關于工程圖學發(fā)展史的科學模式探討

摘要：回顧工程圖學理論發(fā)展的歷史過程，用辯證唯物主義的觀點分析圖學的科學發(fā)展模式。

關鍵詞：工程圖學 計算機輔助繪圖（CAD）技術發(fā)展

一、工程圖學發(fā)展的前科學階段

自從勞動開創(chuàng)人類文明史以來，圖形與語言、文字一樣，是人類認識自然、表達和交流思想的基本工具。遠古時代，人類從制造簡單工具和營造建筑物，就開始使用圖形來表達意圖，但都是以直觀寫真的方法來畫圖。據(jù)出土文物考證，早在一萬多年前的新石器時代，我國人民就能夠繪制一些簡單的幾何圖形。西安半坡出土的仰韶期彩盆上有人面形和魚形圖案；甘肅省出土的彩陶罐的表面畫有剖視表示的捕獲野獸的陷阱圖等。可以這樣認為：圖樣的產生和發(fā)展是緊密的圍繞人類的誕生和技術的進步進行的，用圖來表達技術思想的時間和人類的歷史等長。

當一些圖形無法清晰地表達更具體的事物時，人們對繪圖提出了規(guī)定。也就是當舊的技術無法去適應新的要求時，適應社會需求的新技術新要求將應運而生。三千多年前，我國勞動人民就創(chuàng)造了“規(guī)、矩、繩、墨、懸、水”等繪圖工具。“沒有規(guī)矩，不成方圓”，反映了中國古代對尺規(guī)作圖已有深刻的理解和認識。宋代刊印的《營造法式》是我國較早的建筑典籍之一，書中印有大量的建筑圖樣，這些圖樣與近代工程制圖表示方法基本相似。但他們還沒有形成一個體系，也沒有被規(guī)范化。此階段從事同類學科的研究者對共同研究的問題基本觀點很不一致，各種理論長期爭辯和競爭，沒有為大家所接受的公認的理論，也就是沒有形成該學科的“范式”。即該學科此時還處于原始科學階段。可以想象在當時的社會，以“繩、墨、懸、水”等繪圖工具來進行作圖是什么樣的效率？并且當時的圖樣沒有完整的尺寸，只有用文字注釋的尺寸，也就是圖樣的直觀性很好，但度量性卻很差。當工業(yè)革命到來時，它能適應社會的發(fā)展么？因此，社會的進步和發(fā)展急需科學家們通過研究，形成公認的“范式”，并依靠共同信仰的“范式”把大家統(tǒng)一為一個科學的共同體。此時，基礎規(guī)律的新發(fā)現(xiàn)，新理論的建立都成為必然。

二、工程圖學發(fā)展的常規(guī)科學階段（形成范式）

18世紀歐洲的工業(yè)革命促使一些科學技術的迅速發(fā)展，對圖樣的度量性能要求越來越高，改變圖樣的表達方式勢在必行。法國著名科學家盟日（Gaspard Monge 1746-1818）總結前人經驗，根據(jù)平面圖形表示空間圖形的規(guī)律，應用投影法創(chuàng)建了《畫法幾何學》（1789年出版），奠定了圖形理論基礎，將工程圖的表達與繪制規(guī)范化。雖然現(xiàn)代畫法幾何的理論并不都是盟日的首創(chuàng)，我國和世界上很多科學家在盟日之前就有了畫法幾何方面許多內容的應用和實踐，但是，是盟日的《畫法幾何學》把數(shù)學和圖學緊密地聯(lián)系到了一起，使人們能夠用準確的方式表達出物體的形狀，這不僅在科學上有著重大的意義，同時也奠定了工程圖學的理論基礎，促進工程圖學技術的飛速發(fā)展。此門學科已形成了公認的范式，但在此階段的科學活動的任務是不斷驗證和發(fā)展范式，促使范式不斷自我完善和自我發(fā)展。比如，20世紀50年代，中國著名學者趙學良教授簡明而通俗地總結了三視圖的投影規(guī)律為“長對正、高平齊、寬相等”，從而使制圖易學易懂。近20年來，工程圖學的內容日漸擴展，除“圖示”的理論、技術和標準日益完善外，“圖解”、“圖算”、“圖表”的內容也不斷增加。兩百多年來，經過不斷完善和發(fā)展，逐步形成了一門獨立的學科——《工程圖學》。

