命題和一個特點。

1 技術是科學發展的基礎

我從一篇文章說起，今年《科技導報》有一篇文章，是北京大學物理學院沈波、於彤軍和清華大學葛惟民教授撰寫的，題目是《2014年諾貝爾物理學獎解讀》。看過之後很有感慨和啟發。他們在介紹由日本二位科學家和一位日裔科學家獲得的「發明了高效GaN（氮化鎵）基藍色發光二極體，帶來了明亮而節能的白色光源的貢獻」時，講了下面一段話：當瑞典皇家科學院2014年10月7日公布這項諾貝爾物理學獎時，國內物理學界驚訝、驚嘆與驚喜並存。驚訝是因為它不在前期預測的熱門獲獎人和獲獎成果之中，驚嘆的是應用性和技術性如此之強的成果獲得了物理學獎，驚喜的是看到了在這個被認為「不很物理」的領域內拼搏的同行們獲得的巨大成就被理論物理學界的認同。

我不是搞理論物理的學者，也不是應用物理方面的專家，所以對上面提到的驚訝和驚喜沒有體驗。但現代科學技術的發展進入了互相促進、互相推動、互相支撐的無首尾邏輯狀態卻已深有感觸了。跨越狹義科學和技術的界面進入跨學科、跨領域的創新驅動的時代已經來臨，所以，我很理解上述三位作者對獲獎感到驚嘆並讚賞對這一現象的敏感和關注。其重要的一點是技術在科學發展中起到了什麼作用？在當代科技發展的重大命題、需求面前，我們的科技工作者對這一問題將作怎樣的思考？在獲獎的三位物理學家中有一位中村修二先生，他是一位工程師，工欲善其事，必先利其器，他參與這項工作後，從裝置改造開始，發明了用低成本氮氣退火方法代替電子束輻射，用氮化鎵緩衝層代替氮化鋁緩衝層，為氮化鎵基藍光發光二極體研製成功，做出了關鍵的貢獻。在半導體技術發展的100年間出現過九項諾貝爾獎，從這些成果的屬性看，既有基礎物理，也有應用物理。而這些成果的獲取卻無一不是在相應關鍵技術的突破和關鍵裝置的保證下完成的。無獨有偶，2014年諾貝爾化學獎授給了發展超解析度熒光顯微成像技術的三位科學家。其隨機單分子定位技術、單分子的光吸收測量技術、單分子信號實現技術的突破是實現超解析度技術的關鍵，使人類醫學、生命科學的研究實現多色、三維的高速成像，所獲取的技術進步和技術手段必然會帶動物理學、化學、醫學的發展。

在這裡，我很忐忑地表述我的第一個命題：「技術是科學發展的基礎」。在我講這個命題時，我並沒有否定科學進步是技術發展的基礎性條件。

2 工程是技術進步的牽引力

我從一本書說起，最近我讀了一本由吳啟迪教授作序的《工程師史——一種延續了六千年的職業》。[2]吳教授一定參與了這項工作，費了很大的心血，因為去年她曾向我提起過這本書。該書是德國工程師協會為慶祝該協會成立150年而作。我用兩周時間將其讀完，受益匪淺。作為一名工程師，看過之後，我為自己是工程師史的無知者而慚愧，是這本書給我補了課，使我得到啟蒙。

我頭一次知道，力學工具的工作原理是在公元前五世紀醫學文獻的外科手術一節中詳細記載的。《論骨折》一書，作者將夾板、拉伸複位與絞車、槓桿、斜面楔的原理及控制力作了詳細描述，在當時較大的城市已經使用了「希波格拉底工作台」，這是一塊又寬又厚的木板，兩端裝有絞車、配有槓桿的凹槽、固定肢體的裝置。我看這個2500年前的裝置完全可以定義為「現代先進醫療器械」的先驅和鼻祖。

圖1 希波格拉底工作台

圖片來源：參考文獻[2]。

是人類文明與進步的需求牽引著人類的探索欲和創造力，是人類不斷創新的工具發明和使用產生了相應的理性思索和規律探討，進而產生了相應的技術和理論。無論是「培根的科學分析範式」、「布魯爾的社會建構範式」，還是所謂的「常人方法論」，我認為有幾點是值得我們重視和研究的。

其一，科學不應被看做僅僅是知識，而是看做一種實踐。科學知識社會學（SSK，Sociology of Scientific Knowledge）學者安德魯·皮克林在他發表的「從作為知識的科學到作為實踐建構的科學」一文中，具體分析了這一重要轉變。[3]

其二，科學和技術在現階段是相融合的，一般而言，它已失去了鴻溝式的界面。非但如此，很多原本界定的非「科技」領域的學科也在與科技相接。甚至社會領域、政治領域、經濟領域，都以科學和技術進行表述。一個新的名稱「科學技術社會論」（STS，Science, Technology and Society）已經出現。STS學者們跟實踐行動者、科學家、決策者、工程師諸多人員一起進行跨學科的研究，學科同知識相互融合（圖2）。

