工程師的思考法則：擁有科學邏輯的頭腦，像工程師一樣思考 101 Things I Learned in Engineering School

進入理科人的職場世界

 

工程學院新生必讀

啟蒙大學生找脈絡，引發工程師反思專業

鼓勵大家用工程師視野看世界

 

　　給所有人的公開課

　　告訴你工程學的「十萬個為什麼？」

　　工程師們懂甚麼？想什麼？

　　帶你擁有科學邏輯的頭腦，像工程師一樣思考！

 

　　圖解最基本的工程學入門

　　感覺很難的理工常識，竟然都看懂了？！

　　原來，生活中的所有問題

　　都蘊藏著一個再熟悉不過的基本科學

 

　　側身科普界數十年，哪本書是工程學的「十萬個為什麼」？我敢說就是這本書。──張之傑（科普作家）

 

　　「曲高未必和寡，深入何妨淺出」的科普特色，本書非常適合想就讀理工科系的高中生閱讀。──簡麗賢（北一女中物理教師）

 

　　為什麼提升生產速度並不會省錢？地下水會讓建築「上浮」嗎？設計汽車，追求速度，但如何不讓白努力定律使車子「飛」起來？十字路口超危險！圓環交流道為何既安全又有效率？運用簡單的三角形結構，就能打造最穩固複雜的大橋？混凝土不是變乾，而是癒合？！

 

　　▌專業迷人、充滿挑戰，腦補你不知道的工程師世界
 

　　工程師認為他們的專業迷人、有創造力並充滿有趣的挑戰。但外行人卻認為工程學是重複性高、機械性並讓人深感挫折？！為何如此？其實兩種觀點都明顯為真。因為工程是門複雜的學問。工程學需要在大學課程的前兩年密集地學習數學、物理與化學。儘管聚焦在這些重要學科上，大學課程卻往往沒有展現學科間的連結。當作者還是一個工程學院的新鮮人時，發現課堂上所學到的計算與抽象概念難以與現實世界產生連結，因而感到挫折──因為工程學院的課程讓你見樹，卻不見林！

 

　　本書試圖翻轉這一點，在美國加州大學任教的作者，既是工程師，又是老師，努力深入淺出，藉由強調基本概念背後的常識、各項工程學專業主題之間的關聯，說明簡單的抽象概念究竟是如何從日常生活中推導出來。

 

　　這本書展現了工程學背後的脈絡，能讓入門者和一般人一瞥工程學的林與樹，啟蒙並激起大學生找出學科間連結的興趣，並讓他們了解正在學習的數學、科學知識背後的脈絡；也期待引發在職工程師們去反思他們專業領域間微妙而難以捉摸的關係；並鼓勵一般讀者以工程師的視野看待工程的世界：一個迷人、富創造力、有挑戰性、需要協作、並永遠充滿意義的世界。

 

　　▌原來，「土木工程」是所有工程學分支的源頭？
 

　　「工程學」是什麼？作者開篇就以「工程學系譜」來說明工程學科之間錯綜複雜的關係：生物醫學、電腦、核子、生物化學、航太、化學、環境、電子、材料、機械、軍事……工程，這些學科在「物理、化學、數學、生物學」等知識上各有哪些不同的側重與考量？而「土木工程」，其實正是所有工程學分支的源頭。

 

　　▌解決問題，工程師這樣想

 

　　‧做工程不是數學競賽

　　計算並不是工程的階段目標或最終目的，計算只是用來找到問題解決方案的許多手段之一。

 

　　‧工程師都懂計算，好的工程師會「溝通」

　　隨著更多工程專業領域的出現，工程師「對話」的需求也變得更迫切。現在的工程師不但需要注意領域內高度專業化的術語與概念。同樣地，工程師必須要能夠將這些專業術語轉換成能被客戶、使用者及其他工程師了解的日常語言。

 

　　˙初期的決定造成的影響最大

　　計畫進行初期所做的決定或假設，對設計本身、可行性與成本都會造成深遠影響。

 

　　˙提升生產速度並不會省錢

　　當生產程序加速，通常會預期減少間接成本，如設備租金、管理、水電費，但加速實際上會產生更多混亂、錯誤、不合格產品以及加班費。理想的計畫持續時間，要盡可能讓間接成本與直接成本最小化。