三、反常及危機階段

傳統(tǒng)的產品設計基本過程是設計人員先在頭腦中設想好機件的三維實體形狀，然后利用機件的表達方法把設想好的三維實體形狀轉換為二維視圖，形成機件的圖樣，接著加工人再經過分析圖樣中的二維視圖，想象出該機件的三維實體形狀。這種常規(guī)的工程圖學的應用過程較為復雜。如何提高圖樣的直觀性？如何提高手工繪圖的效率，圖樣的質量？能否甩掉了圖板？這又給圖學研究的科學家們提出了新的問題。新的問題的出現(xiàn)，推動更多的科學家去探索解決這些問題和矛盾的方法，人們便進行猜測，試探作出解答，提出理論。用三維圖樣代替二維圖樣，用機器代替手工，這將是科學家們將解決的問題。

四、科學革命階段

科學革命就是用新范式戰(zhàn)勝和取代舊范式，沖破舊理論建立新理論。科學不是停留在已有的知識體系上，而是不斷地探求新知識、放棄舊范式、舊理論、接受新范式、新理論的創(chuàng)造性活動。20世紀50年代，世界上第一架平臺式自動繪圖機誕生，計算機技術的廣泛應用，大大地促進了圖形學的發(fā)展；也促使工程圖學涉及到其他學科，大大地擴展了工程圖學的理論研究和應用范圍，使這門古老而適用的科學技術煥發(fā)出新的青春活力。以前繁重的手工繪圖已不再適應社會發(fā)展的需求，其速度、保存、修改都嚴重地影響了工作效率和質量；三維圖樣的形成，使人們對空間形體的把握更為直觀，三維CAD設計過程省去了三維實體形狀和二維視圖之間的轉換過程；因此，我們甩掉了圖板。計算機技術的發(fā)展使得工程圖學的應用發(fā)生了巨大的變化：過去，人們把工程圖紙作為表達零件形狀，傳遞零件分析和制造的各種數(shù)據(jù)的唯一方法。現(xiàn)在，應用高性能的計算機繪圖軟件生成的實體模型可以清晰而完整的描述零件的幾何形狀、并且可以基于特征造型的實體模型直接生成該零件的工程圖或數(shù)據(jù)代碼，完成零件的工程分析和制造。

為支持快速敏捷制造，幾何知識的共享已成為制約現(xiàn)代制造技術中產品開發(fā)和制造的關鍵問題。科學技術的飛速發(fā)展，產品功能要求的日益增多，復雜性增加，壽命期縮短，更新?lián)Q代速度加快。目前，計算機輔助產品的設計繪圖（CAD）、設計計算、加工制造、生產規(guī)劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效。隨著計算機圖形學、人工智能、計算機網絡等基礎技術的發(fā)展和計算機集成制造、并行工程、協(xié)同設計等現(xiàn)代設計理論和方法的研究，使得CAD系統(tǒng)也由單純二維繪圖向三維智能設計、物性分析、動態(tài)仿真方向發(fā)展，參數(shù)化設計向變量化和VGX(超變量化)方向發(fā)展，幾何造型、曲面造型、實體造型向特征造型以及語義特征造型等方向發(fā)展都取得了巨大成績。作為CAD技術核心的幾何建模，由最初的線筐模型、表面模型發(fā)展到實體模型、特征模型經歷了由幾何信息模型、拓撲信息模型、到產品的發(fā)展過程，實現(xiàn)了設計、制造、測試一體化。

五、新常規(guī)規(guī)科學階段

科學革命以后，科學家即轉入新的常規(guī)科學階，進入了在新范式指導下的漸進式發(fā)展。目前圖學理論研究方面，三維CAD設計軟件有3DstudioMAX Pro/Engineer，Solidworks UG等等已廣泛用于工程設計與制造中。在圖學應用方面，由于計算機繪圖技術和電子技術的迅猛發(fā)展，使圖學中的畫法幾何、軸測投影、透視原理、撲拓變換、四維空間等實用技術在其它行業(yè)中也得到了廣泛地應用和實踐。在科學不斷發(fā)展的今天，如果三維空間也無法解決的問題時，人們將會向更高維數(shù)的畫法幾何的研究方法進軍，不斷地開拓圖學理論研究的新領域。

科學技術是人類社會的重要活動方式，科學技術的進步和發(fā)展直接推動人類文明的進步和發(fā)展。從工程圖學的發(fā)展歷程看出，科學史是常規(guī)科學和科學革命不斷交替的過程，循環(huán)往復、永無止境。

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