圖2 科學、技術、工程、社會融合示意圖

其三，近幾十年的科學社會學的進展，已經超越了傳統默頓學派，出現了不少分支（下面的所有內容皆見參考文獻[3]）。比如默頓（Merton）的四種規範論：普遍主義、公有性、無私利性、有組織的懷疑主義，構成了現代科學的基本特性；比如按庫恩說法，「離開科學共同體，科學知識就什麼也不是」；比如波義爾認為，「合法的知識只要是集體產生，且獲得構成這個集體成員的自願的同意就可以說它是客觀的」。波義爾的事實生產過程涉及三項技術，即物質技術、書面技術和社會技術；比如社會建構主義的科學觀反對「無主體的認識論」，人的因素被置於視野的核心，科學知識被揭示為人的作品；比如海德格爾把科學的本質歸結為技術；比如皮克林把科學知識看作物質的、概念的及工具的因素在實踐中不斷「攪拌」的結果，比如更早，康德主張「人為自然立法」；比如休謨科學知識構成里，心理因素不可或缺；阿達瑪將數學發明分為有意識的準備、無意識的醞釀、頓悟和有意識的整理這四個階段；科學的社會性最突出的代表現象是抗議化工、抵制核能、反對轉基因、質疑幹細胞、懷疑氣候變化論等等。

「攪拌」用來形容科學與技術的關係，在我看來已經不是無首尾邏輯，而是不停地攪合「餃子餡」了。

我以方法論的觀點去理解其含義，這樣可以使我們能在分歧和爭論中得到方法論上的綜合和提煉。這樣做不是實用性的捏合，而是將現代科技特點進行提煉和綜合。在工程方法論研究中值得我們關注。

世界留給我們的七大奇蹟，無一不是人類大型工程的偉大成就，而其中所包含的土木、水利、機械、自動裝置、鑄造工藝、蓄水和排污等等，以及我國先民留下的萬里長城、南北大運河、長江水利工程，無一不是當今相應工程科學學科的開山之作。

圖3 世界七大工程奇蹟

古希臘的兩位傑出工程師科泰西維奧斯和阿基米德，不但解決了當時的工程實踐的問題，而且能對工程進展中發生的現象凝聚成題、窮追不捨，使其還原成理、形成一學。

理論知識的發展趕不上實用技術的進步是人類科技發展的常見態勢，新知識產生於針對新技術進行的試驗之中，歷史上是通過對蒸汽機的研究，薩迪·卡諾創立了熱力學理論；第一個火車頭的設計師羅伯特·斯蒂芬森是個敢吃螃蟹的人，他還建造了世界上第一座可以承受鐵路運輸載荷的大橋—布列坦尼亞橋，它是用鍛造鋼板鉚接起來的，斯蒂芬森和其助手進行了一系列試驗，這些數據為建橋的理論基礎形成提供了依據。工程師從系統試驗中得到的技能和知識又一次走在了理論的前面，差不多在40年後，人們才有了合適的理論模型[2]143。設計師那維爾在總結自己對於弔橋的理論思索，成為那維爾—斯托克斯方程的創立者[2]197。這種例子舉不勝舉。現代工程的科技帶動作用尤為突出，縱觀近現代國內外的開發海洋工程、開發陸地資源工程、開發太空資源工程，更顯示出它對科學技術發展的牽引性。如果說科學是技術的基礎、技術是工程的保證，也即「科學—技術—工程」這一鏈條的建構是準確的，那麼我可以說「工程—技術—科學」這又一個鏈條更是正確的。

圖4 「工程——技術——科學」鏈條

「工程師史」這本書總結了六千年的工程師職業生涯，並在其「科學化的新浪潮」一節，歸納出「工程技術科學」這一概念。這個概念的提出不是因為它由工程師協會的角度而產生的，它是現代科技發展的正確道路的規律性表述。

所以我的第二個命題是：「工程是科技發展的牽引力」。

3 跨學科是當代工程的基本特點

我從一個現狀說起，我沒有把握這種說法是否準確，供專家們討論批評。科學史家波普爾認為「對手之間的理論爭論是科學界的組成部分，科學家互相批判構成了科學進步的引擎」。[4]

我們現代的高等院校科系分類愈來愈細，大格局上仍按照幾十年之前的模式和格局，即使是新型學科的建立也是獨立起來（或者叫做孤立起來）進行構建。似乎一個新的學科沒有從其他相鄰學科分離出來，就沒有表示出新意，或者說不夠獨立成為一個學科的資格，這種愈分愈細的專業教育，在科學性較強的理論領域，或者說以「還原論」作為其科學思維的主流學術範圍內是合理的，那麼在工程教育、技術傳授為主的專業教育，或者說以系統整體論作為哲學思維的科技領域則是不甚合理的，因為什麼呢？時代變了！

