關(guān)于工程圖學(xué)發(fā)展史的科學(xué)模式探討

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

關(guān)鍵詞：工程圖學(xué) 計算機輔助繪圖（CAD）技術(shù)發(fā)展

一、工程圖學(xué)發(fā)展的前科學(xué)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(rèn)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?？梢赃@樣認(rèn)為：圖樣的產(chǎn)生和發(fā)展是緊密的圍繞人類的誕生和技術(shù)的進步進行的，用圖來表達技術(shù)思想的時間和人類的歷史等長。

當(dāng)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(dāng)舊的技術(shù)無法去適應(yīng)新的要求時，適應(yīng)社會需求的新技術(shù)新要求將應(yīng)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?！皼]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(rèn)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(xué)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(rèn)的理論，也就是沒有形成該學(xué)科的“范式”。即該學(xué)科此時還處于原始科學(xué)階段?？梢韵胂笤诋?dāng)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(dāng)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(dāng)工業(yè)革命到來時，它能適應(yīng)社會的發(fā)展么？因此，社會的進步和發(fā)展急需科學(xué)家們通過研究，形成公認(rèn)的“范式”，并依靠共同信仰的“范式”把大家統(tǒng)一為一個科學(xué)的共同體。此時，基礎(chǔ)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(xué)發(fā)展的常規(guī)科學(xué)階段（形成范式）

18世紀(jì)歐洲的工業(yè)革命促使一些科學(xué)技術(shù)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(xué)家盟日（Gaspard Monge 1746-1818）總結(jié)前人經(jīng)驗，根據(jù)平面圖形表示空間圖形的規(guī)律，應(yīng)用投影法創(chuàng)建了《畫法幾何學(xué)》（1789年出版），奠定了圖形理論基礎(chǔ)，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(xué)家在盟日之前就有了畫法幾何方面許多內(nèi)容的應(yīng)用和實踐，但是，是盟日的《畫法幾何學(xué)》把數(shù)學(xué)和圖學(xué)緊密地聯(lián)系到了一起，使人們能夠用準(zhǔn)確的方式表達出物體的形狀，這不僅在科學(xué)上有著重大的意義，同時也奠定了工程圖學(xué)的理論基礎(chǔ)，促進工程圖學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展。此門學(xué)科已形成了公認(rèn)的范式，但在此階段的科學(xué)活動的任務(wù)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(jì)50年代，中國著名學(xué)者趙學(xué)良教授簡明而通俗地總結(jié)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(xué)易懂。近20年來，工程圖學(xué)的內(nèi)容日漸擴展，除“圖示”的理論、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)日益完善外，“圖解”、“圖算”、“圖表”的內(nèi)容也不斷增加。兩百多年來，經(jīng)過不斷完善和發(fā)展，逐步形成了一門獨立的學(xué)科——《工程圖學(xué)》。

三、反常及危機階段

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計基本過程是設(shè)計人員先在頭腦中設(shè)想好機件的三維實體形狀，然后利用機件的表達方法把設(shè)想好的三維實體形狀轉(zhuǎn)換為二維視圖，形成機件的圖樣，接著加工人再經(jīng)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(xué)的應(yīng)用過程較為復(fù)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(zhì)量？能否甩掉了圖板？這又給圖學(xué)研究的科學(xué)家們提出了新的問題。新的問題的出現(xiàn)，推動更多的科學(xué)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(xué)家們將解決的問題。

四、科學(xué)革命階段

科學(xué)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(xué)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(jì)50年代，世界上第一架平臺式自動繪圖機誕生，計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大大地促進了圖形學(xué)的發(fā)展；也促使工程圖學(xué)涉及到其他學(xué)科，大大地擴展了工程圖學(xué)的理論研究和應(yīng)用范圍，使這門古老而適用的科學(xué)技術(shù)煥發(fā)出新的青春活力。以前繁重的手工繪圖已不再適應(yīng)社會發(fā)展的需求，其速度、保存、修改都嚴(yán)重地影響了工作效率和質(zhì)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(shè)計過程省去了三維實體形狀和二維視圖之間的轉(zhuǎn)換過程；因此，我們甩掉了圖板。計算機技術(shù)的發(fā)展使得工程圖學(xué)的應(yīng)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?，F(xiàn)在，應(yīng)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(shù)中產(chǎn)品開發(fā)和制造的關(guān)鍵問題?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，復(fù)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(chǎn)品的設(shè)計繪圖（CAD）、設(shè)計計算、加工制造、生產(chǎn)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(xué)、人工智能、計算機網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和計算機集成制造、并行工程、協(xié)同設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)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(shè)計、物性分析、動態(tài)仿真方向發(fā)展，參數(shù)化設(shè)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(shù)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(jīng)歷了由幾何信息模型、拓?fù)湫畔⒛Ｐ汀⒌疆a(chǎn)品的發(fā)展過程，實現(xiàn)了設(shè)計、制造、測試一體化。

五、新常規(guī)規(guī)科學(xué)階段

科學(xué)革命以后，科學(xué)家即轉(zhuǎn)入新的常規(guī)科學(xué)階，進入了在新范式指導(dǎo)下的漸進式發(fā)展。目前圖學(xué)理論研究方面，三維CAD設(shè)計軟件有3DstudioMAX Pro/Engineer，Solidworks UG等等已廣泛用于工程設(shè)計與制造中。在圖學(xué)應(yīng)用方面，由于計算機繪圖技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使圖學(xué)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(shù)在其它行業(yè)中也得到了廣泛地應(yīng)用和實踐。在科學(xué)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(xué)理論研究的新領(lǐng)域。

科學(xué)技術(shù)是人類社會的重要活動方式，科學(xué)技術(shù)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(xué)的發(fā)展歷程看出，科學(xué)史是常規(guī)科學(xué)和科學(xué)革命不斷交替的過程，循環(huán)往復(fù)、永無止境。

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