 

　　‧很少有消費者會願意付錢購買完美的產品

　　相較於高品質產品，顧客會更願意花錢購買品質進步的低品質產品。低品質產品10%的進步，會創造比10%更多的品質價值──最佳的品質／成本狀態會在價值與成本曲線的「斜率」相同時發生。

 

　　‧完美的可靠性並不總是值得追求

　　追求產品的完美可能導致成本上升：橋、太空船、心律調整器等類似的重要產品可靠性的數值是1（最強），因為這些產品的故障可能造成生命損失；DVD播放器、玩具等，通常會被設計為可靠性小於1，因為這些產品的故障並不危急。

 

　　˙設計總是有所取捨

　　好的設計並不會讓每個考量最大化，或是在每個考量中做出妥協，而是在數個可能的方案中，尋找最好的那一個。

 

　　▌工程學 ABC

 

　　‧工程結構必知的「基本三力」（作用力、應力、應變）與「物質四特性」（剛性、強度、延展性、韌度）

　　‧「機械工程學」鑽研物體運動的最大極限，「結構工程學」鑽研如何讓物體不動如山

　　‧電池能發揮功用在於「腐蝕作用」

　　‧較硬的物質不一定堅固、較軟的物質不一定更具保護力──「震動頻率」的奧祕

　　‧如何讓阻礙滾動的「摩擦力」有效地協助滾動？

　　‧三角形比正方形更穩固

　　‧「一面」合格的現代牆壁其實有「四層」：隔水層、氣密層、隔熱層、防蒸氣層

　　‧平衡是一個動態而非靜止的狀態，工程結構平衡也是

 

　　▌認識你自己！工程師的科學定位

 

　　‧哲學家 → 對人類企圖背後的理想、意義、價值提出反思。

　　‧科學家 → 藉由實驗與假說來確立自然法則。

　　‧工程師 → 用已確立的科學原則來設計具有實際用途的物品。

　　‧技術員 → 用已知的方法檢查並解決問題。

　　‧使用者 → 渴望立即切入沒有延遲的使用體驗，通常只擁有極少的技術知識。

 

按讚推薦

 

　　張之傑（科普作家）

　　側身科普界數十年，哪本書是工程學的「十萬個為什麼」？我敢說就是本書。

 

　　瘋狂理查（知識型Youtuber）

 

　　簡麗賢（北一女中物理教師）

　　工程學與物理學息息相關，力學更是土木工程的基礎。《工程師的思考法則》以淺顯易懂的文字描述工程學思維，言簡意賅詮釋工程案例，呈現「曲高未必和寡，深入何妨淺出」的科普特色，非常適合想就讀理工科系的高中生閱讀。

作者簡介

 

約翰‧庫本納斯（John Kuprenas）

 

　　執業工程師與綠能建築專業工作者。他在南加州大學（USC）與加州州立大學長堤分校都有教授土木工程相關課程。也是STV Group公司的資深的副董事長與代理董事。他目前已經出版了多篇期刊與專書《計畫管理的故事》（The Story of Managing Projects）。

 

繪者簡介

 

馬修‧佛瑞德列克（Matthew Frederick）

 

　　建築師、城市設計師、設計師及寫作指導，著有《建築的法則：101個看懂建築，讓生活空間更好的黃金法則》（原點出版)，是廣受讚譽的「我學到的101件事」（101 Things I Learned)系列的創造者、編輯和插畫家。住在紐約的哈德遜河谷。

 

譯者簡介

 

劉士豪

 

