利用自然辯證法淺論工程設計的變遷

摘 要：本文以自然辯證的觀點探討了工程設計方法的發展歷程，運用自然辯證法的基本理論、基本方法，系統分析了工程設計方法的發展歷史、現狀和未來。并對其的發展趨勢和未來模式做了探索性研究和預測，同時以哲學的觀點闡述了其發展的因果關系，揭示了其事物發展的共性問題。

關鍵詞：自然辯證法 工程設計 機械制圖 AutoCAD 產品的現代設計過程 虛擬技術

一、科學認識大門的鑰匙——當代自然辯證法

自然辯證法，是馬克思主義對于自然界和科學技術發展的一般規律以及人類認識自然改造自然的一般方法的科學，是辯證唯物主義的自然觀、科學技術觀、科學技術方法論。它主要研究自然界發展的總規律、人與自然相互作用的規律、科學技術發展的一般規律、科學技術研究的方法。

馬克思、恩格斯全面系統地概括了他們所處時代成功的科學技術，批判吸取了前人的合理成分，系統地論述了辯證唯物主義自然觀、自然科學發展過程及其規律性，以及科學認識方法的辯證法，以恩格斯的光輝著作《自然辯證法》為標志，創立了自然辯證法繼續發展的廣闊道路。

自然辯證法是馬克思主義哲學的一個重要組成部分。在辯證唯物主義哲學體系中，自然辯證法與歷史唯物論相并列。它集中研究自然界和科學技術的辯證法，是唯物主義在自然界和科學技術領域中的應用，它的原理和方法主要適用于自然領域和科學技術領域。

學習和運用自然辯證法將有助于我們搞清科學和哲學的關系，從而更加清楚地認識科學的本質和發展規律，更加全面地觀察、思考問題。只有加深了認識，我們才能更好地發揮主觀能動性，迎接新的科學技術的挑戰。下面以自然辯證法的觀點來分析計算機語言的發展歷程。

二、工程設計的發展歷程和發展趨勢

第一階段：機械制圖。用圖來狀物紀事的起源很早，如中國宋代蘇頌和趙公廉所著《新儀象法要》中已附有天文報時儀器的圖樣，明代宋應星所著《天工開物》中也有大量的機械圖樣，但尚不嚴謹。1799年，法國學者蒙日發表《畫法幾何》著作，自此機械圖樣中的圖形開始嚴格按照畫法幾何的投影理論繪制。

機械制圖是用圖樣確切表示機械的結構形狀、尺寸大小、工作原理和技術要求的學科。圖樣由圖形、符號、文字和數字等組成，是表達設計意圖和制造要求以及交流經驗的技術文件，常被稱為工程界的語言。

第二階段：AutoCAD。AutoCAD的發展過程可分為初級階段、發展階段、高級發展階段、完善階段和進一步完善階段五個階段。

在AutoCAD 2004的基礎上，Autodesk公司還同時發布了針對建筑業、基礎設施和機械制造業的10個行業應用解決方案。AutoCAD 2004與它的前一版本AutoCAD 2002相比，在速度、數據共享和軟件管理方面有顯著的改進和提高。

AutoCAD 2004的速度比AutoCAD 2002提高24%，網絡性能提升了28%，DWG文件大小平均減小44%，可將服務器磁盤空間要求減少40%—60%。

在數據共享方面，AutoCAD 2004采用改進的DWF文件格式——DWF 6，支持在出版和查看中安全地進行共享；并通過參考變更的自動通知、在線內容獲取、CAD標準檢查、數字簽字檢查等技術提供了方便、快捷、安全的數據共享環境。

此外，AutoCAD 2004與業界標準工具SMS、Windows Advertising等兼容，并提供免費的圖檔查看工具Express Tools，在許可證管理、安裝實施等方面都可以節省大量的時間和成本。

AutoCAD 2004擁有輕松的設計環境，它把用戶的注意力從鍵盤、鼠標和其它輸入設備轉移到設計上來。在完成任務的自動化方面，AutoCAD 2004還向用戶提供實時的信息和數據訪問，幫助用戶進行設計。

第三階段：產品的現代設計過程。對于現代產品的設計成功取決于很多因素，其中產品的設計和制造兩方面是最為重要的。所完成的產品設計都要能夠付之制造，需要從設計過程入手，即摒棄那些傳統的手工設計方法，采用以計算機為基礎的各種現代設計方法。

現代設計是一個高度復雜的過程，它不僅需要工程設計人員的投入，而且制造、財務、銷售各部門的人員也都要參與。新產品的設計是以滿足市場和客戶要求為驅動力而展開的。采用的設計方法也用很多種，較為簡單的是CAD方法，有的是面向制造的設計（DFM，Design For Manufacturing）、并行工程（CE，Concurrent Engineering）、系統設計法、功能設計法、功效學設計法、可靠性設計法和最優化設計法等各種方法。不管何種現代設計方法，其實質上是根據建立起來的數學模型，不斷進行優化計算，使滿足預先設定的評價指標，經過迭代優選，從可選的設計方案中選取最優的設計方案。整個設計過程是一個反復迭代的過程，它的設計過程可歸納為如下六個過程，下圖用圖表形式表達設計過程之間的關系：