跨學科、跨領域的發展是當今科技發展的一個基本屬性、一個基本的模式。各領域之間的交融、滲透、交叉是其基本的特點。我們可以普遍地感受到信息技術為我們社會進步帶來的普惠，現在還有哪一個學科不和信息技術相關？當我們把信息技術普遍地應用到各行業、各領域的時候，我們還會只在信息學院、或某一專業院校的信息工程系講這門學問嗎？學科建設如此，工程實施、工程設計、建造、運營和應用更是如此。

而重大工程，特別是國家重大工程，它需要動員全國的或者是某一地方的力量，為一個工程的目標共同努力、共同協作。在這個過程中會不斷產生新的技術需求、新的理論推動。只從美國的曼哈頓、阿波羅、信息高速、星球大戰等工程計劃到雄心勃勃的2030登陸火星無一不是牽動了各部門的活力，它所衍生的核能技術、控制技術、動力技術、能量技術、測量技術、通訊技術、導航技術、天體理論、空間生命保障技術、計算技術、材料技術及與之相應的傳統的物理學、化學、數學、天文、地理、生命科學的發展都產生了巨大的推動作用。

以現代火箭技術而言，我們怎樣去認識它本身定義的「技術」呢？就其動力而言，不論是固體推進，還是液體推進，它都屬於化工範疇。而使火箭產生有效動力和有目的行為的是其相關的控制系統和相應的閥門、管路和感測器，它應當屬於系統的控制、感測器和執行機構的範疇，按現在語言屬於信息與控制。它的最大部分是有極高的特殊要求的各種容器，比如推進劑貯箱、各種高壓的氣體貯箱等等，它又屬於材料、工藝、機械範疇。除此之外，它是什麼呢？我們不能用盲人摸象的方式只從某一個角度去定義為一個機電信息控制的裝置或系統，我們也不能因為火箭是一個燃燒產生推力的過程而定義為燃燒構件。所以火箭是一個綜合體，是跨專業、跨學科的綜合的系統性成果。

在工程方法論的研討中，我們更應注意重大工程的這個跨學科性的特徵及其工程實施方法。跨學科要求我們跨出具體學科的視角。需知，單從某一個學科發展而確定的工程是不成立的，它必須要有與其相應的學科成果支持。所以確定一個工程的時候，一定要詢問與它相關的技術準備怎麼樣了；這是工程確立的「必要條件說明」。現在有的學者大談人類移居火星，要把火星變成適於人居住的星球。這是非常誘人的計劃，美國近年來更是大肆宣揚載人登上火星，建設適於人居住的火星這樣一些科幻性的科普。我是從事航天的，理應對其勇敢的探測給以響應，但我們不能違背工程方法論的原則—「必要條件說明」去決策。科普工作者、科技工作者都有責任去激發人們的科學熱情，但如果要講到「工程」，而不是科幻里的未來性的「理想工程」，那就要認真思考後再決定。當我們人類把一個好端端的非常適於人居住的家園—地球，搞得污水、污山、污地、污食、污氣、污人，目前尚未完全治理好的時候，我們的科技工作者應聯手干點好事、實事，保護好、維護好、愛護好我們的家園，這才是當務之急之事，沒幹好自己的事之前，我們沒有資格去改造別的星球，我也不相信會把別的星球搞好，我們暫時不要幻想把荒涼的月球、火星改造成像地球一樣適於人類居住，但千萬不要把我們美好的地球家園變成荒涼的月球和火星。據英國《每日郵報》報道，NASA有能力在2033年將人送入火星軌道，並在2039年首次實現人類登陸火星。該報近期又有報道，由於有新型火箭，地月旅行時間僅需4小時，稱該發動機突破了動量守恆定律，中國某報紙發布消息稱到達火星只需39天。我對這類報道的內容是感到興奮的，但如果將這些沒有經過「必要條件說明」的事情作為工程實踐去運作，是會碰壁的。這種轟轟烈烈上馬，凄凄慘慘收場的工程我們見得不少了，連德國的飛機工程、核技術工程都是這種結局，所以我們在論述工程是科技進步牽引力的命題時，是以科技的基礎性作用下所起到的扳機的作用而存在的。美國航空航天局（NASA）2014年發展戰略規劃中專門制定了「STEM教育與責任」計劃（STEM，Science Technology EngineeringMathematics）（STEM Education andAccountubility Program），他們力圖將科學、技術、工程與數學做為四項重大的普及教育推向全民，可見「工程」已經作為一個重要的發展牽引力與科學和技術一起支撐起人類發展的大廈。

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