　　國立臺灣大學生化科技系畢業輔系哲學，現為自由工作者，同時於美國佛羅里達州邁阿密大學哲學系攻讀博士學位。

01、土木工程是所有工程學分支的源頭。

02、工程的成功與失敗取決於「黑盒子」。

03、工程的核心不是計算，而是解決問題。

04、你的重量即是向量。

05、每一個問題都蘊藏著我們熟悉的原則。

06、每一個問題都是獨特的。

07、「在每一個大問題裡，都有一個小問題待優先解決。」

08、一個物體受力作用、承受應力並展現應變。

09、當力作用在物體上，三種狀況可能發生。

10、當作用在固定物體上的力增加時，三種狀況會發生。

11、四種物質的特性。

12、物質相互作用競爭。

13、電池能發揮功用是因為腐蝕作用。

14、物質的硬度不保證其壽命。

15、士兵不該跨橋行軍。

16、為何舞動的葛提會崩塌？

17、柔軟的物質並不總是更具保護力。

18、建築想要上浮。

19、汽車想要飛行。

20、地面效應。

21、圓環交流道是最安全，也是最有效率的交叉口。

22、摩擦力是滾動物體的大敵，但也讓滾動成為可能。

23、正確性與精確性是不同的概念。

24、設計總是有所取捨。

25、量化即為逼近。

26、隨機假說 ＃1

27、工程師會確保多重保障。

28、三角形本質上是穩定的。

29、桁架的複雜是簡約考量的結果。

30、建築結構的建造是由下而上的，然而設計卻是由上而下的。

31、建築的內容物可能比起建築本身更重。

32、摩天大樓如同垂直「懸掛」的鋼樑。

33、抗震設計：隨之而動，或者完全不動。

34、確保設計能以正確的方式發揮作用。

35、堪薩斯城凱悅酒店天橋坍塌事故。

36、鋼樑最好是 I 形，若為工形則更佳。

37、充分利用鋼樑。

38、發明是才智與材料的混合。

39、磚石拱在發揮功效時更加堅固。

40、牆的四段變遷史。

41、建築的第一原則。

42、設計圖只能解釋部分事物。

43、混凝土並不是變乾，而是癒合。

44、混凝土與水泥是不同的東西。

45、混凝土與鋼鐵是古代就有的材料，不是現代才有。

46、製造的三個階段。

47、檢查過多或過少都會產生更多錯誤。

48、初期的決定會造成的影響最大。

49、提升生產速度並不會省錢。

50、完美的可靠性並不總是值得追求。

51、人類的平均無故障時間為一千年。

52、很少有消費者會願意付錢購買完美的產品。

53、福特平托車並不是不安全。

54、當你要求一個零件執行多個功能時，必須小心。

55、設計一個「會故障」的部分。

56、將一隻手放在你的口袋裡。

57、保持一隻腳不動。

58、如何讀懂地形圖。

59、平衡挖空與填補。

60、順著自然規律而行。

61、空氣是一種流體。

62、熱不能被摧毀，冷不能被創造。

63、電熱器不只放出熱輻射而已。

64、土壤是最可靠的加熱與冷卻系統。

65、可利用的太陽能，是我們所需能量的五萬倍。

66、環境工程思維的典範轉移。

67、環境工程師的十條戒律。

68、水是恆常存在的。

69、水的回收利用。

70、以仿效自然的方式處理廢水。

71、不要假定解決之道。

72、系統性地思考。

73、「從上百個組合中找出最好的，然後……再重組，再找出最好的！」

74、像系統一樣思考。

75、一個成功的系統不必然在任何尺度下都能發揮功用。

76、系統無論簡單或複雜，都是能被預測的；介於簡單與複雜之間的系統則未必如此。

77、將銳角磨圓，以阻止裂縫擴大。

78、尋找負向回饋。

79、拓展問題的維度。

80、塔漢諾克高架橋

81、幾乎所有東西都是某種化學物質，而幾乎所有化學物質都是危險的。

82、化學式並不完全是等式。

83、平衡是一個動態而非靜止的狀態。

84、電流唯有在能返回其來源時，才能發揮功用。

85、蹺蹺板即是力矩平衡遊戲。

86、重心

87、那是柱子，而不是支撐柱。

88、清楚說明「為什麼」，而不只是「要做什麼」。

89、所有的工程師都會計算。而好的工程師會溝通。

90、不必為橋的種類煩惱，也能看懂懸臂橋

91、隨機假說 ＃2

92、現在，你是弦桿。接著，你是連接點。

93、滿足的工程學。

94、工程事件是關於人的事件。

95、在設計之外的設計。

96、找出可以量測結果的標準評估程序。

97、最重要的事情，就是將最重要的事情作為最重要的事情看待。

98、在正確地完成一件任務的同時，處理更多事情。

99、一個工程問題的修正方案，可能並不是工程學上的修正。

100、通常來說，工程學並不發明輪子，而是改良輪子。

101、偉大的連續。