三、工程設計的發展趨勢

目前我國的工程設計應倡導三個發展方向。其一：應是指創造、發明性的探索性設計發展方向。它的益處在于設計師以挑戰者的身份出現，較少地受客觀條件的制約，敢做異想天開、超越一般的設想，做出較大跨度的新奇的探求，具有極強的超前和突破性質。工業設計應面向21世紀的前景方向而發展，特別是未來生態環境的擴大，各種新能源、新材料的問世，使人們的衣、食、住、行等生活方式產生了很大的改變。其二：是指創新的設計方向。是立足于現實，考慮到生產、工藝、市場銷售、人們需求、社會環境等因素的統一協調關系，并在此基礎之上，從客觀實際出發，利用現有的材料、加工工藝，在產品形式上、功能上做出創新的設計。其三：是在工業設計中運用高科技，尋找新能源材料的方向。現代設計是跨越21世紀的設計，應不同于以往的設計。首先，就能源而言，隨著科技的發展，新能源層出不窮。因此，現代工業設計也應順應這種潮流，使設計出的產品能充分利用新能源，為人們帶來便利，滿足人們日益增長的購買需求和生活需求。其次，電子科技的高速發展，必然要求現代設計以此為輔助工具，加速設計的完成，使設計更為完備。當今市場競爭的日益激烈與科學技術進步的加快，使得產品開發的技術含量與復雜程度日益增加，同時產品的生命周期不斷縮短，因此，縮短新產品開發的周期、提高新產品開發的技術水平、降低新產品開發的成本，并保證上市后產品的上市周期，是當前新產品開發著重要解決的問題。虛擬設計（Virtual Design）屬于多學科交叉技術，涉及眾多的學科和專業技術知識，它隨著科學技術的發展，特別是計算機輔助CAX技術的發展，開始廣泛地應用于企業的生產與制造之中。虛擬設計技術在新產品開發過程中的應用，使產品設計實現更自然的人機交互，采用并行設計工作模式，系統考慮各種因素，使相關的人員之間相互理解、相互支持，把握了新產品開發周期的全過程，提高了產品設計的一次性成功。從而縮短了產品開發周期，降低了生產成本，提高了產品質量，給企業帶來了更多的商機。

虛擬現實（Virtual Reality）技術與多媒體技術的發展，虛擬現實技術與多媒體技術有機結合在新產品開發過程中的使用，以及科技人員不斷提高的計算機操作的人機界面綜合技術，改善了虛擬產品設計中人與計算機的交互方式。目前所采用的將虛擬現實技術引入CAD環境，便于模擬新產品開發中產品的某些性能，又便于設計人員對產品的修改。技術條件好的公司，在進行虛擬產品設計時，設計人員可以先利用現有的CAD系統建模，再轉換到VR環境中，讓設計人員或準客戶來感知產品。設計人員也可以利用VR-CAD系統，直接在虛擬環境中進行設計與修改。例如在對汽車的設計時，設計人員在具有全交互性的設計環境中，利用頭盔顯示器、具有觸覺反饋功能的數據手套、操縱桿、三維位置跟蹤器等裝置，將視覺、聽覺、觸覺與虛擬概念產品模型相連，不僅可以進行虛擬的合作，產生一種身臨其境的感覺，而且還可以實時對整個虛擬產品（Virtual Product）設計過程進行檢查、評估，實地解決設計中的決策問題，使設計思想得到綜合。在交互性的虛擬環境快速成型設備上，設計人員對虛擬產品設計模型的直接設計，提高了設計人員積極性與創造性的發揮。多媒體技術軟硬件的飛速發展，特別是虛擬現實技術與多媒體技術的有機結合，加快了設計人員從鍵盤和鼠標上解脫下來的速度，使虛擬設計技術在新產品開發應用方面也得到提升。雖然目前僅是起步階段，在通過多種傳感器與多維的信息環境進行自然的交互方面，及實現全方位的認識方面還有待于進一步提高，但在新產品開發設計應用方面具有很大的潛力，而且應用前景廣闊。應該深入開發研究，使虛擬設計技術更好地幫助設計人員在新產品開發中提升設計創新思維能力與產品設計水平。虛擬設計技術為新產品開發提供了數字設計平臺，使新產品開發的周期減少、費用降低，提高了新開發的產品質量。但是如何更有效地利用虛擬設計技術為新產品開發服務，還有待于我們在實際的設計中進行探索。

結束語

用科學的邏輯思維方法認識事物才會清楚地了解其過去、現在和未來，理念的發展同樣遵循著科學技術發展的一般規律，以自然辯證法的觀點來分析工程設計，有助于我們更加深入地認識工程設計發展的歷史、現狀和趨勢。有了自然辯證法這把開啟科學認識大門的鑰匙，我們將回首過去、把握現在、放眼未來，正確地選擇工程設計發展的方向，更好地學習、利用設計理念，保證以最合理的方式和最經濟的條件進行施工和制造，增加工程建設和生產過程的預見性，是科研成果轉化為現實生產力的重要橋梁。